牤牛河设计洪水计算书48.docx

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牤牛河设计洪水计算书48

牤牛河设计洪水计算书

1概述

牤牛河发源于东营燕子沟，在大屯乡大屯村汇入兴洲河，流域面积344.76km2，河流长度33.5km。

窟窿山水库坝址在滦平县城南7.5km处的安匠屯乡铧子炉村，水库以上控制面积142.2km2，占全河流域面积的41.2%，窟窿山水库大坝以上主河道长22km，河道平均坡降20.3‰。

因坡陡流急、汛期洪水迅猛而得名“牤牛河”。

牤牛河由南至北纵贯滦平县城，是滦平县城区主要行洪河道。

线路于大屯乡营房村南侧约400m处跨越牤牛河，位于牤牛河入汇兴洲河河口上游约700m，根据《河北省滦平县牤牛河县城下游段河道综合治理工程设计变更报告》，河北省滦平县牤牛河县城下游段河道综合治理工程终止点为国道112公路桥，该桥所处位置位于线路跨越牤牛河断面下游约500m,该段河道治理在原有河堤基础上修建防洪堤和平整河道，迎水面采用浆砌石仰斜式挡土墙，迎水坡边坡1：

0.25，背水坡边坡1：

0.15，顶宽1.1m，高5m，底宽1.85m；外边坡1：

2。

防洪堤内填筑砂砾石，采用浆砌石护岸。

该段河道治理后，防洪标准为10年一遇。

2设计洪峰流量

2.1设计暴雨

根据《承德地区水文实用图集》，由“河北省承德地区年最大24小时降雨量多年平均值等值线图”和“河北省承德地区年最大3日降雨量多年平均值等值线图”，断面以上流域年最大24小时降雨量多年平均值位于70mm与80mm等值线之间，年最大3日降雨量多年平均值位于80mm与85mm等值线之间，由此可见该流域的暴雨集中在1日，采用1日设计暴雨进行洪水计算符合该地区暴雨洪水特点。

根据年最大24小时降雨量多年平均值等值线查得牤牛河流域最大24小时降雨量平均值为：

H1=75（mm）

由“河北省承德地区年最大24小时降雨量变差系数（Cv）等值线图”查得：

Cv1=0.40，

24小时Cv值的折算系数为1.11。

Cv1=Cv1×1.11=0.44；

Cs1/Cv1=3.5；

由“P-Ⅲ型曲线Kp值表（Cv=3.5）”查得最大24小时降雨量Kp值：

P=1﹪，Kp=2.48；

P=2﹪，Kp=2.21；

P=3.33﹪，Kp=2.02；

P=20﹪,Kp=1.301；

牤牛河流域各频率24小时设计暴雨量为：

P=1﹪，H1%=80×2.48=198.4（mm）；

P=2﹪，H3.33%=80×2.21=176.8（mm）；

P=3.33﹪，H3.33%=80×2.02=161.6（mm）；

P=20﹪，H20%=80×1.301=104.1（mm）；

牤牛河流域位于燕山迎风区，计算区间流域面积202km2，查“各区不同历时点面折减系数表”，最大24小时点面折减系数为0.92：

点面折算后，流域设计面暴雨量H为：

频率

流域24小时设计面暴雨量H

P=1﹪

198.4×0.92=182.5mm

P=2﹪

176.8×0.92=162.7mm

P=3.33﹪

161.6×0.92＝148.7mm

P=20﹪

104.1×0.92=95.8mm

2.2河道长度/流域面积

根据《河北省滦平县牤牛河县城下游段河道综合治理工程设计变更报告》，自窟窿山水库至国道112公路桥区间流域面积为202km2。

根据1:

