水文水利計(jì)算課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　水文水利計(jì)算</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)說明書</b></p><p>　　2014年6月19日</p><p><b>　　1.設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　在流域上擬修建一水庫，因而要進(jìn)行水庫規(guī)劃的水文水利計(jì)算，其具體

2、任務(wù)是：</p><p>　　(1)設(shè)計(jì)年徑流及其年內(nèi)分配；</p><p>　　(2)選擇水庫死水位；</p><p>　　(3)推求設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和校核標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)洪水過程線；</p><p>　　(4)推求各種洪水特征水位及壩頂高程的確定。</p><p>　　2.流域基本資料概況</p><p>

3、;　　2.1 流域及水庫概況</p><p>　　西苕溪為太湖流域一大水系，流域面積為2260km2，發(fā)源于浙江省安吉縣天目山，干流全長150km，上游坡陡流急，安城以下堰塘遍布，河道曲折，排泄不暢，易遭洪澇災(zāi)害，又因流域攔蓄工程較少，灌溉水源不足，易受旱災(zāi)。根據(jù)解放后二十多年的統(tǒng)計(jì)，僅安吉縣因洪澇旱災(zāi)每年平均損失稻谷1500萬斤，嚴(yán)重的1961~63年，連續(xù)三年洪水損失稻谷9300萬斤，沖毀耕地萬余畝。<

4、/p><p>　　該水庫為根治西苕溪流域水旱災(zāi)害骨干工程之一，控制西苕溪主要支流西溪，壩址以上流域面積328km2。流域內(nèi)氣候溫和、濕潤、多年平均雨量孝豐站為1450mm，國民經(jīng)濟(jì)以農(nóng)、林業(yè)為主，流域內(nèi)大部為山區(qū)，小部為丘陵，平地較少。流域水系及測站分布見圖1。</p><p>　　圖1 西苕溪流域水系及測站分布圖</p><p>　　水庫以防洪為主，結(jié)合發(fā)電、灌溉、航

5、運(yùn)及水產(chǎn)，是一座綜合利用水庫。為大(2)型水庫，工程等別為II等，永久性水工建筑級別為2級。確定下游防洪標(biāo)準(zhǔn)為5%，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為1%，校核標(biāo)準(zhǔn)為0.1%，因此需要推求5%、1%、0.1%設(shè)計(jì)洪水過程線。</p><p>　　2.2 水文氣象資料情況</p><p>　　流域內(nèi)有三個(gè)雨量站，分別從1956年、1961年和1962年開始觀測到今。</p><p>　　在壩

6、址下游1公里處設(shè)有水文站，自1954年開始有觀測的流量資料，通過頻率計(jì)算可得各設(shè)計(jì)頻率的設(shè)計(jì)年徑流量，選擇典型年，計(jì)算縮放倍比。經(jīng)初步審查，降雨和徑流等實(shí)測資料可用于本次設(shè)計(jì)。</p><p>　　3. 設(shè)計(jì)年徑流量及其年內(nèi)分配的推求</p><p>　　3.1 設(shè)計(jì)年徑流量的計(jì)算</p><p>　　壩址下游1公里處設(shè)有水文站，自1954年開始有觀測流量資料。本設(shè)

7、計(jì)采用該水文站1979-2000年的觀測資料進(jìn)行設(shè)計(jì)年徑流量推算。各水文年徑流過程如表1所示。</p><p>　　表1 水文站1979-2000年年徑流過程 單位m3/s</p><p>　　此處采用適線法估計(jì)參數(shù)，并推求頻率為10%、50％、90%的年徑流量。將實(shí)測年平均流量按照水文年求得各年的總來水量，水文年的確定按照當(dāng)年五月至次年四月為一個(gè)年度的原則。

8、對各水文年總來水量按照大小次序進(jìn)行排列，利用公式</p><p><b>　　(1)</b></p><p>　　計(jì)算出各年徑流量的經(jīng)驗(yàn)頻率，列表計(jì)算結(jié)果如表2所示。</p><p>　　表2 1979-2000年年徑流量經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算成果表</p><p>　　將經(jīng)驗(yàn)頻率P和對應(yīng)的水文年總來水量作為點(diǎn)據(jù)點(diǎn)繪在海森概率格

