工程水文及水利計(jì)算課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　工程水文及水利計(jì)算</b></p><p><b>　　課</b></p><p><b>　　程</b></p><p><b>　　設(shè)</b></p><p><b>　　計(jì)</b></p>

2、;<p>　　題 目： 天福廟水庫防洪復(fù)核計(jì)算 </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　設(shè)計(jì)任務(wù)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．</p><p>　　流域自然地理概況，流域水文氣象特征．．．．．．．

3、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．</p><p>　　防洪標(biāo)準(zhǔn)選擇．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．</p><p>　　峰、量選樣及歷史洪水調(diào)查．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．</p><p

4、>　　設(shè)計(jì)洪水計(jì)算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．</p><p>　　設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪計(jì)算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．</p><p>　　壩頂高程復(fù)核計(jì)算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

5、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．</p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　天福廟水庫位于湖北省遠(yuǎn)安縣黃柏河?xùn)|支的天福廟村，大壩以上流域面積553.6km2，河長58.2km，河道比降10.6‰，總庫容6367萬m3，是一座以灌溉為主，結(jié)合防洪、發(fā)電、攔沙、養(yǎng)殖等綜合利用的水利工程。天福廟水庫于1974年冬開工建設(shè)，

6、1978年建設(shè)成，已運(yùn)行近30年。1975年技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，水文系列年限僅20年，系列太短，也缺乏大洪水的資料。本次課程設(shè)計(jì)的任務(wù)，是在延長基本資料的基礎(chǔ)上，按現(xiàn)行規(guī)范要求對(duì)水庫的防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)核，其具體任務(wù)是：</p><p>　　1 . 選擇水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　2 . 歷史洪水調(diào)查分析及洪量插補(bǔ)。</p><p>　　3 . 設(shè)計(jì)洪水和校核洪水的計(jì)算

7、。</p><p><b>　　4 . 調(diào)洪計(jì)算。</b></p><p>　　5 . 壩頂高程復(fù)核。</p><p>　　二、流域自然地理概況，流域水文氣象特征</p><p>　　天福廟水庫位于湖北省遠(yuǎn)安縣黃柏河?xùn)|支的天賦廟村，大壩以上流域面積553.6km2，河長58.2km，河道比降10.6‰，總庫容6367萬m

8、2，是一座以灌溉為主，結(jié)合防洪、發(fā)電、攔沙、養(yǎng)殖等綜合利用的水利工程。天福廟水庫位置及水系見圖KS1-1。</p><p>　　圖KS1-1 黃柏河流域及天福廟水庫位置圖</p><p>　　天福廟水庫于1974年冬開工建設(shè)，1978年建設(shè)成，大壩為漿砌石雙曲拱壩，壩前河底高程348m，壩高63.3m，電站總裝機(jī)6040kw。水庫死水位378m，死庫容714萬m3，正常蓄水位409m，相

9、應(yīng)庫容6032萬m3。設(shè)計(jì)洪水位（P=2%）409.28m,校核（P=0.2%）洪水位409.28m，壩頂高程410.3m，防浪墻頂高程411.3m。庫區(qū)吹程1000m。水文氣象資料</p><p>　　1.氣象特征。天福廟流域地處亞熱帶季風(fēng)區(qū)，四季分明，夏季炎熱多雨，冬季低溫少雨，秋溫高于春溫，春雨多于秋雨，氣溫年內(nèi)變化較大，無霜期長。多年平均氣溫16.8℃，歷年最高氣溫達(dá)40℃，最低氣溫-12℃，平均風(fēng)速1

10、.2m/s,多年平均最大風(fēng)速15.5m/s，風(fēng)向多為NE。流域多年平均降水量1036.3mm，流域暴雨頻繁，洪水多發(fā)，4-10月為汛期，汛期降雨量占全年降雨量的86.7%左右，尤其以7月最大，占全年的19.5%。月降雨量最少是12月，僅占全年的1.3%。</p><p>　　2.水文測站。黃柏河干流上1958年設(shè)立池灣河水文站，1971年設(shè)立小溪塔水文站，1961年在東支設(shè)立分鄉(xiāng)水文站。天福廟水庫建成后，先后開展