50000地形图量算，主河道长度为14.306km，按等高线量算流域主河道比降，区间流域图见图2.2-1，比降量算表见2.2-1。

图2.2-1窟窿山水库至线路跨越断面区间流域图

表2.2-1窟窿山水库至牤牛河区间流域主河道比降量算表

序号

间距（m）

高程（m）

1

811.7

440

2

1110.4

450

3

1351.2

460

4

882.3

470

5

1587.8

480

6

993.4

490

7

1507.8

500

8

2279.5

510

9

1295.6

530

10

351.4

540

11

1387.7

550

12

637.4

600

13

109.7

650

14

690

总长度

14306

比降

9.599‰

2.3区间设计洪峰流量

分别采用《承德水文图集》中的合理化公式法和水利部科研院法计算线路跨越水文断面100年一遇、50年一遇、30年一遇和5年一遇的设计洪峰流量。

2.3.1合理公式法

根据《承德水文手册》，计算洪峰流量的合理公式如下：

Q1%=0.278（i-μ）F

（1）

i=Sp/τn

（2）

v=0.278L/τ（3）

上式中：

Q1%——百年一遇设计洪峰流量（m3/s）；

0.278——单位换标系数；

i——暴雨强度（mm/h）；

μ——产流历时内平均入渗率（mm/h）；

F——流域面积（km2）；

Sp——雨力（mm/h）；

τ——汇流时间（h）；

n——暴雨递减指数；

L——河流长度（km）；

v——汇流速度（m/s）

全流域的河道坡度为：

J=9.599‰。

牤牛河流域属兴洲河的一级支流，由“河北省承德地区汇流参数分区图”可知，该流域属于Ⅲ区，查询“洪峰流量推理公式分区参数表”得：

H=1.412，B=0.52，x=0.0036，y=1.88；

查“河北省承德地区短历时暴雨递减指数等值线图”100年一遇暴雨衰减指数n1=0.65×1.03=0.67，n2=0.75，n3=0.65×1.06＝0.69；

τ=H（L/J0.5）B=1.412×（14.306/9.5990.5）0.52=3.13（h）；

100年一遇设计洪水计算如下：

Sp=H24P/241-n=182.5/241-0.69=68.1（mm/h）；

i=Sp/τn=68.1/3.130.69=31.0（mm/h）；

μ=xSpy=0.0036×68.11.88=10.1（mm/h）；

Q1%=0.278（i-μ）F=0.278×（31.0-10.1）×202=1174（m3/s）；

查《承德水文图集》“设计洪峰流量换算系数表”，潮河流域设计洪峰流量换算系数及各频率洪峰流量见表2.3-1（30年一遇通过Cv、Cs/Cv查P-Ⅲ型曲线Kp值表，采用比值计算）。

表2.3-1牤牛河设计洪水计算成果表

频率

Cv

Cs/Cv

换算系数

洪峰流量

（m3/s）

1%

0.84

2.5

1.0

1174

2%

0.84

2.5

0.86

1010

3.3%

0.84

2.5

0.74

869

20%

0.84

2.5

0.37

434

2.3.2水科院

采用EHP软件中的水科院法计算区间设计洪水，由于流域内主要为山丘区，地面植被为零星杂草及低矮的树木，山区土层薄，多处岩石出露，土质多为黄土，汇流参数取m=1.2；损失系数取μ＝10.1mm/h，水科院法计算过程如附录1所示，计算结果如表2.3-2。

表2.3-2牤牛河水科院法计算成果

频率

洪峰流量（m3/s）

1%

1600

2%

1300

3.3%

1110

20%

512

2.3.3区间设计洪水成果分析

将合理化公式法与水科院法计算结果进行比较，水科院法各频率设计洪峰流量均明显高于合理化公式法，。

合理化公式法中的参数取值均来自《承德水文图集》，能很好体现牤牛河流域特征，符合该流域洪水特点，合理化公式法计算成果相比于水科院法更为合理、可靠，因此选用合理化公式法计算成果，100年一遇、30年一遇和5年一遇洪水位设计洪峰流量分别为1134m3/s、839m3/s、420m3/s。

2.4窟窿山水库洪水分析计算

线路跨越牤牛河断面位于窟窿山水库下游14km处，所布设的水文断面来水为水库下泄洪水与区间洪水的叠加组合。

2.4.1窟窿山水库概况

窟窿山水库于1958年3月开工兴建，位于滦平县城以南7.5km处的铧子炉村，控制流域面积142.2km2，总库容1430万立方米，调洪库容898万立方米，是一座以防洪为主结合供水的中型水利工程。

