新工程水文及水利计算课程设计指导书

1《工程水文及水利计算》课程设计指导书大山樘水库除险加固设计水文计算一基本资料1、设计资料1.1流域概况大山樘水库位于岳阳县相思乡黄中村境内，属洞庭湖新墙河水系朱港支流。坝址距岳阳市区88Km，岳阳县城73Km。地理位置在岳阳县东北部与湖北省通城县交界处。工程始建于1958年12月，1959年12月建成。是一座以灌溉为主，兼有防洪、养殖等综合效益的多年调节的小（2）型水库。设计灌溉面积600亩，实际灌溉面积400亩。大山樘水库地区属于山区，植被良好。水库集水面积为0.63km2，坝址以上河道干流长度0.98km，干流平均坡降30‰。大山樘水库未开展水文水情观测，仅有断断续续的水位及雨情观测，并且其观测资料极不完整，不能满足规范要求。故该水库洪水复核按无资料地区对待。1.2气象新墙河流域属中亚热带向北亚热带过渡的季风气候区，四季分明，湿润多雨,具有春温变幅大，初夏雨水多，伏秋天热易旱，冬季严寒不多的特点。冬季多为西伯利亚干冷气团控制，气候干燥寒冷；夏季为低纬海洋暖湿气团所盘据，温高湿重。夏季之交，流域正处在冷暖气流交汇的过渡地带，形成阴湿多雨的梅雨天气。1.2.1气温根椐岳阳县气象站观测的气象站资料统计，多年平均日照时间在1813.8小时以上，多年平均气温为16.6℃，历年日平均最高气温为29.3℃，历年日平均最低气温为4.3℃，极端最高气温为39.35℃，极端最低气温-11.7℃；1.2.2降水根据岳阳县气象站观测的气象站资料统计，多年平均降水量1450.0mm，降雨年内变化较大，分布不均，4月～6月为主汛期，大洪水主要集中在5月～7月。1.2.3蒸发根据岳阳县气象站观测的气象站资料统计，多年平均蒸发量为1268.2mm。1.2.4风历年来风向风速特征为春秋冬三季以东北风和偏北风为主，夏季以西南风为主，多年平均风速10m/s～28m/s。历年最大风速28.5m/s，历年最大平均风速14.0m/s。1.2.5径流大山樘水库库区径流（水库入库流量）主要由降雨形成，根据气象资料分析，多年平均降雨量1450.0mm，多年平均径流系数0.52，多年平均径流深754mm，2多年平均年入库水量47.50万m3。大山樘水库兴利库容为23.62万m3，库容系数为0.497（23.62/47.50）0.5,该水库为年调节水库。1.3工程等级与洪水标准大山樘水库设计洪水标准重现期为30年，校核洪水标准重现期为300年，频率p分别取3.33%、0.33%；溢洪道消能防冲工程设计洪水频率取5%。1.4洪水大山樘水库没有所在的河流没有水文站，建库后水库管理所也没有开展入库流量观测，为无资料地区，没有实测的水文气象资料，因此本次洪水复核按湖南省水利厅1984年编制的《湖南省暴雨洪水查算手册》进行计算。降雨、蒸发量资料均采用岳阳县气象站的实测资料。2．设计任务2.1除险加固项目本工程除险加固设计项目包括：（1）对大坝坝体、坝基、坝肩进行防渗处理。（2）对大坝上游坝坡进行砼预制块护坡。（3）对大坝下游坝坡进行整形护坡，下游坝趾新修排水棱体。（4）加高溢洪道进口段、控制段、泄槽段边墙，加固底板，出口新建消力池。（5）输水涵封赌新建输水隧洞。（6）完善大坝安全监测设施，改造通讯设施。（7）按有关标准建设管理所。2.2设计任务对大山樘水库进行除险加固，因而要进行水库的工程水文及水利计算，其具体任务是：1.由设计暴雨推求设计净雨；2.由于设计净雨推求设计洪水；3.洪水复核结果的合理性检查和洪峰模数的计算；4.调洪演算；5.根据调洪演算推求各种洪水特征水位,利用大山樘水库计算总库容。根据《防洪标准》（GB50201-94）和《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000），确定该工程等别，其主要建筑物级别，次要建筑物级别，临时性建筑物。6.计算成果如下：设计暴雨参数及成果表、设计洪水参数表、水库水位与库容关系、水位与下泄流量关系、调洪演算结果、坝顶超高复核计算成果表。二、设计提纲1.水文气象资料的搜集和审查熟悉流域的自然地理情况，广泛搜集有关水文气象资料（见基本资料）。