4设计洪水与设计水位推算ppt课件

1、桥涵水文 Hydrology of Bridge and Culvert 第四章设计洪水与设计水位推算,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法 第二节 根据洪水调查资料推算（略） 第三节 根据暴雨资料推算（略） 第四节 小流域设计洪水 第五节 设计洪水位的推求,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。 本章主要任务在于确定桥梁基本尺寸(桥孔长度、桥面标高、墩台埋深)所依据的桥位河段的水文要素，即在桥渡设计使用期内可能出现的控制洪峰流量(设计流

2、量)及其相应的水位(设计水位)。,设计洪水：在道路桥涵规划、设计中所指定的各种设计标准的洪水。 设计水位：在规定的桥涵设计洪水频率标准下的水位加上根据河流具体情况，即考虑壅水高度、浪高、水拱、河湾超高、凹岸超高、局部股流涌高和桥墩冲高等影响的高度后的水位。,桥涵工程依据： 交通部颁布的 公路工程技术标准（JTJ B01-2003） 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

3、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。,设计洪水的计算途径 1、由实测流量资料推求； 2、由洪水调查资料推求； 3、由暴雨资料推求。 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。,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,一

4、、资料的选样与审查 水文资料：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。 1、选样 年最大值法：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。 年超大值法：观测年数较少时采用。,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,一、资料的选样与审查 2、审查 资料可靠性：资料的正确与否 资料一致性：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 资料代表性：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 资料独立性：水文资料彼此无关,第一节 有观测资料的设计洪水流量推

5、算方法,一、资料的选样与审查 3、资料的插补与延长 （1）寻找参证站：采用水文统计方法推算设计流量时，如桥位附近水文站流量观测资料的观测年限较短或有缺失年份，则应尽量利用参证站(上、下游或邻近流域内的水文站)的观测资料，进行插补和延长，来提高可靠性。 （2）用暴雨资料插补洪峰资料 插补和延长年数不宜超过实测洪水流量的年数，并应结合气象和地理条件作合理性分析。,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,二、设计洪峰流量的推求,连序系列：即从大到小排位，序号是顺位连续排列的系列。如：实测系列 不连序系列：特大洪水加入系列后称为不连序系列，即从大到小排位，序号不连续，其中一部分属于漏项、缺项位，其经

6、验频率和统计参数计算与连序系列不同。,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,二、设计洪峰流量的推求,（1）连序系列,选取样本，一般采用“年最大值法”选取样本； 绘制经验频率曲线； 用适线法绘制理论频率曲线，并选定三个统计参数； 用选定的三个统计参数计算设计洪水频率相应的设计流量； 审查计算结果。参照统计参数的地区经验值，审查所选定参数值，并用其他方法推算设计流量，进行对比。,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,（2）不连序系列,在水文站观测年份内，如果河流发生特大洪水，相应地就会出现特大值。通过洪水调查和文献考证，往往也会获得特大值。这些特大值与其它数值之间有显著的脱节现象，是不连续

7、的。在统计计算中，不能把这些特大值与其它数值等同看待，需要进行适当处理，即所谓特大值的处理。,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,什么是特大洪水？ 至今人们对特大洪水还没有一个明确的量的定义。在概率格纸上，它的频率点与一般洪水的频率点有明显的脱节、不连续现象。在历史洪水中、在实测洪水中都有可能出现特大洪水，需提出作单独处理。,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,（2）不连序系列,（2）不连序系列,为什么要进行特大值的处理？ 通过特大值处理，可以延长系列资料，增强系列的代表性，减少各参数值的抽样误差，从而提高计算成果的稳定性和可靠性。 一般同时采用三种来源的资料：水文站观测资料、参证

8、站插补和延长资料、调查洪水和文献考证资料。,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,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。,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,不连续系列的经验频率计算,x,P(%),100,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,【例】某站自1930年至1978年有49个年头的连续实测资料，另外还调查到1903年和1921年两个历史洪水资料，另知三个历史洪水流量的排序,第一节 有观

