進水口水頭損失計算探討

童金虎 彭小川 王景濤 周艷

進水口水頭損失計算探討

童金虎 彭小川 王景濤 周艷

在進水口的設(shè)計過程中，需要進行水力學(xué)計算。采用了水利水電工程進水口設(shè)計規(guī)范中的沿程水頭損失和局部水頭損失公式對進水口進行計算。結(jié)合非洲某水電站進水口典型例子分析了沿程損失的λ為什么采用了柯爾勃洛克-懷特計算。結(jié)合水力學(xué)試驗成果分析了進水口流速采用水力學(xué)斷面進行計算的準確性。

進水口 局部水頭損失 沿程水頭損失

1 進水口布置

非洲某水電站設(shè)計引水流量160.5 m3/s。電站進水口位于剛果河的左岸、壩軸線上游約20 m處。進水口軸線與壩軸線呈20°相交。結(jié)合地形條件，進水口布置為岸塔式進水口，進水口建筑物布置有攔污柵、事故閘門、閘門啟閉機房等。在進水口前部設(shè)中墩將進口分為4孔，在檢修閘門前漸變?yōu)?孔。進水口底板頂高程為341.00 m，檢修平臺高程為359.80 m，底板長度為30.4 m，寬度由31.5 m漸變?yōu)?0.0 m。取水口每孔設(shè)置1道攔污柵。孔口凈寬6.0 m，高10.5 m，共4孔。當隧洞引用流量為160.5 m3/s時，過柵流速約為0.9 m/s。攔污柵下游設(shè)1道單孔事故閘門（動水中閉、靜水中啟），事故閘門凈寬為8.0 m，高7.0 m。見圖1。

圖1 進水口布置示意圖

2 進水口水損計算

2.1 局部損失計算

局部水頭損失計算公式：

式中hj——局部水頭損失；

v——平均流速，m/s；

ζ——局部水頭損失系數(shù)；

g——重力加速度，取9.78 m/s2。

2.1.1 流速計算

進水口引水流量為160.5 m3/s。應(yīng)當采用引水流量除以水力學(xué)斷面計算斷面平均流速。經(jīng)過計算攔污柵流速為2.04 m/s、喇叭口段流速為3.67 m/s、閘門槽段流速為3.67 m/s、漸變段流速為4.17 m/s。

2.1.2 局部水損系數(shù)的選取

攔污柵水頭損失系數(shù)ζ1：局部水頭損失系數(shù)，

進水口喇叭口段水頭損失系數(shù)ζ2：矩形斷面平順收縮時，局部水頭損失系數(shù)為0.1。

閘門槽水頭損失系數(shù)ζ3：閘門槽局部水頭損失系數(shù)取為0.15。

漸變段水頭損失系數(shù)ζ4：由方變圓的局部水頭損失系數(shù)取為0.05。

2.1.3 計算成果

局部水頭損失包括：攔污柵水頭損失、進水口喇叭口段水頭損失、閘門槽水頭損失、漸變段水頭損失。計算成果見表1。

表1 局部水頭損失計算成果表m

2.2 沿程水損計算

沿程水頭損失也可以用達西公式表示：

式中hf——沿程水頭損失；

l——計算段長度，m；

v——平均流速，m/s；

Ru——水力學(xué)半徑，m；

λ——沿程阻力系數(shù)，其中λ的選取直接影響沿程損失的計算結(jié)果，采用柯爾勃洛克-懷特公式計算。

分段計算進水口的沿程水頭損失，總和hf= 0.46 m。

3 水頭損失計算的分析與研究

3.1 水流流速的選取分析

在進行水頭損失計算時，通常采用流量除以斷面面積來計算平均流速v。這對于圓形管道計算結(jié)果一樣，因為v=Q/A，A=4πR2，而R=d4，d= 2r，則A=πr2；（R為水力半徑，r為圓管半徑）。

對于非圓形流道過水斷面，應(yīng)該使用水力半徑R來計算斷面平均流速，即v=Q/4πR2。以非洲某水電站工程的進水口閘門槽段計算為例，幾何面積A=8×7=56 m2，周長為30 m，流量160.5 m3/ s，按幾何面積計算的流速為2.87 m/s，按照水力半徑R=1.87 m計算的平均流速v=3.67 m/s，流速相差27.8%，誤差影響很大。按照水力學(xué)斷面計算局部水頭損失為0.313 m，根據(jù)幾何斷面流速計算局部水頭損失為0.189 m。對比該工程的水力模型試驗的計算成果為0.4 m，與采用水力學(xué)斷面的計算結(jié)果比較一致。這是因為采用流量除以斷面面積計算平均流速v，這種計算方式?jīng)]有充分考慮水體的黏滯性，沒有充分認識濕周和水力學(xué)半徑的含義，所以計算結(jié)果存在較大偏差。

3.2 沿程水頭損失計算公式的比較

輸水系統(tǒng)水頭損失計算公式的選擇，一直困擾著工程師。其中達西公式作為計算水頭損失的半理論公式，已被工程師所接受，但對于水頭損失系數(shù)的計算，則有多個計算公式的選擇，如巴甫洛夫斯基公式、柯爾勃洛克-懷特，海曾-威廉公式、曼寧公式以及舍維列夫公式等。

舍維列夫公式適于舊鑄鐵管和舊鋼管滿管紊流。海曾-威廉公式適于較光滑的圓管滿管紊流計算，主要用于給水管道水力計算。巴甫洛夫斯基公式適用于明渠流和非滿流排水管道計算。曼寧公式是巴甫洛夫斯基公式中y=1/6時的特例，適用于明渠或較粗糙的管道計算?？聽柌蹇?懷特公式適于各種紊流，是適用性和計算精度最高的公式之一。公式為：

e——管壁當量粗糙度，m，由實驗確定。

但此式需要迭代計算，不便于應(yīng)用，可以簡化為直接計算的形式：

對于水電工程中輸水系統(tǒng)的水頭損失計算，美國規(guī)范（EM 1110-2-1602 Hydraulic Design of Reservoir Outlet Works）中推薦采用柯爾勃洛克-懷特公式和達西公式配合計算，這種計算方法具有考慮因素多，適用范圍廣，計算精度高等優(yōu)點，特別對于實用管道，在紊流過渡區(qū)，適用性更好。

某非洲水電站進水口段沿程水頭損失計算，采用柯爾勃洛克-懷特公式計算為0.46 m，采用曼寧公式計算水頭損失為0.34 m，水力模型試驗的成果為0.5 m。通過對比可以看出，柯爾勃洛克-懷特公式計算適用性和精度較好。

4 結(jié)語

（1）本文通過對非洲某水電站進水口水頭損失的計算成果分析，對比水力學(xué)試驗成果，驗證了采用水力學(xué)斷面計算水頭損失的準確性，建議在以后的設(shè)計工作中采用水力學(xué)斷面計算流速。

（2）分析了幾種沿程水頭損失系數(shù)的計算公式。對于取水口的水頭損失計算建議采用柯爾勃洛克-懷特公式和達西公式配合計算水頭損失。

[1]SJ 285—2003水利水電工程進水口設(shè)計規(guī)范[S].

[2]楊欣先,李彥碩．水電站進水口設(shè)計[M]．大連：大連理工大學(xué)出版社.1990.

童金虎 男 工程師中國葛洲壩集團國際工程有限公司北京 100025

彭小川 男 工程師中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司天津 300222

王景濤 男 高級工程師中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司天津 300222

周艷 女 工程師中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司天津 300222

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