设计流量和设计水位课件.ppt
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1、第四章第四章 设计流量和设计水位设计流量和设计水位 在桥渡水文计算中,需要确定符合一定频率的设计洪峰流量。由于我国幅员辽阔,各地水文、气象、地形、地貌、地质和水利设施等条件差异较大,存在一定的复杂性一般应结合各地区的特点,采用多种方法进行计算,互相验证核对,选用其合理者。不论采用何种方法进行计算,历史洪水是一项不应缺少的重要资料,可以用它来弥补实测资料之不足提高计算精度。4-1 桥涵洪水频率标准桥涵洪水频率标准v一、洪一、洪 水水v 由于降雨、融雪、融冰等原因,河床内水量剧增,水位猛涨,这种水文现象叫洪水。v洪水包括洪峰、洪量及其 洪水过程线。v由于影响水文现象的因素(气象、地理、地貌等因素)
2、非常复杂,一次洪水是众多因素组合的结果所以各条河流的洪水不同,同一条河流各次洪水也不相同。v如山区河流洪水暴涨暴落,洪水过程线比平原河流的洪水过程线尖瘦;又如,由于降雨雨型或流域形状的影响,洪峰可有单峰和多峰的不同。黄河黄河1843年洪水水位过程线年洪水水位过程线1843年(道光二十三年)黄河特大洪水首先见于文献记载。清代故宫档案道光二十三年十一月二十六日礼部尚书麟魁奏疏中说:“向年盛涨,三门山(原三门峡人、鬼、神三岛)出水尚有丈许。本年七月十四日河水陡发,直漫三门山顶而过。禹庙(建于鬼门岛对岸山崖)亦被冲刷。” v 二、设计洪水二、设计洪水在规划设计水工建筑物时,要根据工程的任务和规模,从安
3、全与经济综合考虑,拟定一个在修建及使用期间需要防御的某一级洪水,作为设计的标推和依据。这一洪水称为水工建筑物的设计洪水设计洪水。如桥渡设计所依据的指定频率下的洪水,为桥渡设计洪水;在施工时作为渡洪依据的为施工设计洪水,作为防洪规划依据的为防洪设计洪水。v 三、设计洪水标准三、设计洪水标准当河道中出现规定的某量级的洪水时,建筑物不破坏,这级洪水便是该建筑物的设计洪水标准。设计洪水标淮愈高,建筑物遭洪水破坏的可能性就愈小。日前,我们利用数理统计原理将洪水的大小用它出现的可能性频率表示。设计洪水标准愈高,该级洪水流量出现的可能性愈小(洪水频率愈小)建筑物遭破坏的可能性愈小,就愈安全。根据桥渡规范(T
4、BJ17-86)规定的铁路桥涵洪水频率标准如表41所示。现行的公路桥涵设计通用规范(JTG D602004)规定的公路桥涵洪水频率标准如表42所示注:注:1三、四级公路的永久性大桥在水势猛急、河床易于冲刷的情况下,必要时可用1100的洪水频率验算基础冲刷深度;2三、四级公路在交通容许有限度的中断时,允许修建浸水桥和过水路面其设计洪水频率;应根据容许阻断交通的时间久暂和对上下游的农田、城镇,村庄的影响以及泥沙淤塞桥孔,上游河床的淤高等因素确定。4-2 洪水资料的处理洪水资料的处理 洪水资料是频率计算的基础,是决定计算成果精度的关键。因此,在频率计算以前,应对本流域及相邻流城的有关情况进行详细调查
5、研究,并作必要的处理,使基本资料具有一定的可靠性、独立性、一致性和代表性,满足频率计算的要求。一、洪水资料审查一、洪水资料审查洪水资料包括实测洪水资料和调查得到的历史洪水资料。对实测洪水资料的观测与整编要进行检查。检查重点放在观测及整编质量较差的年份。如发现问题,应会同原整编单位作进一步审查工作和必要的修正。对于历史洪水资料要进行审查,对其可靠程度进行评价。v二、洪水资料的选样二、洪水资料的选样v(一)选样原则应满足频率计算关于独立随机取样的要求。各样本的形成条件应具有同一基础。如:不能把暴雨洪水与春汛混在一起作为一个水文系列进行频率计算,不能把溃坝洪水加入般洪水系列进行频率计算等等。v(二)
6、选样方法对于水工建筑物的洪水选样,洪峰流量采用年最大值法,即每一年中只选取最大的一个瞬时洪峰流量,作为频率计算的样本。当某些大水年份资料缺测和漏测时,应通过调查补全,或查明缺测值的量级大小。尽量使观测系列在时间顺序上是连续的随机样本。v(三)洪水资料的还原当每年最大洪峰流量的一致性受到某种情况影响时,要消除影响,将资料改正到同一的基础上来,才能进行频率计算。这就是洪水资料还原。影响洪水资料一致性的原因有:流域内修建蓄水、引水、分洪、滞洪等工程,以及河流改道、决口、溃坝等情况。v(四)洪水资料的插补延长插补延长的方法有:利用上(下)游站的流量资料进行插补延长,利用本站同次洪峰与洪量相关关系,由洪
