第三講_設(shè)計(jì)洪水流量

1、第四章 設(shè)計(jì)洪水流量,設(shè)計(jì)洪水流量：對(duì)應(yīng)于某一設(shè)計(jì)洪水頻率的洪峰流量，簡稱設(shè)計(jì)流量。設(shè)計(jì)洪水位：橋位設(shè)計(jì)計(jì)算斷面上通過設(shè)計(jì)流量相應(yīng)的水位，簡稱設(shè)計(jì)水位。設(shè)計(jì)流速：設(shè)計(jì)流量通過時(shí)橋位斷面的河槽平均流速。,因此，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況，按國家頒發(fā)的有關(guān)規(guī)范選定合適的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，依此推算設(shè)計(jì)洪水。 《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTJ001）,第四章 設(shè)計(jì)洪水流量,第四章 設(shè)計(jì)洪水流量,水文統(tǒng)計(jì)法,經(jīng)驗(yàn)公式或推理公式,相關(guān)分析,資料多

2、，中等以上流域,小流域,資料較少,,,,地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式,無水文站觀測資料,,第四章 設(shè)計(jì)洪水流量,4.1 根據(jù)流量觀測資料推算設(shè)計(jì)流量,實(shí)測資料,,,經(jīng)驗(yàn)頻率曲線,理論頻率曲線,但是，由于洪水觀測年限與總體相比差之甚遠(yuǎn)，經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)群分布并不是一條光滑的連續(xù)曲線；而由三個(gè)參數(shù)確定的皮爾遜Ⅲ型理論頻率曲線，抽樣誤差也比較大，從而使由計(jì)算參數(shù)得到的皮爾遜Ⅲ理論頻率曲線，與經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)群偏離較大，即兩者配合不是很好，因此必須采用某種方法來確定合適的

3、統(tǒng)計(jì)參數(shù)，使兩者擬合最好。 通過調(diào)整統(tǒng)計(jì)參數(shù)CS、CV，選擇一條與經(jīng)驗(yàn)頻率曲線點(diǎn)群擬合最好的理論頻率曲線，這種方法叫適線法。,4.1 根據(jù)流量觀測資料推算設(shè)計(jì)流量,一、適線法的步驟將審核過的水文資料按遞減順序排列，計(jì)算各隨機(jī)變量的經(jīng)驗(yàn)頻率，并點(diǎn)繪于概率格紙上。計(jì)算統(tǒng)計(jì)參數(shù)CV，假定CS=m· CV，在我國一般取m=2～4。確定線型，根據(jù) 、CS、Pi查表計(jì)算確定理論頻率曲線的縱坐標(biāo)，繪制理論頻率曲線。觀察理論

4、頻率曲線與經(jīng)驗(yàn)頻率曲線的符合程度，反復(fù)調(diào)整統(tǒng)計(jì)參數(shù)，直到兩者符合得最好為止，即可確定統(tǒng)計(jì)參數(shù) 、CV和CS的采用值及采用的理論頻率曲線。,,4.1 根據(jù)流量觀測資料推算設(shè)計(jì)流量,二、資料中特大值的處理（特大洪水處理） 特大洪水：歷史上曾經(jīng)發(fā)生過的，或近期觀測到的，比其它一般洪水大得多的稀遇洪水。它的重現(xiàn)期不能僅根據(jù)實(shí)測系列的長度來確定，而需要進(jìn)行調(diào)查和考證。 實(shí)測期、調(diào)查期、文獻(xiàn)考證期,,[例3-1-3]某一

5、級(jí)公路擬建一座大橋。橋位上游附近的一個(gè)水文站，能搜集到14年斷續(xù)的流量觀測資料，經(jīng)插補(bǔ)和延長，獲得1963年至1982年連續(xù)20年的年最大流量資料；又通過洪水調(diào)查和文獻(xiàn)考證，得到1784年、1880年、1949年和1955年連續(xù)系列前四次特大洪水；1975年在實(shí)測期內(nèi)也出現(xiàn)過一次特大洪水。,4.1 根據(jù)流量觀測資料推算設(shè)計(jì)流量,二、資料中特大值的處理（特大洪水處理）,,按年最大值法所得的實(shí)測洪峰流量，若依年序排列，可有三種類型：,QN—

