工程水文学课程设计

1、湖南农业大学工学院课程设计说明书 课程名称：工程水文学 题目名称：新塘水库除险加固设计水文计算班 级：20 13级水利水电工程专业 2班姓 名：张雄亮 学 号：201340616226 指导教师：张文萍 评定成绩：教师评语： 指导老师签名： 20 年 月 日 工程水文学课程设计任务书一、内容新塘水库除险加固设计水文计算二、设计资料2.1 流域概况新塘水库属湘江支流白水江水系，大坝坝址位于汨罗市川山坪镇清泉村，地理坐标位置东经113°0111"，北纬28°3601"，距清泉村庄约1.3km，距川山坪镇约5.0km，距汨罗市城区约35km。新塘水库集雨面积0

2、.5km2，干流长度0.572km，干流平均坡降为14.2。新塘水库流域未设入库水文站，水库未开展任何水文水情观测；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。2.2 气象新塘水库地处亚热带季风气候区，属于湿润的大陆性气候。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。根据汨罗气象站19572006年实测的气象站资料统计，多年平均气温为16.9，历年最高气温为40.1，最低气温为-14.7。多年平均日照时数1987小时。多年平均

3、降雨量为1367.2mm，历年最大降雨量为2294.60mm（1998年），最小降雨量为1184.7mm（1972年），最大一日降雨量为208.00 mm。历年最大风速24m/s，风向NNE，历年平均最大风速14.0m/s。多年平均蒸发量为1104mm，全年无霜期266天。68月气温高，蒸发量也大。多年平均月蒸发量最大在7月份，达214.8mm。2.3 水文基本资料新塘水库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，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查算设计洪水。2.4 径流新塘水库库区径流（水库入库流量）主

4、要由降雨形成，根据汨罗市气象资料分析，得该水库多年平均降雨量1367.2mm，多年平均径流系数0.47，多年平均径流深642.9mm，多年平均年入库水量48.22万m3。该水库兴利库容为25.5万m3，库容系数=25.5/48.22=0.52>0.5，该水库属多年调节。2.5 洪水白水江洪水由暴雨形成，洪水时空变化特性与暴雨特性一致。每年48月为汛期，9月至次年3月为枯水期，年最大洪水多发生于每年47月，其中6、7两月出现次数最多。汨罗江属典型的山溪河流，洪水陡降陡落。三、设计任务3.1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

5、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。3.2设计任务对水库进行除险加固，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,利用新塘水库计算总库容。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-

6、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。四、设计要求设计说明书应主要包括以下内容：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。3.1.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论。

7、说明书要力求文字通顺、简明扼要，图表要清楚整齐，每个图、表都要有名称和编号，并与说明书中内容一致，最后成果图要字体工整，合订时，说明书在前，附表和附图分别集中，依次放在后面。3.2宽顶堰B每个人取值不一样，从1.6米开始值，如有雷同，则按抄袭重新算，计算表格见电子表格。目 录1.水文气象资料的搜集和审查61.1 流域概况.61.2气象 .61.3水文基本资料.61.4径流.71.5洪水.72.设计暴雨72.1流域内频率暴雨的计算.72.2设计暴雨的时程分配和净雨过程的计算.73.用推理公式推求设计洪水93.1.洪峰流量的计算.93.2洪水过程线的推求.113.3设计洪水总量的计算.133.4洪

8、水复核结果的复核性检查.134. 调洪演算134.1调洪演算的基本原则.134.2调洪演算的基本方法.144.3水位-容积关系（水位库容曲线）.144.4水位-下泄量关系（泄洪曲线）.144.5入库洪水过程线.154.6调洪演算过程.165.防洪标准复核165.1水库大坝坝顶高程复核.165.2大坝心墙顶部高程复核.185.3溢洪道控制段导墙顶部高程的确定.186.计算结论20参考文献2041新塘水库除险加固设计水文计算1.水文气象资料的搜集和审查1.1 流域概况新塘水库属湘江支流白水江水系，大坝坝址位于汨罗市川山坪镇清泉村，地理坐标位置东经113°0111"，北纬28&#

9、176;3601"，距清泉村庄约1.3km，距川山坪镇约5.0km，距汨罗市城区约35km。新塘水库集雨面积0.5km2，干流长度0.572km，干流平均坡降为14.2。新塘水库流域未设入库水文站，水库未开展任何水文水情观测；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 气象新塘水库地处亚热带季风气候区，属于湿润的大陆性气候。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。根据汨罗气象站19572006年实测的气象

