第四章设计洪水流量课件.ppt

第 4 章 设计洪水流量 与设计水位计算Chapter 4 Calculation of Design Flood Flow and Flood Water Level,4.1 概 述（Introduction）,4.1.1 设计洪水的意义及内容 桥梁、涵洞、堤防、水坝和城市防洪工程，在未来长期运行过程中，随时都面临着洪水破坏的威胁。对公路桥梁工程来说，在发生洪水时，必须保证桥梁能安全宣泄洪水，公路能畅通。因此，在规划设计公路桥梁时，桥涵的孔径、桥梁的高度、墩台基础的埋置深度、调治构造物的尺寸等，都应根据洪水的大小来设计。,确定设计洪水频率后，可以按照一定的方法推求相应于该频率的设计洪水流量，简称设计流量，以及相应的设计水位、设计流速和过水断面面积，作为桥孔设计、墩台冲刷计算的依据。,但河流的洪水有大有小，用多大的洪水来设计桥梁？这就需要有一个标准，这个标准称为设计洪水标准，用频率（或重现期）表示，称为设计洪水频率。,4.1.2 设计洪水标准（Design Criterion of Flood）设计标准由国家统一制定。桥涵工程依据：交通部颁布的公路工程技术标准（JTJ001-97）和公路工程水文勘测设计规范（JTG C30-2002）。,首先根据公路工程技术标准确定公路的等级和桥梁的大小，然后按照公路工程水文勘测设计规范，确定设计洪水频率（或重现期），最后推求相应于该频率的设计流量，以及相应的设计水位、设计流速和过水断面面积。,桥梁涵洞分类,公路桥涵设计洪水频率,注：二级公路的特大桥及三、四级公路的大桥，在水势猛急、河床易于冲刷的情况下，可提高一级洪水频率验算基础冲刷深度。,铁路桥涵设计洪水频率,设计标准越高（频率越小），设计洪水越大，设计的工程越安全，被洪水破坏的风险就越小，但工程的造价越高；反之，标准越低（频率越大），工程耗资较少，但安全程度也相应降低，被破坏的风险就较大。,4.1.3 设计洪水的计算途径1、由实测流量资料推求；2、由暴雨资料推求；3、由地区综合法推求。实际工作中，对重要的工程，为保证计算成果的可靠性，应根据水文资料的情况，采用多种途径计算，相互比较，充分论证，合理采用。,设计洪水标准越高（频率越小），设计洪水流量越大还是越小？,4.2 由实测流量资料推算设计流量(Design Flood Based on Streamflow Data),1、选样（sampling）年最大值法选样，组成容量为n的年最大洪峰流量系列，以及若干次历史调查洪水资料。一般要求桥位断面洪水系列 n 30a，并有若干次特大洪水（实测和调查的历史洪水）。,设计资料：桥位断面实测年最大洪峰流量系列及若干次历史调查洪水资料；实测水位流量关系、水位流速关系、水位过水断面关系等。,4.2.1 设计洪峰流量的推求,2、资料的审查（1）资料可靠性的审查与改正 资料的可靠性是指资料的正确与否，要从流量资料的测验方法、水位流量关系、整编精度和水量平衡等方面进行检查。,（2）资料一致性的审查与还原 资料系列的一致性是指组成该系列的流量资料，都是在同样的气候条件、同样的下垫面条件和同一测流断面条件下获得的。因气候条件变化缓慢，故主要从人类活动影响和下垫面的改变来审查。若不能满足一致性要求，则需进行一致改正。,（3）资料代表性的审查与插补延长 洪水系列的代表性，是指该洪水样本的频率分布与其总体概率分布的接近程度，如接近程度较高，则系列的代表性较好，频率分析成果的精度较高，反之较低。样本对总体代表性的高低，可通过对二者统计参数的比较加以判断。但总体分布是未知的，无法直接进行对比，人们只能根据对洪水规律的认识，与更长的相关系列对比，进行合理性分析与判断。,我国大部分河流由于实测年限有限，所以目前我们所掌握的样本系列不长，系列愈短，抽样误差愈大。而且在实测期内不一定发生大洪水，所以洪水系列不一定含有特大洪水资料，如果用一般的中小洪水资料进行设计，设计成果不可靠。特别是用于推求百年一遇、三百年一遇的高标准洪水，根据就很不足。