6、—特大值；n——實(shí)測期N——調(diào)查或考證的年數(shù)，包括實(shí)測期n年，首項(xiàng)最大值的重現(xiàn)期a——特大值的總個(gè)數(shù)l——實(shí)測年內(nèi)的特大值個(gè)數(shù),不連續(xù)系列,4.1 根據(jù)流量觀測資料推算設(shè)計(jì)流量,1、不連續(xù)系列的經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算,,（1）不連續(xù)系列中前a項(xiàng)特大洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算，按數(shù)學(xué)期望公式：,PM——不連續(xù)N年系列前M項(xiàng)的經(jīng)驗(yàn)頻率；M——特大洪水由大到小的排位序號(hào)，M=1，2，…，a；N——調(diào)查或考證的年數(shù)，包括實(shí)測期n年，首項(xiàng)特大洪水的重現(xiàn)

7、期 N=T2-T1+1T2——實(shí)測連續(xù)系列最近的年份；T1——調(diào)查考證到最近的年份。,,4.1 根據(jù)流量觀測資料推算設(shè)計(jì)流量,1、不連續(xù)系列的經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算,,（2）實(shí)測n年系列普通洪水經(jīng)驗(yàn)頻率的計(jì)算： 方法一：,Pm——連續(xù)n年系列中第m項(xiàng)的經(jīng)驗(yàn)頻率；m——由大到小排位的順序號(hào)，若實(shí)測期中無特大洪水，則m=1，2，…，n；若有l(wèi)項(xiàng)特大洪水，則m=l+1，l+2，…，n,,方法二：,,

8、,4.1 根據(jù)流量觀測資料推算設(shè)計(jì)流量,,,,對(duì)于不連續(xù)的年最大流量系列，其統(tǒng)計(jì)參數(shù)的最后確定，仍是應(yīng)用適線法最適宜。以上計(jì)算的均值和變差系數(shù)，作為初試值。適線法的基本步驟與連續(xù)系列相同。,4.1 根據(jù)流量觀測資料推算設(shè)計(jì)流量,,,,[例4-1-3]某一級(jí)公路擬建一座大橋。橋位上游附近的一個(gè)水文站，能搜集到14年斷續(xù)的流量觀測資料，經(jīng)插補(bǔ)和延長，獲得1963年至1982年連續(xù)20年的年最大流量資料；又通過洪水調(diào)查和文獻(xiàn)考證，得到1784

9、年、1880年、1949年和1955年連續(xù)系列前四次特大洪水；1975年在實(shí)測期內(nèi)也出現(xiàn)過一次特大洪水。以上洪水資料列于4-1-2第2欄。 1、參數(shù)計(jì)算,不連續(xù)系列特大值項(xiàng)數(shù)：,實(shí)測期：,實(shí)測期內(nèi)特大值個(gè)數(shù)：,調(diào)查考證期：,a=5,n=20,l=1,N=(1982-1784）+1=199,4.1 根據(jù)流量觀測資料推算設(shè)計(jì)流量,,,,[例4-1-3] 2、經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算 （1）前5項(xiàng)特大值經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算,,4.1 根據(jù)

10、流量觀測資料推算設(shè)計(jì)流量,,,,[例4-1-3] 2、經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算 （2）實(shí)測連續(xù)系列經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算 第一項(xiàng)：m=l+1=1+1=2 第二項(xiàng)：m=l+2=1+2=3,,,,4.1 根據(jù)流量觀測資料推算設(shè)計(jì)流量,,,,,4.1 根據(jù)流量觀測資料推算設(shè)計(jì)流量,,,,[例4-1-3] 3、不連續(xù)系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算,,4、適線,4.1 根據(jù)流量觀測資料推算設(shè)計(jì)流量,,,,,,4.2 根

11、據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式推算設(shè)計(jì)流量,,,1979年4月，在交通部公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院主持下，28個(gè)省(自治區(qū))的交通廳和3個(gè)部屬設(shè)計(jì)院參加，根據(jù)全國1785個(gè)水文站的觀測資料，2198站年的歷史洪水調(diào)查資料，制定了《我國公路大中橋流量經(jīng)驗(yàn)公式匯總報(bào)告》。報(bào)告中把全國分為111個(gè)分區(qū)，分區(qū)圖見圖4-2-1。制定了3個(gè)表即： 全國水文分區(qū)流量計(jì)算參數(shù)表 全國水文分區(qū)Cv值表 全國水文分區(qū)CS／Cv經(jīng)驗(yàn)關(guān)系表,,4.2 根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)

