大坝安全鉴定讲课(第三稿设计洪水与调洪计算)

1讲课内容：设计洪水与调洪计算教材主要依据：1、水库大坝安全鉴定办法（2003.07.02）2、SL258——2000水库大坝安全评价导则（以下简称导则）3、SL44——2006水库水电工程设计洪水计算规范（替代SL44—93）4、SL104—95水利工程水利计算规范水库大坝安全评价导则第四章防洪标准复核中的第一节第一条是这样写的：防洪标准复核是根据大坝设计阶段洪水计算的水文资料和运行期延长的水文资料，考虑建坝后上游地区人类活动的影响和大坝工程现状，进行设计洪水的复核和调洪计算，评价大坝工程现状的抗洪能力是否满足现行有关规范的要求。这一条很明确的指出防洪标准复核主要工作内容是进行设计洪水复核和调洪计算。现在首先讲设计洪水复核一、设计洪水复核内容及基本资料收集（一）设计洪水复核内容内容：设计洪峰流量，设计洪水总量和设计洪水过程线按照导则的规定，要求设计洪水采用入库设计洪水资料进行复核计算，但由于目前各流域的水库，特别是中小型水库大多缺少流量资料，有的连雨量资料都没有，达不到用入库洪水资料进行设计洪水复核计算的要求，所以本次讲课仍以坝址设计洪水复核为主。（二）基本资料收集21、基本资料内容（1）大坝设计及历次安全鉴定复核时设计文件中设计洪水成果，计算方法和依据的资料。（2）大坝设计前后及运行阶段流域内相关雨量站降雨资料。（3）流域内相关水文（位）站历年实测洪水资料(包括历史调查洪水资料)及人类活动对水文参数的影响资料。（4）设计流域几何特征参数及地形图。（5）水库集水面积及其范围内的分、蓄、调水工程的有关资料。（6）水位~库容曲线。（7）水位～泄量曲线。（8）工程运行资料。（9）下游洪水淹没区社会、经济、人口等资料。2、收集资料的用途（对应以上收集的资料内容逐条讲明）（1）以往的设计及安全鉴定复核的设计洪水成果用来与本次成果进行比较，从而分析、判断原设计洪水是否安全。计算方法和采用的资料直接影响计算成果，对设计阶段的成果与现复核成果进合理性分析时，有了不同设计阶段采用的方法和资料就能比较好的找出历次设计成果差别的原因，更好地判断成果的合理性。（2）两个用途①对无流量资料地区，雨量资料是推求设计洪水的重要依据。②供成果合理性分析时用，当设计阶段的成果与复核的成果相差较大时，可利用不同阶段的设计暴雨进行合理性分析。3（3）历年水文资料是推求设计洪水的重要依据。流量资料可直接用于推求设计洪水，水位资料可用来插补流量资料。（4）中、小型水利工程大多为无洪水资料的地区，一般采用由设计暴雨推求设计洪水，在各省水文手册推荐的产、汇流计算方法中，基本上都要用到流域几何特征参数F、L、i等，还有的用到流域宽度B，所以需要收集流域几何特征参数，地形图是用来复核流域几何特征参数。（5）由于推求设计洪水的资料系列应具有随机性和同一性，当上游修建引、蓄水工程，改变了设计流域的水文特性。例如平原地区一般河道比降平缓，洪水季节主要靠两岸堤防束水，大洪水或特大洪水时，常遇堤防溃决或人工分洪、蓄洪，致使实测洪水系列不能反映实际的天然洪水特征，存在严重的洪水系列的不一致性。又如上游修建了水库，将上游的来水拦蓄了，设计流域的洪峰流量和洪水总量就会减少，或是上游水库将拦蓄的洪水向下泄放，使设计流域形成一个洪水过程，这个洪水过程是人为造成的，不是天然的洪水过程，不具有随机性与原设计阶段的水文资料系列不具有同一性，不能做为一个洪水系列来进行水文分析计算，因此，在已建水库工程设计洪水复核时，应对工程兴建前后的洪水系列进行一致性处理，还原成天然状况。然后才能作为一个水文系列进行分析计算。第（6）（7）（8）的水库库容曲线和水库运行资料可用来展延洪水系列用，在水库运行中，汛期观测有坝前水位和相应时段的下泄流量记录，由坝前水位及库容曲线可以算出△t时段内水库蓄水量的变化，下泄流量即是水库出流量，有了水库蓄水量的变化和水库出流量就可以通过水量平衡公式反求出入库洪水4水量平衡方程式Q入△t-Q出△t=△wQ入=△w/△t+Q出其中Q入Q出分别代表入库流量和出库流量（水库泄量），△t为计算单元时段，△w为△t时段内水库蓄水量变化值。