经初步审查，降雨和径流等实测资料是可靠的、具有一致性的，可用于本次设计。2.设计暴雨3根据大山樘水库的地理位置和集雨面积，从《湖南省暴雨洪水查算手册》图一中查得该流域属暴雨一致区第一区，从图三“年最大24h点雨量均值等值线图”查得该流域中心最大24h点雨量均值，查图四得统计变差系数Cv，Cs=3.5Cv，查图十六得点面折算系数a，利用《湖南省暴雨洪水查算手册》求得大山樘水库流域内的频率暴雨。3.设计洪水本次设计利用《湖南省暴雨洪水查算手册》推求设计洪水。设计洪水过程包括地面径流过程和地下径流过程，地面径流过程采用径流分配系数法推求，地下径流过程采用三角形法推求。参照《查算手册》φ值表（十一），确定重现期为300年、30年、20年的地面径流占总径流的比值分别取的数值，各频率的地面洪峰流量和汇流时间是根据地理参数θ、汇流参数m及可以利用汇流公式计算。将有关数据代入汇流公式，求得大山樘水库的地面洪峰流量、汇流时间及其它有关参数。入库洪水过程线由地面径流过程线与地下径流过程线叠加而成，地面径流过程按径流分配系数法推求，地下径流过程按等腰三角形关系推求，由此而得的入库洪水过程线。4.洪水复核结果的合理性检查《湖南省暴雨洪水查算手册》编制于八十年代初期，近20年，特别是九十年代，不少地域发生的暴雨资料没有参编，因此，有必要根据近期相关统计资料对本次计算成果进行合理性检查。5.洪峰模数根据查算得大山樘水库重现期30年一遇的洪峰模数为11.68m3³³/s.km2（7.36/0.63），与水库所在区域的同频率统计资料计算洪峰模数比较，属与合理。6.近区同频率24小时点暴雨值对比检查大山樘水库位于桃林站与公田站站之间的丘陵区，根据湖南省水文局1998年编制《湖南省暴雨洪水特征重现期查算手册》查算，重现期为30年的公田站与桃林站的24小时点暴雨值分别为216.62mm和260.93mm。本次计算大山樘水库30年一遇点暴雨H24处于二者之间，属于合理。三.调洪演算1调洪演算的基本原则根据大山樘水库的实际情况，此次调洪演算的起调水位为正常蓄水位,当入库洪水流量大于溢洪道的泄流能力时，库水位上涨，水库滞洪；至入库洪水流量等于溢洪道的泄流能力时，水库水位达到本次复核洪水的最高水位；随后，入库洪水流量小于溢洪道泄流能力，库水位下降。为水库安全起见，调洪演算时水库出库流量只计溢洪道的泄流能力，其他放水设施均不参与泄洪。42调洪演算方法、水位～容积、水位～下泄流量2.1方法调洪演算采用试算法。根据水量平衡原理，调洪演算基本方程：iiiiiiVVVtqqtQQ11122)(vfq2.2水位～容积关系大山樘水库库区植被较好，库区各支流入库口均无淤积现象，本次洪水复核仍采用大山樘水库管理所提供的水位～库容曲线,在程序计算中以数值方式输入，程序中用线性插值以水位求面积值。水库的水位与库容关系见下表，2.3水位～下泄流量关系大山樘水库溢洪道溢流堰堰型为宽顶堰，其泄流量根据公式：堰流公式Q=gmB2H03/2式中：ε为侧收缩系数，取1.0；m为宽顶堰的流量系数；B为宽顶堰宽度；H0为堰上水头。水库的水位与库容、水位与下泄流量关系见表。2.4入库洪水过程线入库洪水过程根据《查算手册》采用推理公式和径流分配系数法推算，见附件表格。根据洪水流量过程线、水库的水位～水面容积关系曲线及溢洪道水力参数，由调洪起始水位依次计算，直至洪水过程结束，均由计算机完成。计算机输出各时段末的水位、库容及溢洪道下泄流量。3调洪演算结果根据调洪演算的基本原则和大山樘水库库容曲线、泄流曲线重现期为300年、30年、20年的调洪演算结果，见表。4防洪标准复核抗洪能力复核主要是对挡洪建筑物的顶部高程进行复核。对大山樘水库而言，就是对水库大坝及溢洪道控制段导墙顶部高程进行复核。四水库大坝坝顶高程复核1基本资料（1）多年平均年最大风速W=14.00m/s；设计风速的取值：在正常运用条件下，采用多年平均年最大风速的1.5倍；在非常运用条件下，采用多年平均年最大风速。（2）风区长度：D=509m。（3）内坡坡比：为1：2.14。