环境管理_cjx水库大坝防洪安全评价

学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明，本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日 期： 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密 ，在_年解密后适用本授权书。2、不保密 。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 2013 年 月 日 导师签名： 2013 年 月 日 内 容 摘 要本次毕业设计主要是进行CJX的防洪安全评价，首先确定CJX的防洪标准，再由点暴雨推求净雨过程，用Excel快速算法求出S（k）值确定瞬时单位线，并用求出的瞬时单位线推出时段单位线，然后计算洪水过程，最后用半图解法进行洪水调节计算，确定坝顶高程并与已知的坝顶高程进行比较，得出安全评价和建议。关键字：防洪标准 瞬时单位线 时段单位线 洪水调节 坝顶高程AbstractThis graduation design is mainly for flood control safety evaluation of CJX, CJX is first determined by the flood control standard, rainstorm of net rainfall process, using Excel fast algorithm for S (k) value to determine the instantaneous unit hydrograph, and calculate the instantaneous unit hydrograph launch unit hydrograph, then calculate the flood process, finally flood regulating calculation by a graphic method to determine the crest elevation, and compared with the crest elevation of the known, and suggested that the safety evaluation.Keywords: flood control standard Instantaneous unit hydrograph Unit hydrograph Flood regulation Crest elevation目 录前言11 工程背景21.1 工程基本资料21.2 工程分等分级及洪水标准32 瞬时单位线方法推求洪水42.1暴雨参数42.2 瞬时单位线推求时段单位线92.3洪水过程163 洪水调节计算（半图解法）213.1 库容关系曲线213.2 计算并绘制单辅助线213.3 调洪计算求qt过程和库水位过程253.4 绘制Qt与qt过程，并求与284 坝顶高程复核和心墙顶高程复核304.1 计算坝顶超高304.2 风浪要素计算304.3 风壅水面高度的确定324.4 波浪爬高的计算324.5 坝顶高程的确定344.6 心墙顶高程的确定355 安全评价及建议355.1 安全评价355.2 建议36参 考 文 献37致 谢38努力了的才叫梦想，不努力的就是空想！如果你一直空想的话，无论看多少正能量语录，也赶不走满满的负能量！你还是原地踏步的你，一直在看别人进步。前 言目前我国和世界上大坝失事，是洪水漫坝所造成的。因此，正确地对大坝防洪安全进行评估和校核，具有十分重要的意义。洪水漫坝风险是和大坝洪水设计标准紧密联系的。按我国现行的洪水设计标准对大坝的防洪安全进行分析，从水文角度估算的理论漫坝风险率远大于实际漫坝失事率。这说明现有大坝通常具有一定的抗洪潜力。这一抗洪潜力主要来源于两个方面：由于水文、水力等随机不确定性的影响，导致了设计者在调洪演算过程和泄洪建筑物设计规模、坝顶高程的决策中，留有一定的安全系数；由于工程、管理等模糊不确定性的影响，导致了洪水漫坝风险失事临界限值的模糊化，常使洪水位略超坝顶高程而发生失事事故。