【水文与水资源工程】宁南县竹寿水库洪水设计及调洪演算

本科毕业论文（设计）题目宁南县竹寿水库洪水设计及调洪演算学院水利水电学院专业水文与水资源工程教务处制表二九年三月十一日宁南县竹寿水库洪水设计及调洪演算专业名水文与水资源工程摘要水库作为人类兴水“利”除水“害”的重要手段之一，其职责可归纳为两个方面一是确保自身安全；二是最大限度地发挥防洪和兴利效益。随着水文观测资料的延续和水库运行经验的积累，定期对水库设计洪水进行分析研究是保证水库实现上述两大职责的基础。随着社会经济的可持续发展和现代化进程的加快，防洪问题引起人们愈来愈多的关注。如何在确保水库自身安全的前提下最大限度地发挥其综合效益是一个重大的研究课题，水库设计洪水分析研究是该课题研究中的基础工作之一。正是基于这种考虑，本论文结合唐村水库的实际情况，本着理论性与实用性相结合的原则，重点研究以下内容1、利用暴雨资料推求设计洪水过程；2利用水文比拟法推求设计洪水过程；3、对两种方法计算的设计洪水过程进行调洪演算；4坝顶高程确定；关键词设计洪水频率曲线调洪演算水文比拟法THEDESIGNFLOODANDFLOODROUTINGFORZHUSHOURESERVOIROFNINGNANCOUNTYHYDROLOGYANDWATERRESOURCESENGINEERINGSTUDENTANWARARKINADVISERMIURENABSTRACTRESERVOIRISONEOFTHEIMPORTANTMEASURESUSINGTOFLOODCONTROLANDACTIVESBYHUMANTHEDUTYOFRESERVOIRMAYBEREDUCEDTWOASPECTSONEISRELIABLEPROVISIONTHESAFETYOFRESERVOIRANOTHERISMAXIMUMALLOWABLEDISPATCHINGTHEEFFECTIVENESSOFFLOODCONTROLANDACTIVESWITHTHEEXTENSIONOFHYDROLOGICALOBSERVATIONDATAANDACCUMULATIONOFRESERVOIROPERATIONEXPERIMENTS,PERIODICANALYSISANDRESEARCHTHERESERVOIRDESIGNFLOODISBASICOFOPERATINGABOVETWOASPECTSWITHTHECONTINUOUSDEVELOPMENTOFSOCIETYECONOMICANDMODERNPROCESS,FLOODCONTROLISPAIEDCLOSEATTENTIONBYPEOPLEUNDERRELIABLEPROVISIONTHESAFETYOFRESERVOIRHOWTOMAXIMUMALLOWABLEDISPATCHINGTHEEFFECTIVENESSOFFLOODCONTROLANDACTIVESISAIMPORTANTRESEARCHSUBJECTTHERESEARCHOFRESERVOIRDESIGNFLOODISONEOFBASICWORKSINTHISSUBJECTITISBASEDONTHEREASONS,ANDTHEACTUALCONDITIONSOFZHUSHOURESERVOIRARECOMBINED,THEFOLLOWINGCONTENTSARERESEARCHEDINTHISPAPER1THEDESIGNFLOODHYDROGRAPHISCOMPUTEDUSINGOBSERVATIONMAXIMUMPRECIPITATION2THEDESIGNHYDROLOGYANALOGUEMETHODISCOMPUTEDUSINGOBSERVATIONMAXIMUMPRECIPITATION3THEFLOODROUTINGISCARRIEDONUSINGABOVETWOFLOODHYDROGRAPHSANDTHERESERVOIRCHARACTERISTICSTAGEISCOMPUTED4DETERMINETHECRESTELEVATIONKEYWORDSDESIGNFLOODFREQUENCYCURVEFLOODROUTINGHYDROLOGYANALOGUEMETHOD目录第一章绪论111问题的提出112国内外研究1121防洪标准的研究概况1122频率计算的研究概况4123中小流域设计洪水计算研究概况513主要研究内容5第二章竹寿水库概况621工程概况622流域概况723水文气象概况10第三章基本资料的收集和整理1131流域特征资料1132库容曲线1233暴雨、径流资料12331暴雨，径流资料12331资料分析与处理1434设计洪水标准复核和评价14第四章推理公式法推求设计洪水1741推理公式法1742设计暴雨的推求1843设计洪峰流量的推求23431公式23432参数确定23433用推理公式计算洪峰流量的步骤26434计算成果2744设计洪水总量2845设计洪水过程线28第五章水文比拟法3251水文比拟法设计洪峰流量3252设计洪水总量及设计洪水过程33第六章设计洪水推荐成果35第七章调洪演算38第八章坝顶高程确定41参考文献42致谢43第一章绪论11问题的提出宁南县竹寿水库是一座以灌溉为主的兼有发电效益的中型水库。