水库设计标准为100年一遇，校核标准为1000年一遇。

窟窿山中型水库于2005年完成了除险加固。

窟窿山水库历史最大入库流量为948m3/s，历史最大出库流量为334m3/s，发生于1976年7月23日。

2.4.2水库入库设计洪水

根据《河北省滦平县牤牛河县城下游段河道综合治理工程设计变更报告》中已有成果，不同重现期设计洪水过程线见表2.4-1。

表2.4-1窟窿山水库不同重现期设计洪水过程线成果表

时间（h）

不同重现期设计流量（m3/s）

50年

20年

10年

1

2.6

2.6

2.6

2

8.9

3.9

3.4

3

21.2

12.3

10.1

4

54.8

43.1

35.3

5

283.4

141.7

115.9

6

500.4

310.3

253.9

7

656.5

380.4

311.2

8

850.0

660.0

480.0

9

576.6

453.5

371.0

10

405.9

371.1

303.6

11

195.8

154.0

126.0

12

47.0

37.0

30.3

窟窿山水库100年一遇入库洪峰流量为1110m3/s，根据各频率入库洪峰流量点绘P-Ⅲ频率曲线，通过频率曲线查得30年一遇入库洪峰流量为771m3/s，5年一遇入库洪峰流量为326m3/s，详细计算过程见附录2。

100年一遇洪水过程线按洪峰流量同倍比法对50年一遇洪水过程线进行缩放，缩放系数为1110/850=1.31；30年一遇洪水过程线按洪峰流量同倍比法对20年一遇洪水过程线进行缩放，缩放系数为771/660=1.17；5年一遇洪水过程线按洪峰流量同倍比法对10年一遇洪水过程线进行缩放，缩放系数为326/480=0.68。

各频率设计洪水过程线见表2.4-2。

表2.4-2窟窿山水库各频率入库洪水过程线

时间（h）

不同重现期设计流量（m3/s）

100年

50年

30年

20年

10年

5年

1

3.4

2.6

2.6

2.6

2.6

1.8

2

11.6

8.9

4.6

3.9

3.4

2.3

3

27.7

21.2

14.4

12.3

10.1

6.9

4

71.6

54.8

50.3

43.1

35.3

24

5

370.1

283.4

165.5

141.7

115.9

78.7

6

653.5

500.4

362.5

310.3

253.9

172.4

7

857.3

656.5

444.4

380.4

311.2

211.4

8

1110.0

850

771

660

480

326

9

753.0

576.6

529.8

453.5

371

252

10

530.1

405.9

433.5

371.1

303.6

206.2

11

255.7

195.8

179.9

154

126

85.6

12

61.4

47

43.2

37

30.3

20.6

2.4.3水库下泄洪水（本节所采用的高程系统为1956黄海高程）

窟窿山水库调度运用方式为：

主汛限水位采用566.36m，后汛限水位567.36m，水位超过566.36m时由溢洪道泄洪，20年一遇洪水限泄300m3/s，10年一遇洪水限泄294m3/s。

窟窿山水库水位～容积～泄量关系见表2.4-3。

表2.4-3窟窿山水库水位～容积～泄量关系

水位

（m）

容积

（万m3）

面积

（km2）

泄量（m3/s）

泄洪洞

正常溢洪道

非常溢洪道

合计

564.36

0

0

566.36

283

0.8563

69.03

69.03

567

339

0.0889

104.68

104.68

568

426

0.9302

169.48

169.48

569

525

0.9691

243.92

0

243.92

570

625

1.0108

326.88

108.45

435.32

571

734

1.0493

417.56

373.93

791.49

572

842

1.0819

515.36

721.30

1236.66

573

959

1.1435

619.78

1217.49

1837.27

573.5

1017

1.1745

674.35

1482.86

2157.21

水库已有的调蓄成果见表2.4-4。

2.4-4窟窿山水库不同重现期调洪成果表

洪水重现期

50年

20年

10年

设计入库洪峰流量（m3/s）

850

660

480

出库洪峰流量（m3/s）

695

300

294

本次计算需对水库100年一遇、30年一遇、5年一遇下泄洪水进行计算，因此在已有的窟窿山水库水位～容积～泄量关系的基础上对各频率洪水进行调洪演算，以推求各频率下泄洪水，水库起调水位为566.36m。