（4）水域的平均水深：正常情况时H=9.185m，非常情况时H=9.773m。52大坝坝顶高程复核由本次洪水复核，30年一遇设计洪水位为，300年一遇校洪水位，根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-96）中的第6.1条规定进行坝顶超高复核计算，坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，并按以下运行条件计算，取最大值：1）正常蓄水位或设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高；2）校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高；3）正常蓄水位加非常运用情况的坝顶超高加地震涌浪高。坝顶在水库静水位以上的超高按下式计算：Y=R+A式中：Y—坝顶超高，m；R—最大波浪在坝坡上的爬高，m；由平均波高与坝迎水面前水深的比值和相应累积频率P（%）按《规范》表A.1.13规定的系数计算求得，即mmPPRRRRmpRR—系数，按《规范》表A.1.13确定；Rm—波浪平均爬高（m），mmwmLhmKKR21K△—糙率渗透性系数，按《规范》表A.1.12-1确定；Kw—经验系数，按《规范》表A.1.12-2确定；Hm—平均浪高，按莆田试验站公式（A.1.5-1）计算；W—计算风速，设计情况取W=1.5×14m/s，校核情况取W=14m/s；D—风区长度，D=509m；Lm—平均波长（m）,按《规范》公式（A.1.5-3）计算；m—坝坡系数,m=2.14；A—安全加高，m；大坝安全加高在正常运用时A=0.5m，在非常运用时A=0.3m；地震区的地震涌浪高0.5～1.0m。各计算要素及成果见表2.7-1。3大坝心墙顶部高程复核根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）第5.5.3条的规定：土质防渗体（心墙）顶部在正常蓄水位或设计洪水位以上的超高为0.6～0.3m；非常运用条件下，防渗体顶部不应低于非常运用条件的静水位。大山樘水库设计水位为，校核洪水位，超高取，设计洪水位加超高为，因此大山樘水库大坝防渗心墙顶部高程不得低于（校核洪水位），现有心墙顶部高程低于，不符合规范要求。4溢洪道控制段导墙顶部高程确定大山樘水库溢洪道无闸门控制，运用情况只有泄洪情况。根据《溢洪道设计规范》（SL253—2000）中的第2.3.7条规定，在宣泄校核洪水时溢洪道控制段的导墙顶部高程不得低于校核洪水位加安全超高值。大山樘水库溢洪道为56级建筑物，《溢洪道设计规范》（SL253—2000）中有3级以上建筑物的安全超高值，没有4、5级建筑物的安全超高值，本工程参考3级建筑物的安全超高值取为0.3m。因此，大山樘水库溢洪道控制段导墙顶部高程应高于，现有控制段导墙高程为，符合规范要求。5计算结论（1）本次设计布置的溢洪道尺寸能满足该水库防洪标准泄洪的要求，相应水位分别为：重现期20年设计洪水位为，相应最大下泄流量；重现期30年设计洪水位为，相应最大下泄流量；重现期300年校核洪水位为，相应最大下泄流量。（2）大山樘水库大坝坝顶高程满足规范所要求的坝顶超高，根据规范计算所需的坝顶高程最低为：正常运用时，非常运用时；现有坝顶高程大坝为，满足满足规范要求。（3）大山樘水库溢洪道控制段为山体开挖而成，导墙顶部现有高程，比《碾压式土石坝设计规范》要求的低，满足规范要求。（4）大山樘水库大坝防渗心墙顶部高程不得低于（校核洪水位），现有防渗心墙顶部高程主坝为，符合规范要求。三、设计说明书设计说明书，主要应包括以下内容1.设计任务；2.流域自然地理简况，流域水文气象资料概况；2.1由设计暴雨推求设计净雨；2.2由于设计净雨推求设计洪水；2.3.洪水复核结果的合理性检查和洪峰模数的计算；2.4.调洪演算；2.5.根据调洪演算推求各种洪水特征水位。2.6.附表、附图、最后装订成册。3.要求3.1.说明书的重点是对计算成果的说明和合理性分析以及其它有关问题讨