位于四川省凉山州会理县黄柏乡境内鲹鱼河上游支流岩洞河上，水库设计灌溉面积32万亩，随着城市人口的增长，水库同时也为宁南县城城市供水的水源。工程的安全对下游会东沿河两岸以及会东县人民的生命财产、生产用水安全至关重要。多年运行后水库出现了较严重的渗漏，坝体变形，白蚁等书库病害，目前正进行水库整治，水库的病害整治需要重新进行洪水设计及调洪演算，以评价水库的防洪标准，抗洪能力与水工建筑物的整治设计。本任务即是为南宁水库病害整治提供所需洪水设计数据，以确定整治后的水工建筑物尺寸，设计任务涉及暴雨洪水计算，调洪演算，波浪爬高计算等内容。12国内外研究121防洪标准的研究概况防洪标准的选取是一项复杂的工作,是经济与社会协调的综合产物,拟定合理的防洪标准,是做好大坝设计工作的一项重要任务。随着我国各家水利设计企业逐步进入国际设计市场，我国国家洪水设计标准怎样与国外标准接轨，了解国外标准对于我们更好再涉及到国外工程时节约成本，降低投资有非常重要的意义。日本在日本，大坝的设计洪水设计标准由在河道法的基础上之制定的河道防护设施结构标准（内阁命令）规定。根据该标准，无论大坝属于新建还是重建，对以混凝土大坝的设计洪水流量的选取应该基于以下三个流量的最大值1）坝址处200年一遇洪水；2）坝址处实测历史最大洪水；3）在相似的水力和气象条件下，根据流域内的实测历史最大洪水推测出的坝址处最大洪水流量。对于土石坝的设计洪水标准应该为相应规模混凝土坝的12倍。实际上，土石坝设计洪水的重现期通常为1000年一遇甚至更高。英国在英国，对于大坝安全政府没有任何的强制性标准，其安全评估被委托给政府指定的能够胜任设计和检查水库安全性的独立的法定工程师小组负责，且该工程师小组为业主所建筑的大坝的安全负责。大坝的设计洪水通常由1978年伦敦土木工程师协会的设计导则确定。根据大坝的分类，不同类型大坝的设计洪水可以选取PMF、05PMF、03PMF、02PMF或者对应的10000、1000、150年的重现期洪水，表1211表1211根据大坝类别的水库洪水和波浪标准大坝设计洪水流量分类原始水库环境一般标准最低标准设计最小波浪安全超高及计算采用风速A平均日流量下长期泄洪PMF05PMF或1000年一遇洪水B水库满蓄（没有泄洪）05PMF或1000年一遇洪水03PMF或1000年一遇洪水冬季10年一遇最大小时风速；夏季年平均最大小时风速；波浪超高最小06MC水库满蓄（没有泄洪）03PMF或1000年一遇洪水02PMF或1000年一遇洪水年平均最大小时风速；波浪超高最小04MD平均日流量下长期泄洪02PMF或1000年一遇洪水不做要求年平均最大小时风速；波浪超高最小03M美国大多数情况下，美国的设计洪水为PMF。因为当确定的设计洪水流量小于PMF时，负责该工程的业主，代理商或者组织就应该为大坝一旦溃决所引发的损失负责。很显然，大多数的工程师都不愿冒这种风险。美国陆军工程兵团（USACE）建议设计洪水流量应该由坝高和库容的规模来进行选择，且应考虑大部一旦失事对下游区域的危害。美国垦务局（USBR）一般情况下均选用PMF作为设计洪水USACE和BSBR的洪水设计标准见表1212，表1213国际大坝委员会（ICOLD）作为一个总的原则，ICOLD建议设计洪水应该为PMF（表1214），并且对于带溢洪道的过流能力应该满足宣泄全部设计洪水而不考虑水库的调洪作用；对于不带闸门溢流坝则应根据考虑水库调蓄作用下的下泄流量进行设计。表1214ICOLD建议设计洪水标准大坝失事后的危险性大坝规模洪水设计标准小中PMF高大PMF小中PMF特别高大PMF表1212美国陆军工程兵团设计洪水标准按照大坝规模分级类别库容（1000，000M3）坝高（M）小06212376122中123615122305打615305按照大坝失事后替在的危险性分级类别生命损失（发展程度）经济损失低无法统计（没有人类居住的永久结构的地区）极为微小（农业或者城镇均欠发达）中几乎没有（没有发达城镇，仅仅一小部分适于居住结构的地区）损失较大（农业，工业或者城镇均由一定的发展）高有生命损失损失特别大（由大规模的社区，工业或者农业）推荐安全标准危险性规模安全标（设计洪水频率）小50100中10005PMF低大05PMFPMF小10005PMF中05PMFPMF中大PMF高小05PMFPMF中PMF大PMF表1213美国垦务局设计洪水标准大坝失事后的危险性大坝规模洪水设计标准小PMF中PMF高大PMF注对于替在的大巴失事后产生中等或较低危害性的洪水设计标准不做特别说明。