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工程水文学课程设计报告书

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：

2013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°01′11"，北纬28°36′01"，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。

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1957～2006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208.00mm。

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。

6～8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4～8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4～7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》（SL252-2000），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。

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。

1.1流域概况................................................................6

1.2气象.................................................................6

1.3水文基本资料.............................................................6

1.4径流.....................................................................7

1.5洪水.....................................................................7

2.1流域内频率暴雨的计算.....................................................7

2.2设计暴雨的时程分配和净雨过程的计算.......................................7

3.1.洪峰流量的计算..........................................................9

3.2洪水过程线的推求........................................................11

3.3设计洪水总量的计算......................................................13

3.4洪水复核结果的复核性检查................................................13

4.1调洪演算的基本原则......................................................13

4.2调洪演算的基本方法......................................................14

4.3水位-容积关系（水位库容曲线）...........................................14

4.4水位-下泄量关系（泄洪曲线）.............................................14

4.5入库洪水过程线..........................................................15

4.6调洪演算过程............................................................16

5.1水库大坝坝顶高程复核....................................................16

5.2大坝心墙顶部高程复核....................................................18

5.3溢洪道控制段导墙顶部高程的确定..........................................18

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°01′11"，北纬28°36′01"，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1957～2006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208.00mm。

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。

6～8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

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

全年

降雨量（mm）

54.4

84.6

134.6

197.3

237.9

190.0

113.3

118.6

59.7

73.6

58.2

45.0

1367.2

径流

系数

0.32

0.39

0.47

0.49

0.51

0.55

0.46

0.46

0.45

0.43

0.42

0.38

0.470

径流深（mm）

17.40

33.00

63.26

96.68

121.34

104.50

52.10

54.55

26.87

31.63

24.45

17.11

642.903

入库水量（104m3）

1.31

2.47

4.74

7.25

9.10

7.84

3.91

4.09

2.02

2.37

1.83

1.28

48.22

1.3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。

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4～8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4～7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。

①300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-24点×KP=100×2.94=294mm,根据暴雨定点定面关系得，H24面=H24点×α=294×0.999=293.706mm.

②30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×α=205×0.999=241.738mm

③20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×KP=100×1.88=188mm,根据暴雨定点定面关系得，H24面=H24点×α=188×0.999=187.812mm

2.2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1～6小时净暴雨的时程分配公式为式（2-1），最大6～24小时净暴雨的时程分配公式为式（2-2）

上述二式中:

Ht——1～24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》φ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×ψ，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（%）

5

3.33

0.333

备注

Kp（mm）

1.32

2.18

3.24

1.统计参数H24点=111mmCv=0.49Cs=3.5Cv2.点面关系系数a=0.9953.初损Io=27mm

K24点（mm）

132

218

324

K24面（mm）

131.736

217.564

323.352

n2

0.652

0.633

0.614

n3

0.863

0.819

0.765

H1

58.40

87.71

116.90

H3

85.60

131.26

178.65

H6

108.95

169.28

233.45

H12

119.80

191.91

274.75

H3-H1

27.20

43.55

61.74

H6-H3

23.35

38.02

54.80

H12-H6

10.85

22.63

41.30

H24-H12

11.93

25.65

48.60

Ht

130.84

215.64

319.71

R总

101.38

186.79

290.19

Ф

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》φ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θ、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）；

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=

0.5

Km2

θ=

2.809036698

L=

0.572

km

m=

0.240277208

J=

0.0142

QM=

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/h

Qm1=0.278×F×Rt/t=0.278×0.5×106×38÷1000÷3600=14.7m3/s

Ƭ1=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t1≠Ƭ1按上述要求进行第二次试算（设t2=Ƭ1）。

设t2=2.4查上表得（Rt/t）2=41mm/h

Qm1=0.278×F×Rt/t=0.278×0.5×106×41÷1000÷3600=15.9m3/s

Ƭ2=0.278/（mj1/3）×1/Qm（1/4）=0.278÷0.24÷0.014（1/3）×1/15.9（1/4）=2.4

t2=Ƭ2即为所求。

各年段洪水时段净雨强度计算表见附表。

（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（%）

5

3.33

0.33

备注

T（h）

1.98

1.70

1.75

F=2.20km2L=1.69kmJ=32‰θ=4.37m=0.298

∑Qi（m3/s）

10.56

19.46

31.44

Qm/∑Qi

0.345

0.342

0.320

Qm（m3/s）

3.37

3.69

4.47

△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Qi~t，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（%）

0.33

3.3

5

0.33

3.33

5

0

0.02

0.02

0.02

15

0.70

0.40

0.22

1

0.89

0.65

2.11

16

0.60

0.38

0.20

2

4.47

3.69

3.37

17

0.52

0.36

0.18

3

7.67

4.97

1.47

18

0.45

0.34

0.16

4

4.48

2.95

1.06

19

0.44

0.31

0.14

5

2.96

2.00

0.86

20

0.42

0.29

0.13

6

2.32

1.58

0.72

21

0.40

0.27

0.11

7

1.97

1.29

0.63

22

0.38

0.25

0.09

8

1.71

1.08

0.53

23

0.35

0.22

0.07

9

1.51

0.92

0.44

24

0.33

0.20

0.05

10

1.34

0.79

0.39

25

0.31

0.18

0.04

11

1.21

0.66

0.34

26

0.29

0.16

0.02

12

1.07

0.58

0.27

27

0.27

0.13

0.00

13

0.94

0.49

0.25

28

0.27

0.00

0.00

14

0.80

0.43

0.23

表3新塘水库入库洪水过程线

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3

3.4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（7～11）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