【水文与水资源工程】宁南县竹寿水库洪水设计及调洪演算

'本科毕业论文（设计）题目宁南县竹寿水库洪水设计及调洪演算学院水利水电学院专业水文与水资源工程教务处制表二ΟΟ九年三月十一日宁南县竹寿水库洪水设计及调洪演算专业名:水文与水资源工程摘要：水库作为人类兴水“利”除水“害”的重要手段之一，其职责可归纳为两个方面：一是确保自身安全；二是最大限度地发挥防洪和兴利效益。随着水文观测资料的延续和水库运行经验的积累，定期对水库设计洪水进行分析研究是保证水库实现上述两大职责的基础。随着社会经济的可持续发展和现代化进程的加快，防洪问题引起人们愈来愈多的关注。如何在确保水库自身安全的前提下最大限度地发挥其综合效益是一个重大的研究课题，水库设计洪水分析研究是该课题研究中的基础工作之一。正是基于这种考虑，本论文结合唐村水库的实际情况，本着理论性与实用性相结合的原则，重点研究以下内容：1、利用暴雨资料推求设计洪水过程；2.利用水文比拟法推求设计洪水过程；3、对两种方法计算的设计洪水过程进行调洪演算；4.坝顶高程确定；关键词：设计洪水;频率曲线;调洪演算;水文比拟法43 ThedesignfloodandfloodroutingforZhuShouReservoirofNingnanCountyHydrologyandWaterResourcesEngineeringStudent：Anwar.ArkinAdviser:MiuRenAbstract：Reservoirisoneoftheimportantmeasuresusingtofloodcontrolandactivesbyhuman.Thedutyofreservoirmaybereducedtwoaspects.Oneisreliableprovisionthesafetyofreservoir.Anotherismaximumallowabledispatchingtheeffectivenessoffloodcontrolandactives.Withtheextensionofhydrologicalobservationdataandaccumulationofreservoiroperationexperiments,periodicanalysisandresearchthereservoirdesignfloodisbasicofoperatingabovetwoaspects.Withthecontinuousdevelopmentofsocietyeconomicandmodernprocess,floodcontrolispaiedcloseattentionbypeople.underreliableprovisionthesafetyofreservoirhowtomaximumallowabledispatchingtheeffectivenessoffloodcontrolandactivesisaimportantresearchsubject.Theresearchofreservoirdesignfloodisoneofbasicworksinthissubject.Itisbasedonthereasons,andtheactualconditionsofZhushoureservoirarecombined,thefollowingcontentsareresearchedinthispaper:1.Thedesignfloodhydrographiscomputedusingobservationmaximumprecipitation.;2.Thedesignhydrologyanaloguemethodiscomputedusingobservationmaximumprecipitation;3.Thefloodroutingiscarriedonusingabovetwofloodhydrographsandthereservoircharacteristicstageiscomputed.;4.Determinethecrestelevation.43 Keywords：designflood;frequencycurve;floodrouting;hydrologyanaloguemethod43 目录第一章绪论11.1问题的提出11.2国内外研究11.2.1防洪标准的研究概况11.2.2频率计算的研究概况41.2.3中小流域设计洪水计算研究概况51.3主要研究内容5第二章竹寿水库概况62.1工程概况62.2流域概况72.3水文气象概况10第三章基本资料的收集和整理113.1流域特征资料113.2库容曲线123.3暴雨、径流资料123.3.1暴雨，径流资料123.3.1资料分析与处理143.4设计洪水标准复核和评价14第四章推理公式法推求设计洪水174.1推理公式法174.2设计暴雨的推求184.3设计洪峰流量的推求234.3.1公式2343 4.3.2参数确定234.3.3用推理公式计算洪峰流量的步骤264.3.4计算成果274.4设计洪水总量284.5设计洪水过程线28第五章水文比拟法325.1水文比拟法设计洪峰流量325.2设计洪水总量及设计洪水过程33第六章设计洪水推荐成果35第七章调洪演算38第八章坝顶高程确定41参考文献42致谢4343 43 第一章绪论1.1问题的提出宁南县竹寿水库是一座以灌溉为主的兼有发电效益的中型水库。位于四川省凉山州会理县黄柏乡境内鲹鱼河上游支流岩洞河上，水库设计灌溉面积3.2万亩，随着城市人口的增长，水库同时也为宁南县城城市供水的水源。工程的安全对下游会东沿河两岸以及会东县人民的生命财产、生产用水安全至关重要。多年运行后水库出现了较严重的渗漏，坝体变形，白蚁等书库病害，目前正进行水库整治，水库的病害整治需要重新进行洪水设计及调洪演算，以评价水库的防洪标准，抗洪能力与水工建筑物的整治设计。本任务即是为南宁水库病害整治提供所需洪水设计数据，以确定整治后的水工建筑物尺寸，设计任务涉及暴雨洪水计算，调洪演算，波浪爬高计算等内容。1.2国内外研究1.2.1防洪标准的研究概况防洪标准的选取是一项复杂的工作,是经济与社会协调的综合产物,拟定合理的防洪标准,是做好大坝设计工作的一项重要任务。随着我国各家水利设计企业逐步进入国际设计市场，我国国家洪水设计标准怎样与国外标准接轨，了解国外标准对于我们更好再涉及到国外工程时节约成本，降低投资有非常重要的意义。日本：在日本，大坝的设计洪水设计标准由在河道法的基础上之制定的河道防护设施结构标准（内阁命令）规定。根据该标准，无论大坝属于新建还是重建，对以混凝土大坝的设计洪水流量的选取应该基于以下三个流量的最大值：1）坝址处200年一遇洪水；2）坝址处实测历史最大洪水；43 3）在相似的水力和气象条件下，根据流域内的实测历史最大洪水推测出的坝址处最大洪水流量。对于土石坝的设计洪水标准应该为相应规模混凝土坝的1.2倍。实际上，土石坝设计洪水的重现期通常为1000年一遇甚至更高。英国：在英国，对于大坝安全政府没有任何的强制性标准，其安全评估被委托给政府指定的能够胜任设计和检查水库安全性的独立的法定工程师小组负责，且该工程师小组为业主所建筑的大坝的安全负责。大坝的设计洪水通常由1978年伦敦土木工程师协会的设计导则确定。根据大坝的分类，不同类型大坝的设计洪水可以选取PMF、0.5PMF、0.3PMF、0.2PMF或者对应的10000、1000、150年的重现期洪水，表1.2.1.1表1.2.1.1根据大坝类别的水库洪水和波浪标准分类原始水库环境大坝设计洪水流量设计最小波浪安全超高及计算采用风速一般标准最低标准A平均日流量下长期泄洪PMF0.5PMF或1000年一遇洪水冬季:10年一遇最大小时风速；夏季年平均最大小时风速；波浪超高最小0.6mB水库满蓄（没有泄洪）0.5PMF或1000年一遇洪水0.3PMF或1000年一遇洪水C水库满蓄（没有泄洪）0.3PMF或1000年一遇洪水0.2PMF或1000年一遇洪水年平均最大小时风速；波浪超高最小0.4mD平均日流量下长期泄洪0.2PMF或1000年一遇洪水不做要求年平均最大小时风速；波浪超高最小0.3m美国：大多数情况下，美国的设计洪水为PMF。因为当确定的设计洪水流量小于PMF时，负责该工程的业主，代理商或者组织就应该为大坝一旦溃决所引发的损失负责。很显然，大多数的工程师都不愿冒这种风险。美国陆军工程兵团（USACE）建议设计洪水流量应该由坝高和库容的规模来进行选择，且应考虑大部一旦失事对下游区域的危害。