,如果能获得这种洪水资料，比如能调查到 N 年(Nn)中发生的特大洪水，就相当于把 n 年资料延长到了 N 年，提高了系列的代表性，能使计算成果更加合理、可靠。,桥位河段历史上肯定发生过很多次特大洪水。历史上曾经发生过的特大洪水，往往会造成严重的洪涝灾害，在历史文献中一般会有详细的记载和留下洪水痕迹可供查证，所以调查到的历史洪水一般就是特大洪水。,【例】1955年规划河北省滹沱河黄壁庄水库时，按当时具有的1919-1955年期间断断续续的20年实测洪水资料推求千年一遇设计洪峰流量Qm=7500m3/s。1956年发生了一次洪峰流量为13100m3/s的特大洪水，显然原设计成果值得怀疑。将1956年特大洪水直接加入实测资料组成21年的样本系列，对此样本直接进行频率计算也是不合适的。,后在滹沱河调查到1794、1853、1917和1939年4次特大洪水，将1956年洪水和历史调查洪水作特大值处理，得千年一遇设计洪峰 Qm=22600m3/s，比原设计值大得多。1963年又发生了一次大洪水，洪峰流量为12000m3/s，再将其作为特大洪水也加入样本，得千年一遇设计洪峰流量 Qm=23500m3/s。这次计算的洪峰流量只变化了4%，显然设计值已趋于稳定。由此可看出特大洪水处理的重要性。,特大洪水可以发生在实测记录期间的n年之内，也可以发生在实测期的n年之外，前者称资料内特大洪水，后者称资料外特大洪水（历史特大洪水），如下图。也可以资料内资料外都有特大洪水。一般，这样的洪水QN可以考虑作为特大洪水处理。,特大洪水重现期的确定 特大洪水可能有多次，首先必须确定出首位特大洪水的重现期，然后在该重现期内对其它特大洪水进行从大到小排位，计算每项洪水的经验频率。但要准确地定出首位特大洪水的重现期是相当困难的，目前，一般是根据历史洪水发生的年代来大致推估。1）从发生年代至今为最大 N=设计年份-发生年份+12）从调查考证的最远年份至今为最大 N=设计年份-调查考证期最远年份+1,这种方法确定的特大洪水的重现期具有相当大的不稳定性，如果要更加准确地确定历史洪水的重现期势必就要追溯到更远的年代，但追溯的年代愈远，历史记载可能愈不详尽，河道情况与当前差别也愈大，计算精度反而愈差，所以，我国一般以明清两代以来六百年为宜.,【例4-1】确定特大洪水重现期 长江重庆宜昌河段洪水调查，同治九年(1870年)川江发生特大洪水，沿江调查到石刻91处（如下图），推算得宜昌洪峰流量Qm=110000 m3/s。该洪水为1870年以来为最大，则重现期：N=1992-1870+1=123(a)，这么大的洪水平均123年就发生一次，可能性不大。又经调查，忠县东云乡长江岸石壁上有两处宋代石刻，记述“绍兴二十三年癸酉六月二十六日水泛涨。”这是长江干流上发现最早的洪水题刻。,据洪痕实测，忠县洪峰水位为155.6m。又据历史洪水调查，宜昌站洪峰水位为58.06m，推算流量为92800 m3/s，3天洪量为232.7亿m3。宋绍兴二十三年即公元1153年，该次洪水也小于1870年洪水，所以可以推断1870年洪水是 1153 年以来最大的洪水，故1870年洪水的重现期为：N=1992-1153+1=840(a),（2）连序系列和不连序系列连序系列（complete n-year series）：洪水样本中每一项从大到小排位，序号是连续顺位排列的系列。如：实测系列。不连序系列（incomplete N-year series）：洪水样本加入特大洪水后的系列称为不连序系列，即从大到小排位，序号不连续，其中一部分属于漏项、缺项位的系列。如：加入历史调查洪水的系列。,不连序系列经验频率和统计参数的计算方法与连序系列有所不同。这样，就要研究有特大洪水的不连序系列的排序和频率计算以及参数估计的方法，称为特大洪水处理。,特大洪水的排序，对可以定量的特大洪水，可根据洪峰流量的大小进行排位。对无法定量的历史调查洪水，可根据历史文献记载中不同次洪水的雨情、水情、灾情的描述分析比较后确定序位。