12、公式推算設(shè)計(jì)流量,,全國水文分區(qū)流量計(jì)算參數(shù)表,4.2 根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式推算設(shè)計(jì)流量,,一、全國水文分區(qū)流量計(jì)算參數(shù)表,4.2 根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式推算設(shè)計(jì)流量,,二、全國水文分區(qū)Cv值表,4.2 根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式推算設(shè)計(jì)流量,,三、全國水文分區(qū)CS／Cv 值表,4.2 根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式推算設(shè)計(jì)流量,,四、以上各表的使用,五、使用范圍 一般用于流域面積F小于50000km2的中等流域的橋位。首先在地圖上勾繪出橋位以上的流域面積F，視

13、流域大部分在哪一分區(qū)中(圖4-2-1)，就可采用該分區(qū)公式。,4.2 根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式推算設(shè)計(jì)流量,,習(xí)題作業(yè),,,,,,,,,,1.,2. 在長江南岸深丘區(qū)，橋位上游流域面積為250Km2，計(jì)算其橋位斷面Q5%的流量。,4.3 推理公式和經(jīng)驗(yàn)公式,,公路沿線跨越的小河、溪流、溝壑等都是屬于小流域。小流域洪水暴漲暴落，歷時(shí)短，很少能留下明顯的痕跡，往往又不會(huì)引起人們的注意，難以調(diào)查到較為可靠的歷史洪水資料，且一般沒有水文站的觀測資料。實(shí)

14、際工作中小流域河流上的橋梁和涵洞及路基排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，一般由暴雨資料來推求。流量計(jì)算多采用推理公式或經(jīng)驗(yàn)公式。,4.3 推理公式和經(jīng)驗(yàn)公式,,由暴兩資料推求設(shè)計(jì)洪峰是以降雨形成洪水的理論為基礎(chǔ)的。按照暴雨洪峰的形成過程，推求設(shè)計(jì)峰可分三步進(jìn)行：①推求設(shè)計(jì)暴雨，求不同歷時(shí)指定頻率的設(shè)計(jì)雨量及暴雨過程；②推求設(shè)計(jì)凈雨，設(shè)計(jì)暴雨扣除損失就是設(shè)計(jì)凈雨；③推求設(shè)計(jì)洪水，對(duì)設(shè)計(jì)凈雨進(jìn)行匯流計(jì)算，得流域出口斷面的設(shè)計(jì)洪水。,4.3 推理公式和經(jīng)

15、驗(yàn)公式,,一、基本概念,暴雨：24小時(shí)降雨量大于50mm或1小時(shí)降雨量大于16mm。 H24＞50mm或H1＞16mm 凈雨：降雨扣除各種損失后形成地面徑流的那部分雨量，即地面徑流。 產(chǎn)流過程：從降雨到凈雨的過程。 匯流過程：坡面出現(xiàn)匯流后，從流域各處匯集到流域出口斷面的過程。 匯流時(shí)間τ（h）：從流域最遠(yuǎn)點(diǎn)流到出口斷面的時(shí)間,4.3 推理公式和經(jīng)驗(yàn)公式,,水文循環(huán),流域匯

16、流,4.3 推理公式和經(jīng)驗(yàn)公式,,一、基本概念,暴雨強(qiáng)度公式：暴雨強(qiáng)度、歷時(shí)及累積頻率三者關(guān)系的數(shù)學(xué)模型i＝f(t，P)，稱為暴雨強(qiáng)度公式。它用以反映實(shí)測點(diǎn)雨量資料的暴雨特性，也是一種地區(qū)性較強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)公式。 i——時(shí)段平均暴雨強(qiáng)度； Sp——頻率為p的雨力，Sp=A+BlgT ； n——降雨遞減系數(shù),4.3 推理公式和經(jīng)驗(yàn)公式,,一、基本概念,暴雨形成洪峰：小流域的特點(diǎn)是面積小、匯流歷時(shí)短，形成