122频率计算的研究概况我国学者用用水文统计法大约于30年代，水文学研究的前辈们曾勇概率统计方法分别研究过年降水量和洪水流量，但在旧中国，由于种种限制原因几乎没有取得创新的或是另后人可用的成果。新中国建立后，维满足我国水利建设事业发展的需要，我国水文工作者广泛的学习和运用水文频率计算方法，有效的解决了许多水文分析计算问题。从50年代初至60年代前期，我国水文工作者对水文学的研究十分活跃，此间不仅翻译出版了国外许多水文计算文献和书籍，还发表了大量结合我国水文实际的研究论文和报告，这些论文和报告大大丰富和发展了频率计算的理论方法，为我国现阶段水文学的研究发展奠定了很好的理论基础，也为现阶段的水温学研究提供了可靠的理论依据。基于我国自然地理，气象气候等条件等的约束，我国水文学研究工作者对于设计径流，一般根据径流资料的具体情况，采取不同的设计方法。由长期实测资料地区，在对水文资料进行慎重的审查之后，直接采用频率计算法，推求制定频率的设计年径流量；对于具有短期实测资料的设计年径流量计算，为了使资料系列具有足够的代表性，达到提高计算精度，保证成果的可靠性，必须对年径流资料惊醒插补展延，展延之后的系列可按长资料系列一样进行频率计算；对于无实测资料的设计年径流计算，设计年径流只由通过间接途径来推求，目前常用的方法是水文比拟法的等值线图法。水文比拟法最关键的问题在于参证流域的选择，为了使色合计成果更加可靠合理，参政流域需具有长期实测径流资料推求系列，其主要影响因素应与设计流域接近。对于水文频率分布线型的选择，一直是水文分析计算中的一个争论性很强的课题。水文随即变量究竟服从何种分布，目前还没有充足的论证，而只能以某种理论线性近似代替。这些理论线型并不是从水文现象的物理性质方面推到出来的，而是根据经验资料从数学的以致频率函数中选出来的。迄今为止，国内外采用的理论线型有10余种，诸如皮尔逊型曲线，对数皮尔逊型曲线，耿贝尔型曲线以及克里茨基，闵凯里型曲线等等。不过从现有资料来看，皮尔逊型曲线和对数皮尔逊型曲线比较符合水文随即变量的分布，我国目前基本上都是采用皮尔逊型曲线。皮尔逊型曲线中包含有均值，变差系数和偏态系数三个独立的参数，对参数的合理估计直接影响工程设计标准，投资数量和经济效益；因此，参数估计在水文频率计算中至关重要。目前参数估计的方法很多，现行条件下，主要有三种矩法，三点法，和权函数法。123中小流域设计洪水计算研究概况在我国社会主义建设中，为了在小流域上建农田灌溉排水措施，公路和特路的桥梁建筑，城市和工况地区的防洪工程，都必须镜像那个设计供水计算。小流域设计供水计算，与大众流域有所不同，主要有以下一些特点1在小流域上建设的工程数量较多，往往缺乏暴雨流量资料，特别是流量资料。2小型工程一般对洪水的调节能力较小，工程规模主要受洪峰流量控制，因而对设计洪峰流量的要求，高于对设计洪水过程的要求。3小型工程的数量较多，分布面广，计算方法应力求简便，使扩大基本水文工作者易于掌握和应用。小流域设计洪水计算工作已有100多年的历史。计算方法在逐步充实和完善，由简单到复杂，由计算洪峰流量到计算洪水过程，归纳起来，由经验公式法，推理公式法，综合单位线法以及水文模拟法等。由于实测资料短缺，各种方法的计算成果误差较大，目前没有同意标准，给小流域设计洪水带来一定的困难。随着工农业生产的迫切需要，我国各地区部门积累了大量的经验，充实和发展了现有的一些计算方法。1984年水利电力部刊布的暴雨径流查算图标系统的总结了我国多年来的经验，在短缺资料的中小流域水利建设的设计洪水计算方面发挥了积极的作用。目前水利电力部门使用的是推理公式法，经验公式法和综合单位线法。13主要研究内容设计任务涉及暴雨洪水计算，调洪演算，波浪爬高计算等内容。设计洪峰、洪量和洪水过程线的计算根据工程的性质和水文资料条件采用不同的计算方法。在一般情况下，采取多种途径计算，综合分析论证和合理选用成果。常用的计算方法有直接法。即根据流量资料推求设计洪水。当工程所在地或其附近有较长的洪水流量观测资料，而且有若干次历史洪水资料时，逐年选取当年最大洪峰流量和不同时段（如1天、3天和7天等）的最大洪量，分别组成最大洪峰流量和不同时段最大洪量系列，然后进行频率分析，以确定相应于设计标准的设计洪峰和时段设计洪量。最后，选择典型洪水过程线，按求出的设计洪峰和各时段设计洪量，对典型洪水过程线进行同频率或同倍比放大，作为设计洪水过程线。间接法。即根据雨量资料推求设计洪水。当工程所在地及其附近洪水流量资料系列过短，不足以直接用洪水流量资料进行频率分析，但流域内具有较长系列雨量资料时，可先求得设计暴雨,然后通过产流和汇流计算,推求设计洪峰、洪量和洪水过程线。该法假定，一定重现期的暴雨产生相同重现期的洪水。地区综合法。如果工程所在地的洪水流量和雨量资料均短缺，可在自然地理条件相似的地区，对有资料流域的洪水流量、雨量和历史洪水资料进行分析和综合，绘制成各种重现期的洪峰流量、雨量、产流参数和汇流参数等值线图，或将这些参数与流域自然地理特征流域面积和河道比降等建立经验关系，然后借助这些图表和经验关系推算设计地点的设计洪水。