,（3）考虑特大洪水时经验频率的计算 不连序系列经验频率（考虑特大洪水时经验频率）计算：设调查及实测(包括空位)的总年数为 N 年（即首位特大洪水的重现期），连续实测期为 n 年（n 包含在 N 中），共有 a 次特大洪水，其中有 l 次发生在实测期，a-l 次是历史特大洪水。,目前国内有两种计算特大洪水与一般洪水经验频率的方法。,1)独立样本法此法是把包括历史洪水的长系列(N年)和实测的短系列(n年)看作是从总体中随机抽取的两个独立样本，各项洪峰值可在各自所在系列中排位。因为两个样本来自同一总体，符合同一概率分布，故适线时仍可把经验点据绘在一起，共同适线。,特大洪水的经验频率为：,式中，M=1，2，a,x,P(%),100,一般洪水的经验频率为：,式中，,2)统一样本法将实测一般洪水系列与特大值系列共同组成一个不连序系列作为代表总体的样本，不连序系列的各项可在调查期限N年内统一排位。特大洪水的经验频率为：,式中，M=1，2，a,一般洪水的经验频率为:剩下 N a 项的频率范围为：1-PMa，而实际,x,P(%),100,PMa,最后一项的经验频率：,只知 n l 项。先将 n l 项在 0 1 内计算经验频率：,m=l+1，l+2，n,x,P(%),100,PMa,然后按（1-PMa）为比例缩小，并接到 PMa 之后，最后得：,m=l+1，l+2，n,上述两种方法，我国目前都在使用。一般说，独立样本法把特大洪水与实测一般洪水视为相互独立的，这在理论上有些不合理，但比较简单，在特大洪水排位可能有错漏时，因不相互影响，这方面讲是比较合适的。当特大洪水排位比较准确时，理论上说，用统一样本法更好一些。,【例4-2】东北某桥位河段有19351960年实测资料，其中，1960年为特大洪水，洪水位 Z1960.并调查到1888年（光绪十四年）发生的特大洪水，洪水位 Z1888.并考证到1810年（嘉庆十五年）发生的特大洪水，洪水位 Z1810.经过对历史文献的论证，上述三次洪水排序为：,Z1960 Z1810 Z1888,26年实测系列中排第二位的是1945年，洪水位 Z1945.从当时 调查研究的1960年出发，试计算上述四次洪水经验频率。,解：,（1）独立样本法,（2）统一样本法,【例4-3】某桥位断面19351972年38年洪水资料中，有5年因战乱缺测，故实有洪水资料33年。其中1949年为最大，经考证应作为特大值处理。另外，洪水调查查明自1903年以来的70年间，为首的三次大洪水，其大小排位依次为1921、1949、1903年，并能判断不会遗漏掉比1903年更大的洪水。此外，经考证在1903年以前，还发生过三次大于1921年的特大洪水，其序位为1867、1852、1832、1921年，但因年代久远，这一期间小于1921年的洪水则无法查清。现按上述两种方法估算各项经验频率。,1832,1903,1935,1972,1832,1852,1867,1903,1921,1949,实测期,调查期,历史考证期,根据上述情况，实测洪水n=33年，调查期分作两个时期：其一是18321972年，记为N2=141年，在此期间能够进行排位的有1832、1852、1867和1921年洪水，顺序为1867、1852、1832、1921，而1949、1903年则不能在这一调查期中排位。其二是19031972年，记为N1=70年，其中仅有1903、1921、1949年的洪水能在N1中排位，它们的大小顺序为1921、1949、1903年，见下图，频率计算见下表4-3。,1832,38,1867,（4）不连序序列统计参数估计,1、用矩法初估参数：假定：N a 年系列与 n l 年实测系列的均值和均方差相等，即：,适线法（curve fitting method）,l,n,N,a,所以N年系列的均值为：,N年系列的CV值为：,由：,由此可证明：,即：,令：,CSN 按经验的方法选取：CVN 0.50 CSN/CVN=34 0.50 1.00 CSN/CVN=23,2、三点法 同第三章第4节。