自1949年以来，我国已建成各种坝84837座（1997年统计）。根据1980年全国普查表明，年平均垮坝率为0.17%，而近期世界大坝的年垮坝率为0.2%0.4%。水库垮坝后果严重。列如，1975年河南打谁，洪涝成灾，加之板桥、石漫滩2座大型水库以及2座中型水库、58座小型水库垮坝，大大加重了灾情，致使29个县（市）、1100万亩农田遭受毁灭性灾害，冲毁铁路102km，死亡9万人，直接经济损失100亿元；1963年海河打谁，5座中型水库垮坝，死亡1000多人；1993年青海沟后小（1）型水库垮坝，死亡320余人。从灾害学观点，大坝失事灾害时一种特殊的灾害，一经触发后果十分严重。随着经济社会发展以及城市化进程的加快，人口与财产高度集中，这种事故的后果也会越来越严重。水工建筑物的特点，不仅表现在投资大、效益大、设计施工复杂，也表现在失事后果严重。而其本身的存在，就具有事故的风险性。随着时间的推移，结构老化以及随机性等原因，大坝出现事故难以完全避免。但是，采取措施减免事故或失事，可将灾害造成的损失减至最小，特别是减少人员的伤亡还是能够做到的。解决办法就是要严格要求按规程管理。根据国际大坝委员会（ICOLD）对世界大坝失事的统计，1950年以前坝的失事率为2.2%，19511986年坝的失事率为0.5%，1986年以前的总失事率为1.2%。20世界70年代，美国垮坝数量也很惊人，经过采取措施，到1980年垮坝率已经降到0.2%。在我国，近几年由于各方面的努力，垮坝率也在降低。为降低垮坝率，保证工程安全，必须采取有效的措施。本次毕业设计是对CJX水库进行安全评价，由于CJX水库1961年2月建成，坝龄年久，所以对其进行安全评价，加强其运行管理并除险加固是减少CJX大坝失事的一个重要因素。1 工程背景1.1 工程基本资料1.1.1工程概况CJX水库位于HB省SG市PM镇XS村，距SG市35km。属长江流域涢水水系，坝址以上承雨面积0.52km2，主河道长1.2km，主河道比降25.6。工程于1961年10月开工兴建，1961年2月基本建成。是一座以灌溉为主，兼有防洪、水产养殖等综合利用的小（2）型水库。枢纽工程由大坝、溢洪道、输水涵管等建筑物组成。各建筑物现状如下：大坝为粘土心墙代料坝，最大坝高8.93m，坝顶长78m，坝顶宽2.5m；坝顶高程104.18m104.73m，下游河床高程95.66m，心墙顶高程103.09m；上大坝上、下游坡荆棘丛生，上游坡无块石护坡，下游无排水棱体。溢洪道有2个，分别位于大坝左右坝肩，均为泄水明渠，仅进口段护砌，无消能防冲设施；右溢洪道的进口底部高程102.73m，底宽3.2m；左溢洪道的进口底部高程102.80m，底宽3.2m；溢洪时冲下游农田及坝脚，威胁大坝安全。输水管有2个，分别位于大坝左、右端。右输水管进水口形式为分级取水斜卧管，全长7m；平卧管为钢筋混凝土预制圆管，进口底部高程100.76m，全长14m，直径0.20m，设计流量0.15m3/s；左输水管为瓦管，进口底部高程97.27m，出口底部高程96.89m，全长38m，直径0.2m。水库设计灌溉面积800亩，实灌面积350亩，保护下游200余亩农田和220人的生命和财产安全，防洪安全十分重要。1.1.2水文气象CJX水库位于HB省SG市PM镇XS村，属于长江流域涢水水系。河流中、上游为低山丘陵区，河谷平缓，河流纵坡降较小，两岸多处基岩裸露；水库下游河流逐渐开阔，纵坡比降逐渐减少，地貌形态渐变为低山丘陵区。该流域属水文第区。属副热带大陆性季风气候区，气候温和，雨量适当，冬冷夏热，四季分明，无霜期长，严冬酷暑时间短。流域多年平均气温15.2，最高气温40.8，最低气温-15.1。多年平均降雨量1102mm，年平均无霜期229d，平均风速2.5m/s，多年平均最大风速15m/s。1.1.3主要数据1）流域地理参数流域面积 F=0.52，主河道长L=1.2，河道比降J=25.6。2）点暴雨参数CJX水库所在流域无实测定时段10分钟、1小时、6小时和24小时降雨资料，其点雨量可根据该水库所在流域中心位置查湖北省暴雨径流查算图表和湖北省可能最大暴雨图集中的暴雨参数等值线图，得出点雨量的均值H和变差系数：10分钟 H10=17.8 =0.331小时 H1=49.7 =0.386小时 H6=84.5 =0.4624小时 H24=120.1 =0.50设计点雨量，为模比系数，可通过查=3.5皮尔逊型曲线值表或根据Excel软件中的GAMMAINV函数计算得到。