第二章竹寿水库概况21工程概况竹寿水库枢纽工程位于四川省凉山州会理县黄柏乡境内鲹鱼河上游支流岩洞河上，是一座以灌溉为主的兼有发电效益的中型水库。工程于1975年3月动工建设，其中枢纽工程于1996年5月完工，当年满蓄水试运行，1997年12月全面完工，2000年1月15日通过初步验收。水库坝址以上控制流域面积69KM2。正常高水位240400M，死水位23701M，设计洪水位240718M，校核水位为240807M。水库总库容1106万M3，有效库容979万M3。水库设计灌溉面积32万亩，随着城市人口的增长，水库同时也为宁南县城城市供水的水源。工程的安全对下游会东沿河两岸以及会东县人民的生命财产、生产用水安全至关重要。水库枢纽主要建筑物包括拦河大坝、左岸侧槽式溢洪道、无压泄洪隧洞、左岸傍侧式压力放水系统（利用施工导流隧洞）、左岸灌溉取水及渠道系统、两座跌水电站（装机容量分别为140KW,3500KW）。一、工程等级枢纽工程为三等工程，主要建筑物级别为3级。二、洪水标准根据水利水电工程等级划分及洪水标准（SL2582000），竹寿水库设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为1000年一遇。三、主要建筑物1、大坝大坝为砾质粘土心墙石渣坝，最大坝高632M，坝顶宽54M，坝底宽3277M。坝顶高程24082M，防浪墙顶高程24092M。2、溢洪道竹寿水库的溢洪道位于大坝左岸，为侧堰式溢洪道，后接无压泄洪隧洞。溢洪道紧邻左坝肩，溢流堰长40M，堰顶高程240400M。3、放水设施放水隧洞进口在大坝左岸上游，距离大坝约50M处，系利用原导流隧洞改过而成，放水隧洞共分为放水闸和检修闸两部分。放水隧洞进口处设置11501160MM2的平板钢质检修门一道，其上以用一倾斜度至2411M高程，由启闭杆以及轻轨系统组成，用25T手、电两用螺杆启闭。水库运行中存在的主要问题蓄水前未进行蓄水安全鉴定评价1996年5月10日，正在安装施工的检修闸平台边缘山体崩塌，200多M岩石掩埋了一号堵头位置直径为500MM的导流钢管进口，库内水位迅速上升，水库开始非正常蓄水并运行至今。大坝工程在2000年前少建10M高，随后水库工程指挥部对坝顶和防浪墙各加高10M，但未对心墙作相应的加高处理，使防渗心墙顶高程低于设计洪水位和校核洪水位。1998年11月，由于溢洪道进口段右侧（即迎水面）渗水严重，导致长约15M混凝土侧墙向内倾斜变形和拉裂。虽然已经将变形破坏的溢洪道边墙进行了拆除，并用加锚筋现浇混凝土取代，但墙壁裂缝和漏水明显。溢洪道进口边坡顶有严重的垮岩，溢洪道进口堰上缘密集地浮着漂浮树枝、树杆等飘浮物严重阻碍水流过堰，且无其他辅助泄洪设施。2000水库运行期曾经出现洪水位接近坝顶，差点洪水翻坝的险情。大坝无放空设施，影响大坝的检查和维护。主干渠运行不畅，沿线地质条件差、滑坡、泥石流在还频繁多发，加上历史原因当年建设标准低，到1996年主干渠已多数无法通水。该工程无大坝变形、渗压等必要的大坝安全观测设施，不利于大坝风险的事前防范。进库抢修公路为建设标准低泥石路面，雨季经常出现交通中断现象。水库管理处枢纽管理房已破旧变形漏雨无法居住，与中型水利枢纽管理不适应。水梓树、小沟、油房沟管理站也都已成为危房不能再使用。放水闸伸缩节损坏。22流域概况竹寿水库位于会理县黄柏乡境内鲹鱼河上游，坝址在东经102O3506”，北纬26O5130”。水库枢纽工程距宁南县城74公里，距会理县城80公里，下游30公里是会东县城。竹寿水库所在的河流名称为岩洞河，属于金沙江小支流鲹鱼河的上游。流域发源地处在鲁南山脉的中端，高程为3495米，坝址处河底高程为2348米。坝址以上的流域集雨面积为69平方公里，主河道长154公里，河道的平均坡降为0038。流域处在山区，地形上西北高东南低。流域内植被良好，森林、竹林、灌木林的覆盖面积占75。流域内以寒武纪石灰岩为主。奥陶系砂岩及页岩次之，土壤为沙壤土及粘土。研究区域位于金沙江一级支流黑水河右岸，金沙江小支流鲹鱼河上游，西邻会理，南接会东。海拔高程自700米至3000米。气候的垂直分布比较明显，沿着黑水河，河谷地带几乎全年无霜，而以鲁南山脉为分水岭的高山一侧则气候寒冷，无霜期仅180天左右。在海拔2400米以上，农作物只有洋芋，燕麦等杂粮，玉米、水稻等喜温作物生长困难。高山区森林牧草面积较大，达到70。全区面积的95以上均分布于海拔700至2300米之内，气温温和，雨量充沛，但降雨时段主要集中于6至9月，干季较长，蒸发大于降水。灌区出现在2000以下大部分为红壤，为长期淋溶，缺乏有机质。2000米以上主要为会泡土，表层含有机质较多，易耕作。流域的大部分处在喀斯特地区，有溶洞、落水洞等地貌景观。