△t时段内坝前水位下降时，水库蓄水量为负值，从公式中也可看出，入库洪峰流量较坝址洪峰流量为大，不能用入库洪峰流量代替坝址洪峰流量.入库洪水总量与坝址洪水总量差别较小，时段愈长两者越接近，故可以由入库洪量得到坝址洪量，再由坝址洪水的峰量相关求得坝址洪峰，从而展延了坝址洪峰流量系列，如果用入库流量进行设计洪水复核，这也是获得入库洪水资料系列的方法之一。第（6）（7）条也是调洪计算所需要的工作曲线（三）基本资料的复核根据导则的要求在开展防洪标准复核前，应对收集的资料进行审查与评价，对洪水资料按SL44—93《水利工程设计洪水计算规范》进行复核，在资料复核中，对有明显错误或存在系统偏差的资料，应予改正。更为详细的复核方法参阅配合规范编定的由水利电力出版社出版的《水利水电工程设计洪水计算手册》。二、由流量资料推求设计洪水（一）洪峰流量和洪水总量的经验频率曲线复核。1、复核采用的洪水资料系列（由两部部份组成）（1）设计阶段采用的洪水系列（包括历史洪水）5（2）运行期的洪水资料系列如在运行期无实测洪水资料，可利用实测库水位记录和库容曲线及水库泄量由水量平衡方程式反推求得。这里要注意两个问题，一是资料系列的一致性，无论是坝址洪水还是入库洪水都要有一致性，不能混用，不一致时要设法（参照设计洪水规范提出的方法将入库洪水还原为坝址天然洪水或是将原坝址天然洪水转换成入库洪水）达到一致性方能使用。第二是洪水系列的长度一般要求达到30年，达不到要设法展延，展延方法可参阅水利水电工程设计洪水计算手册。2、经验频率计算将上述两部分资料组成的洪水连续系列由大到小顺序排列，用数学期望公式计算经验频率。在没有历史特大洪水时，即在n项连续洪水系列中，按大小顺序排位的第m项洪水的经验频率Pm可采用数学期望公式Pm=m/(n+1)计算，公式中n为洪水序列项数，m为洪水连续系列中的序位，Pm为第m项洪水的经验频率，举例说，假如南宁站有1951~1999年计49年最大洪峰流量的连续序列，求49年中最大洪水1954年的经验频率，在采用上述数学期望公式计算时，n即为49年，1954年排49年序列中第1位，m即为1,1954年年最洪峰流量的经验频率即为Pm＝1/（49+1）＝1/50＝0.02，如有历史洪水调查的特大值，或是在实测系列中有特大洪水年发生，这时经验频率计算的数学期望公式就有另外的形式，详细可参阅设计洪水规范和设计洪水计算手册，当求得连续序列中各年洪水的经验频率后，将其绘于机率格纸上，以备下一步推求理论频率曲线时用。6（二）理论频率曲线的复核计算与绘制1、理论频率曲线的线型采用皮尔逊Ⅲ型、简称P-Ⅲ型。首先计算理论频率曲线的三参数均值x变差系数Cv偏态系数Cs三参数的统计意义是均值x表示洪水的平均数量水平变差系数CV表示洪水年际变化的剧烈程度，即年际变化大小。CV越大，表示年际间差别越大。偏态系数Cs，表示年际变化的不对称度，2、初步估算参数。三参数的计算方法一般采用矩法，也可采用其他计算方法来初步估算三个统计参数：如最小二乘法、权函数法，概率权重矩法等，这里不详细讲。把初步估算的三参数相应的P-Ⅲ型曲线绘在前面讲的经验频率图上，由于含有系统的计算误差，这样得到的频率曲线常与经验点据拟合较差，但是可将这些参数值作为下一步适线调整参数的初始值，选择初始值是采用适线法估计参数的重要环节。3、采用适线法调整初步估算的统计参数，以期获得一条与经验点据拟合良好的频率曲线。目前在工作中一般用经验适线法即目估定线，目估定线时，先在初步估算的统计参数基础上，假定一组统计参数，重新计算P—Ⅲ型曲线与经验频率点据拟合，适线时应尽量照顾点群的趋势，使曲线尽量通过点群中心，如点线配合不佳时，可侧重考虑上部或中部的点据，并使曲线尽量靠近精度较高的点据。4、根据确定的统计参数，用理论频率曲线计算各种频率洪水值。