美国垦务局（USBR）一般情况下均选用PMF作为设计洪水USACE和BSBR的洪水设计标准见表1.2.1.2，表1.2.1.3.国际大坝委员会（ICOLD）：作为一个总的原则，ICOLD建议设计洪水应该为PMF（表1.2.1.4），并且对于带溢洪道的过流能力应该满足宣泄全部设计洪水而不考虑水库的调洪作用；对于不带闸门溢流坝则应根据考虑水库调蓄作用下的下泄流量进行设计。43 表1.2.1.4ICOLD建议设计洪水标准大坝失事后的危险性大坝规模洪水设计标准高小—中PMF大PMF特别高小—中PMF大PMF表1.2.1.2美国陆军工程兵团设计洪水标准按照大坝规模分级类别库容（1000，000m3）坝高（m）小0.62~1.237.6~12.2中1.23~61.512.2~30.5打≥61.5≥30.5按照大坝失事后替在的危险性分级类别生命损失（发展程度）经济损失低无法统计（没有人类居住的永久结构的地区）极为微小（农业或者城镇均欠发达）中几乎没有（没有发达城镇，仅仅一小部分适于居住结构的地区）损失较大（农业，工业或者城镇均由一定的发展）高有生命损失损失特别大（由大规模的社区，工业或者农业）推荐安全标准危险性规模安全标（设计洪水频率）低小50~100中100~0.5PMF大0.5PMF~PMF中小100~0.5PMF中0.5PMF~PMF大PMF高小0.5PMF~PMF中PMF大PMF43 表1.2.1.3美国垦务局设计洪水标准大坝失事后的危险性大坝规模洪水设计标准高小PMF中PMF大PMF注:对于替在的大巴失事后产生中等或较低危害性的洪水设计标准不做特别说明。1.2.2频率计算的研究概况我国学者用用水文统计法大约于30年代，水文学研究的前辈们曾勇概率统计方法分别研究过年降水量和洪水流量，但在旧中国，由于种种限制原因几乎没有取得创新的或是另后人可用的成果。新中国建立后，维满足我国水利建设事业发展的需要，我国水文工作者广泛的学习和运用水文频率计算方法，有效的解决了许多水文分析计算问题。从50年代初至60年代前期，我国水文工作者对水文学的研究十分活跃，此间不仅翻译出版了国外许多水文计算文献和书籍，还发表了大量结合我国水文实际的研究论文和报告，这些论文和报告大大丰富和发展了频率计算的理论方法，为我国现阶段水文学的研究发展奠定了很好的理论基础，也为现阶段的水温学研究提供了可靠的理论依据。基于我国自然地理，气象气候等条件等的约束，我国水文学研究工作者对于设计径流，一般根据径流资料的具体情况，采取不同的设计方法。由长期实测资料地区，在对水文资料进行慎重的审查之后，直接采用频率计算法，推求制定频率的设计年径流量；对于具有短期实测资料的设计年径流量计算，为了使资料系列具有足够的代表性，达到提高计算精度，保证成果的可靠性，必须对年径流资料惊醒插补展延，展延之后的系列可按长资料系列一样进行频率计算；对于无实测资料的设计年径流计算，设计年径流只由通过间接途径来推求，目前常用的方法是水文比拟法的等值线图法。水文比拟法最关键的问题在于参证流域的选择，为了使色合计成果更加可靠合理，参政流域需具有长期实测径流资料推求系列，其主要影响因素应与设计流域接近。对于水文频率分布线型的选择，一直是水文分析计算中的一个争论性很强的课题。水文随即变量究竟服从何种分布，目前还没有充足的论证，而只能以某种理论线性近似代替。这些理论线型并不是从水文现象的物理性质方面推到出来的，而是根据经验资料从数学的以致频率函数中选出来的。迄今为止，国内外采用的理论线型有10余种，诸如皮尔逊Ⅲ型曲线，对数皮尔逊Ⅲ型曲线，耿贝尔型曲线以及克里茨基，闵凯里型曲线等等。不过从现有资料来看，皮尔逊Ⅲ型曲线和对数皮尔逊Ⅲ型曲线比较符合水文随即变量的分布，我国目前基本上都是采用皮尔逊Ⅲ型曲线。皮尔逊Ⅲ型曲线中包含有均值，变差系数和偏态系数三个独立的参数，43 对参数的合理估计直接影响工程设计标准，投资数量和经济效益；因此，参数估计在水文频率计算中至关重要。目前参数估计的方法很多，现行条件下，主要有三种：矩法，三点法，和权函数法。1.2.3中小流域设计洪水计算研究概况在我国社会主义建设中，为了在小流域上建农田灌溉排水措施，公路和特路的桥梁建筑，城市和工况地区的防洪工程，都必须镜像那个设计供水计算。小流域设计供水计算，与大众流域有所不同，主要有以下一些特点：(1)在小流域上建设的工程数量较多，往往缺乏暴雨流量资料，特别是流量资料。(2)小型工程一般对洪水的调节能力较小，工程规模主要受洪峰流量控制，因而对设计洪峰流量的要求，高于对设计洪水过程的要求。(3)小型工程的数量较多，分布面广，计算方法应力求简便，使扩大基本水文工作者易于掌握和应用。小流域设计洪水计算工作已有100多年的历史。计算方法在逐步充实和完善，由简单到复杂，由计算洪峰流量到计算洪水过程，归纳起来，由经验公式法，推理公式法，综合单位线法以及水文模拟法等。由于实测资料短缺，各种方法的计算成果误差较大，目前没有同意标准，给小流域设计洪水带来一定的困难。随着工农业生产的迫切需要，我国各地区部门积累了大量的经验，充实和发展了现有的一些计算方法。1984年水利电力部刊布的《暴雨径流查算图标》系统的总结了我国多年来的经验，在短缺资料的中小流域水利建设的设计洪水计算方面发挥了积极的作用。目前水利电力部门使用的是推理公式法，经验公式法和综合单位线法。1.3主要研究内容设计任务涉及暴雨洪水计算，调洪演算，波浪爬高计算等内容。设计洪峰、洪量和洪水过程线的计算根据工程的性质和水文资料条件采用不同的计算方法。在一般情况下，采取多种途径计算，综合分析论证和合理选用成果。常用的计算方法有：①直接法。即根据流量资料推求设计洪水。当工程所在地或其附近有较长的洪水流量观测资料，而且有若干次历史洪水资料时，逐年选取当年最大洪峰流量和不同时段（如1天、3天和7天等）的最大洪量，分别组成最大洪峰流量和不同时段最大洪量系列，然后进行频率分析，以确定相应于设计标准的设计洪峰和时段设计洪量。最后，选择典型洪水过程线，按求出的设计洪峰和各时段设计洪量，对典型洪水过程线进行同频率或同倍比放大，作为设计洪水过程线。②43 间接法。即根据雨量资料推求设计洪水。当工程所在地及其附近洪水流量资料系列过短，不足以直接用洪水流量资料进行频率分析，但流域内具有较长系列雨量资料时，可先求得设计暴雨,然后通过产流和汇流计算,推求设计洪峰、洪量和洪水过程线。该法假定，一定重现期的暴雨产生相同重现期的洪水。③地区综合法。如果工程所在地的洪水流量和雨量资料均短缺，可在自然地理条件相似的地区，对有资料流域的洪水流量、雨量和历史洪水资料进行分析和综合，绘制成各种重现期的洪峰流量、雨量、产流参数和汇流参数等值线图，或将这些参数与流域自然地理特征(流域面积和河道比降等)建立经验关系，然后借助这些图表和经验关系推算设计地点的设计洪水。第二章竹寿水库概况2.1工程概况竹寿水库枢纽工程位于四川省凉山州会理县黄柏乡境内鲹鱼河上游支流岩洞河上，是一座以灌溉为主的兼有发电效益的中型水库。工程于1975年3月动工建设，其中枢纽工程于1996年5月完工，当年满蓄水试运行，1997年12月全面完工，2000年1月15日通过初步验收。水库坝址以上控制流域面积69km2。正常高水位2404.00m，死水位2370.1m，设计洪水位2407.18m，校核水位为2408.07m。水库总库容1106万m3，有效库容979万m3。水库设计灌溉面积3.2万亩，随着城市人口的增长，水库同时也为宁南县城城市供水的水源。工程的安全对下游会东沿河两岸以及会东县人民的生命财产、生产用水安全至关重要。水库枢纽主要建筑物包括：拦河大坝、左岸侧槽式溢洪道、无压泄洪隧洞、左岸傍侧式压力放水系统（利用施工导流隧洞）、左岸灌溉取水及渠道系统、两座跌水电站（装机容量分别为1×40kw,3×500kw）。一、工程等级：枢纽工程为三等工程，主要建筑物级别为3级。二、洪水标准：根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL258-2000），竹寿水库设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为1000年一遇。三、主要建筑物1、大坝大坝为砾质粘土心墙石渣坝，最大坝高63.2m，坝顶宽5.4m，坝底宽327.7m43 。坝顶高程2408.2m，防浪墙顶高程2409.2m。2、溢洪道竹寿水库的溢洪道位于大坝左岸，为侧堰式溢洪道，后接无压泄洪隧洞。溢洪道紧邻左坝肩，溢流堰长40m，堰顶高程2404.00m。