10、站资料统计，多年平均气温为16.9，历年最高气温为40.1，最低气温为-14.7。多年平均日照时数1987小时。多年平均降雨量为1367.2mm，历年最大降雨量为2294.60mm（1998年），最小降雨量为1184.7mm（1972年），最大一日降雨量为208.00 mm。历年最大风速24m/s，风向NNE，历年平均最大风速14.0m/s。多年平均蒸发量为1104mm，全年无霜期266天。68月气温高，蒸发量也大。多年平均月蒸发量最大在7月份，达214.8mm。表1新塘水库多年平均入库流量月份123456789101112全年降雨量（mm）54.484.6134.6197.3237.9190

11、.0113.3118.659.773.658.245.01367.2径流系数0.320.390.470.490.510.550.460.460.450.430.420.380.470径流深(mm)17.4033.0063.2696.68121.34104.5052.1054.5526.8731.6324.4517.11642.903入库水量(104m3)1.312.474.747.259.107.843.914.092.022.371.831.2848.221.3 水文基本资料新塘水库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，本次洪水复

12、核按湖南省水利厅1984年编制的湖南省暴雨洪水查算手册查算设计洪水。1.4 径流新塘水库库区径流（水库入库流量）主要由降雨形成，根据汨罗市气象资料分析，得该水库多年平均降雨量1367.2mm，多年平均径流系数0.47，多年平均径流深642.9mm，多年平均年入库水量48.22万m3。该水库兴利库容为25.5万m3，库容系数=25.5/48.22=0.52>0.5，该水库属多年调节。1.5 洪水白水江洪水由暴雨形成，洪水时空变化特性与暴雨特性一致。每年48月为汛期，9月至次年3月为枯水期，年最大洪水多发生于每年47月，其中6、7两月出现次数最多。汨罗江属典型的山溪河流，洪水陡降陡落。2、设

13、计资料的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2.1流域内频率暴雨的计算根据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，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=0.45，Cs=3.5Cv，查图十六得点面折算系数，利用湖南省暴雨洪水查算手册求得新塘水库流域内的频率暴雨。300年一遇点暴雨和面暴雨；由设计频率P=0.33%和Cs=3.5Cv查手册表（二）得KP=2.94，则三百一遇点雨量H24点=H-

14、24点×KP=100×2.94=294mm,根据暴雨定点定面关系得，H24面=H24点×=294×0.999=293.706mm.30年一遇点暴雨和面暴雨；由设计频率P=3.33%和Cs=3.5Cv查手册表（二）得KP=2.05，则三百一遇点雨量H24点=H-24点×KP=100×2.05=205mm,根据暴雨定点定面关系得，H24面=H24点×=205×0.999=241.738mm20年一遇点暴雨和面暴雨。由设计频率P=5%和Cs=3.5Cv查手册表（二）得KP=1.88，则三百一遇点雨量H24点=H-24点&

15、#215;KP=100×1.88=188mm,根据暴雨定点定面关系得，H24面=H24点×=188×0.999=187.812mm2.2设计暴雨的时程分配和净雨过程的计算2.2.1设计暴雨二十四小时的时程分配参照查算手册推荐的公式计算，最大16小时净暴雨的时程分配公式为式（2-1），最大624小时净暴雨的时程分配公式为式（2-2）上述二式中:Ht124小时内任一时段的暴雨量；n2、n3依地理位置、集雨面积及降雨量而变的参数；（从查算手册图24和图25中可查得）；t对应Ht的时间。按暴雨手册计表一,列表计算得出设计暴雨时程分配过程见附表1。2.2.2设计净雨过程的计

16、算（1）查暴雨手册可知初损值I0为30mm,扣除初损值后，得时段净雨深（即径流深R总），然后参照手册值表（十一），重现期300年、30年、20年地面径流占总径流的比值分别取0.78、0.75、0.75，根据公式R上=R×，可求出不同频率下的时段地表净流深R上，即为所计算的各设计频率的设计净雨过程R上t。综上所述，可以将设计暴雨采用值和主要计算参数及设计成果用列表方式列出，如表2. 表2设计暴雨参数及成果表P(%)53.330.333备注Kp(mm)1.322.183.241.统计参数 H24点=111mm Cv=0.49 Cs=3.5Cv 2.点面关系系数 a=0.995 3.初损I

17、o=27mmK24点(mm)132218324K24面(mm)131.736217.564323.352n20.6520.6330.614n30.8630.8190.765H158.40 87.71 116.90 H385.60 131.26 178.65 H6108.95 169.28 233.45 H12119.80 191.91 274.75 H3-H127.20 43.55 61.74 H6-H323.35 38.02 54.80 H12-H610.85 22.63 41.30 H24-H1211.93 25.65 48.60 Ht130.84 215.64 319.71 R总101.