11、了降雨、水位、泄流觀測，有比較完整的運(yùn)行資料。分鄉(xiāng)水文站是重要的參證站，控制流域面積1083.0km2。</p><p>　　3.分鄉(xiāng)站歷史洪水。根據(jù)1982年省雨洪辦對(duì)宜昌市歷史洪水調(diào)查成果的審定結(jié)果，分鄉(xiāng)站洪水的排位為1935年、1984年、1826年、1930年、1958年，資料可靠，可直接采用。經(jīng)審定認(rèn)為，分鄉(xiāng)站1935年洪水1826年以來的第1位，重現(xiàn)期為176年，1984年洪水于1826年、1930年

12、洪水相當(dāng)，分別確定為1826年以來的地2-4位，1958年洪水為1826年以來的地5位。分鄉(xiāng)站歷史洪水成果見表KS1-1。</p><p>　　表KS1-1 分鄉(xiāng)站歷史洪水成果表</p><p><b>　　三、防洪標(biāo)準(zhǔn)選擇</b></p><p>　　根據(jù)課本第七章的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行防洪標(biāo)準(zhǔn)選擇，如下表1、2、3所示。&l

13、t;/p><p>　　表1 水利水電樞紐工程的等級(jí)</p><p>　　表2 水工建筑物等級(jí)</p><p>　　表3 水庫工程水工建筑物的防洪標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　由分鄉(xiāng)站歷史洪水成果表，得到天福廟水庫記錄的最大洪量為4680m3

14、/s，重現(xiàn)期為176年，以及庫容量，根據(jù)《水庫工程建筑物防洪標(biāo)準(zhǔn)》查得天福廟水庫工程等級(jí)為三級(jí)，其防洪標(biāo)準(zhǔn)為：設(shè)計(jì)T=50年，校核T=500年。</p><p>　　四、峰、量選樣及歷史洪水調(diào)查</p><p>　　1、天福廟水庫壩址1959-1977年峰、量系列根據(jù)分鄉(xiāng)站同期資料換算得出，洪峰按面積比指數(shù)的2/3次方換算，洪量按面積比的1次方換算。</p><p>

15、;　　2、天福廟水庫壩址1978-2001年峰、量系列直接采用天福廟入庫洪水系列計(jì)算。</p><p>　　3、分析分鄉(xiāng)站歷史洪水，并換算至天福廟水庫壩址。根據(jù)天福廟水庫壩址1978-2001年峰、量系列建立峰量關(guān)系；根據(jù)比峰、量關(guān)系計(jì)算歷史洪水的1d、3d洪量。</p><p><b>　　具體如下：</b></p><p>　　KS1-2

16、 天福廟水庫洪峰、洪量系列</p><p>　　洪峰、1d、3d洪量相關(guān)性分析結(jié)果</p><p><b>　　五、設(shè)計(jì)洪水計(jì)算</b></p><p>　　1.對(duì)天福廟水庫壩址洪峰及1d洪量、3d洪量系列分別分別進(jìn)行頻率計(jì)算，推求出各設(shè)計(jì)頻率的設(shè)計(jì)洪峰和1d、3d設(shè)計(jì)洪量。（在幾率格紙上繪制峰、量頻率曲線）</p>

17、;<p>　　2.洪峰和洪量成果的合理分析。</p><p>　　3.選擇典型洪水過程線。</p><p>　　4．按同頻率放大法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水過程線，并按選擇時(shí)段△t=1h繪制洪水過程線。</p><p>　　由于天福廟水庫壩址1959-1977年峰、量系列根據(jù)分鄉(xiāng)站同期資料換算得出，洪峰按面積比指數(shù)的2/3次方換算，洪量按面積比的1次方換算。則<

18、;/p><p>　　Q天福廟=（F天福廟/F分鄉(xiāng)站）2/3Q分鄉(xiāng)站 W天福廟1d=（F天福廟/F分鄉(xiāng)站）W分鄉(xiāng)站1d </p><p>　　W天福廟3d=（F天福廟/F分鄉(xiāng)站）W分鄉(xiāng)站3d，計(jì)算天福廟庫區(qū)1935、1984年洪峰和1d、3d洪量。</p><p>　　1935年Q天福廟=2992m3/s</p><p>　　1984年Q天

19、福廟=2390 m3/s，W天福廟1d=0.5489×108m3，W天福廟3d=0.8518×108m3</p><p><b>　　洪峰經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算表</b></p><p>　　繪制洪峰經(jīng)驗(yàn)頻率曲線如下圖（第一次配線）</p><p><b>　　（第二次配線）</b></p><