7、水总量推求洪峰流量,利用本流域暴雨资料插补延长。v(五)洪水资料的系列代表性分析洪水资料系列代表性的审查是十分重要的工作。设计洪水成果的实际误差,或正或负,或大或小,主要取决于样本系列的代表性。对于水文观测系列,真正的总体是很难知道的,只能通过一些旁证借以判断短系列样本的代表性。如通过实测资料与调查考证资料进行对比,通过与邻近流域测站的长期资料进行对比,可以帮助我们对样本系列的代表性做出判断。从统计学角度看来,要提高样本的代表性,首先,样本应该是随机地抽自总体;其次,样本应该有足够的容量,第三,样本互相独立,并且与总体具有相同的概率分布 v例4-l 某站有1941年-1970年的30年实测资料
8、,还调查到自1911年以来的60年中,发生过于1913年、1917年、1923年、1933年、1939年、1943年等6次较大的历史洪水,而实测的1956年洪水则为60年中首位的特大洪水。此外,还有1926年、1960年两个大早年份。另外从文献资料中了解到自公元1500年以来的470年中,发生严重水旱灾害的次数为:特大洪水8年,较大洪水47年,大早年份15年。平均特大洪水60年发生一次,较大洪水平均10年发生一次,大早年份平均30年发生一次,根据以上30年和60年长短两个系列比较,实测的30年中具有一个特大洪水和一个次大洪水。从1911年到1970年的60年系列中,则除一个特大洪水外,而有6个
9、较大洪水,2个大早年,这与470年的平均情况很相近,因此可以认为从1911年至1970年这个60年系列具有较好的代表性。4-3 关于特大洪水关于特大洪水 一、特大洪水一、特大洪水 没有一个明确的量的定义。一般指相当大的洪水相当大的洪水。 在概率格纸上,它的频率点与一般洪水的频率点有明显的脱节现象。在历史洪水中、在实测洪水中都有可能出现特大洪水需提出作单独处理。二、考虑特大洪水的重要性二、考虑特大洪水的重要性v例42 滹沱河黄壁庄水文站,从1918年开始观测流量,到1954年共有不连续的20年实测洪水资料,其中最大实测洪峰流量为3700ms。在1958年推算设计洪水时虽然已调查到四次历史洪水资料
10、,但因为有人对它们定量的可靠性有怀疑,只用了实测的二十年资料进行推算,计算成果是: v Q0.1%7500 m3s 。两年后,1956年该站实测到特大洪水为13100 m3/s ,若以此资料加入系列,即有22年资料,推算出Q0.1%25900m3/s,它与前者相差三倍有余。这引起了人们的重视。经过再次实地调查和历史文献考证,根据河床断面冲淤,修正历史洪水流量;1794年Q25000 m3/s;1853年Q18000 m3/s;1917年Q13500 m3/s, 1935年Q8300 m3/s。如果1954年就采用调查到的四次历史洪水资料,其中1794年按160年、350年以来的首位计算,得CV
11、1.7;CS/ CV 3, Q0.1% 30000 m3/s 。0.8VC/3.0sVC C 后来,在1963年又测得特大洪水Q12000 m3/s 。在1964年用全部资料进行计算,结果是: CV 1.5, CS/ CV 3; Q0.1% 31000 m3/s 。 这与30000 m3/s相比相差较少,可见计算结果已趋于稳定。 也就是说,当增大样本容量、即考虑历史洪水时,可以提高计算成果的可靠性。 黄壁庄水库位于石家庄市西北30公里的太行山东麓,是滹沱河上一座以防洪为主,融灌溉、发电、城市供水、环境供水等于一体的大()型水利枢纽工程,总库容12.1亿立方米,与上游的岗南水库联合运用,总控制流