18、38 186.79 290.19 0.75 0.75 0.80 R上（mm）76.03 140.10 226.35 3.用推理公式推求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。3.1洪峰流量的计算采用手册第3、4页中介绍的试算法或图解法。参照查算手册值表（十一），重现期300年、30年、20年地面径流占总径流的比值分别取0.78、0.75、0.75，各频率的地面洪峰流量和汇流时间是根据地理参数、汇流参数m及可以利用汇流公式: 汇流公式中：Qm地面最大净峰流量（m3/s）；

19、F集雨面积（km2），为0.5km2；Rt/t地面径流强度；t汇流时间（h）；L流域干流长度，L=0.572km；J干流平均坡降，J=14%；m汇流参数；（1) 根据上述公式得：F=0.5Km2=2.809036698L=0.572kmm=0.240277208J=0.0142QM=8.71m3/s(2) 列表计算Rt/t根据表一、二、三第（十四）栏，自最大时段净雨开始，向前后相邻时段连续累加得表五、六、七中第（三）栏，并除以相应的历时，得第（四）栏Rt/t值。详见表1时段净雨强度图表1.时段净雨强度图如上图设t1=3查图得（Rt/t）1=38mm/hQm1=0.278×F×

20、;Rt/t=0.278×0.5×106×38÷1000÷3600=14.7m3/s1=0.278/(mj1/3)×1/Qm(1/4)=0.278÷0.24÷0.014(1/3)×1/14.7(1/4)=2.4小时因t11 按上述要求进行第二次试算（设t2=1）。设t2=2.4查上表得（Rt/t）2=41mm/hQm1=0.278×F×Rt/t=0.278×0.5×106×41÷1000÷3600=15.9m3/s2=0.278/(mj1

21、/3)×1/Qm(1/4)=0.278÷0.24÷0.014(1/3)×1/15.9(1/4)=2.4t2=2 即为所求。各年段洪水时段净雨强度计算表见附表。21 (3) 将有关数据代入汇流公式，可以求得新塘水库的地面洪峰流量、汇流时间及其它有关参数如表2. 表2设计洪水参数表P(%)53.330.33备注T（h）1.98 1.70 1.75 F=2.20km2 L=1.69km J=32 =4.37 m=0.298Qi（m3/s）10.56 19.46 31.44 Qm/Qi0.345 0.342 0.320 Qm（m3/s）3.37 3.69 4.4

22、7 Q下（m3/s）0.02 0.02 0.02 W（104m3）5.07 9.34 14.51 3.2洪水过程线的推求 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。(1)用径流分配系数法求地面过程已知各频率下的R上和Qm,则根据公式，可求得的值，再利用径流分配系数表作适当调整，然后用各时段分配系数分别乘以，即得相应净雨深的地面径流过程Qit，见附表2。（2） 地下径流过程的计算已知地下径流深R下=R总-R上，按照等腰三角形关系求地下径流峰值，自开始每增减一个时段，其流量即减少一个，于是得

23、出地下径流过程，见附表。洪水过程线即地面、地下径流同时段相加，即可求得千公水库各频率的洪水过程如表3水库设计洪水过程线和图4水库入库洪水过程线。新塘水库洪水过程线T(h)P（%）T(h)P（%）0.333.350.333.33500.02 0.02 0.02 150.70 0.40 0.22 10.89 0.65 2.11 160.60 0.38 0.20 24.47 3.69 3.37 170.52 0.36 0.18 37.67 4.97 1.47 180.45 0.34 0.16 44.48 2.95 1.06 190.44 0.31 0.14 52.96 2.00 0.86 200.4

24、2 0.29 0.13 62.32 1.58 0.72 210.40 0.27 0.11 71.97 1.29 0.63 220.38 0.25 0.09 81.71 1.08 0.53 230.35 0.22 0.07 91.51 0.92 0.44 240.33 0.20 0.05 101.34 0.79 0.39 250.31 0.18 0.04 111.21 0.66 0.34 260.29 0.16 0.02 121.07 0.58 0.27 270.27 0.13 0.00 130.94 0.49 0.25 280.27 0.00 0.00 140.800.430.23表3新塘水库

25、入库洪水过程线图4.水库设计洪水过程线（推理公式） (单位：m3/s)3.3设计洪水总量的计算采用Wmp=R总×F×1000(m3)计算洪水总量。根据本次设计暴雨过程可知三百年一遇洪水的总径流深R总为252.88mm，且F=0.5km2,则新塘水库三百年一遇的洪水总量Wm0.33%为12.6万m3，同理可求得30年一遇和20年一遇的洪水总量，计算结果列于表33.4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。3.5洪峰模数根据查算得新塘