作为主河道的干沟表现出明显的喀斯特河流的特点，没有暴雨时河水很少，水都渗入地下，其大部分经阴河洞泉（在库尾部）补给岩洞河。竹寿水库水系图221。23水文气象概况库区处于四川盆地亚热带季风性湿润气候区至高山温带气候区之间,自然气候属亚热带高原季风气候类型。流域处在迎风坡上，年降雨量较大。据会东站，坪塘站与竹寿水库雨量实测资料的分析，流域多年平均降雨量为1980毫米。在气候上干季与雨季分明，雨季一般从五月开始十月结束；冬春干燥而寒冷，夏秋凉爽而湿润。据竹寿水库气象站多年气象观测资料统计，区内多年平均年降水量19800MM，多年平均陆面蒸发量450MM，多年平均水面蒸发量280MM；多年平均气温167，极端最高气温275，极端最低气温77；多年平均湿度80，多年平均日照23135H，实测最大风速17M/S。多年平均径流深800MM。流域的洪水由暴雨形成。流域降雨量主要集中在5月至10月，占年降雨量的923。洪水发生季节与暴雨一致。本流域主汛期为510月。本流域暴雨强度较大，据实测降水资料统计，竹寿水库气象站实测最大一日降水量为2144MM，发生日期为1999年6月24日。实测最大洪水，洪峰流量为511，8天洪水总量为13248万，最大一日洪量为3176万，最大二日洪量为559万，最大三日洪量为8378万，这次洪水的洪峰发生在1980年6月22日。反映出流域的调蓄能力较大，地下水丰富。第三章基本资料的收集和整理31流域特征资料1流域面积流域分水线和出流断面所包围的面积称流域面积，单位为KM2。流域面积是河流的重要特征。它不仅决定河流的水量也影响径流的过程。在其它因素相同时，一般流域面积越大，河流的水量也越大，对径流的调节作用也大,洪水过程较为平缓，枯水流量相对较大；面积越小，流量也越小，如遇短历时暴雨常很容易形成陡涨陡落的洪水过程，枯水流量也较小。正因为流域面积是一个非常重要的特征值，因此，在研究工作中必须对其进行精确测量，一般可用求积仪法、数方格法、称重法等进行测定。2流域的长度和平均宽度流域长度为河源到河口几何中心的长度，单位为KM，如果流域左右岸对称，一般可以用干流长度代替。具体求算时以河口为中心，任意长为半径，画出若干圆弧，各交流域的边界于两点，这些弧线中点的连线的长度即为流域长度。流域的平均宽度是指流域面积与流域长度的比值。比较狭长的流域，水的流程长、径流不易集中，洪峰流量较小。反之，径流容易集中，洪水威胁大。3流域形状系数和流域不对称系数流域形状系数KE是流域分水线的实际长度与流域同面积圆的周长之比。流域形状与圆的形状相差越大，流域形状系数KE,也越大。KE值接近于1时，说明流域的形状接近于圆形,这样的流域易造成大的洪水。KE值越大，流域形状越狭长，径流变化越平缓。不对称系数KA表示流域左右岸面积分布的不对称程度。流域的不对称系数是左右岸面积之差与左右岸面积之和的比值。流域的不对称系数，当KA愈大时，流域愈不对称。左、右流域面积内的来水也愈不均匀。径流不易集中，调节作用大。设计流域面积（F）、河长（L）和主河长平均坡度（J）采用初步设计报告的数据，如表311。表311竹寿水库流域特征值表F（KM2）L（KM）J（）691543832库容曲线库容曲线是表示水库水位与其相应库容关系的曲线。它是以水位为纵坐标，以库容为横坐标绘制而成的。是水库规划设计和管理调度的重要依据。库容曲线根据原设计时实测水库五千分之一地形图绘制，根据水库运行管理报告，库尾淤积20多万方泥沙，此次采用原设计值。水位、库容曲线见图321。竹寿水库ZV曲线235023602370238023902400241024200200400600800100012001400库容（万方）水位（米）图321竹寿水库水位库容曲线33暴雨、径流资料331暴雨，径流资料一般指每小时降雨量16毫米以上，或连续12小时降雨量30毫米以上，或连续24小时降雨量50毫米以上的降水。我国气象上规定，24小时降水量为50毫米或以上的雨称为“暴雨”。按其降水强度大小又分为三个等级，即24小时降水量为50999毫米称“暴雨”,100200毫米以下为“大暴雨”；200毫米以上称“特大暴雨”。由于各地降水和地形特点不同，所以各地暴雨洪涝的标准也有所不同。特大暴雨是一种灾害性天气，往往造成洪涝灾害和严重的水土流失，导致工程失事、堤防溃决和农作物被淹等重大的经济损失。特别是对于一些地势低洼、地形闭塞的地区，雨水不能迅速宣泄造成农田积水和土壤水分过度饱和，会造成更多的灾害。降雨及冰雪融水在重力作用下沿地表或地下流动的水流称为径流。降水是径流形成的首要环节。降在河槽水面上的雨水可直接形成径流。流域中的降雨如遇植被，要被截留一部分。降在流域地面上的雨水渗入土壤，当降雨强度超过土壤渗入强度时产生地表积水，并填蓄于大小坑洼，蓄于坑洼中的水渗入土壤或被蒸发。坑洼填满后即形成从高处向低处流动的坡面流。