3、放水设施放水隧洞进口在大坝左岸上游，距离大坝约50m处，系利用原导流隧洞改过而成，放水隧洞共分为放水闸和检修闸两部分。放水隧洞进口处设置1150×1160mm2的平板钢质检修门一道，其上以用一倾斜度至2411m高程，由启闭杆以及轻轨系统组成，用25T手、电两用螺杆启闭。水库运行中存在的主要问题：蓄水前未进行蓄水安全鉴定评价：1996年5月10日，正在安装施工的检修闸平台边缘山体崩塌，200多m³岩石掩埋了一号堵头位置直径为500mm的导流钢管进口，库内水位迅速上升，水库开始非正常蓄水并运行至今。大坝工程在2000年前少建1.0m高，随后水库工程指挥部对坝顶和防浪墙各加高1.0m，但未对心墙作相应的加高处理，使防渗心墙顶高程低于设计洪水位和校核洪水位。1998年11月，由于溢洪道进口段右侧（即迎水面）渗水严重，导致长约15m混凝土侧墙向内倾斜变形和拉裂。虽然已经将变形破坏的溢洪道边墙进行了拆除，并用加锚筋现浇混凝土取代，但墙壁裂缝和漏水明显。溢洪道进口边坡顶有严重的垮岩，溢洪道进口堰上缘密集地浮着漂浮树枝、树杆等飘浮物严重阻碍水流过堰，且无其他辅助泄洪设施。2000水库运行期曾经出现洪水位接近坝顶，差点洪水翻坝的险情。大坝无放空设施，影响大坝的检查和维护。主干渠运行不畅，沿线地质条件差、滑坡、泥石流在还频繁多发，加上历史原因当年建设标准低，到1996年主干渠已多数无法通水。该工程无大坝变形、渗压等必要的大坝安全观测设施，不利于大坝风险的事前防范。进库抢修公路为建设标准低泥石路面，雨季经常出现交通中断现象。水库管理处枢纽管理房已破旧变形漏雨无法居住，与中型水利枢纽管理不适应。水梓树、小沟、油房沟管理站也都已成为危房不能再使用。放水闸伸缩节损坏。2.2流域概况竹寿水库位于会理县黄柏乡境内鲹鱼河上游，坝址在东经102o35′06”，北纬26o51′30”。水库枢纽工程距宁南县城74公里，距会理县城80公里，下游30公里是会东县城。竹寿水库所在的河流名称为岩洞河，属于金沙江小支流鲹鱼河的上游。流域发源地处在鲁南山脉的中端，高程为3495米，坝址处河底高程为2348米43 。坝址以上的流域集雨面积为69平方公里，主河道长15.4公里，河道的平均坡降为0.038。流域处在山区，地形上西北高东南低。流域内植被良好，森林、竹林、灌木林的覆盖面积占75%。流域内以寒武纪石灰岩为主。奥陶系砂岩及页岩次之，土壤为沙壤土及粘土。研究区域位于金沙江一级支流黑水河右岸，金沙江小支流鲹鱼河上游，西邻会理，南接会东。海拔高程自700米至3000米。气候的垂直分布比较明显，沿着黑水河，河谷地带几乎全年无霜，而以鲁南山脉为分水岭的高山一侧则气候寒冷，无霜期仅180天左右。在海拔2400米以上，农作物只有洋芋，燕麦等杂粮，玉米、水稻等喜温作物生长困难。高山区森林牧草面积较大，达到70%。全区面积的95%以上均分布于海拔700至2300米之内，气温温和，雨量充沛，但降雨时段主要集中于6至9月，干季较长，蒸发大于降水。灌区出现在2000以下大部分为红壤，为长期淋溶，缺乏有机质。2000米以上主要为会泡土，表层含有机质较多，易耕作。流域的大部分处在喀斯特地区，有溶洞、落水洞等地貌景观。作为主河道的干沟表现出明显的喀斯特河流的特点，没有暴雨时河水很少，水都渗入地下，其大部分经阴河洞泉（在库尾部）补给岩洞河。竹寿水库水系图2.2.1。43 43 2.3水文气象概况库区处于四川盆地亚热带季风性湿润气候区至高山温带气候区之间,自然气候属亚热带高原季风气候类型。流域处在迎风坡上，年降雨量较大。据会东站，坪塘站与竹寿水库雨量实测资料的分析，流域多年平均降雨量为1980毫米。在气候上干季与雨季分明，雨季一般从五月开始十月结束；冬春干燥而寒冷，夏秋凉爽而湿润。据竹寿水库气象站多年气象观测资料统计，区内多年平均年降水量1980.0mm，多年平均陆面蒸发量450mm，多年平均水面蒸发量280mm；多年平均气温16.7℃，极端最高气温27.5℃，极端最低气温-7.7℃；多年平均湿度80％，多年平均日照2313.5h，实测最大风速17m/s。多年平均径流深800mm。流域的洪水由暴雨形成。流域降雨量主要集中在5月至10月，占年降雨量的92.3％。洪水发生季节与暴雨一致。本流域主汛期为5～10月。本流域暴雨强度较大，据实测降水资料统计，竹寿水库气象站实测最大一日降水量为214.4mm，发生日期为1999年6月24日。实测最大洪水，洪峰流量为51.1，8天洪水总量为1324.8万，最大一日洪量为317.6万，最大二日洪量为559万，最大三日洪量为837.8万，这次洪水的洪峰发生在1980年6月22日。反映出流域的调蓄能力较大，地下水丰富。43 第三章基本资料的收集和整理3.1流域特征资料1．流域面积：流域分水线和出流断面所包围的面积称流域面积，单位为km2。流域面积是河流的重要特征。它不仅决定河流的水量也影响径流的过程。在其它因素相同时，一般流域面积越大，河流的水量也越大，对径流的调节作用也大,洪水过程较为平缓，枯水流量相对较大；面积越小，流量也越小，如遇短历时暴雨常很容易形成陡涨陡落的洪水过程，枯水流量也较小。正因为流域面积是一个非常重要的特征值，因此，在研究工作中必须对其进行精确测量，一般可用求积仪法、数方格法、称重法等进行测定。2．流域的长度和平均宽度：流域长度为河源到河口几何中心的长度，单位为km，如果流域左右岸对称，一般可以用干流长度代替。具体求算时以河口为中心，任意长为半径，画出若干圆弧，各交流域的边界于两点，这些弧线中点的连线的长度即为流域长度。流域的平均宽度是指流域面积与流域长度的比值。比较狭长的流域，水的流程长、径流不易集中，洪峰流量较小。反之，径流容易集中，洪水威胁大。3．流域形状系数和流域不对称系数：流域形状系数Ke是流域分水线的实际长度与流域同面积圆的周长之比。流域形状与圆的形状相差越大，流域形状系数Ke,也越大。Ke值接近于1时，说明流域的形状接近于圆形,这样的流域易造成大的洪水。Ke值越大，流域形状越狭长，径流变化越平缓。不对称系数Ka表示流域左右岸面积分布的不对称程度。流域的不对称系数是左右岸面积之差与左右岸面积之和的比值。——流域的不对称系数，当Ka愈大时，流域愈不对称。左、右流域面积内的来水也愈不均匀。径流不易集中，调节作用大。设计流域面积（F）、河长（L）和主河长平均坡度（J）采用初步设计报告的数据，如表3.1-1。表3.1-1竹寿水库流域特征值表F（Km2）L（km）J（‰）6915.43843 3.2库容曲线库容曲线是表示水库水位与其相应库容关系的曲线。它是以水位为纵坐标，以库容为横坐标绘制而成的。是水库规划设计和管理调度的重要依据。　库容曲线根据原设计时实测水库五千分之一地形图绘制，根据水库运行管理报告，库尾淤积20多万方泥沙，此次采用原设计值。水位、库容曲线见图3.2-1。图3.2-1竹寿水库水位库容曲线3.3暴雨、径流资料3.3.1暴雨，径流资料一般指每小时降雨量16毫米以上，或连续12小时降雨量30毫米以上，或连续24小时降雨量50毫米以上的降水。　　我国气象上规定，24小时降水量为50毫米或以上的雨称为“暴雨”。按其降水强度大小又分为三个等级，即24小时降水量为50～99.9毫米称“暴雨”,100～200毫米以下为“大暴雨”；200毫米以上称“特大暴雨”。由于各地降水和地形特点不同，所以各地暴雨洪涝的标准也有所不同。特大暴雨是一种灾害性天气，往往造成洪涝灾害和严重的水土流失，导致工程失事、堤防溃决和农作物被淹等重大的经济损失。特别是对于一些地势低洼、地形闭塞的地区，雨水不能迅速宣泄造成农田积水和土壤水分过度饱和，会造成更多的灾害。降雨及冰雪融水在重力作用下沿地表或地下流动的水流称为径流43 。降水是径流形成的首要环节。降在河槽水面上的雨水可直接形成径流。流域中的降雨如遇植被，要被截留一部分。降在流域地面上的雨水渗入土壤，当降雨强度超过土壤渗入强度时产生地表积水，并填蓄于大小坑洼，蓄于坑洼中的水渗入土壤或被蒸发。坑洼填满后即形成从高处向低处流动的坡面流。坡面流里许多大小不等、时分时合的细流（沟流）向坡脚流动，当降雨强度很大和坡面平整的条件下，可成片状流动。从坡面流开始至流入河槽的过程称为漫流过程。河槽汇集沿岸坡地的水流，使之纵向流动至控制断面的过程为河槽集流过程。自降雨开始至形成坡面流和河槽集流的过程中，渗入土壤中的水使土壤含水量增加并产生自由重力水，在遇到渗透率相对较小的土壤层或不透水的母岩时，便在此界面上蓄积并沿界面坡向流动，形成地下径流（表层流和深层地下流），最后汇入河槽或湖、海之中。在河槽中的水流称河槽流，通过流量过程线分割可以分出地表径流和地下径流。