26、水库重现期30年一遇的洪峰模数为9.818m3/s，与水库所在区域的同频率统计资料（711）m3/s比较，属合理。4.调洪演算4.1调洪演算的基本原则根据水库的实际情况，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。4.2调洪演算基本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：式中：、时段始末的入库流量（m3/s）；、时

27、段始末的出库流量（m3/s）；、时段始末的水库库容（万m3）；计算时段；i时段编号。4.3水位容积关系（水位库容曲线）本次洪水复核仍采用新塘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图5图5新塘水库水位库容曲线4.4水位下泄流量关系（泄流曲线）见表6新塘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 =H03/2式中m为宽顶堰的流量系数，0.32；B为宽顶堰宽度，7.5m；H0为堰上水头。表6水位下泄流量关系（泄流曲线）齐洞水库库容计算成果表序号 水位(m)库容（万m3）191.20291.40.951 391

28、.62.689 491.84.941 5927.607 692.210.631 792.413.974 892.617.610 992.821.515 109325.673 4.5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。4.调洪演算过程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

29、容及溢洪道下泄流量。调洪演算的基本方法是逐时段求解水量平衡方程，可采用试算法求得不同频率洪水的调洪各要素。根据调洪演算的基本原则和方法，将调洪演算的过程列于下表。新塘水库库容曲线、泄流曲线重现期为300年、30年、20年的调洪演算结果，见表7。 表7新塘水库调洪演算结果频率P(%)0.333.335备注最高水位Zm (m)91.58491.48191.371相应库容Vm（104m3）31.67930.29328.813相应泄量qm (m3/s)2.5261.5840.7545.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。对红专水库而言，就是对水库大坝及溢洪道控制段导墙顶部高程

30、进行复核。5.1水库大坝坝顶高程复核由本次洪水复核，30年一遇设计洪水位，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。5.1坝项超高坝顶在水库静水位以上超高按下式计算：y=R+e+A式中：y坝顶超高(m)；R最大波浪在坝坡上的爬高(m)；e最大风壅水面高度(m)；A安全加高(m)。波浪爬高R波浪的平均波高和

31、平均波周期按莆田实验站公式计算：水库上游坡静水位(设计及校核情况)上、下边坡m=1.55时：式中：Rp波浪沿坝坡的最大爬高；KP系数，按碾压式土石坝设计规范附表A.1.13确定；Rm波浪平均爬高；水库上游坡静水位(设计及校核情况)上、下边坡m1.25时：水库上游坡静水位(设计及校核情况)上、下边坡m=1.55.0时：R0无风情况下，平均波高hm=5.0时，光滑不透水护面（=1）的爬高值，按规范表A.1.12-3查得。糙率渗透系数，按规范附表A.1.12-1确定为草皮0.87；Kw经验系数，由风速w、坡前水深H、重力加速度g组成的无维量W，查表确定，按规范附表A.1.12-2确定；m斜坡的坡度系

32、数；hm平均波高(m)；Lm波长；W计算风速(水面上10m处风速)；根据石门县气象站资料统计，多年平均最大风速为14.0ms，根据碾压式士石坝设计规范SL2742001计算风速按两种情况考虑：正常运用情况下的级坝，采用多年平均最大风速的1.5倍，即w=21ms，采用多年最大风速即w=21.0ms；g重力加速度，g=9.81ms；Hm水域的平均水深；D吹程，从库区1:10000地形图上量得大坝D=420m；Tm平均波周期(s)。风壅水面高度水面超出原库水位的高度，按下式计算：式中：e计算点处的风壅水面高度（m）；K综合摩阻系数，取k=3.6×10-6；W计算风速（m/s）；D吹程（m）

33、；Hm域前平均水深（m）；风向与水域中心线的夹角，正面来风取=60°。安全加高A新塘水库位于丘陵区，根据水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000），5级土石坝。土石坝安全加高值表运用情况安全加高（m）坝的级别1234、5设计工况1.51.00.70.5校核工况0.70.50.40.3各计算要素及成果见表8。表8 坝顶超高复核计算成果表计算情况正常运用非常运用多年平均最大风速W（m/s）1414风区长度D（m）300350水域的平均水深Hm（m）55.5计算风速W（m/s）2114水库静水位（m）91.48191.584最大风壅水面高度（m）0.005 0.002 平均波高hm(m)0.19 0.12 平均波周期Tm(s)1.92 1.54