坡面流里许多大小不等、时分时合的细流（沟流）向坡脚流动，当降雨强度很大和坡面平整的条件下，可成片状流动。从坡面流开始至流入河槽的过程称为漫流过程。河槽汇集沿岸坡地的水流，使之纵向流动至控制断面的过程为河槽集流过程。自降雨开始至形成坡面流和河槽集流的过程中，渗入土壤中的水使土壤含水量增加并产生自由重力水，在遇到渗透率相对较小的土壤层或不透水的母岩时，便在此界面上蓄积并沿界面坡向流动，形成地下径流（表层流和深层地下流），最后汇入河槽或湖、海之中。在河槽中的水流称河槽流，通过流量过程线分割可以分出地表径流和地下径流。设计流域竹寿水库气象站有19年降雨资料，无实测洪水资料。鰺鱼河的东北方相邻黑水河，黑水河上有宁南水文站，具有21年连续的经过整编的观测资料，其控制的集雨面积为3074。由于设计流域集水面积仅69KM2，只占宁南站控制面积的22，流量2KM观测资料代表性差；所以宁南水文站实测洪水资料不便用于计算。本次设计洪水拟采用推理公式法和同一流域内会东站水文比拟法推算。会东水文站位于鲹鱼河流域下游，竹寿水库下游30公里处。该站1959年设站，控制面积615KM2，1973年四川省水文局重新刊布集水面积变为779KM2。1986年以后会东水文站分为会东桥和会东渠道站，由下游37公里原会东站迁来。自然地理条件基本相同，洪水常由同一场暴雨形成，将会东站设计成果移置于竹寿水库是可行的。本次设计收集有会东站19651987年（其中1969年缺测）共22年实测洪水资料，以及水库初设时对竹寿水库洪水调查资料，基本可以满足洪水分析计算要求。设计流域相邻地区有坪塘、大桥、会东、新华等雨量站，其中坪塘站位于设计流域下游，距流域最近；其它站距坝址直线距离较远。各站资料年限见表331。表331资料情况统计表实测资料站名流量资料年限1/6H雨量资料年限1H雨量资料年限6H雨量资料年限24H雨量资料年限备注会东水文站1965198719651987196519871969年缺测会东气象站198420031965200319652003竹寿水库气象站无199019991990199919901999197720088185缺坪塘雨量站无无无1964198719641987洪水调查资料河段名年份月水位M洪峰（M3/S）可靠程度鲹鱼河1952205供参考331资料分析与处理设计地区的暴雨资料有竹寿水库1/6H暴雨资料（19901999），1H暴雨资料（19901999），6H暴雨资料（19901999），24H暴雨资料（19772008，19851989缺测）。水库邻近站会东、坪塘、竹寿雨量站同期雨量相关关系散乱，从表411上可以看出，在迎风坡上随着高程的增加，24H降雨量均值增大的情况。因此可以根据会东站序列插补19851989年的24H暴雨量。竹寿水库气象站24H序列延长为19772008（32年）资料。实测1999年6月24日，竹寿水库发生特大暴雨，24H暴雨量为2141MM，雨量主要集中在6H为2082MM。表411各站24H雨量随高程变化表站名高程（M）24H雨量（MM）会东16607614坪塘20808101竹寿水库242010471竹寿水库气象站6H序列只有19901999（10年）资料，序列中1999年6H暴雨量高达2082MM，属特大暴雨，比19772008年其他年份24H暴雨量还要高，由此可以认定该值比其他年份6H暴雨量更大，但该地区无年限更长的暴雨调查资料，同期会东站1999年6H降雨量为987为1964年以来最大值，因此可以将2082MM值的重现期提高到44年。1H序列和1/6H序列只有19901999（10年）资料，临近雨量站无相应的时段雨量资料，无法插补延长，该流域无历史时段暴雨调查资料，直接采用短序列配线。34设计洪水标准复核和评价1大坝现场安全检查坝体检查未发现沉陷、塌陷、渗漏和裂缝等问题，坝顶和坝坡无异常，运行正常。左坝肩渗漏较为严重，洞室溢洪道壁有成股状水流喷射。水库管理人员介绍，左右坝肩均曾经出现过较大的渗流水，后消失。原因可能是绕流渗漏所致，有待于下一设计阶段进一步查明。溢洪道进口边坡顶的垮岩对溢洪道泄洪有严重影响，因其超泄能力极低，进口处如有崩石削减过流断面时，即有库水位骤升翻坝的可能，存在防洪安全隐患。无放空设施，影响大坝的检查和维护。该工程无大坝变形、渗压等必要的大坝安全观测设施，不利于大坝风险的事前防范。基本无管理房，进坝道路需要修整。2大坝安全分析评价工程质量评价1根据四川省宁南县竹寿水库工程竣工验收报告和竣工图纸得知，水库建设期很长，设计方案曾做过几次修改，部分资料对坝体结构的说明前后不一致，部分图纸标注尺寸互相矛盾。更为重要的是，施工填筑坝料来源与设计料源不一致，未对此作试验论证工作，是一个重大失误。施工方法和质量控制基本符合工程建设程序，但实际使用的筑坝材料未经试验，本次地勘发现，坝壳料有架空现象。溢洪道进口高边坡未处理，常有岩块崩落在溢洪道侧埝内及洞室溢洪道口，对泄洪安全有威胁，存在安全隐患。