设计流域竹寿水库气象站有19年降雨资料，无实测洪水资料。鰺鱼河的东北方相邻黑水河，黑水河上有宁南水文站，具有21年连续的经过整编的观测资料，其控制的集雨面积为3074。由于设计流域集水面积仅69km2，只占宁南站控制面积的2.2％，流量观测资料代表性差；所以宁南水文站实测洪水资料不便用于计算。本次设计洪水拟采用推理公式法和同一流域内会东站水文比拟法推算。会东水文站位于鲹鱼河流域下游，竹寿水库下游30公里处。该站1959年设站，控制面积615km2，1973年四川省水文局重新刊布集水面积变为779km2。1986年以后会东水文站分为会东桥和会东渠道站，由下游3.7公里原会东站迁来。自然地理条件基本相同，洪水常由同一场暴雨形成，将会东站设计成果移置于竹寿水库是可行的。本次设计收集有会东站1965～1987年（其中1969年缺测）共22年实测洪水资料，以及水库初设时对竹寿水库洪水调查资料，基本可以满足洪水分析计算要求。设计流域相邻地区有坪塘、大桥、会东、新华等雨量站，其中坪塘站位于设计流域下游，距流域最近；其它站距坝址直线距离较远。各站资料年限见表3.3-1。表3.3-1资料情况统计表实测资料站名流量资料年限1/6h雨量资料年限1h雨量资料年限6h雨量资料年限24h雨量资料年限备注会东水文站1965～19871965～19871965～19871969年缺测会东气象站1984～20031965～20031965～2003竹寿水库气象站无1990～19991990～19991990～19991977～200881～85缺坪塘雨量站无无无1964～19871964～1987洪水调查资料河段名年份月水位(m)洪峰（m3/s）可靠程度鲹鱼河1952205供参考43 3.3.1资料分析与处理设计地区的暴雨资料有：竹寿水库1/6h暴雨资料（1990～1999），1h暴雨资料（1990～1999），6h暴雨资料（1990～1999），24h暴雨资料（1977～2008，1985～1989缺测）。水库邻近站会东、坪塘、竹寿雨量站同期雨量相关关系散乱，从表4.1-1上可以看出，在迎风坡上随着高程的增加，24h降雨量均值增大的情况。因此可以根据会东站序列插补1985～1989年的24h暴雨量。竹寿水库气象站24h序列延长为1977～2008（32年）资料。实测1999年6月24日，竹寿水库发生特大暴雨，24h暴雨量为214.1mm，雨量主要集中在6h为208.2mm。表4.1-1各站24h雨量随高程变化表站名高程（m）24h雨量（mm）会东166076.14坪塘208081.01竹寿水库2420104.71竹寿水库气象站6h序列只有1990～1999（10年）资料，序列中1999年6h暴雨量高达208.2mm，属特大暴雨，比1977～2008年其他年份24h暴雨量还要高，由此可以认定该值比其他年份6h暴雨量更大，但该地区无年限更长的暴雨调查资料，同期会东站1999年6h降雨量为98.7为1964年以来最大值，因此可以将208.2mm值的重现期提高到44年。1h序列和1/6h序列只有1990～1999（10年）资料，临近雨量站无相应的时段雨量资料，无法插补延长，该流域无历史时段暴雨调查资料，直接采用短序列配线。3.4设计洪水标准复核和评价1.大坝现场安全检查43 坝体检查未发现沉陷、塌陷、渗漏和裂缝等问题，坝顶和坝坡无异常，运行正常。左坝肩渗漏较为严重，洞室溢洪道壁有成股状水流喷射。水库管理人员介绍，左右坝肩均曾经出现过较大的渗流水，后消失。原因可能是绕流渗漏所致，有待于下一设计阶段进一步查明。溢洪道进口边坡顶的垮岩对溢洪道泄洪有严重影响，因其超泄能力极低，进口处如有崩石削减过流断面时，即有库水位骤升翻坝的可能，存在防洪安全隐患。无放空设施，影响大坝的检查和维护。该工程无大坝变形、渗压等必要的大坝安全观测设施，不利于大坝风险的事前防范。基本无管理房，进坝道路需要修整。2.大坝安全分析评价工程质量评价根据《四川省宁南县竹寿水库工程竣工验收报告》和竣工图纸得知，水库建设期很长，设计方案曾做过几次修改，部分资料对坝体结构的说明前后不一致，部分图纸标注尺寸互相矛盾。更为重要的是，施工填筑坝料来源与设计料源不一致，未对此作试验论证工作，是一个重大失误。施工方法和质量控制基本符合工程建设程序，但实际使用的筑坝材料未经试验，本次地勘发现，坝壳料有架空现象。溢洪道进口高边坡未处理，常有岩块崩落在溢洪道侧埝内及洞室溢洪道口，对泄洪安全有威胁，存在安全隐患。防渗心墙上下游过滤构造不清楚，心墙顶高程低于设计洪水位，且防浪墙未嵌入到粘土心墙中，不能防止库水沿结合面渗流，潜伏不安全因素。运行管理评价竹寿水库机构和管理制度健全，但大坝观测设施不符合要求，运行期曾经出现洪水将要漫顶的险情，水库抢险公路质量差，水库管理房以及设施不齐备。防洪标准复核复核后最大洪水流量为673.00m3/s，较原设计大162m3/s；复核后最大下泄流量为591m3/s，较原来大227m3/s。经水文复核后计算：设计洪水位＋风浪＋安全加高后所需防洪高程为2409.26m，校核洪水位＋风浪＋安全加高后所需防洪高程为2409.42m，均高于现有防浪墙顶高程2409.20m。因此大坝不能满足防洪安全要求。本次水位复核后，隧洞进口水深小于直强高度，水流能顺畅通过洞口，形成无压流，但是隧洞净空比不满足要求。再隧洞入口和出口处都有掉落的石块，边坡稳定性较差，可能堵塞进出口。尤其在进口处，还有漂浮的树枝等杂物，严重阻碍水流过堰。竹寿水库属小（一）型水库，大坝为多种土质坝，最大坝高60m，坝长173m。坝顶高程2408.00m，水库总库容1106万方，有效库容979万方。根据水利部SL252-2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》的规定，竹寿水库属Ⅲ等枢纽工程，主要建筑物为3级，设计时水库采用100年一遇洪水设计、1000年一遇洪水校核。结构安全评价坝体结构安全：稳定渗流期和非渗流稳定期，上游坝坡安全系数K都满足规范要求，但是下游坝坡安全系数K都不满足规范要求。即10种工况中有6种不满足规范要求，存在极大的稳定性安全隐患。心墙顶高程为2406.40m,低于设计水位和校核水位分别为2406.55m和2406.92m。防浪墙在非常运用条件下,抗倾覆安全系数小于规范规定的允许值1.4,43 抗滑动安全系数小于规范规定的允许值1.10；正常运用条件下,抗倾覆安全系数小于规范规定的允许值1.5；抗滑动安全系数小于规范规定的允许值1.25，防浪墙存在倾覆,滑动的危险。溢洪道结构安全：溢流堰泄流能力和侧槽边墙衬砌高度满足要求。隧洞进口水深小于直强高度，水流能顺畅通过洞口，形成无压流，但是隧洞净空比不满足要求。溢洪道消能结构，在设计、校核流量作用下消力池长度均满足要求。溢洪道建于坚硬的石英砂岩之中，裂隙很发育，沿坡可见密集的张开裂隙，沿程均可见碎落的石块，其粒径从2cm～40cm不等。进口坡面上有宽约2cm～5cm的裂隙。据水库管理人员称，“5.12”特大地震期间，掉块数量增多，粒径也增大，随时清除，随时掉落。在进口堰上缘，密集地浮着漂浮树枝、树杆，阻碍水流过堰，现象极为严重。隧洞出口处亦有碎块，但没有进口处严重。溢洪道进口边坡存在稳定性隐患，需要进行边坡加固。渗流安全评价坝体渗漏量较小，基本满足规范要求。大坝设计洪水位高程2406.55高于心墙顶高程2406.40，不满足规范要求。观测点数量不够，且至今大部分观测仪器已经损坏，急需修复。观测所得浸润线较计算所得浸润线高，则渗漏量较计算所得大，存在渗流安全隐患。大坝下游约15m右岸坡脚有一片湿地，且面积一直没有扩大，可能存在绕坝渗漏安全隐患。抗震安全复核按1/400万《中国地震动参数区划图》，竹寿水库库区地震动反应谱特征周期为0.45s，地震动峰值加速度为0.2g，工程区相应地震烈度为8度。通过计算上下游坝坡4种抗震稳定分析计算工况，4种工况均不满足规范要求。坝体土料试验结果看，碎石含量居多，细粒含量很少。能否发生液化现象还有待以后通过地质勘测和多种途径进行判断。金属结构安全评价放水隧洞的放水锥型阀已经损坏，急需更换。放水压力管伸缩节需要更换，以免以后更换放水闸困难。3.工程存在的主要问题：、所需防洪高程为2409.42m，高于放浪顶高程2409.20m，不能满足防洪要求；、大坝边坡稳定10种计算分析工况中，有6种不满足要求；防浪墙稳定性不满足要求；、存在绕坝渗漏问题，心墙顶高程低于设计洪水位；、坝址区位于8度地震区，4种地震计算工况，4种工况均不满足规范要求；、下游坝坡及左右两岸都存在蚁害；、放水闸伸缩节损坏，需更换；、原设计变更次数多，坝壳料无试验和碾压标准；、缺乏基本渗流、变形等安全监测设施；、溢洪道进口边坡落石严重，进口漂浮物阻塞过水能力，且无辅助泄洪设施。