童金虎 彭小川 王景涛 周艳

进水口水头损失计算探讨

童金虎 彭小川 王景涛 周艳

在进水口的设计过程中，需要进行水力学计算。采用了水利水电工程进水口设计规范中的沿程水头损失和局部水头损失公式对进水口进行计算。结合非洲某水电站进水口典型例子分析了沿程损失的λ为什么采用了柯尔勃洛克-怀特计算。结合水力学试验成果分析了进水口流速采用水力学断面进行计算的准确性。

进水口 局部水头损失 沿程水头损失

1 进水口布置

非洲某水电站设计引水流量160.5 m3/s。电站进水口位于刚果河的左岸、坝轴线上游约20 m处。进水口轴线与坝轴线呈20°相交。结合地形条件，进水口布置为岸塔式进水口，进水口建筑物布置有拦污栅、事故闸门、闸门启闭机房等。在进水口前部设中墩将进口分为4孔，在检修闸门前渐变为1孔。进水口底板顶高程为341.00 m，检修平台高程为359.80 m，底板长度为30.4 m，宽度由31.5 m渐变为10.0 m。取水口每孔设置1道拦污栅。孔口净宽6.0 m，高10.5 m，共4孔。当隧洞引用流量为160.5 m3/s时，过栅流速约为0.9 m/s。拦污栅下游设1道单孔事故闸门（动水中闭、静水中启），事故闸门净宽为8.0 m，高7.0 m。见图1。

图1 进水口布置示意图

2 进水口水损计算

2.1 局部损失计算

局部水头损失计算公式：

式中hj——局部水头损失；

v——平均流速，m/s；

ζ——局部水头损失系数；

g——重力加速度，取9.78 m/s2。

2.1.1 流速计算

进水口引水流量为160.5 m3/s。应当采用引水流量除以水力学断面计算断面平均流速。经过计算拦污栅流速为2.04 m/s、喇叭口段流速为3.67 m/s、闸门槽段流速为3.67 m/s、渐变段流速为4.17 m/s。

2.1.2 局部水损系数的选取

拦污栅水头损失系数ζ1：局部水头损失系数，

进水口喇叭口段水头损失系数ζ2：矩形断面平顺收缩时，局部水头损失系数为0.1。

闸门槽水头损失系数ζ3：闸门槽局部水头损失系数取为0.15。

渐变段水头损失系数ζ4：由方变圆的局部水头损失系数取为0.05。

2.1.3 计算成果

局部水头损失包括：拦污栅水头损失、进水口喇叭口段水头损失、闸门槽水头损失、渐变段水头损失。计算成果见表1。

表1 局部水头损失计算成果表m

2.2 沿程水损计算

沿程水头损失也可以用达西公式表示：

式中hf——沿程水头损失；

l——计算段长度，m；

v——平均流速，m/s；

Ru——水力学半径，m；

λ——沿程阻力系数，其中λ的选取直接影响沿程损失的计算结果，采用柯尔勃洛克-怀特公式计算。

分段计算进水口的沿程水头损失，总和hf= 0.46 m。

3 水头损失计算的分析与研究

3.1 水流流速的选取分析

在进行水头损失计算时，通常采用流量除以断面面积来计算平均流速v。这对于圆形管道计算结果一样，因为v=Q/A，A=4πR2，而R=d4，d= 2r，则A=πr2；（R为水力半径，r为圆管半径）。

对于非圆形流道过水断面，应该使用水力半径R来计算断面平均流速，即v=Q/4πR2。以非洲某水电站工程的进水口闸门槽段计算为例，几何面积A=8×7=56 m2，周长为30 m，流量160.5 m3/ s，按几何面积计算的流速为2.87 m/s，按照水力半径R=1.87 m计算的平均流速v=3.67 m/s，流速相差27.8%，误差影响很大。按照水力学断面计算局部水头损失为0.313 m，根据几何断面流速计算局部水头损失为0.189 m。对比该工程的水力模型试验的计算成果为0.4 m，与采用水力学断面的计算结果比较一致。这是因为采用流量除以断面面积计算平均流速v，这种计算方式没有充分考虑水体的黏滞性，没有充分认识湿周和水力学半径的含义，所以计算结果存在较大偏差。

3.2 沿程水头损失计算公式的比较

输水系统水头损失计算公式的选择，一直困扰着工程师。其中达西公式作为计算水头损失的半理论公式，已被工程师所接受，但对于水头损失系数的计算，则有多个计算公式的选择，如巴甫洛夫斯基公式、柯尔勃洛克-怀特，海曾-威廉公式、曼宁公式以及舍维列夫公式等。

舍维列夫公式适于旧铸铁管和旧钢管满管紊流。海曾-威廉公式适于较光滑的圆管满管紊流计算，主要用于给水管道水力计算。巴甫洛夫斯基公式适用于明渠流和非满流排水管道计算。曼宁公式是巴甫洛夫斯基公式中y=1/6时的特例，适用于明渠或较粗糙的管道计算。柯尔勃洛克-怀特公式适于各种紊流，是适用性和计算精度最高的公式之一。公式为：

e——管壁当量粗糙度，m，由实验确定。

但此式需要迭代计算，不便于应用，可以简化为直接计算的形式：

对于水电工程中输水系统的水头损失计算，美国规范（EM 1110-2-1602 Hydraulic Design of Reservoir Outlet Works）中推荐采用柯尔勃洛克-怀特公式和达西公式配合计算，这种计算方法具有考虑因素多，适用范围广，计算精度高等优点，特别对于实用管道，在紊流过渡区，适用性更好。

某非洲水电站进水口段沿程水头损失计算，采用柯尔勃洛克-怀特公式计算为0.46 m，采用曼宁公式计算水头损失为0.34 m，水力模型试验的成果为0.5 m。通过对比可以看出，柯尔勃洛克-怀特公式计算适用性和精度较好。

4 结语

（1）本文通过对非洲某水电站进水口水头损失的计算成果分析，对比水力学试验成果，验证了采用水力学断面计算水头损失的准确性，建议在以后的设计工作中采用水力学断面计算流速。

（2）分析了几种沿程水头损失系数的计算公式。对于取水口的水头损失计算建议采用柯尔勃洛克-怀特公式和达西公式配合计算水头损失。

[1]SJ 285—2003水利水电工程进水口设计规范[S].

[2]杨欣先,李彦硕．水电站进水口设计[M]．大连：大连理工大学出版社.1990.

童金虎 男 工程师中国葛洲坝集团国际工程有限公司北京 100025

彭小川 男 工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津 300222

王景涛 男 高级工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津 300222

周艳 女 工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津 300222

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