防渗心墙上下游过滤构造不清楚，心墙顶高程低于设计洪水位，且防浪墙未嵌入到粘土心墙中，不能防止库水沿结合面渗流，潜伏不安全因素。运行管理评价2竹寿水库机构和管理制度健全，但大坝观测设施不符合要求，运行期曾经出现洪水将要漫顶的险情，水库抢险公路质量差，水库管理房以及设施不齐备。防洪标准复核3复核后最大洪水流量为67300M3/S，较原设计大162M3/S；复核后最大下泄流量为591M3/S，较原来大227M3/S。经水文复核后计算设计洪水位风浪安全加高后所需防洪高程为240926M，校核洪水位风浪安全加高后所需防洪高程为240942M，均高于现有防浪墙顶高程240920M。因此大坝不能满足防洪安全要求。本次水位复核后，隧洞进口水深小于直强高度，水流能顺畅通过洞口，形成无压流，但是隧洞净空比不满足要求。再隧洞入口和出口处都有掉落的石块，边坡稳定性较差，可能堵塞进出口。尤其在进口处，还有漂浮的树枝等杂物，严重阻碍水流过堰。竹寿水库属小（一）型水库，大坝为多种土质坝，最大坝高60M，坝长173M。坝顶高程240800M，水库总库容1106万方，有效库容979万方。根据水利部SL2522000水利水电工程等级划分及洪水标准的规定，竹寿水库属等枢纽工程，主要建筑物为3级，设计时水库采用100年一遇洪水设计、1000年一遇洪水校核。结构安全评价4坝体结构安全稳定渗流期和非渗流稳定期，上游坝坡安全系数K都满足规范要求，但是下游坝坡安全系数K都不满足规范要求。即10种工况中有6种不满足规范要求，存在极大的稳定性安全隐患。心墙顶高程为240640M,低于设计水位和校核水位分别为240655M和240692M。防浪墙在非常运用条件下,抗倾覆安全系数小于规范规定的允许值14,抗滑动安全系数小于规范规定的允许值110；正常运用条件下,抗倾覆安全系数小于规范规定的允许值15；抗滑动安全系数小于规范规定的允许值125，防浪墙存在倾覆,滑动的危险。溢洪道结构安全溢流堰泄流能力和侧槽边墙衬砌高度满足要求。隧洞进口水深小于直强高度，水流能顺畅通过洞口，形成无压流，但是隧洞净空比不满足要求。溢洪道消能结构，在设计、校核流量作用下消力池长度均满足要求。溢洪道建于坚硬的石英砂岩之中，裂隙很发育，沿坡可见密集的张开裂隙，沿程均可见碎落的石块，其粒径从2CM40CM不等。进口坡面上有宽约2CM5CM的裂隙。据水库管理人员称，“512”特大地震期间，掉块数量增多，粒径也增大，随时清除，随时掉落。在进口堰上缘，密集地浮着漂浮树枝、树杆，阻碍水流过堰，现象极为严重。隧洞出口处亦有碎块，但没有进口处严重。溢洪道进口边坡存在稳定性隐患，需要进行边坡加固。渗流安全评价5坝体渗漏量较小，基本满足规范要求。大坝设计洪水位高程240655高于心墙顶高程240640，不满足规范要求。观测点数量不够，且至今大部分观测仪器已经损坏，急需修复。观测所得浸润线较计算所得浸润线高，则渗漏量较计算所得大，存在渗流安全隐患。大坝下游约15M右岸坡脚有一片湿地，且面积一直没有扩大，可能存在绕坝渗漏安全隐患。抗震安全复核6按1/400万中国地震动参数区划图，竹寿水库库区地震动反应谱特征周期为045S，地震动峰值加速度为02G，工程区相应地震烈度为8度。通过计算上下游坝坡4种抗震稳定分析计算工况，4种工况均不满足规范要求。坝体土料试验结果看，碎石含量居多，细粒含量很少。能否发生液化现象还有待以后通过地质勘测和多种途径进行判断。金属结构安全评价7放水隧洞的放水锥型阀已经损坏，急需更换。放水压力管伸缩节需要更换，以免以后更换放水闸困难。3工程存在的主要问题、所需防洪高程为240942M，高于放浪顶高程240920M，不能满足防洪要求；1、大坝边坡稳定10种计算分析工况中，有6种不满足要求；防浪墙稳定性不满足2要求；、存在绕坝渗漏问题，心墙顶高程低于设计洪水位；3、坝址区位于8度地震区，4种地震计算工况，4种工况均不满足规范要求；4、下游坝坡及左右两岸都存在蚁害；5、放水闸伸缩节损坏，需更换；6、原设计变更次数多，坝壳料无试验和碾压标准；7、缺乏基本渗流、变形等安全监测设施；9、溢洪道进口边坡落石严重，进口漂浮物阻塞过水能力，且无辅助泄洪设施。10第四章推理公式法推求设计洪水41推理公式法在水利工作中，经常需要计算设计洪水的洪峰流量，如水库的调洪演算、防洪堤的高度、拦沙坝的大小等等许多方面，都要知道洪峰流量的大小，推求洪峰流量一般有4种方法，第一种是根据流量资料，通过频率的分析计算来求出设计洪水的洪峰流量；第二种是根据暴雨资料，通过频率计算求出设计暴雨，再通过流域的产流和汇流计算，推求出设计洪水的洪峰流量；第三种是经验公式法，利用简化的经验公式来估算设计洪水的洪峰流量；第四种是推理公式法。在缺乏资料的小流域内，利用推理公式是推求洪峰量的主要方法。推理公式法是基于暴雨形成洪水的基本原理推求设计洪水的一种方法。