43 第四章推理公式法推求设计洪水4.1推理公式法在水利工作中，经常需要计算设计洪水的洪峰流量，如水库的调洪演算、防洪堤的高度、拦沙坝的大小等等许多方面，都要知道洪峰流量的大小，推求洪峰流量一般有4种方法，第一种是根据流量资料，通过频率的分析计算来求出设计洪水的洪峰流量；第二种是根据暴雨资料，通过频率计算求出设计暴雨，再通过流域的产流和汇流计算，推求出设计洪水的洪峰流量；第三种是经验公式法，利用简化的经验公式来估算设计洪水的洪峰流量；第四种是推理公式法。在缺乏资料的小流域内，利用推理公式是推求洪峰量的主要方法。推理公式法是基于暴雨形成洪水的基本原理推求设计洪水的一种方法。1.推理公式法的基本原理推理公式法计算设计洪峰流量是联解如下一组方程X便可求得设计洪峰流量Qp，即Qm，及相应的流域汇流时间τ。计算中涉及三类共7个参数，即流域特征参数F、L、J；暴雨特征参数S、n；产汇流参数μ、m。为了推求设计洪峰值，首先需要根据资料情况分别确定有关参数。对于没有任何观测资料的流域，需查有关图集。从公式可知，洪峰流量Qm和汇流时间τ互为隐函数，而径流系数ψ对于全面汇流和部分汇流公式又不同，因而需用试算法或图解法求解。①计算设计暴雨的Sp、XTP，进而由损失参数μ计算设计净雨的TB、RB。②将F、L、J、TB、RB、m代入式（公式4.1.1）（公式4.1.2）和（公式4.1.3），其中仅剩下Qm、τ、Rs,τ未知，但Rs,τ与τ有关，故可求解。③用试算法求解。先设一个Qm，代入式（公式4.1.3）得到一个相应的τ，将它与tc比较，判断属于何种汇流情况，再将该τ值代入式（公式4.1.1）或式（公式4.1.2），又求得一个Qm，若与假设的一致（误差不超过1%），则该Qm及τ43 即为所求；否则，另设Qm仿以上步骤试算，直到两式都能共同满足为止。试算法计算框图如图4.1.1。图4.1.1推理公式法计算设计洪峰流量流程图2.图解交点法该法是对（公式4.1.1）（公式4.1.2）和（公式4.1.3）分别作曲线Qm~τ及τ~Qm，点绘在一张图上。4.2设计暴雨的推求我国大部分地区的洪水主要由暴雨形成。在实际工作中，中小流域常因流域资料不足无法直接由流量资料推求设计洪水，而暴雨资料一般较多，因此可用暴雨资料推求设计洪水。特别是：1.在中小流域上兴建水利工程，经常遇到流量资料不足或代表性较差，难于使用相关法莱插补延长，因此需要用暴雨资料推求设计洪水。2.由于人类活动的影响，使径流形成的条件发生显著的改变，破坏了洪水资料系列的一致性，因此，可以通过暴雨资料，用人类活动后新的径流形成条件推求设计洪水。43 1.为了用多种方法惊醒推算设计洪水，以论证设计成果的合理性，即使是流量资料充足的情况下，也要用暴雨资料推求设计洪水。2.无资料地区小流域的设计洪水和保坝洪水，一般都是根据暴雨资料推求的。由暴雨资料推求设计洪水的主要内容：（1）推求设计暴雨：根据实测暴雨资料，采用统计分析和低典型放大法求得。（2）拟定产流方案，推求设计净雨：根据实测暴雨洪水资料，利用径流形成的基本原理，通过成因分析方法求得。（3）拟定流域汇流方案：根据实测暴雨洪水资料，利用汇流的概念，用成因分析的方法求得。（4）推求设计洪水过程线：由求得的设计暴雨，利用产流方案推求设计净雨过程，再利用流域汇流方案由设计净雨过程求得设计洪水过程。由暴雨资料推求设计洪水，可作为一种验证方法，一般是以由流量资料推求的成果为主。但当实测流量资料短缺，或流量资料系列受到人类活动如修建大量水利工程、水土保持措施的干扰，一致性遭到破坏时，该法就显得相当重要了。由暴雨推求设汁洪水，在大中流域相小流域上的具体作法是不同的，对小流域一般只需给出设计洪峰流量，因而计算方法可作一定概化。所谓设计暴雨如同设计洪水概念一样，包括指定历时内的流域面雨量及其时空变化，即一场完整的稀遇暴雨。由于暴雨的时、空变化的概率难以确定，面对一定历时内的流域面雨量的频率是可以确定的，因而，假定设汁洪水的频率同流域面雨量的频率是相同的。在设计暴雨的计算过程中，需要结合大暴雨成因条件，分析各次大暴雨在时间和空间上的分布特性，作为拟定设计暴雨过程的依据。因此，对流域暴雨时空分布特性的分析至关重要。1、暴雨在空间上分布的特性可绘制各种时段的暴雨量等值线图来说明暴雨在地理上的分布特性，为了分析对比各次大暴雨空间分布特性．在暴雨等值线图上，环绕暴两中心，量测逐条等雨深线所笼罩的面积f(Pi)，成果列成表，也可将成果绘制成面乎均两量P面与所笼罩面积f的关系曲线。对于同一次暴雨过程，选取不同的统计时段，得出若干幅雨量等值线图，也可得出各自的笼罩面积f与面平均雨量、时段T三者关系曲线，如图所示。我国称此曲线为时、面、深曲线，简称D、A、D曲线。2、暴雨的时间分配特性通常是在雨区内，选取若于个雨量站的观测资料作为代表，统计各代表站各种不同时段t的最大雨量Pt,及长、短时段雨量所占的百分比P(t1)／P(t2),并绘出各站暴雨强度在时间上的变化过程，用来说明暴雨量的时程分配情况。43 由于各次大暴雨的成因条件并不相同，相同的面两量下，其时空分布情况是多种多样的。一般是对当地实测大暴雨资料进行统计分析，从中找出与本流域气候、下垫面条件相应的暴雨时空分布特性，或取较常遇情况，或取其恶劣情况，作为拟定设计暴雨时空分布的依据。所谓设计暴雨如同设计洪水概念一样，包括指定历时内的流域面雨量及其时空变化，即一场完整的稀遇暴雨。由于暴雨的时、空变化的概率难以确定，面对一定历时内的流域面雨量的频率是可以确定的，因而，假定设汁洪水的频率同流域面雨量的频率是相同的。设计流域有实测雨量资料，该站可以插补到有1977～2008年共32年24h暴雨资料，1990～1999年共10年1/6h、1h、6h暴雨资料。对竹寿水库气象站1/6h、1h、6h、24h暴雨序列排频分析，优化配线所得参数如下表4.2-1，频率曲线图见附图6～附图9。表4.2-1暴雨序列频率分析参数暴雨序列均值CvCs/Cv1/6h12.30.243.51h39.10.373.56h71.70.453.524h1040.363.5图4.2-1竹寿水库1/6h暴雨频率曲线图43 图4.2-2竹寿水库1h暴雨频率曲线图图4.2-3竹寿水库6暴雨频率曲线图43 图4.2-4竹寿水库24暴雨频率曲线图将上述参数与《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》（1984年版，以下简称《省手册》）等值线图对照，可以发觉均值均比手册查算值要大。根据设计流域中心位置查《省手册》等值线图所得结果为：1h暴雨参数均值30.0mm，Cv＝0.42；6h暴雨参数均值60.0mm，Cv＝0.35；24h暴雨参数均值80mm,Cv＝0.35。实测暴雨参数偏大的原因主要是手册上该设计流域处等值线比较稀疏，内插误差比较大，因此设计暴雨计算采用实测暴雨参数成果，见表4.2-3。由于流域面积为69km2，以设计点暴雨量代替设计面暴雨量。定点定面折算系数接近于1.0，因此，设计流域以设计点雨量代替设计面雨量使用。表4.2-3设计流域暴雨计算成果表历时(h)均值(mm)CvCs/CvHp(mm)p=0.1%p=0.2%p=1.0%p=2.0%p=5.0%p=10.0%1/6h12.30.243.528.826.22523.820.919.6139.10.373.513711010385.377.566.8671.70.453.5244225181161135115241040.363.528826922320317615443 4.3设计洪峰流量的推求4.3.1公式设计洪峰流量的推算方法关于设计洪峰流量的推算方法，可有四种：1．按实测最大流量资料推算；2．按暴雨资料推算3．按洪水调查资料推算；4．按水文气象法推算。设计洪峰流量的推求采用《省手册》推荐的推理公式法进行计算。推理公式推求设计洪峰流量公式为：式中：——设计洪峰流量（）；——洪峰径流系数；——流域汇流时间（）；——流域面积（）；——自出口断面沿主河道至分水岭的河流长度（）；——沿的河道平均坡度（‰）；——暴雨雨力（）；——暴雨公式指数；——产流参数（）；——汇流参数。上述参数按性质可分为三组：①流域特征参数、、；②暴雨参数、；③产流参数和汇流参数。推求设计洪峰流量必须定出这3组参数。4.3.2参数确定推理公式中需要定量的有七个参数，可分三类：第一类为流域特征参数、、43 ；第二类为暴雨参数、；第三类为损失经验性参数和汇流经验性参数。