20、;p>　　由公式計(jì)算理論頻率曲線的統(tǒng)計(jì)參數(shù)</p><p>　　Q平均=1/nΣQi=627.84m3/s</p><p><b>　　Cv=0.71</b></p><p>　　Cs=3.58Cv=2.54，查附表1得φ2%=3.048，φ0.2%=5.77。</p><p>　　則P=2%的設(shè)計(jì)洪峰流量為Q=2

21、%=Q平均（φ2%Cv+1）=627.84×（3.048×0.71+1）=1986.54m3/s。</p><p>　　P=0.2%的校核洪峰量為Q=0.2%=Q平均（φ0.2%Cv+1）=627.84×（5.77×0.71+1）=3199.91m3/s。</p><p>　　1d洪量經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算表</p><p>　　1d洪

22、量經(jīng)驗(yàn)頻率曲線（第一次配線）</p><p><b>　　（第二次配線）</b></p><p>　　W平均=1/nΣWi=0.19×108m3</p><p><b>　　Cv=0.61</b></p><p>　　Cs=3.15Cv=1.92，查附表1得φ2%=2.89，φ0.2%=5

23、.14。</p><p>　　則P=2%的設(shè)計(jì)1d洪量為W=2%=W平均（φ2%Cv+1）=0.52×108m3</p><p>　　P=0.2%的校核1d洪量為W=0.2%=W平均（φ0.2%Cv+1）=0.79×108m3</p><p>　　3d洪量經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算表</p><p>　　3d洪量經(jīng)驗(yàn)頻率曲線（第一次配線

24、）</p><p><b>　　（第二次配線）</b></p><p>　　W平均=1/nΣWi=0.34×108m3</p><p><b>　　Cv=0.54</b></p><p>　　Cs=3.89Cv=2.1，查附表1得φ2%=2.93，φ0.2%=5.33。</p>

25、<p>　　則P=2%的設(shè)計(jì)3d洪量為W=2%=W平均（φ2%Cv+1）=0.88×108m3</p><p>　　P=0.2%的校核3d洪量為W=0.2%=W平均（φ0.2%Cv+1）=1.32×108m3</p><p><b>　　合理性分析</b></p><p>　　(1)通過對(duì)本站洪峰、洪量及其統(tǒng)計(jì)

26、參數(shù)隨時(shí)間變化的分析和從洪峰、洪量及其統(tǒng)計(jì)參數(shù)隨地區(qū)的變化規(guī)律的分析，以及從形成洪水的暴雨方面分析，都得出了相應(yīng)的合理結(jié)論。</p><p>　　(2)將各種統(tǒng)計(jì)時(shí)段洪量的頻率曲線繪制在一張圖紙上，在適用范圍內(nèi)不能相交。因?yàn)槿绻嘟?，就不能保證同一頻率下長時(shí)段的洪量大于短時(shí)段的洪量。</p><p><b>　　選擇典型洪水過程線</b></p><

27、;p><b>　　計(jì)算放大倍比</b></p><p>　　KQ=Qmp/Qm典=3199.91/2389.0=1.34</p><p>　　KW1=W1P/W1典=21944.44/19879.6=1.10</p><p>　　KW3～1=（W3P-W1P）/（W3典-W1典）=（36666.67-21944.44）/（21670.4-

28、19879.6）=8.22</p><p>　　校核洪水過程線計(jì)算表</p><p>　　典型洪水放大過程線圖</p><p>　　六、設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪計(jì)算</p><p>　　天福廟水庫為有閘溢洪道，調(diào)洪時(shí)段△t=1h，編程上機(jī)進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算，并繪制入庫和下泄流量過程線圖。調(diào)洪起調(diào)水位為正常蓄水位409m，在此水位下，左岸溢洪道2孔、壩頂溢洪道4

29、孔全開的泄流量為2940m3/s。當(dāng)入庫洪水流量小于此流量時(shí)，通過開啟溢洪道閘孔數(shù)，使泄流量等于來水流量，保持設(shè)計(jì)蓄水位409m不變。當(dāng)入庫洪水流量大于2940m3/s 時(shí)，6孔閘門全開泄洪，庫水位開始上漲，直至達(dá)到最高水位，然后再回落至設(shè)計(jì)蓄水位409m。</p><p>　　天福廟水庫庫容曲線根據(jù)原庫區(qū)1:2000地形圖進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算，與《湖北省中型水庫調(diào)度規(guī)程》刊布成果一致，見表KS1-4。左岸溢洪道壩頂高