不连序系列用三点法初估参数更简单。,适线法应注意：曲线应尽可能通过点群中心，适当照顾上、中部 大洪水；曲线应尽量靠近峰量数值、重现期精度较高的点 据；应参照同一气候区内其余站参数变化规律进行调 整。,【例4-4】某桥位河段实测洪峰流量资料30 a，另调查到二次历史特大洪水，调查考证期N=102 a。试求200年一遇的设计洪峰流量。,1、计算经验频率，点绘经验点据 独立样本法 特大洪水：a=2，l=0，N=102 一般洪水：n=30，l=0 统一样本法计算结果见下表。,某河洪峰流量经验频率计算（a=2，l=0）,800,1600,2400,3200,2、参数估计 矩法,调整参数，最后采用：,适线法初试取：,3、求设计值 T=200 a，P=0.5%，CV=0.80，CS=3.5 CV 查K值表，得KP=4.87，桥位断面设计流量：,1、利用历史调查洪水推算统计参数 如果桥位河段能调查到三次以上历史洪水，其中至少能定量出二次洪峰流量及其重现期，则可推算。设可以定量及确定重现期的二次历史调查洪水的洪峰流量及其经验频率为：Q1，P1 Q2，P2,4.2.2 利用历史调查洪水推算设计流量,设历史洪水服从P-型分布，且上述两点在频率曲线上，则有：,令：,可解得：,式中、P已知，是CS的函数，若假定CS=（34）CV，则可以看作是CV的函数。上式是CV的隐函数，可通过试算解出CV值，并求出CS值。又：,求出 后，根据设计洪水频率，就可求出设计值QP。,【例4-5】江西赣州区某桥位，1980年经洪水调查，得如下资料：1、四次历史洪水 从大到小排列为：1882年（光绪八 年），1935年，1967年，1955年；2、可靠洪痕 1967年、1955年。用形态法计算得：Q67=10946m3/s，Q55=10111m3/s；3、地区经验关系 CS=4CV。求：统计参数 五十年一遇设计流量,解：N=1980-1882+1=99（a）年份：1882 1935 1967 1955Q（m3/s）10946 10111（%）1 2 3 4,取 CV=0.70，CS=4CV=2.80,求设计流量，CV=0.70，CS=4CV=2.80，当 P=2%时，P=3.11,2、利用历史调查洪水资料推算 如果桥位河段调查到若干次历史洪水，并且能定量和确定出较可靠的重现期，可直接作部分频率曲线，推求设计流量。,Q,P,P,QP,Qi，Pi,设计桥梁时，为什么要考虑历史调查洪水？考虑特大洪水对设计成果有何影响？,4.3 由暴雨资料推求设计洪水(Design Flood Based on Rainstorm Data),略,4.4 小流域设计洪水计算（Design Flood Computation for Small Watershed）,交通部门一般将集水面积小于100 km2的流域称为小流域。公路沿线跨越的小河、溪沟、沟壑均属于小流域。小流域设计洪水计算的特点：没有实测流量资料；调查洪水资料少；小流域集水面积小，自然地理条件单一，计算方法允许作适当的简化；在基本保证精度的条件下，力求简便。计算方法：推理公式，地区经验公式，历史洪水调查分析法和综合单位线法。,4.4.3 经验公式法计算设计洪峰流量（Empirical Formula）利用一个地区内小流域水文站实测的和调查的暴雨洪水资料，建立洪峰流量与其主要影响因素之间的经验相关关系，该关系就是洪峰流量的地区经验公式。在该地区内，无实测洪水资料的流域用它来推求设计洪峰流量，就是地区经验公式法。注意：经验公式地区性很强，用哪个地区的资料建立的经验公式，原则上只适用于该地区，一般不允许移到其它地区使用。,1、以流域面积为参数的地区经验公式,式中，QP：设计频率为P的设计洪峰流量，m3/s；F：集水面积，km2；N，CP：经验指数和经验系数，随地区和频率而变，可查各省的水文手册或设计手册。,2、以流域面积和净雨量为参数的经验公式,式中，R24,P：设计频率为P，历时为24h的设计净雨 量，mm；C，m，n：经验系数、经验指数，查各省水文手册或设计手册。