9、测资料的设计洪水流量推算方法,解：(1)取1903年到1978年N=76年作为一个系列。 根据调查考证，认为在此期间不会遗漏大于等于1903年的洪水流量。那么在76年为首的三项的频率为： (2)另取1930年-1978年n=49年作为一个系列，按大小排队，各项频率为： 对于两个系列中都有的1949年流量，一般来说选取时期较长的系列所推算的经验频率。,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,2）统一样本法：将实测系列和特大洪水系列共同组成一个不连续系列，在考证期(或调查期)内统一进行排队。,(1)若在实测系列n年之内，有 个特大洪水，而在系列之外又调查到在N年中有 个历史洪水，则在N年中为首的

10、a个特大洪水可以按大小顺序排, 然后按维泊尔公式求频率。 (2)实测系列中所余下的项只有 个，它们作为总体中抽出来的样本，是有条件的，属于条件抽样，其频率为：,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,一般洪水的经验频率为:,x,P(%),100,PMa,最后一项的经验频率：,剩下Na 项的频率范围为：1- PMa ， 而实际只知n-a2 项。先将 n-a2项在 0-1 内计算经验频率：,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,x,P(%),100,PMa,然后按（ 1- PMa ）为比例缩小，并接到 PMa 之后，最后得：,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,解：(1) 在实测系列n

11、=49中有1个特大洪水 在实测期以外，又调查得到两个历史洪水 所以： 在N=76年中的序位是M=1，2，3 有： (2)而在实测资料的49年中，因抽出1949年的流量后，尚余48项，各项的经验频率为：,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,两种方法的比较： 第一种显得方便，但没有坚强的理论基础，有时会出现经验频率分布重叠的不合理现象。 第二种方法理论基础强，但所要求调查的特大洪水个数要准确可靠，而这一点在有些情况下是不易做到的。当有特大洪水遗漏时，将导致错误的计算结果。 以上两种估算频率的方法已为水利电力工程设计洪水计算规范SD 122-79所采用。,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方

12、法,不连续系列的统计参数计算,假定：缺测年份中的各最大值的平均数与连续n年内除特大值之外的其它最大值的平均数及均方差均相等。,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,N年系列的均值为：,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,N年系列的CV值为：,由：,由此可证明：,即：,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,三、成果合理性检查及安全保证值 对水文计算的结果，可按下述的途径进行合理性检查： 1.从洪峰及其参数随时间变化关系上分析 2.从洪峰及其参数的地区分布规律分析 3、设计洪峰流量与国内外或地区最大洪水记录对比 4、与暴雨计算成果比较,第一节

13、 有观测资料的设计洪水流量推算方法,【例3-16】 某河水文站实测年最大洪峰流量资料30 年，历史特大洪水2年，调查考证期N = 102 年。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：a1 = 2，N = 102 一般洪水：n =30， a2 = 0 统一样本法 计算结果见下表 。,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,某河洪峰流量经验频率计算（a = 2）,2、参数估计 矩法,调整参数，最后采用：, 适线法 初试取：,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,3、求设计值 T = 200年，P = 0.5% ，CV =0.80，CS =3.5

14、CV =2.8 查表，得 桥位断面设计流量：,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,第二节 根据洪水调查资料推算,洪 水 调 查 表,洪水编号：洪1,调查时间：99.6.5,第三节 根据暴雨资料推算,第四节 小流域设计洪水（无观测、无考证、无调查）,1）1958年水利科学研究院水文研究所推理公式,1.推理公式,注意：暴雨推理公式中的参数和指数采用各地区编制的暴雨径流图表值。,2）、径流简化公式,式中， ：地貌系数；与流域面积、地形、主河道比降有关； h ：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

15、数； ：湖泊、塘堰、小水库调节作用影响洪峰流量的折减系数。,2、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，C：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。,地区经验公式 1979年，交通部公路规划设计院组织全国各省市交通厅局利用1785个水文站点资料汇总分析，制定了我国公路大中桥流量经验公式汇总报告。报告中把全国分为111个分区，制定了 （1）全国水文分区流量计算参数表 （2）全国水文分区Cv值表 （3）全国水文分区Cs/Cv经验关系表。,1、全国水文分区流量计算参数表 在此表中，给出了111个分区的三项资料： i)