1.1.4计算方法推求设计洪水可采用湖北省暴雨径流查算图表中介绍的瞬时单位线法。洪水调节计算采用水能规划课本中介绍的列表试算法或辅助线法。库容曲线：表1.1 CJX水库库容曲线水位(m)95.0096.0097.0098.00100.07101.00库容(104m3)00.0670.431.092.004.56水位(m)102.00102.55102.75103.35103.85库容(104m3)6.247.307.758.7510.00坝顶高程复核采用小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则（SL18996）或碾压式土石坝施工技术规范（SDJ2181983）中的相关附录公式进行计算（吹程D=480m）。溢洪道泄流能力按宽顶堰泄流量计算公式计算，相关计算公式及参数选择查水力计算手册选取。1.2 工程分等分级及洪水标准水利水电枢纽工程，应根据其工程规模、效益和在国民经济中的重要性分为五等，其等别按下表1-2的规定确定。表1.2 水利水电枢纽工程的等别工程等级水库治涝灌溉供水水电站工程规模总库容治涝面积（万亩）灌溉面积（万亩）城镇及企业的重要性装机容量大（1）型10200150特别重要120大（2）型101.02006015050重要12030中型1.00.106015505中等305小（1）型0.100.0115350.5一般51小（2）型0.010.00130.51水库工程水工建筑物的防洪标准应根据其级别按下表1-3的规定确定。表1.3 水库工程水工建筑物的防洪标准水工建筑物级别防洪标准重现期（年）山区、丘陵区平原区滨海区设计校核设计校核混凝土坝、浆砌石坝及其它水工建筑物土坝、堆石坝1100050050002000100050003001002000100025001002000100050002000100501000300310050100050020001000502030010045030500200100030020101005053020200100300200105020由表1.2和表1.3可知，CJX水库属于小（2）型水库，工程等级为5级选取其设计标准为30年，校核标准为200年，所以设计标准，校核标准。2 瞬时单位线方法推求洪水2.1暴雨参数2.1.1点雨量CJX水库所在流域无实测定时段10分钟、1小时、6小时和24小时降雨资料，其点雨量可根据该水库所在流域中心位置查湖北省暴雨径流查算图表和湖北省可能最大暴雨图集中的暴雨参数等值线图，得出点雨量的均值H和变差系数：10分钟 H10=17.8 =0.331小时 H1=49.7 =0.386小时 H6=84.5 =0.4624小时 H24=120.1 =0.50设计点雨量、校核点雨量，为模比系数，可通过查=3.5皮尔逊型曲线得出表2.1值：表2.1 各时段值 P设计(P=3.33)1.7331.8602.0702.180校核(P=0.5)2.1952.4302.8403.050由公式和可得百年一遇各历时雨量见表2.2。表2.2 各时段及雨量 P设计（P=3.33%）1.571.711.952.09校核（P=0.5%）1.721.922.312.53 P设计（P=3.33%）27.9884.83164.96251.01校核（P=0.5%）30.6995.59194.89303.252.1.2面雨量流域10分、1、6、24小时面雨量为： （2.1）=1代入公式2.1计算面雨量如下表2.3所示：表2.3 各时段面雨量 HP设计P=3.3327.9884.83164.96251.01校核P=0.530.6995.59194.89303.25其他各历时面雨量用面递减指数计算：10t60 （2.2）1t6 （2.3）6t24 （2.4）（2.2）式中t以分钟计，其他各式t以小时计，以上各式中，分别为10-60分钟，1-6小时，6-24小时的设计面暴雨递减指数，可分别由相应的面雨量反算求得。 （2.5） （2.6） （2.7）式中： 对于设计P=3.33，其中 代入公式（2.6）和公式（2.7）得： 将、代入公式（2.3）和公式（2.4）得：1t6 =84.83 =110.09 =128.22 =142.86 =155.376t24 =164.96 =173.43 =180.52 =187.02 =193.02 =198.62 =203.87对于校核P=0.5，其中 代入公式（2.5）、公式（2.6）和公式（2.7）得：将，代入公式（2.2）、（2.3）、（2.4）得：10t60 1t30） （2.9） （30） （2.10） (5) （2.11） （5） （2.12）片（6、8、9、11区） （2.13） （2.14）片（7、10区） （2.15） （2.16）2）特殊流域适用的公式片中黄柏河、沮漳河流域中下游地区，流域形状接近扇形坡度较大的山区用下式计算： （2.17）某些流域值较大，例如解家河、皮家集、武镇以及某些15或流域平均高程在500m以上山丘区: =515丘区: 0.4一般：=0.250.4长形：0.25造峰雨强 （2.21）为历时的面雨量设计频率的按公式（2-3）、（2-4）计算。雨强为10mm/h 的单位线(10)，非线性改正按下式计算： （2.22）当50mm/h时，其改变的趋势不甚明显，即。特小流域也用上式计算，一般不超过100mm/h，超过时仍用=100mm 代入公式计算。、列于下表。表2.7 表0.40.50.60.70.80.91.01.11.2以上0.440.500.540.580.600.610.620.630.64；以千分率计；以计表2.8 表15，属于山区流域； 0.25100，故计算时用=100代入公式计算，由于50,根据表2.5查的=0.3，代入公式（2.22）得：修正后采用，=0.6022.2.3时段单位线的确定纳西瞬时单位线均是用不完全函数表示的，其一般形式如下： (2.23)式中为单位线的纵高；t为时间；k为特征河长或线性水库的传播时间，常数；为特征河长或线性水库的个数，常数；为n的函数；e为自然对数的底。式(2.23）是在瞬时脉冲入流或净雨的条件下导出来的，应用瞬时单位线进行推流演算时需要把它转换成时段单位线。以纳西瞬时单位线为例，目前流域汇流计算的步骤如下：1)求瞬时单位线的曲线。 （2.24）现已制成关系表供生产部门查用。2)求无因次时段单位线。校核：3)求有因次时段单位线。流域面积为F、时段为t、净雨深为10mm的时段单位线为 （2.25）4)汇流计算。 （2.26）式中Q(t)为t时刻断面流量；为i时段净雨深，i=1，2，m。上述汇流计算不仅步骤复杂，工作量大，而且在使用表推求参数为n和k的时段单位线时，一方面因使用中间参数tk，增加了舍入误差；另一方面要进行tk和n的双向内插，存在着方法误差。这样使计算结果的精度受到很大影响。我们经常用Exoe1办公软件来处理各种图表，但它能用来准确快速地求解瞬时单位线和汇流计算却很少为人知晓。在Excel的函数表的统计类中有GAMMADIST函数，用此函数来研究具有r偏态分布的变量。语法：GAMMADIST(x，alpha，beta，cumulative)式中x为用来计算分布的数值；alpha为分布参数；beta为分布参数，如果beta=1，函数GAMMADIST返回标准分布；cumulative为一逻辑值，决定函数的形式。如果为FALSE，则返回概率密度函数： （2.27）如果cumulative为TRUE，函数GAMMADIST返回累积分布函数： （2.28）式(2.28)中的、用瞬时单位线的t、n、k替换， 当cumulative为FALSE时，得到的是瞬时单位线u(t)；当cumulative为TRUE时，得到的是瞬时单位线的S(t)曲线。经比较，纳西瞬时单位线中的各种n、k的S(t)值与Excel中GAMMADIST函数算得的结果完全一致。由上述分析可知，由瞬时单位线求得的无因次时段单位线为： （2.29）有因次时段单位线为： （2.30）流域汇流计算公式为：（2.31）用式(2.29）、(2.30)、(2.31)计算时，要注意如下初始条件：当t-i0时，即引用的单元格超过了时间t的数值型界限，计算结果出现错误信息#VALUE!