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

在進水口的設計過程中，需要進行水力學計算。采用了水利水電工程進水口設計規(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)合水力學試驗成果分析了進水口流速采用水力學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。取水口每孔設置1道攔污柵?？卓趦魧?.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。應當采用引水流量除以水力學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。柯爾勃洛克-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，對比水力學試驗成果，驗證了采用水力學斷面計算水頭損失的準確性，建議在以后的設計工作中采用水力學斷面計算流速。

（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計規(guī)范[S].

[2]楊欣先,李彥碩．水電站進水口設計[M]．大連：大連理工大學出版社.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計研究有限責任公司天津 300222

王景濤 男 高級工程師中水北方勘測設計研究有限責任公司天津 300222

周艷 女 工程師中水北方勘測設計研究有限責任公司天津 300222

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2015-03-16）