16、平均流量（年最大流量系列的均值） ii)频率P=2%的流量 iii)Q1%/Q2%，根据此值，可由Q2%算出Q1% 2、全国水文分区Cv值表 表中给出111个分区流域面积从100平方公里到5万平方公里范围内的Cv值，或者建议采用Cv等值线取值，其等值线可从相关水文手册获得。 从表中Cv值可以看出，流域面积越大，Cv值越小。 3、全国水文分区Cs/Cv经验关系表,全国水文分区流量计算参数表,计算方法： 由全国水文分区流量计算参数表： 计算 查表 （表3-2-2） 查表 （表3-2-3）,使用范围：一般用于流域面积小于50 000k的中等流域的 桥位。 使用方法：首先在地图上勾绘出桥位以上的流域面

17、积F，视 流域大部分在哪一个分区中，就可采用该分区 公式。,第五节 设计洪水位的推求,设计流量往往是根据水文站观测资料或洪水调查资料推算，其流量是根据水文站的测流断面或桥位附近的形态断面计算而得，与桥位断面通常是不重合的，因而需要换算到桥位断面的流量或水位。,水文测站，形态断面距桥位断面很近，流域面积相差5%时，可以直接采用测站或形态断面处的设计流量，不用换算。 水文站或形态断面与桥位断面的流量相差小于10%时，可直接采用测站或形态断面处的设计流量，不必作换算。 当流域面积相差不超过20%，可按下式换算:,当流域面积相差超过20%，按上式计算的结果误差较大，应结合实际情况，从多方面比较后确定。

18、,复习,第一章 概述（了解） 水文学？ 桥涵水文学？ 桥与水的关系？ 桥涵水文学的研究内容及意义 第二章 河川径流（理解） 河川水文现象的特点与桥涵水文的研究方法 河流形态与河流水情 河流的泥沙运动与河床演变,复习,第三章 水文统计基本原理和方法（熟练掌握） 水文经验频率曲线 水文理论频率曲线 水文频率计算适线法,复习,第四章 设计洪水与设计水位推算（熟练掌握） 有观测资料的设计洪水流量推算方法 小流域设计洪水（缺少或无观测资料）,例 ： 某桥位附近有水文站，能搜集到20年连续的流量观测资料，通过洪水文献考证知，从1784年至1982年期间，曾有8年发生过较大洪水。其中：1880年、1948年

19、和1955年能调查到历史洪水位，可推算得洪水流量；1975年在实测期内，有实测资料；其余4年未能获得流量资料，只知1784年洪水大于1880年，另3年洪水均小于1948年，试求洪水流量Q1%。 关键词：考证期、调查期、实测期、经验频率、经验频率曲线、理论频率曲线 重点参数和公式：Q、CV、CS、 P 曲线和公式 QP% = Q(1+ PCV) 解： 1，经验频率分析方法： （1）独立样本法：可分为3个独立系列： 1) 考证期（1784年1982年）N2为199年，1784年洪水频率为： P1/(N+1)= 1/200 = 0.5%； 2)调查期（1880年1982年）N1为103年，包括188

20、0年、1948年、 1955年和1975年（在实测期内）4个特大值。频率分别为： P=M/(103+1),M取1、2、3、4。 3)实测期（1963年1982年）n为20年，频率为： P=m/(n+1),m取1、2、3、20，其中1975年为特大洪水，则a2=1。,（2）统一样本法：在考证期内199年中各流量统一排位： 考证期：N199年，,M=1,1784年的流量, 调查期: n =103年，a14，包括1880年、1948年、1955年和1975年 的特大洪水。a21，即1975年洪水。 实测期：n=20年，包括特大值1975年流量，应在调查期内按特大值排位。水文 站观测资料只有20年，年

21、限较短，代表性不强， 采用第二种方法的计算结果。,1955,1975,1948,1880,1784,1963,实测期n = 20,调查期N1=103,考证期N2=199,经 验 频 率 计 算 表,2, 点绘经验频率曲线： 将经验频率点群点绘于海森几率格纸上，目估通过点群分布中心， 并兼顾到特大值作曲线，得到经验频率曲线。 3，适线中重点参数的求算： （1）,应用3点适线法确定统计参数 Q、 CV和 CS。 在经验频率曲线上读 P5%, P50%, P95%所对应的流量得 Q5%=3210 m/s(Q1)、 Q50%=1750 m/s(Q2)、Q95%=970 m/s(Q3) 公式：S(Q1+Q3-2Q2)/(Q1-Q3） S（312097021750）/（3120970）0.274 查表得：CS0.99 ，并知，当CS0.99时，P15%,1=1.88 P2=50%, 2=-0.16, P3=95%,