，这时要把t-i时： （2.33） （2.34） （2.35）对于设计地下径流P=3.33,式中：=0.52，=1h，=9h，D=10h，（稳损），（退水指数）=18h，因为由上面公式（2.32）可以得到=0.0169=0.238求得设计地下径流详见表2.13。对于校核地下径流P=0.5,式中：=0.52，=1h，=10h，D=4h，（稳损），（退水指数）=13h，因为由上面公式可以得到=0.00193=0.359求得校核地下径流详见表2.13。表2.13 设计校核地下径流时间设计（P=3.33%）校核（P=0.5%）tQ地下Q地下00.000 0.000 10.060 0.092 20.084 0.143 30.107 0.193 40.131 0.244 50.154 0.295 60.178 0.345 70.202 0.396 80.225 0.447 90.249 0.497 100.273 0.548 110.296 0.599 120.320 0.649 130.344 0.700 140.367 150.391 160.415 170.438 180.462 2.3.3入库流量地表径流与地下径流相加得设计、校核洪水（入库流量）。详见表2.14表2.14 设计、校核洪水时间设计（P=3.33%）校核（P=0.5%）tQ地面Q地下Q总Q地面Q地下Q总00 0 0 0.000 0.000 0.000 11.008 0.060 1.068 0.069 0.092 0.161 21.457 0.084 1.541 1.683 0.143 1.826 32.740 0.107 2.847 2.102 0.193 2.295 49.510 0.131 9.641 3.836 0.244 4.080 53.414 0.154 3.568 12.900 0.295 13.195 61.798 0.178 1.977 3.146 0.345 3.491 70.983 0.202 1.185 1.598 0.396 1.994 80.681 0.225 0.907 0.691 0.447 1.138 90.510 0.249 0.759 0.574 0.497 1.071 100.174 0.273 0.446 0.507 0.548 1.055 110.090 0.296 0.386 0.023 0.599 0.622 120.048 0.320 0.368 0.003 0.649 0.652 130.025 0.344 0.369 0.000 0.700 0.700 140.009 0.367 0.376 150.004 0.391 0.395 160.002 0.415 0.416 170.001 0.438 0.439 180.000 0.462 0.462 3 洪水调节计算（半图解法）3.1 库容关系曲线表3.1 库容水位水位(m)95.0096.0097.0098.00100.07101.00库容(104m3)00.0670.431.092.004.56水位(m)102.00102.55102.75103.35103.85库容(104m3)6.247.307.758.7510.00根据表3.1 得出图3.1库容与水位的关系曲线图3.1 ZV关系曲线3.2 计算并绘制单辅助线根据堰顶溢流公式式中：b每孔净宽 n闸孔孔数 包括行进流速的堰前水头 m自由溢流的流量系数 侧收缩系数由于进口边缘角度为30所以m=0.36，=1当水位为102.73时采用的是单溢洪道泄水此时：=5.1 （3.1）当水位为102.80时采用的是双溢洪道泄水此时：=10.2 （3.2）根据公式（3.1）和（3.2）得出CJX水库辅助曲线计算表3.2表3.2 CJX水库辅助曲线计算表库水位Z(m)堰顶水头H(m)相应Z库容V总(万m3)堰顶以上库容V(万m3)102.7307.705 000.000 0.000 0.000 102.740.017.728 0.022 0.062 0.005 0.003 0.065 102.750.027.750 0.045 0.125 0.014 0.007 0.132 102.760.037.767 0.062 0.171 0.027 0.013 0.185 102.770.047.783 0.078 0.218 0.041 0.020 0.238 102.780.0