(1)流域特征参数、、的确定：代表出口断面以上的流域面积，可在适当比例尺的地形图上勾绘流域分水线，直接量取。对地形图精度不高或分水线不清的流域，要进行实地查勘测量以确定分水线实在位置，单位以平方公里计。：采用自出口断面起沿主河道至分水岭的最长距离，包括主河道以上沟形不明显部分坡面沿流程的长度。一般情况下可自地形图上量取，必要时须根据实测资料进行验证，单位以公里计。：为沿的坡面和河道平均比降，须自分水岭起根据沿流程的比降变化特征点高程，按下式采用加权平均法计算：（4.3.2-1）式中、、…、为自出口断面起沿流程各特征地面点高程，、、…、为各特征点间的距离。当河道上有瀑布、跌坎、陡坡时，应当把突然变动比降段两端的特征点，都作为计算加权平均比降时分段点以使计算的比降反映沿程实际的水力条件。(2)暴雨参数、的确定暴雨参数、是反映本地区暴雨长短历的关系的参数，其中也可用作设计条件下主雨峰的降雨时程分配控制，一般通过分析本地区的降雨过程资料来确定。目前，由于并非所有中小流域上都具有详细的降雨过程资料，完全由各个流域本身的暴雨资料来确定暴雨参数常有困难，因此多采用通过地区上具有较长雨量观测系列站的统计资料．绘制暴雨参数等值线图或分区给出数据的办法。在一般地区，时段最大雨量、最大的雨量和降雨历时可用下列经验概化关系表达；（4.3.2-2）但根据暴雨资料分析的结果，在小时的时段内，用一个统一的值往往不能与实际点据很好结合，但如果采用完全随历时变化的值，则计算应用又将非常复杂。因此在实用中多采用将值分段概化的办法，其中最简便的是将分段点放在小时，即t＜1小时，令；t＞l小时，令。经过分析认为，分段采用的值，并不随暴雨的频率而变动。这样最大时雨量就可以根据最大24小时雨量来确定，即（4.3.2-3）而设计频率P的最大24小时雨量则通过下式确定：43 ，（4.3.2-4）式中为皮尔逊Ⅲ型频率曲线的离均系数。(3)经验性参数的确定损失经验性参数和汇流经验性参数虽然在公式中有其代表的意义，但其定量上是随计算公式所采用的概化假定条件和其形式而变化的。由于公式中采用的参数有限，对于在公式中未能考虑到的各项因素对洪水的影响，也要在这些参数的定量中有所反映。因此，为了使推理公式法能够给出比较切合实际情况的数据经验性参数的定量必须在已定的公式结构及其概化假定基础上通过对本地区暴雨洪水对应观测资料综合分析求得。为产流历时内的平均损失率，它基本上反映地面平均入渗能力。除与流域土壤透水性能、地貌、植被等下垫面因素有关外，还受暴雨量大小、历时长短、时程分配以及前期雨量等气候因素的影响。因此由实测资料分析的各次洪峰的值，变化幅度甚大，难以直接综合应用。故一般先建立设计条件下的暴雨径流关系，由设计暴雨换算得相应径流深，然后根据产流历时内一次洪水径流深h与值的理论关系式进行计算，以寻求本地区的频率变化规律。即（4.3-5）从大量的暴雨洪水实测的对应资料分析证明，值随集水面积的减小而增大。在四川省的平均变化关系为：（4.3-6）根据四川省东部盆地区自然地理和气候特点，在设计情况下，暴雨强度大、产流历时长，在推理公式中对最大流量的影响比较小。因此在确定设计值时，考虑在不影响计算成果精度的原则下，进行分区综合。综合成果如表4.3.2-1。表4.3.2-1四川省小流域产流参数值综合成果表地区平均值CvCs/Cv青衣江~鹿头山暴雨区0.153.5盆地丘陵区0.183.5盆缘山区、川西南山地0.233.5汇流参数，是反映洪水汇聚特性的参数。它与流域河网的调节作用、水力学特性以及气候条件等都有关系。但在小流域，主要受下垫面因素的影响。值的地区综合系在单站综合取定采用值后，先与流域特征、、43 分别单独建立关系，做初步综合。然后在进行地区综合，结果见表4.3.2-2。对于最大洪峰流量的计算，1979年《四川省水文手册》编列有解析法、图解法和近似法。表4.3.2-2四川省小流域汇流参数值综合成果表地区汇流参数盆地丘陵区盆缘山区川西南山地4.3.3用推理公式计算洪峰流量的步骤(1)确定设计流域的F,L,J(2)计算用表4.3.2-2有关综合式计算汇流参数m值，并分析确定m值，计算时，J采用绝对比值即以小数计。(3)由暴雨等值线图或直接惊醒统计分析，确定设计流域的暴雨特征值:及其相应的等，由皮尔逊Ⅲ型频率的值，计算出设计频率的暴雨雨力S。(4)假定用作初试计算，按照式计算。(5)由表4.3.2-1查算出产流参数值，并分析确定设计值，然后算出值。(6)由式计算设计流域汇流时间，如大于6小时或小于1小时，则应改用或并改算出相应的S，然后从第(4)重新计算。(7)用推理公式式计算出设计最大流量。(8)校核:上述步骤中(1)(2)(3)项需单独直接进行校核，以后各项则检验由第(7)步的最大流量反求的值与由第(2)步确定的m值式否十分接近。两者应当十分接近，否则应从第(4)步起进行核校。43 4.3.4计算成果暴雨参数利用表4.2-3中已求得的各时段设计暴雨量，按《省手册》方法分段计算。产流参数按手册方法，Cv=0.15，Cs/Cv=3.5计算，汇流参数按手册公式。经分析后确定的三类参数见表4.3-4～4.3-6。表4.3-4流域特征参数流域面积F（km2）河流长度L(km2)河道平均坡度（‰）6915.438表4.3-5暴雨参数参数P=0.10％P=0.20％P=0.33％P=1.0％P=3.3％n20.881210.872650.865590.84690.82012S2197.3179.2166.1137.3106.2表4.3-6产流和汇流参数参数P=0.10％P=0.20％P=0.33％P=1.0％P=3.3％μ3.18513.03852.93032.68242.3951ｍ0.388540.388540.388540.388540.38854根据以上参数，由推理公式推求得坝址设计洪峰流量，成果见表4.3-7。表4.3-7竹寿水库设计洪峰流量成果表频率P=0.10％P=0.20％P=0.33％P=1.0％P=3.3％洪峰Qp(m3/s)673603554448339本次设计洪水采用了1/6h、1h、6h、24h暴雨系列试算洪峰，43 4.4设计洪水总量设计洪水总量按下式推求:(万)式中：——设计洪水总量(万)；——径流系数；——历时为的设计暴雨，按单峰由计算；按式：(>24)计算，暴雨公式指数按计算，为频率(%)，参数、查《省手册》确定，本地区，。设计洪水总量计算成果见表4.4-1，表4.4-1竹寿水库设计洪水总量成果表频率P=0.10％P=0.20％P=0.33％P=1.0％P=3.3％洪量（万）193518061711149012404.5设计洪水过程线设计洪水过程线是指具有某一设计标准的洪水过程线。但是，洪水过程线的形状千变万化，且洪水每年发生的时间也不相同，是一种随机过程，目前尚无完善的方法直接从洪水过程线的统计规律求出一定频率的过程线。尽管已有人从随机过程的角度，对过程线作模拟研究，但尚未达到实用的目的。为了适应工程设计要求，目前仍采用放大典型洪水过程线的方法，使其洪峰流量和时段洪水总量的数值等于设计标准的频率值，即认为所得的过程线是待求的设计洪水过程线。放大典型洪水过程线时，根据工程和流域洪水特性，可选用同频率放大法或同倍比放大法。一、典型洪水过程线的选择典型洪水过程线是放大的基础，从实测洪水资料中选择典型时，资料要可靠，同时应考虑下列条件：（1）选择峰高量大的洪水过程线，其洪水特征接近于设计条件下的稀遇洪水情况。（2）要求洪水过程线具有一定的代表性，即它的发生季节、地区组成、洪峰次数、峰量关系等能代表本流域上大洪水的特性。43 （3）从水库防洪安全着眼，选择对工程防洪运甩较不利的大洪水典型，如峰型比较集中，主峰靠后的洪水过程。一般按上述条件初步选取几个典型，分别放大，并经调洪计算，取其中偏于安全的作为设计洪水过程线的典型。二、放大方法目前采用的典型放大方法有峰量同频率控制方法（简称同频率放大法）和按峰或量同倍比控制方法（简称同倍比放大法）。1.同频率放大法此法要求放大后的设计洪水过程线的峰和不同时段（1天、3天、…）的洪量均分别等于设计值。具体做法是先由频率计算求出设计的洪峰值和不同时段的设计洪量值,…，并求典型过程线的洪峰和不同时段的洪量,…，然后按洪峰、最大1天洪量、最大3天洪量、…的顺序，采用以下不同倍比值分别将典型过程进行放大。洪峰放大倍比为：最大1天洪量放大倍比为：最大3天洪量中除最大1天以外，其余两天的放大倍比为：以上说明，最大1天洪量包括在最大3天洪量之中，同理，最大3天洪量包括在最大7天洪量之中，得出的洪水过程线上的洪峰和不同时段的洪量，恰好等于设计值。