12、域面积23400平方公里,占滹沱河流域面积的95%。 水库于1958年10月动工兴建,1959年拦洪蓄水,1965年冬开始扩建,1968年基本建成,1968年至1998年间,先后进行多次改扩建和加固处理,1998年开始进行全面的除险加固。水库枢纽工程主要包括主坝、副坝、正常溢洪道、非常溢洪道、新增非常溢洪道、电站重力坝、灵正渠电站等。水库经除险加固,达到部颁万年一遇防洪标准,成为海河南系重要的控制性工程。4月月20日黄壁庄水库水情日黄壁庄水库水情黄壁庄水库4月20日8时水库水位112.76米,库容1.04亿立方米(岗南水库6.27亿立方米),入库流量30.6立方米每秒,出库流量12.7立方米每
13、秒,降雨12.6毫米。v三、连序系列与不连序系列三、连序系列与不连序系列v由实测和插补延长资料组成的系列中,如果没有特大洪水位需要提出单独处理,各项洪水值直接按其大小顺序统一排队,序号不间断,这一样本称为连序系列。v当有特大洪水,需在更长的时期内进行排位,序号不连序,这种样本的系列称为不连序系列。v例43 图41表示某水文站从1930年到1983年,有54年实测资料,其中1949年为最大,经考证应从实测系列中抽出作为特大值处理。另外查明自1903年以来的81年中,为首的三次大洪水排位是1921年、1949年、1903年。并断定在81年间不会遗漏掉比1903年更大的洪水。同时还调查到在1903年
14、以前,还有三次大于1921年的特大洪水,序位是1867年,1852年、1832年,而比1921年小的洪水已无法查清。图4-1 某站实测系列资料若以1930年到1983年的洪水为一样本系列,1949年的洪水不作为特大洪水值,则可得到一个有54年资料按值大小排序位,有从1到54不间断序号的系列,即连序系列;若考虑特大洪水,从1903年到1983年80年中,按洪水值大小顺序排位,我们只能排出为首的三个,得到一个不连序系列。历史调查期历史调查期实测期实测期QNQN资料内特大洪水资料内特大洪水资料外特大洪水资料外特大洪水(历史特大洪水历史特大洪水)一般一般 时,时,Q QN N可以考虑作为特大洪水处理。
15、可以考虑作为特大洪水处理。2/QQKNN历史调查期历史调查期实测期实测期 例例19921992年长江重庆宜昌河段洪水调查年长江重庆宜昌河段洪水调查 同治九年(同治九年(18701870年)川江发生特大洪水,沿江调查到年)川江发生特大洪水,沿江调查到石刻石刻9191处处,推算得宜昌洪峰流量推算得宜昌洪峰流量Q Qm m110000m110000m3 3/s/s。 Nn19921870Q Qm m110000m110000m3 3/s/s 如此洪水为如此洪水为18701870年以来为最大,则年以来为最大,则N=1992-1870+1N=1992-1870+1123123(年)。(年)。这么大的洪水
16、平均这么大的洪水平均130130年就发生一次,可能性不大。年就发生一次,可能性不大。4-4 有流量资料时设计洪峰流量的计算有流量资料时设计洪峰流量的计算 v若从某水文测站取得n项实测年最大洪峰流量资料,同时还取得若干个特大洪水的数据,这时可用第三章介绍的方法推求设计洪峰流量。推算时可以根据洪水变化规律的特性,选择合适的“理论”频率曲线。v下面以采用皮尔逊型频率曲线为例,介绍加入特大洪水时构成不连序系列的设计洪峰流量计算的特点及方法步骤。一、经验频率的估算一、经验频率的估算 不连序系列中各项的经验频率可用下述两种方法中的一种进行估算:v (一)方法一: 将实测系列与特大洪水系列看作是从总体中独立
17、抽出的几个随机连序样本。故各项洪水分别在所属系列中进行排位,实测系列仍按式(3-6)计算。若在实测系列中出现特大洪水,当提出特大洪水项后,计算其余各项洪水频率时,其样本容量n及序号m仍保持不变,即不重新排位。而在调查期N年中的前a项特大洪水(包括出现在实测系列中的特大洪水),序位为M (M1,2, 3, a)的经验频率为: ( 4.1) v若某项洪水可以同时在两个连序 系列中排位时,其经验频率取其中抽样误差较小的,或参考其他情况选定。若按此法估算的历史洪水和实测系列前几项洪水的经验频率出现重迭现象时,则可将实测系列的前几项洪水,除保留其在实测系列中的位置外,另外按历史洪水重现期将其位置排在a个
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