经调洪演算，窟窿山水库100年一遇下泄洪水为915m3/s，30年一遇下泄洪水为497m3/s，5年一遇下泄洪水为174m3/s。

各频率调洪演算过程详见附录3。

2.5考虑水库调蓄后线路跨越断面设计洪水

线路跨越断面洪水来源为水库下泄洪水与区间洪水的组合，参考《河北省滦平县牤牛河县城下游段河道综合治理工程设计变更报告》，水库下泄洪水与区间洪水错峰叠加，错峰时间间隔为1h，考虑到水库大坝距离线路跨越断面约14km，而区间洪水来源为短历时高强度的局部暴雨的山区洪水，且洪水特点为暴涨暴落，因此断面洪水组合以区间洪水为主，水库下泄洪水为辅，即叠加计算时水库下泄洪峰比区间洪峰晚1h出现。

洪水错峰叠加计算见表2.4-5。

表2-7线路跨越断面设计洪水成果表

组合形式

项目

不同重现期设计洪峰流量（m3/s）

100年

50年

30年

5年

区间设计

水库相应

区间设计

1134

975

839

420

窟窿山水库相应入流

1110

850

771

326

窟窿山水库相应出库

915

695

493

174

下泄洪峰前1h流量

817

361

297

157

线路跨越断面

1951

1336

1136

577

3设计洪水位

（1）水文断面

为推求线路跨越牤牛河处100年一遇、30年一遇设计洪水位，在穿越附近布设垂直于河道的水文断面。

实测河道横断面高程～间距见表3-1。

表3-1跨越断面河道高程～间距表

序号

起点距

高程

备注

1

0

465.672

公路路面

2

7.58

461.75

河岸外苗圃、耕地

3

54.933

461.749

4

111.309

461.136

5

188.492

461.12

6

197.779

460.485

7

229.481

460.858

左岸河堤

8

231.389

461.709

9

233676

461.12

10

234.21

460.042

11

238.205

458.659

河槽

12

242.165

458.599

13

242.165

458.04

14

273.021

457.742

15

279.882

457.141

16

287.052

457.058

17

296.8

457.665

18

309.703

457.427

19

315.322

461.397

右岸河堤

20

324.059

462.572

21

325.987

462.336

22

329.672

461.695

23

407.914

461.245

河岸外耕地

24

469.055

461.191

25

583.01

461.273

26

583.322

462.311

山脚下路面

根据向滦平县水务局收资了解，线路跨越河段规划修建河堤和清理河道，在原有河堤的基础上加高加固河堤，河堤高度为5m，迎水面采用浆砌石仰斜式挡土墙，迎水坡边坡1：

0.25，背水坡边坡1：

0.15，顶宽1.1m，高5m，底宽1.85m；外边坡1：

2。

防洪堤内填筑砂砾石，其相对密度不小于0.65。

浆砌石护岸采用M10水泥砂浆砌筑并勾平缝，每10m设一道伸缩缝，采用2cm厚闭孔泡沫板填缝。

在距河底底部0.3m处设PVC排水孔，排水孔间距3m，孔径10cm。

排水孔在墙内侧端口采用土工布包裹砂砾料封堵。

（2）河段比降

根据现场实测资料，利用EHP软件计算河段比降为1.38‰，从结果来看，实测比降成果偏小，主要原因是冬季水面结冰导致水流流动不明显。

而根据《河北省滦平县牤牛河县城下游段河道综合治理工程设计变更报告》，该河段位于王家北沟至国道112之间，设计河道纵坡为4.2‰，经过分析比较，采用设计河段比降J=4.2‰。

表3-2河段比降计算表

点号

间距（m）

高程（m）

1

46.4

457.511

2

68.3

457.359

3

62

457.279

4

64.2

457.183

5

50.3

456.702

6

104

456.697

7

122.8

456.686

8

456.565

平均坡降‰

1.38

（3）河道糙率

线路跨越处河底为砂砾或卵石组成，底坡较均匀，床面基本平整，上游顺直,下游接缓弯,水流较通畅，河道为单式河槽，据“天然河道糙率表”，主槽糙率取0.03。

左、右岸均有简易堆石堤坝，右岸岸外为农田和苗圃，种植玉米和密集的树苗，左岸岸外为大片地势平坦的农田，种植玉米等农作物，并长有稀疏的小树。

根据滩地糙率表，左岸滩地糙率取0.075，右岸堤外滩地糙率均取0.06。

洪水主要在河道中行洪，当大洪水漫溢出堤岸，将在左右岸外的农田中形成堤外行洪。

（4）设计洪水位

根据跨越水文断面实测资料，采用曼宁公式推求水位～流量关系曲线，详见附录三。

根据水位～流量关系，现状河道堤内过水能力1608m3/s（相应水位为右岸堤顶高程461.7m），小于100年一遇设计洪峰流量1335m3/s，当发生100年一遇洪水时，河道洪水将漫溢出岸，造成堤外行洪。