时段划分视过程线的长度而定，但不宜太多，一般以3段或4段为宜。由于各时段放大倍比不相等，放大后的过程线在时段分界处出现不连续现象，此时可徒手修勺，修匀后仍应保持洪峰和各时段洪量等于设计值。如放大倍比相差较大，要分析原因，采取措施，消除不合理的现象。2.同倍比放大法此法是按洪峰或洪量同一个倍比放大典型洪水过程线的各纵坐标值，从而求得设计洪水过程线。因此，此法的关键在于确定以谁为主的放大倍比值。如果以洪峰控制，其放大倍比为：式中KQ——以峰控制的放大系数43 其余符号意义同前。如果以量控制，其放大倍比为：式中Km—以量控制的放大系数—控制时段t的设计洪量—典型过程线在控制时段t的最大洪量采用同倍比放大时，若放大后洪峰或某时段洪量超过或低于设计很多，且对调洪结果影响较大时，应另选典型。在上述两种方法中，用同频率放大法求得的洪水过程线，比较符合设计标准，计算成果较少受所选典型不同的影响，但改变了原有典型的雏形，适用于峰量均对水工建筑物防洪安全起控制作用的工程。同倍比放大法计算简便，适用于峰量关系较好的河流，以及防洪安全主要由洪峰或某时段洪量控制的水工建筑物。用推理公式法推求设计洪水过程线是根据《省手册》中所列川西南地区单峰洪水概化过程线模型，利用已求得的设计洪峰流量及洪水总量按峰量控制放大推求洪水过程线。按以下两式计算设计洪水过程线。式中：——设计洪水过程线（未包括基流）的流量坐标；——设计洪水过程线的时间坐标；、——典型概化洪水过程线的相对坐标；、——分别为设计频率P下的设计洪量和设计洪峰。由过程线再加入基流即得到最后的设计洪水过程线。本流域属于青衣江水系，查《省手册》基流按下式计算。求得设计洪水过程线计算成果见表4.5-1，设计洪水过程线见图4.5-2。43 表4.5-1推理公式法推求的设计洪水过程线计算成果P=0.1%P=1%历时（h）流量历时（h）流量历时（h）流量历时（h）流量003.881639004.4894250.79233.64.7535380.91622.45.4973581.0367.36.1784041.19144.87.1452691.4261358.4752691.64989.69.8021791.82226914.2581352.10717916.4989.62.21840420.59467.32.56526923.81844.82.61453825.34733.63.02335829.31522.42.85263930.89203.29842535.72703.1686733.664448洪峰流量（）673洪峰流量（）448洪量（万）1935洪量（万）1490图4.5-2推理公式法推求的设计洪水过程线43 第五章水文比拟法5.1水文比拟法设计洪峰流量水文资料是水文分析计算的依据，在水利水电设计中，它直接影响着此次设计洪水计算的精度、可靠性，是设计洪水计算的基础。该项工作包括资料的可靠性、代表性和一致性审查三个方面。用“水文比拟法”，推求电站径流量，由于参证站是水文站。有“日”流量实测资料，因此可计算出以“日”为时段的流量。其方法简便，误差亦小，但对于径流电站，包括“日”调节电站而言，如用“旬”流量进行水能计算，其成果偏大，就必须用“日”流量进行水能计算，其成果才切合实际。会东水文站位于鲹鱼河流域下游，竹寿水库下游30公里处。该站1959年设站，控制面积615km2，1973年四川省水文局重新刊布集水面积变为779km2。1986年以后会东水文站分为会东桥和会东渠道站，由下游3.7公里原会东站迁来。现有1965～1987年（1969年缺测）共22年实测水位、流量资料。1984年实测最大流量1830ｍ3/ｓ。洪水主要发生在5～10月。会东站处于竹寿水库下游，可以认为大洪水是由同一场暴雨形成。1952年竹寿水库洪水调查资料，历史最大流量205ｍ3/ｓ，重现期为30年。将会东水文站22年洪峰流量摘录出来，按流域面积比的2/3次方移置推算至竹寿水库坝址，其中1984年洪峰流量为360.7ｍ3/ｓ，大于历史最大流量205ｍ3/ｓ，是1952至1984以来最大洪峰，其重现期至少在32年以上。对竹寿水库折算的洪峰流量组成的不连续序列进行频率计算，其频率曲线参数设计成果如表5.1-1，频率曲线见附图5.2-1。表5.1-1竹寿水库设计洪水成果表均值（m3/s）CvCs/Cv洪峰（m3/s）p=0.1%p=0.2%p=1.0%p=2.0%p=5.0%p=10.0%1270.62569962344937628421943 图5.2-1竹寿水库设计洪水洪峰流量频率曲线图5.2设计洪水总量及设计洪水过程会东水文站洪水过程一般历时三天，但竹寿水库处于会东水文站上游，洪水过程时间一般在36h左右。对会东水文站历年汛期洪水过程按24h滑动取样，获得24h洪量系列后按照面积比折算，获得竹寿水库24h洪量序列进行排频计算，求得设计洪量（结果列在表5.2-1,频率曲线见图5.2-1）。表5.2-1竹寿水库设计洪量成果表均值(万m3)CvCs/Cv24h洪量（万m3）p=0.1%p=0.2%p=1.0%p=2.0%p=5.0%p=10.0%2060.62511301010728611461355根据鲹鱼河流域洪水特性，同时考虑对工程不利的原则，选1981年6月的一次单峰洪水过程作典型，以36h时长设计，按面积比的2/3次方折算到竹寿水库的典型洪水过程线。控制时段为24h，按洪量控制，采用同倍比放大得到竹寿水库设计洪水过程。见图5.2-2。放大后设计洪水过程线的洪量，见表5.2-3。43 表5.2-3竹寿水库设计洪量成果表站名项目p=0.1%p=1.0%竹寿洪量（万m3）1570.11101.4图5.2-2竹寿水库设计洪水洪峰流量频率曲线图图5.2-3水文比拟法推求的设计洪水过程线43 第六章设计洪水推荐成果为防洪等工程设计而拟定的、符合指定防洪设计标准的、当地可能出现的洪水。即防洪规划和防洪工程预计设防的最大洪水。设计洪水的内容包括设计洪峰、不同时段的设计洪量、设计洪水过程线、设计洪水的地区组成和分期设计洪水等。可根据工程特点和设计要求计算其全部或部分内容。防洪设计标准指防洪工程抗御洪水能力的规定限度。防洪水工建筑物设计时，选用过于大的洪水作为设计依据，虽然安全，但不经济；若选择的洪水偏小，投资虽然减少，但不安全或达不到预期的防洪要求。因此，需权衡安全和经济两个方面，为工程的防洪能力规定一个恰当的限度，即防洪设计标准。符合此标准的洪水即为设计洪水。防洪设计标准一般用洪水出现的概率或重现期表示。个别工程和有些地区的防洪规划，也有以防御某次大洪水作为防洪设计标准的。通常分为正常运用设计标准（简称设计标准）和非常运用设计标准（简称校核标准）两种。当洪水超过正常运用设计标准时，工程的正常运用将遭到破坏；当洪水超过非常运用设计标准时，工程的安全将受到威胁。不同规模和不同重要性的工程分别采用不同的防洪设计标准。中华人民共和国于1978年颁布了《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》（山区、丘陵区部分）(SDJ12-78)（试行），列的是永久性水工建筑物正常运用的洪水标准。对于特别重要的工程，在上述文件中规定以可能最大洪水作为校核标准。设计洪峰、洪量和洪水过程线的计算根据工程的性质和水文资料条件采用不同的计算方法。在一般情况下，采取多种途径计算，综合分析论证和合理选用成果。常用的计算方法有：①直接法。即根据流量资料推求设计洪水。当工程所在地或其附近有较长的洪水流量观测资料，而且有若干次历史洪水资料时，逐年选取当年最大洪峰流量和不同时段（如1天、3天和7天等）的最大洪量，分别组成最大洪峰流量和不同时段最大洪量系列，然后进行频率分析，以确定相应于设计标准的设计洪峰和时段设计洪量。最后，选择典型洪水过程线，按求出的设计洪峰和各时段设计洪量，对典型洪水过程线进行同频率或同倍比放大，作为设计洪水过程线。②间接法。即根据雨量资料推求设计洪水。当工程所在地及其附近洪水流量资料系列过短，不足以直接用洪水流量资料进行频率分析，但流域内具有较长系列雨量资料时，可先求得设计暴雨,然后通过产流和汇流计算,推求设计洪峰、洪量和洪水过程线。该法假定，一定重现期的暴雨产生相同重现期的洪水。③地区综合法。如果工程所在地的洪水流量和雨量资料均短缺，可在自然地理条件相似的地区，对有资料流域的洪水流量、雨量和历史洪水资料进行分析和综合，绘制成各种重现期的洪峰流量、雨量、产流参数和汇流参数等值线图，或将这些参数与流域自然地理特征(流域面积和河道比降等)建立经验关系，然后借助这些图表和经验关系推算设计地点的设计洪水。