9、紙上，并采用矩法估計(jì)P-III型曲線分布密度中的未知參數(shù)，根據(jù)分布參數(shù)運(yùn)用頻率計(jì)算方法可以求出在這種參數(shù)下的關(guān)系，從而可以繪制理論頻率曲線，并與經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)據(jù)繪制在同一張概率格紙上。再進(jìn)行擬合情況的檢查，如果點(diǎn)線擬合得好，所給參數(shù)即為適線法的估計(jì)結(jié)果，如果擬合效果較差，則需要調(diào)整參數(shù)，重新繪制理論頻率曲線直到點(diǎn)線擬合效果好為止，最終的參數(shù)即為適線法估計(jì)結(jié)果。適線結(jié)果如圖2所示。</p><p>　　圖2 年徑流量頻

10、率曲線適線成果圖</p><p>　　相應(yīng)的適線法估計(jì)參數(shù)如表4所示。</p><p>　　表3 1979-2000年年徑流量經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算成果表</p><p>　　3.2 設(shè)計(jì)年內(nèi)分配的推求</p><p>　　根據(jù)原則可以選擇年徑流量頻率為10%、50％、90%附近的三個(gè)代表水文年如表4所示。</p><p>　

11、　表4 1979-2000年年徑流量經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算成果表</p><p>　　根據(jù)典型年和代表年的年總徑流量比值計(jì)算同倍比法倍比，其中豐水年選取水文年度1996年5月至1997年4月，比值K為0.994；中水年選取水文年度1989年5月至1990年4月，比值K為0.991；枯水年選取水文年度1992年5月至1993年4月，比值K為0.927。根據(jù)三個(gè)倍比分別放大豐水年、中水年和枯水年徑流過程如表5所示。</

12、p><p>　　表5 豐水年逐月年內(nèi)分配計(jì)算成果表 單位：m3/s</p><p>　　圖3 豐水年年徑流量逐月年內(nèi)分配過程</p><p>　　圖4 中水年年徑流量逐月年內(nèi)分配過程</p><p>　　圖5 枯水年年徑流量逐月年內(nèi)分配過程</p><p>　　4. 水庫死水位的選擇</p

13、><p>　　4.1 水庫水位容積關(guān)系</p><p>　　水庫水位容積曲線表如表6所示，可根據(jù)該表繪制相應(yīng)的水庫水位庫容曲線。</p><p>　　表6 水庫水位容積曲線表</p><p>　　圖6 水位庫容曲線圖</p><p>　　4.2 水庫淤積體積及淤積高程計(jì)算</p><p>　　根據(jù)泥

14、沙資料計(jì)算水庫的淤積體積和水庫相應(yīng)的淤積高程。</p><p>　　根據(jù)實(shí)測泥沙資料得多年平均含沙量 kg/m3，泥沙干容重=1630kg/m3，泥沙沉積率m＝90％，孔隙率p＝0.3，推移質(zhì)與懸移質(zhì)淤積量之比值＝15％，加安全值2米。</p><p><b>　　計(jì)算公式為</b></p><p><b>　　(2)</b&g

15、t;</p><p>　　式中W為多年平均徑流量，V=13.69m3，通過水位容積曲線線性內(nèi)插得62.98m，再加上安全值2米，最終淤積高程即水庫死水位為64.98 m。</p><p>　　5. 設(shè)計(jì)洪水的推求</p><p>　　5.1 洪峰與洪量系列選取</p><p>　　本水庫為大(2)型水庫，工程等別為Ⅱ等，永久性水工建筑級別為2

16、級。下游防洪標(biāo)準(zhǔn)為5%，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為1%，校核標(biāo)準(zhǔn)為0.1%，需要推求5%、1%、0.1%設(shè)計(jì)洪水過程線。</p><p>　　經(jīng)過分析對比7天洪量與洪峰、24h洪量、3天洪量的關(guān)系，7天洪量與3天洪量相關(guān)性較高，故采用3天洪量對7天洪量缺少資料插補(bǔ)延展。三組相關(guān)性分析和展延資料與3天洪量相關(guān)性分析如圖7所示，展延后的齊全資料如表7所示。</p><p>　　(a) 7天洪量與24h洪量

17、 (106m3) (b) 7天洪量與洪峰流量</p><p>　　(c) 7天洪量與3天洪量 (106m3) </p><p>　　圖7 相關(guān)性分析成果</p><p>　　表7 潛漁站洪峰及定時(shí)段洪量統(tǒng)計(jì)表</p><p>　　5.2 洪峰與洪量頻率計(jì)算<