30、程398.0m，2孔，每孔凈寬13.0m，為弧形閘門控制。壩頂溢洪道堰頂高程402.4m，，4孔，每孔凈寬8.0m，亦為弧形閘門控制。兩溢洪道堰型均為WES標(biāo)準(zhǔn)型剖面實(shí)用堰，流量計(jì)算公式為</p><p><b>　　Q=σc3/2</b></p><p>　　由該式計(jì)算泄洪建筑物泄流曲線，見表KS1-4.</p><p>　　KS1—4

31、 天福廟水庫庫容曲線和泄洪建筑物泄流曲線</p><p><b>　　水位容積曲線</b></p><p><b>　　泄流曲線</b></p><p>　　推求下泄流量過程線：由天福廟水庫庫容曲線和泄洪建筑物泄流曲線表知，起始V1=3460，q1=0，已知第一時(shí)段Q1=128.Q2=755.04，用列表試算法，假定

32、q2值。由水量平衡方程V2=（Q1+Q2）△t/2-（q1+q2）△t/2+V1得V2值。假定第一時(shí)段q2=30m3/s，所以V2=3613.46*104m3，以第一時(shí)段的V2、q2作為第二時(shí)段初的V1、q1,重復(fù)第一時(shí)段試算過程，連續(xù)試算得：</p><p>　　天福廟水庫調(diào)洪計(jì)算成果圖</p><p>　　最大下泄流量qm=2800m3/s，根據(jù)校核庫容值查庫容水位曲線得校核洪

33、水位為409.6m3，校核庫容V庫容=5987.35*104m3。</p><p>　　七、壩頂高程復(fù)核計(jì)算</p><p>　　根據(jù)《混泥土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 282-2003），壩頂高程應(yīng)不低于校核洪水位，壩頂上游側(cè)防浪墻頂高程與設(shè)計(jì)洪水位的高差△h按下式計(jì)算：</p><p>　　△h=hb+hz+hc</p><p>　　式中 hb

34、 ，波高，m；</p><p>　　hz ，波浪中心線超出靜水位的風(fēng)雍高度, m；</p><p>　　hc ，安全超高，根據(jù)建筑物等級(jí)選?。ū?）。</p><p><b>　　波高 </b></p><p>　　hb=0.0076V1/12（gD/V2）1/3(V2/g)</p><p>&l

35、t;b>　　波長</b></p><p>　　Lm=0.331V-7/15(gD/V2)4/15(V2/g)</p><p><b>　　風(fēng)雍高度</b></p><p>　　hz=（πh2b/Lm）×cth（2πH/Lm）</p><p>　　式中 V ，計(jì)算風(fēng)速，設(shè)計(jì)工況采用1.5倍的多

36、年平均最大風(fēng)速，校核工況，采用多年平均最大風(fēng)速；</p><p>　　H ，壩前水深，m ；</p><p><b>　　G ，重力加速度；</b></p><p>　　D ，庫區(qū)長度，即吹程，m。</p><p>　　已知吹程D=1000m，重力加速度g取9.8m/s，壩前水深H=409.8-348=61.8m，多年品

37、均風(fēng)速v=15.5m/s。求得</p><p>　　hb=0.0076×15.51/12（9.8×1000/15.52）1/3(15.52/9.8)=0.8059m</p><p>　　Lm=0.331×15.5-7/15×(9.8×1000/15.52)4/15×(15.52/9.8)=6.0710m</p>&l

38、t;p>　　hz=（π0.80592/6.071）×cth（2π61.8/6.071）</p><p>　　又雙曲余切函數(shù)cth的計(jì)算式為cthx=chx/shx=(ex+e-x)/(ex-e-x)</p><p>　　則cth（2×61.8/6.071）</p><p>　　=（e2π×61.8/6.071+e-2π×

39、61.8/6.071）/（e2π×61.8/6.071-e-2π×61.8/6.071）=0.5</p><p>　　即hz=0.1681m</p><p>　　混凝土拱壩安全超高，見表KS1-5。</p><p>　　表KS1-5 混凝土拱壩安全超高h(yuǎn)c 單位：m</p&

40、gt;<p>　　該大壩工程級(jí)別為三級(jí)，所以由表KS1-5（混凝土壩安全超高h(yuǎn)c）得天福廟水庫安全超高h(yuǎn)c=0.4m。</p><p>　　故△h=hb+hz+hc=0.8059m+0.1681m+0.4m=1.374m</p><p>　　H1=Z頂+△h=409.8+1.374=411.172m<411.33m</p><p>　　綜上分析得