43 设计洪水的地区组成指当河流设计断面发生设计频率的洪水时，其上游各控制断面和区间相应的洪峰、洪量和洪水过程线，它表示下游断面的设计洪水和上游各个控制断面设计洪水之间的关系。在制定流域开发方案、分析单一水库的防洪作用和研究梯级水库或水库群的联合调洪作用时，需分析设计洪水的地区组成。为了分析和比较设计洪水不同地区组成的防洪效果，常需拟定若干种地区组成方案，经调洪演算和综合分析，从中选取能满足工程设计要求的，作为设计的依据。设计洪水的地区组成的计算方法有：①典型年法。即从实测资料中选出若干次在地区组成上具有一定代表性的（如洪水主要来自上游,或主要来自区间,或在全流域均匀分布）、对防洪不利的大洪水作为典型洪水，以设计断面某一时段设计洪量为控制，按同一倍比对各断面及区间同一时段的典型洪水进行放大，求得各断面及区间相应的洪量或洪水过程线。②同频率地区组成法。指根据防洪要求，选定某一时段一个分区的洪量与设计断面的洪量为同频率，其余各分区的相应洪量和某一次洪水的地区组成作为典型，进行分配，并以同频率洪量和分配的时段洪量作为控制，放大典型过程线作为设计洪水和各地区的相应洪水过程线。分期设计洪水指年内不同季节或时期，如丰水期、平水期、枯水期、或其他指定时期的设计洪水。在水库调度运用、施工期防洪设计或其他需要时，要求计算分期的设计洪水。分期的原则是：①要使各分期的洪水不仅在成因上，而且在数量级和洪水特性等方面有明显差异。一般根据洪水成因，把全年划分为暴雨洪水期、凌汛期和融雪洪水期等。在可能条件下，暴雨洪水期还可进一步划分为梅雨期和台风雨期等。②满足工程设计的需要。例如，为选择截流时间，合理安排施工计划，常需求出枯水期、平水期和洪水期的设计洪水或分月设计洪水。分期一般不宜短于一个月。分期设计洪水的计算方法原则上与全年设计洪水的计算方法相同，但其计算成果一般误差较大，要作认真的合理性分析本次设计采用推理公式法和水文比拟法两种方法推求设计洪水，其结果见表6.1-1。表6.1-1两种方法推求设计洪水成果表项目P=0.1%P=1.0%推理公式法洪峰（m3/s）673448洪量（万m3）19351490水文比拟法洪峰（m3/s）699449洪量（万m3）15701101原设计结果洪峰（m3/s）511392洪量（万m3）1792137143 从表6.1-1计算结果来看，会东站水文比拟法设计洪峰与推理公式法较接近，设计洪量则偏小，主要原因是水文比拟法参证站会东站与竹寿水库面积相差较大。2000年宁南县竹寿水库防洪复核报告中，采用瞬时单位线法推求设计洪水，采用的是1985年补充初设制作的单位线。只利用了1980-1983年的实测暴雨洪水资料，选择典型暴雨推求的。其中设计暴雨的推求是采用1977-1984，1990-1999实测最大24小时序列直接排频计算，设计暴雨的计算不合理；单位线的制作只采用一场洪水，产汇流制作依据不充分。因此本次设计不采用原结果。根据调洪演算结果，推理公式法推算的水库校核洪水位＝2408.07m，从安全角度及水文比拟法设计洪量欠准确考虑，本次设计推荐使用推理公式法成果。43 第七章调洪演算在水库的规划设计阶段,为了进行方案的选择,必须进行调洪演算对于已投入运行的水库,为了检查其防洪能力,也必须通过调洪演算来加以复核。调洪演算还可解决梯级水库的入库洪水问题,亦可进行预报,可见调洪演算是很重要的。一、调洪演算的任务在水工建筑物如大坝的防洪标准如百年一遇设计、千年一遇校核等或下游防洪区的防洪标准一定的情况下,拟定一些方案,通过对各方案的调洪计算后得出一系列特征指标如最高水位、最大下泄流量、最大库容等。然后进行防洪投资与效益分析计算,选择一种最优的方案。二、调洪演算所需基本资料对于具体某一拟定的方案而言,就应该已知一些必需资料。这些资料主要有:(1)各种设计洪水资料,包括设计洪水、校核洪水、下游能抵御的洪水、区间洪水等资料。这部分资料应由水文计算提供。(2)水库的库容特性曲线z~v。它是水库设计的最基本资料之一,一般都现有,如果没有,根据区库区地形等高线资料计算可得。(3)水库最大下泄能力曲线z~q。这部分资料是就相应拟定的方案而言的。比如拟定的方案中主要泄洪设施有溢洪道、中孔、底孔及发电用水等。竹寿水库溢洪道为侧堰溢流，无闸门，溢洪道堰顶高程2404.0，净宽40。以实用堰流泄洪，泄流能力按下式计算。式中：——流量系数，。——溢洪道净宽，（）。泄流曲线成果见表7.1-1、曲线见图7.1-1。表7.1-1竹寿水库泄流曲线表水位(m)2404240524062407240824092410水头(m)0123456流量()072203.6374575.9757105843 图7.1-1泄流曲线图利用水库库容曲线及泄流曲线（附图13、7.1-1），依据来洪过程线，以1小时为调洪计算时段，从堰顶高程起调，求得水库下泄过程线和库水位过程线，最终求得调洪演算成果见表7.1-2，调洪演算过程相关曲线见图7.1-2、7.1-3。表7.1-2竹寿水库调洪计算成果表P(%)qmax(m3/s)V防(104m3)Z洪(m)H洪(m)0.1591.11154.912408.074.071.0408.841099.482407.183.18图7.1-2设计频率洪水（P=0.1%）调洪演算过程相关曲线43 图7.1-3设计频率洪水（P=1%）调洪演算过程相关曲线由表4.7-2竹寿水库调洪计算成果表可知，校核（设计频率p=0.1%）洪水来水情况下，竹寿水库最高洪水位H洪＝2408.07m，相应库容V总＝1154.91万m3,最大下泄流量qmax=591.1m3/s。43 第八章坝顶高程确定根据本库多年平均最大风速V=28.0，吹程D=0.78，坝迎水面石板护坡，洪水位段坝坡坡率=2.2以及坝前平均水深等资料，参考部颁《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001的规定，按莆田实验站公式计算平均波高hm、平均波周期Tm以及平均波长Lm。非常运用情况下按最大风速计，正常运用情况下3级建筑物按多年最大风速1.5倍计。（1）风壅高度：按计算。（2）波浪爬高计算：按规范规定，可按官厅公式h=0.0166V5/4D1/3及λ＝0.389VD1/3计算波高及波长，按公式：计算平均波浪爬高，再按规范选定3级建筑物设计波浪爬高为p=1%的波浪爬高，由规范表A.1.13确定Rp/Rm比值后计算。（3）安全加高的确定：按规范规定，3级建筑物正常运用情况下的安全加高A=0.7，非常运用情况下A=0.4。竹寿水库地震烈度为7度，由规范查的地震超高取为1.5m。总的安全加高Y=R+e+A,要求的坝顶高程为：Z坝顶=Z洪、设+Y设Z坝顶=Z洪、校+Y校坝顶高程计算成果见表8.1-1。表8.1-1坝顶高程计算表（v=28m/s）P(%)Z洪()R()e()A()地震超高（）Y()所需Z坝顶()地震工况2404.01.3840.0090.71.52407.5931.02407.181.3720.0080.72.082409.260.12408.070.9460.0040.41.352409.4243 参考文献1、叶守泽，水文水利计算，北京，水利电力出版社，1992.112、《四川省中、小流域暴雨洪水设计手册》。3、《水利水电工程水文计算规范》4、《水利水电工程设计洪水计算规范》5、长江水利委员会《水文预报方法》第二版北京：水利电力出版社，19936、张恭肃等《洪水预报技术》北京：水利电力出版社，19897、水文水利计算中国水利水电出版社20068、工程水文学中国水利水电出版社20009、水文学原理中国水利水电出版社200710、水文测验学黄河水利出版社200511、水利计算及水资源规划水利水电出版社199543 致谢首先我在这里向养育和培养我的父母表示深深地思念和感谢，再向关心我，帮助我的老师和同学表示感谢！能顺利圆满地完成我的设计，离不开自身的努力，离不开指导老师缪韧老师和宋莉莉学长的指点，更离不开四川大学这个大环境四年来在学习和生活的熏陶和培养。大四下学期开始不久，我开始了我的毕业设计。在这几个月里，我得到了导师繆老师的关心和教导，繆老师在学术上的渊博知识让我在这几个月的学习和研究中深受其益。我向繆老师表示深深地谢意；再向和我进行讨论问题，让彼此相互帮助和学习工作的同学表示感谢；向水电学院实验室中，陪着我们度过几多光阴的管理员和老师表示谢意。设计的完成，为我在川大的学习生涯画上了一个圆满的句号。在四川大学度过的美好时光将使我终生受益。43'