18、/p><p>　　根據(jù)調(diào)查1922年9月1日在壩址附近發(fā)生一場大洪水，推算得水文站洪峰流量為1350m3/s。這場洪水是發(fā)生后至今最大的一次洪水。缺測年份內(nèi)，沒有大于1160m3/s的洪水發(fā)生。根據(jù)這一資料，洪峰頻率計(jì)算要加上這個(gè)特大值進(jìn)行處理。采用統(tǒng)一處理法對洪峰和各時(shí)段洪量系列進(jìn)行頻率計(jì)算，從而可得各設(shè)計(jì)頻率的洪峰和洪量值。相應(yīng)的結(jié)果如表8所示。</p><p>　　表8 洪峰頻率計(jì)算成果

19、表</p><p>　　適線結(jié)果如圖8所示。</p><p>　　圖8 洪峰頻率適線結(jié)果圖</p><p>　　對24小時(shí)洪量、3天洪量和7天洪量進(jìn)行頻率計(jì)算，各組結(jié)果如表9-11所示，適線結(jié)果如圖9-11所示。</p><p>　　表9 24小時(shí)洪量頻率計(jì)算成果表</p><p>　　表10 三天洪量頻率計(jì)算成果

20、表</p><p>　　表11 七天洪量頻率計(jì)算成果表</p><p>　　圖9 24小時(shí)洪量頻率適線結(jié)果圖</p><p>　　圖10 三天洪量頻率適線結(jié)果圖</p><p>　　圖11 七天洪量頻率適線結(jié)果圖</p><p>　　5.3 典型洪水過程線選擇及設(shè)計(jì)洪水過程線推求</p><

21、p>　　典型洪水過程線選擇的原則是從資料完整，精度高的洪水過程中選擇；選擇峰高、量大，接近設(shè)計(jì)情況的洪水過程線；選擇符合峰形接近平均情況，但又較為不利的情況，即按照峰高量大峰偏后的原則進(jìn)行選取。</p><p>　　運(yùn)用同頻率放大法推求設(shè)計(jì)洪水過程線，經(jīng)過逐時(shí)段計(jì)算可以得到洪峰流量和各時(shí)段洪量放大倍比如表12-14所示。</p><p>　　表12 5%設(shè)計(jì)洪水過程放大倍比成果表&

22、lt;/p><p>　　表13 1%設(shè)計(jì)洪水過程放大倍比成果表</p><p>　　表14 0.1%設(shè)計(jì)洪水過程放大倍比成果表</p><p>　　根據(jù)洪峰和各時(shí)段倍比進(jìn)行同頻率放大得到三種設(shè)計(jì)洪水過程線如圖12-15所示。</p><p>　　圖12 5%設(shè)計(jì)洪水過程線</p><p>　　圖13 1%設(shè)計(jì)洪水過

23、程線</p><p>　　圖14 0.1%設(shè)計(jì)洪水過程線</p><p>　　圖15 修勻后洪水過程線匯總</p><p>　　6. 防洪特征水位的推求</p><p>　　6.1 起調(diào)水位及泄洪規(guī)則</p><p>　　起調(diào)水位（防洪限制水位）為78.40m，對應(yīng)庫容為83.49106 m3。</p>

24、<p>　　對不超過下游設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的洪水，從防洪限制水位開始，根據(jù)水庫下游防洪要求，來多少泄多少，但不超過下游安全流量；通過調(diào)洪演算，得防洪高水位、防洪庫容和相應(yīng)最大下泄流量。</p><p>　　對不超過水庫設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的洪水，從防洪限制水位開始，先參考第二條。待蓄至防洪高水位后，即打開溢洪道閘門和泄洪洞閘門，自由泄流，通過調(diào)洪演算，得設(shè)計(jì)洪水位、攔洪庫容和相應(yīng)最大下泄流量。</p><

25、;p>　　對不超過水庫效核標(biāo)準(zhǔn)的洪水，從防洪限制水位開始，先參考第三條。待蓄至設(shè)計(jì)洪水位后，再加開非常泄洪道200 m3/s。</p><p>　　6.2 防洪高水位的計(jì)算</p><p>　　用5%設(shè)計(jì)洪水過程線，除下泄安全流量外，其余蓄在水庫，則總蓄水量加在防洪限制水位上，則可得防洪高水位。</p><p>　　此處防洪高水位受下游安全泄量控制，安全泄量為