,3、交通科学研究院经验公式,式中，：地貌系数；与流域面积、地形、主河道比 降有关；hP：设计径流深，mm；Z：植物截流和填洼损失量，mm；：洪峰传播中变形对洪峰流量影响的折减系数；：流域降雨不均匀影响洪峰流量的折减系数；：湖泊、塘堰、小水库调节作用影响洪峰流量的 折减系数。,4.5 桥位断面设计洪峰流量 及设计水位的推求 Calculation of Design Flood Peak Flow and Stage of Bridge Location Section,4.5.1 桥位断面设计洪峰流量（Design Flood Peak Flow of Bridge Location Section）一、桥位断面有实测洪水资料 桥位断面有长期（n 30a）实测洪水资料，且桥位河段有若干次历史调查洪水资料。按4.2计算。,二、桥位断面缺乏实测洪水资料1、桥位断面上、下游或附近相邻流域有实测洪水资料 采用水文比拟法,桥位断面 FB,水文站或形态断面F,水文站或形态断面F,当桥位断面和水文站断面或形态断面的集水面积相差小于5%时，直接将水文站或形态断面的实测资料移用到桥位断面，然后按有资料情况计算设计流量。,桥位断面 FB,水文站或形态断面F,水文站或形态断面F,面积比法,式中，N为经验指数，查水文手册或设计手册。一般：大、中河流：N=0.50.7小河流：N=0.70.85 通常：N=2/3,桥位断面 FB,水文站或形态断面F,水文站或形态断面F,面积雨量比法,式中，N1、N2为经验指数，查水文手册或设计手册。,2、桥位断面有若干次历史调查洪水资料 利用历史调查洪水反推三个统计参数，进而推求设计洪峰流量；或作部分频率曲线推求。3、利用暴雨资料推求,三、小流域设计洪峰流量 推理公式，地区经验公式，综合单位线法等，或查各省的水文手册或设计手册。,4.5.2 桥位断面设计水位（Design Flood Stage of Bridge Location Section）一、桥位断面有实测洪水资料1、实测洪水位频率计算法 利用实测年最高洪峰水位直接进行频率分析，推求设计水位ZP。2、利用水位流量关系曲线推求 利用已求出的设计流量QP，在ZQ 曲线上求出设计水位ZP。,并由设计水位ZP在 Z曲线和ZV曲线上分别求出相应的过水面积P和设计流速VP。,Z,Q,ZQ,Z,ZV,QP,ZP,P,VP,二、桥位断面缺乏实测洪水资料1、桥位断面上、下游有实测资料,桥位断面 FB,水文站或形态断面F,水文站或形态断面F,Z,ZB,桥位断面设立临时水位站观测水位，然后与水文站实测水位建立相关关系ZZB。最后利用水文站设计水位Zm，P，在ZZB关系曲线上求出桥位断面的设计水位ZmB，P。,桥位断面 FB,水文站或形态断面F,水文站或形态断面F,2、水面比降法,L,L,3、水力学方法 稳定均匀流 利用实测桥位断面图，用谢才-曼宁公式：,计算 ZQ，Z，ZV 关系曲线。,Z,Q,V,ZQ,ZQc,Z,Zc,ZV,ZVc,平滩水位,在 ZQ曲线上由QP求出设计水位ZP，由ZP又可求出Qc、P、c、VP、Vc，并可求出平滩水位。,Z,Q,V,ZQ,ZQc,Z,Zc,ZV,ZVc,平滩水位,QP,ZP,Qc,P,c,VP,Vc,河滩：,稳定非均匀流（水面曲线法）,断面1,断面2,Z1,Z2,V1,V2,Q,伯努里方程：,式中，hf为摩阻损失（沿程损失），he为动能、势能相互转化的能量损失（局部水头损失）。,式中，K为流量模数，。,系数：收缩河段近似为零，逐渐扩散段0.30.5，突然扩散段0.51.0。,从控制断面开始至桥位断面，划分为若干计算河段，测量各计算断面的断面图及各计算河段的长度L，绘制各断面ZK，Z，ZV关系曲线。从下游向上游逐河段试算至桥位断面。,控制断面,L,Z2,Z1,桥位断面,推求桥位断面设计水位有几种方法？,作业：P136 4.1,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,