17、洪峰流量最不利情況只是數(shù)小時(shí)的短歷時(shí)暴雨。因此可假定暴雨強(qiáng)度在全流域內(nèi)分布均勻，時(shí)空分布變化不大，并可利用點(diǎn)雨量資料。產(chǎn)生洪峰流量的主要因素是暴雨強(qiáng)度I與流域面積F，設(shè)計(jì)洪水以“峰”控制，洪峰流量計(jì)算的計(jì)算式可寫成：,K為單位換算系數(shù)水文學(xué)中，Q、i、F的慣用單位有兩類，因此K有兩種取值。,4.3 推理公式和經(jīng)驗(yàn)公式,,二、推理公式,公式基本形式：,,,Qp——頻率為p%的流量（m3/s）K——單位換算系數(shù)0.278 ——頻率為p

18、%的平均凈雨強(qiáng)度（mm/h）F——流域面積（km2）,,凈雨量的推求：,降雨量乘以洪峰徑流系數(shù)，以ψ表示；降雨量減去雨損（μmm/h）,,4.3 推理公式和經(jīng)驗(yàn)公式,,二、推理公式,公式基本形式：,,,1、水科院公式（1958年）,,ψ——洪峰徑流系數(shù)，與流域匯流時(shí)間、面積、入滲率，降雨衰減系數(shù)有關(guān)的一參數(shù) K——，取0.278,4.3 推理公式和經(jīng)驗(yàn)公式,,二、推理公式,,,2、交通部公路科學(xué)研究所公式（1980年）,,,Qp—

19、—頻率為p%的流量（m3/s）Sp——設(shè)計(jì)頻率p%的雨力（mm/h），查圖表獲得μ——降雨損失參數(shù)（mm/h）,,,,,北方地區(qū)：,南方地區(qū)：,4.3 推理公式和經(jīng)驗(yàn)公式,,三、經(jīng)驗(yàn)公式,,,公式1,,,Sp、 F——同前；C、β、λ3——系數(shù)，查表4-3-6。,,,,,公式2,Sp、 μ、F——同前；ψ——地貌系數(shù)，查表4-3-5；m、λ2——指數(shù)，查表4-3-5。,4.3 推理公式和經(jīng)驗(yàn)公式,,四、公式使用范圍,,,交通部

20、制定的推理公式和經(jīng)驗(yàn)公式：流域面積小于100km2的小河溝； 水科院的推理公式：對(duì)于多雨濕潤地區(qū)，流域面積一般在300km2至500km2以下；干旱地區(qū)為100km2至200km2以下。,,,,,,,4.3 推理公式和經(jīng)驗(yàn)公式,,五、公式的應(yīng)用,,,,,,,,,解：1、求雨力SP 查圖4-3-1雨力SP等值線圖（P=1%）以橋涵的地理位置（經(jīng)緯度）查本圖，可線性內(nèi)插。對(duì)本圖，可在圖4-3-4n值分區(qū)圖上獲得大致的經(jīng)緯度經(jīng)度

21、90-100,緯度40。查圖得SP=50mm/s,4.3 推理公式和經(jīng)驗(yàn)公式,,五、公式的應(yīng)用,,,,,,,,,2、求降雨損失參數(shù)μ北方：查表4-3-2， K1、β1,K1 = 0.65β1= 0.82,,4.3 推理公式和經(jīng)驗(yàn)公式,,五、公式的應(yīng)用,,,,,,,,3、求流域匯流時(shí)間北方地區(qū)：L=13Km，I=8‰，K3和α1通過查表4-3-4獲得：,匯流時(shí)間和系數(shù)指數(shù),4.3 推理公式和經(jīng)驗(yàn)公式,,五、公式的應(yīng)用,,,,,