26、19 m3/s，不超過下游設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的洪水，從防洪限制水位開始，根據(jù)水庫下游防洪要求，來多少泄多少，但不超過下游安全流量。通過計(jì)算得到防洪高水位為87.60 m，查水位庫容曲線得相應(yīng)庫容為165.56106 m3，減去起調(diào)水位對應(yīng)庫容得防洪庫容為82.07106 m3，相應(yīng)的各個(gè)時(shí)段入庫、出庫流量以及水位變化如表15所示。</p><p>　　表15 5%設(shè)計(jì)洪水過程調(diào)洪演算成果表</p><

27、p>　　將入庫流量、下泄流量和水位變化過程繪制在同一張圖上如圖16所示。</p><p>　　圖16 防洪高水位計(jì)算入庫流量、出庫流量和水位變化過程</p><p>　　6.2 設(shè)計(jì)洪水位的計(jì)算</p><p>　　用1%設(shè)計(jì)洪水過程線，從防洪限制水位開始，先按安全流量下泄，其余蓄在水庫里，待蓄至防洪高水位后，即打開溢洪道閘門和泄洪洞閘門，自由泄流，通過調(diào)洪演

28、算，得設(shè)計(jì)洪水位、攔洪庫容和相應(yīng)最大下泄流量。根據(jù)水量平衡原理</p><p><b>　　(3)</b></p><p>　　假設(shè)每個(gè)時(shí)段末下泄流量q2，得到庫容V2，再通過庫容流量關(guān)系(關(guān)系曲線見表17和圖18)，對q2進(jìn)行檢驗(yàn)，若一致則保留，不一致繼續(xù)試算。</p><p>　　得到設(shè)計(jì)洪水位為87.91 m，對應(yīng)庫容169.02106

29、m3，最大下泄流量為368.69m3/s；起調(diào)水位對應(yīng)庫容為83.49106 m3。則攔洪庫容為兩者庫容差值85.53106 m3。相應(yīng)的各個(gè)時(shí)段入庫、出庫流量、水位見表16。相應(yīng)水庫調(diào)洪示意圖見圖17。</p><p>　　表16 1%設(shè)計(jì)洪水過程調(diào)洪演算成果表</p><p>　　圖17 設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算入庫流量、出庫流量和水位變化過程</p><p>　　表

30、17 水位、庫容、流量關(guān)系表</p><p>　　(a) V-Q曲線</p><p>　　(b) Z-Q曲線 (c) V-Z曲線</p><p>　　圖18 水位-庫容-流量關(guān)系曲線</p><p>　　6.3 校核洪水位的計(jì)算</p><p>　　對不超過水庫效

31、核標(biāo)準(zhǔn)的洪水，從防洪限制水位開始，先按安全流量下泄，其余蓄在水庫里，待蓄至防洪高水位后，即打開溢洪道閘門和泄洪洞閘門，自由泄流。待蓄至設(shè)計(jì)洪水位后，再加開非常泄洪道200 m3/s。采用0.1%設(shè)計(jì)洪水過程線來進(jìn)行計(jì)算。由計(jì)算可得校核洪水位為：89.96m，對應(yīng)庫容194.00106 m3，對應(yīng)最大下泄流量為1058.86m3/s。起調(diào)水位對應(yīng)庫容為83.49106 m3，兩者庫容差為調(diào)洪庫容110.51106 m3。相應(yīng)的各個(gè)時(shí)段入庫

32、、出庫流量、水位見表18。相應(yīng)水庫調(diào)洪示意圖見圖19。</p><p>　　表18 0.1%設(shè)計(jì)洪水過程調(diào)洪演算成果表</p><p>　　圖19 校核洪水位計(jì)算入庫流量、出庫流量和水位變化過程</p><p>　　7. 壩頂高程的確定</p><p>　　根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，壩頂超高按下式計(jì)算:</p><

33、;p><b>　　(4)</b></p><p>　　式中：Y 為壩頂超高(m)，R為波浪爬高(m)，e為最大風(fēng)雍水面高度(m)， A為安全加高(m)。</p><p>　　7.1 平均波浪爬高</p><p>　　平均波浪爬高R采用莆田公式計(jì)算：</p><p><b>　　(5)</b>&