7（三）对适线调整后确定的统计参数及设计值的变化规律要作合理性检查，合理性检查包括分析本站不同时段洪水统计参数间的关系；上下游、干支流和邻近流域各站洪水统计参数变化规律等。1、本站比较（1）频率曲线比较，将洪峰、洪量（以时段平均流量表示）的频率曲线点绘在同一机率格纸上，各频率曲线应接近于平行、互相协调，一般情况下时段越短、坡度应略大，否则应检查资料系列及计算过程有无错误或处理不当，对结果作必要调整。（2）统计参数和同频率设计值之间的比较。X均值洪峰、洪量（以时段平均流量表示）本站均值和设计值应随时段增长而逐渐减小，其减率随时段而减小。Cv变差系数随时段增长而递减，但对连续暴雨形成的多峰型洪水Cv也随时段增长而增大，至某一时段达最大值后又逐渐减小。Cs偏态系数随时段增长而减小。2、与上下游及邻近流域频率分析成果比较。X均值及同频率设计值应从上游往下游逐渐递增，其模数应递减。模数即设计值除以面积，得单位面积上的流量。Cv自上游往下游递减，当上下游气候、地形条件不一致时，上下游间的关系就比较复杂，应结合具体流域的暴雨洪水特点加以分析判断。与邻近地区河流频率分析成果比较，一般以洪峰模数或径流深作对比，检查它们是否与该地区暴雨分布，地理等因素相适应。３与暴雨频率分析成果比较8一般情况下，洪量的Cv应大于相应暴雨的Cv，洪水的均值和设计值（径流深）应小于相应时段暴雨深。通过上述初估、适线和综合对比分析，就可得到比较合理的，能满足复核要求洪水频率曲线。（四）、推求设计洪水过程线选取对工程防洪运用较为不利的实测大洪水过程作为典型洪水过程线，据以放大，求得各频率的洪水过程线。三、由雨量资料推求设计洪水中小型水库所在河流，一般都很少有流量资料可供利用，这时可用雨量资料推求设计洪水，但是在这里大家要有一个明确的概念。现阶段一般假定设计暴雨与设计洪水同频率。设计暴雨与设计洪水关系如何？它们之间究竟如何转换？至今尚未解决。大家都知道，洪水大都由暴雨形成，它不仅与暴雨的量级大小有关，还与暴雨的时程分配、空间分布、前期影响雨量，下垫面条件等有着密切的关系。一般来说，在暴雨量相同情况下，雨强愈大，暴雨走向与河流一致，前期影响雨量较大时，则洪水峰值及短时段洪量较大。相同标准的设计暴雨推求的设计洪水往往千差万别，也即设计暴雨与设计洪水是不同频率的，这是由设计暴雨计算设计洪水方法自身所具有的缺陷。现阶段对所在河流缺少流量资料的水利工程采用设计暴雨推求设计洪水的方法是不得以而为之，对由设计暴雨推求设计洪水时的计算要十分慎重，对成果的合理性要认真分析。9（一）设计暴雨计算1、当流域雨量站较多，分布比较均匀，并具有长期比较可靠的资料时，可直接根据流域逐年最大年雨量系列作频率分析，以推求流域的设计面雨量，各年平均面雨量的推求方法可采用算术平均法，加权平均法，等雨量线法等。暴雨频率计算的实测与插补雨量，资料系列要求达到30年以上。实测暴雨系列较短或实测期内有缺测年份时，需要插补延长，方法可见设计洪水规范和设计洪水计算手册。2、如流域面积较小，直接进行面暴雨频率分析的资料统计有困难时，可用相应历时的设计点雨量和点面关系间接计算设计面雨量，设计面雨量PA可由设计点面P0和点面换算系数αA求出，即PA=αAP0。3、当流域面积小于1000Km2时，可根据经过审批的各省（区）不同历时的大暴雨统计参数等值线图查读，计算设计点雨量。（二）暴雨洪水的产、汇流计算当流域面积小于1000Km2，实测资料又短缺时，可采用经审批的暴雨径流查算图表作为计算设计洪水的一种依据。当流域面积较大，暴雨在面上分布不均匀，产流和汇流条件有较大差异时，可将流域划分成n个计算单元，分别进行产汇流计算，再经河道演算并与底水组合叠加后，作为设计断面的洪水过程线。用推理公式计算设计洪峰流量后，其设计洪水过程线可采用概化方法计算。这些计算的具体操作，各省（区）的暴雨径流查算图表都有较详细的10说明，可操作性很强，但必须注意的是，对流域几何特征参数要利用地形图复核。4、设计成果的合理性分析规范要求由