通过布设的水文断面水位～流量关系，各频率设计洪水及洪水位见表3-3。

表3-3不同重现期下的设计洪水位

频率（%）

设计洪峰流量（m3/s）

设计洪水位（m）

1

1951

461.91

3.3

1136

460.88

20

577

459.73

根据现场调查，常年洪水位高于河道护槽顶部约1m，实测常年洪水位为459.60m。

附录1牤牛河设计洪水水科院法计算过程

附录2窟窿山水库调洪演算过程

附录3曼宁公式推求牤牛河水位～流量关系

附录1牤牛河设计洪水水科院法计算过程

计算原理

根据《电力工程水文勘测计算手册》，水利电力部科学研究院推理公式法是以推理成因为基础，并结合了经验性的参数定量方法。

分析中采用了各种概化假定条件，使公式带有一定的条件性。

本法只适用于汇水面积在500km2以下的、全面产流条件下的全面和部分汇流条件。

设计洪峰流量计算公式为：

当tc≥

时

当tc＜

时

式中：

Qm—设计洪峰流量（m3/s）

—洪峰径流系数

Sp—设计频率的雨力（mm/h），计算公式为：

—汇流时间（h）

—

=1时的汇流时间

Tc—产流历时（h）

μ—损失参数（mm/h）

m—汇流参数

n—暴雨衰减指数

F—流域面积（km2）

L—河长（km）

J—沿L的加权平均纵比降（km）

1推理公式计算

1.1流域基本参数

本流域面积（F）=202km2，河长（L）=14.306km，平均坡降（J）=9.599‰（计算见下表），θ（L/J1/3）=67，汇流参数m=1.2。

表1.1-1平均坡降计算表

811.7

440

1110.4

450

1351.2

460

882.3

470

1587.8

480

993.4

490

1507.8

500

2279.5

510

1295.6

530

351.4

540

1387.7

550

637.4

600

109.7

650

690

平均坡降‰

9.599

1.2暴雨与损失参数

表1.2-1暴雨与损失参数表

频率（%）

H24（mm）

μ（mm/h）

N1

N2

N3

1

182.5

10.1

0.67

0.75

0.69

2

162.7

10.1

0.67

0.75

0.69

3.33

148.7

10.1

0.67

0.75

0.69

20

95.8

10.1

0.67

0.75

0.69

注：

H24—24小时最大降水（mm）

μ—损失参数（mm/h）

N—暴雨衰减指数

1.3计算结果

表1.3-1推理公式计算结果表

频率（%）

洪峰流量（m3/s）

汇流时间（h）

洪水历时（h）

洪水总量（万m3）

1

1600

2.5

9.9

1420

2

1300

2.6

10.4

1220

3.33

1110

2.7

10.8

1080

20

512

3.3

13

601

表1.3-25点法过程线表

频率（%）

点1

点2

点3

点4

点5

1

时间

0

1.2

2.5

4.9

9.9

流量

0

256

1600

181

0

2

时间

0

1.3

2.6

5.2

10.4

流量

0

209

1300

147

0

3.33

时间

0

1.4

2.7

5.4

10.8

流量

0

178

1110

126

0

20

时间

0

1.6

3.3

6.5

13

流量

0

81.8

512

57.8

0

时段流量图

附录2窟窿山水库调洪演算过程

一100年一遇来水调洪演算

1水库调洪计算

1.1水库基本参数

起调水位为:

566.35m，水位（H）、库容（V）、泄流量（q）关系见下表。

表1.1-1水位-库容-泄流曲线表

水位（H）:

m库容（V）:

万m3出流（q）:

m3/s

H

V

q

564.36

0

0

566.36

283

69.03

567

339

104.68

568

426

169.48

569

525