34、lt;/p><p>　　式中：K△為斜坡的糙率及滲透性系數(shù)，根據(jù)護(hù)面類型查表得K△=0.78；Kw為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)無維量W/查表得。P＝0.05%時(shí)：Kw＝1.004；P＝0.1% 時(shí)：Kw＝1.004；P＝0.2% 時(shí)：Kw＝1.005；P＝1% 時(shí)：Kw＝1.048；P＝2% 時(shí)：Kw＝1.051；P＝3.33% 時(shí)：Kw＝1.053。m為斜坡的坡度系數(shù)，m==2.2；h為平均波高(m)。</p>

35、<p>　　平均波高采用下式計(jì)算：</p><p><b>　　(6)</b></p><p>　　式中：g為重力加速度，取9.81m/s2；D為風(fēng)區(qū)長度。分別是：P＝0.05%時(shí)：D＝2700m；P＝0.1%時(shí)：D＝2700m；P＝0.2% 時(shí)：D＝2600 m；P＝1%時(shí)：D＝2500m；P＝2%時(shí)：D＝2400m；P＝3.33%時(shí)：D＝2300m。H為

36、水域的平均水深(m)。分別是：P=0.05%時(shí)，H＝7.83m；P=0.1%時(shí)，H＝7.69m；P= 0.2%時(shí)，H＝7.56m；P= 1%時(shí)，H＝7.21m；P= 2%時(shí)，H＝7.06m；P＝3.33%時(shí)，H＝6.88m。W為水面上10m處的平均最大風(fēng)速(m/s)。其中為雙曲正切函數(shù)，計(jì)算公式為：</p><p><b>　　(7)</b></p><p>　　由

37、于水庫大壩工程等級為三級，因此在正常運(yùn)用條件下，采用多年平均最大風(fēng)速的1.5倍；非常運(yùn)用條件下采用多年平均最大風(fēng)速。根據(jù)氣象部門提供的1966～2000年資料，全年最大風(fēng)速多年平均值為13.8 m/s，故水庫在正常運(yùn)用條件下采用的多年平均最大風(fēng)速為20.7 m/s，非常運(yùn)用條件下為13.8 m/s。</p><p>　　平均波長(m)的計(jì)算公式為：</p><p><b>　　(

38、8)</b></p><p>　　將以上參數(shù)代入公式(5)求得各設(shè)計(jì)頻率的平均波浪爬高值如表19所示。</p><p>　　表19 平均波浪爬高值成果表</p><p>　　根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，設(shè)計(jì)爬高值由工程等級確定，對于一、二、三級壩取累積概率p＝1%的爬高值。水庫大壩屬三級土石壩，查《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中爬高統(tǒng)計(jì)分布(Rp/R)表

39、得：p=1%，Rp/R＝2.23，由此計(jì)算最大波浪爬高，正常運(yùn)用（p＝1%）情況下Rp＝1.91m；非常運(yùn)用（p＝0.1%）條件下Rp＝1.24m。</p><p>　　7.2 風(fēng)雍水面高度</p><p>　　風(fēng)雍水面高度e采用下式計(jì)算：</p><p><b>　　(9)</b></p><p>　　式中： K為綜合

40、摩阻系數(shù)，取3.6×10-6；為風(fēng)向與水域中線的夾角，取=0。從而求得各設(shè)計(jì)頻率的風(fēng)雍水面高度如表20所示。</p><p>　　表20 風(fēng)雍水面高度計(jì)算成果表</p><p><b>　　7.3 安全加高</b></p><p>　　大壩安全加高A的選取根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》三級土石壩的安全加高值計(jì)算表計(jì)算, 設(shè)計(jì)洪水位取安

41、全加高為0.7 m，校核洪水位取安全加高為0.4 m。</p><p><b>　　7.4 壩頂高程</b></p><p>　　設(shè)計(jì)洪水位87.91 m，具備最大波浪爬高1.91m，風(fēng)雍水面高度0.01227 m，大壩安全加高0.70 m；校核洪水位89.96 m，具備最大波浪爬高1.24 m，風(fēng)雍水面高度0.02726m，大壩安全加高0.40 m。</p&g