22、,,,,4、求暴雨衰減指數(shù)n 首先由圖4-3-4查n值的分區(qū)，得分區(qū)為Ⅱ類地區(qū)；然后查表4-3-1 1h＜τ=1.83h ＜6h，取n2=0.76,4.3 推理公式和經(jīng)驗(yàn)公式,,五、公式的應(yīng)用,,,,,,,,,,SP=50mm/s,n=0.76,F=95km2,4.4 橋位斷面設(shè)計(jì)流量水位推算,,一、橋位斷面設(shè)計(jì)流量計(jì)算,,,設(shè)計(jì)流量往往是利用水文站觀測資料或洪水調(diào)查資料推算，其流量是根據(jù)水文站的觀流斷面或橋位附近的形態(tài)斷面計(jì)算

23、而得，因而需要換算到橋位斷面 。 1、如果水文站測流斷面或形態(tài)斷面距離橋位斷面很近，流域面積相差不超過5%時(shí)，則推算的設(shè)計(jì)流量可以不必?fù)Q算，而直接作為橋位斷面的設(shè)計(jì)流量。,,,,,,,4.4 橋位斷面設(shè)計(jì)流量水位推算,,一、橋位斷面設(shè)計(jì)流量計(jì)算,,,2、如果距離橋位較遠(yuǎn)，則應(yīng)進(jìn)行換算。當(dāng)流域面積相差不超過20%時(shí)，則按下式下式計(jì)算,,,,,,,3、當(dāng)流域面積相差超過20%時(shí)，按上式計(jì)算的結(jié)果誤差較大，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，從多方面分析

24、后確定。,4.4 橋位斷面設(shè)計(jì)流量水位推算,,二、橋位斷面設(shè)計(jì)水位計(jì)算,,,1.當(dāng)橋位計(jì)算斷面與水文斷面間的河段順直，斷面規(guī)整，河底縱坡均一時(shí)，宜按下式繪制水文斷面的水位—流量關(guān)系曲線，按水文站設(shè)計(jì)流量確定設(shè)計(jì)水位后，利用水面比降推算出橋位計(jì)算斷面的設(shè)計(jì)水位。,,,,,,,2.當(dāng)橋位計(jì)算斷面和水文斷面上、下游有卡口、人工建筑物或斷面形狀和面積相差較大，河底縱坡有明顯曲折時(shí)，宜按下式用試算法求設(shè)計(jì)流量時(shí)的水面線，推求設(shè)計(jì)水位。,4.4 橋

25、位斷面設(shè)計(jì)流量水位推算,,,,,,,,,,g——取9.8m/s2,,,,,,,,,,按上式推求某一流量Q下從下游某控制斷面至橋位斷面間水面線和繪制橋位斷面水位流量關(guān)系曲線的具體作法是：從下游某控制河段(即同時(shí)知道水位和相應(yīng)流量的河段，如均勻河段)開始，假定某一流量Q，求得相應(yīng)的水位H2，即式中的Q和H2 ，假定一HI/后，便可算出式中右端的值HI ，若HI/一HI、＜ε(允許誤差)，則HI即要推求的HI值；否則，繼續(xù)迭代計(jì)算，直至求得H

26、I 。然后，將HI作為上一個(gè)河段的H2．又可算出上一河段的HI 。依此類推，直到橋位斷面，得到那里該流量Q下的水位HI。假設(shè)一系列Q，求得橋位斷面相應(yīng)的一系列水位H，從而便可繪出橋位斷面的水位流量關(guān)系曲線。,4.4 橋位斷面設(shè)計(jì)流量水位推算,習(xí)題作業(yè),,,,,,,,,,1. 已知某站1959-1978年的實(shí)測流量資料，見下表，另經(jīng)歷史洪水調(diào)查得1887、1933年的歷史洪峰流量Q87=4100m3/s， Q33=3400m3/s，試用適

27、線發(fā)求P=1%時(shí)的設(shè)計(jì)洪峰流量。,習(xí)題作業(yè),,,,,,,,,,2.已知某小流域的下述資料，① 流域特征：由該流域的地形圖量得流域面積F＝25.2km2，主河道長度L=6.53km,沿L的平均坡降J＝0.02；通過實(shí)地調(diào)查，了解到該流域土壤為砂壤土，含砂量很高，植被一般,據(jù)此查該省水文手冊(cè)中的μ值表，得損失參數(shù)μ＝16mm／h，該流域的匯流參數(shù)按式m=0.29[L1/3/F1/4]0.43計(jì)算，式中各符號(hào)的意義和單位同上。 ②流域暴雨參數(shù)