1推理公式法的基本原理推理公式法计算设计洪峰流量是联解如下一组方程X11/340278,0278PCNMCCMSFTQTTLJ便可求得设计洪峰流量QP，即QM，及相应的流域汇流时间。计算中涉及三类共7个参数，即流域特征参数F、L、J；暴雨特征参数S、N；产汇流参数、M。为了推求设计洪峰值，首先需要根据资料情况分别确定有关参数。对于没有任何观测资料的流域，需查有关图集。从公式可知，洪峰流量QM和汇流时间互为隐函数，而径流系数对于全面汇流和部分汇流公式又不同，因而需用试算法或图解法求解。计算设计暴雨的SP、XTP，进而由损失参数计算设计净雨的TB、RB。将F、L、J、TB、RB、M代入式（公式411）（公式412）和（公式413），其中仅剩下QM、RS,未知，但RS,与有关，故可求解。用试算法求解。先设一个QM，代入式（公式413）得到一个相应的，将它与TC比较，判断属于何种汇流情况，再将该值代入式（公式411）或式（公式412），又求得一个QM，若与假设的一致（误差不超过1），则该QM及即为所求；否则，另设QM仿以上步骤试算，直到两式都能共同满足为止。试算法计算框图如图411。图411推理公式法计算设计洪峰流量流程图2图解交点法该法是对（公式411）（公式412）和（公式413）分别作曲线QM及QM，点绘在一张图上。42设计暴雨的推求我国大部分地区的洪水主要由暴雨形成。在实际工作中，中小流域常因流域资料不足无法直接由流量资料推求设计洪水，而暴雨资料一般较多，因此可用暴雨资料推求设计洪水。特别是1在中小流域上兴建水利工程，经常遇到流量资料不足或代表性较差，难于使用相关法莱插补延长，因此需要用暴雨资料推求设计洪水。2由于人类活动的影响，使径流形成的条件发生显著的改变，破坏了洪水资料系列的一致性，因此，可以通过暴雨资料，用人类活动后新的径流形成条件推求设计洪水。3为了用多种方法惊醒推算设计洪水，以论证设计成果的合理性，即使是流量资料充足的情况下，也要用暴雨资料推求设计洪水。4无资料地区小流域的设计洪水和保坝洪水，一般都是根据暴雨资料推求的。由暴雨资料推求设计洪水的主要内容（1）推求设计暴雨根据实测暴雨资料，采用统计分析和低典型放大法求得。（2）拟定产流方案，推求设计净雨根据实测暴雨洪水资料，利用径流形成的基本原理，通过成因分析方法求得。（3）拟定流域汇流方案根据实测暴雨洪水资料，利用汇流的概念，用成因分析的方法求得。（4）推求设计洪水过程线由求得的设计暴雨，利用产流方案推求设计净雨过程，再利用流域汇流方案由设计净雨过程求得设计洪水过程。由暴雨资料推求设计洪水，可作为一种验证方法，一般是以由流量资料推求的成果为主。但当实测流量资料短缺，或流量资料系列受到人类活动如修建大量水利工程、水土保持措施的干扰，一致性遭到破坏时，该法就显得相当重要了。由暴雨推求设汁洪水，在大中流域相小流域上的具体作法是不同的，对小流域一般只需给出设计洪峰流量，因而计算方法可作一定概化。所谓设计暴雨如同设计洪水概念一样，包括指定历时内的流域面雨量及其时空变化，即一场完整的稀遇暴雨。由于暴雨的时、空变化的概率难以确定，面对一定历时内的流域面雨量的频率是可以确定的，因而，假定设汁洪水的频率同流域面雨量的频率是相同的。在设计暴雨的计算过程中，需要结合大暴雨成因条件，分析各次大暴雨在时间和空间上的分布特性，作为拟定设计暴雨过程的依据。因此，对流域暴雨时空分布特性的分析至关重要。1、暴雨在空间上分布的特性可绘制各种时段的暴雨量等值线图来说明暴雨在地理上的分布特性，为了分析对比各次大暴雨空间分布特性在暴雨等值线图上，环绕暴两中心，量测逐条等雨深线所笼罩的面积FPI，成果列成表，也可将成果绘制成面乎均两量P面与所笼罩面积F的关系曲线。对于同一次暴雨过程，选取不同的统计时段，得出若干幅雨量等值线图，也可得出各自的笼罩面积F与面平均雨量、时段T三者关系曲线，如图所示。我国称此曲线为时、面、深曲线，简称D、A、D曲线。2、暴雨的时间分配特性通常是在雨区内，选取若于个雨量站的观测资料作为代表，统计各代表站各种不同时段T的最大雨量PT,及长、短时段雨量所占的百分比PT1PT2,并绘出各站暴雨强度在时间上的变化过程，用来说明暴雨量的时程分配情况。由于各次大暴雨的成因条件并不相同，相同的面两量下，其时空分布情况是多种多样的。一般是对当地实测大暴雨资料进行统计分析，从中找出与本流域气候、下垫面条件相应的暴雨时空分布特性，或取较常遇情况，或取其恶劣情况，作为拟定设计暴雨时空分布的依据。所谓设计暴雨如同设计洪水概念一样，包括指定历时内的流域面雨量及其时空变化，即一场完整的稀遇暴雨。由于暴雨的时、空变化的概率难以确定，面对一定历时内的流域面雨量的频率是可以确定的，因而，假定设汁洪水的频率同流域面雨量的频率是相同的。设计流域有实测雨量资料，该站可以插补到有19772008年共32年24H暴雨资料，19901999年共10年1/6H、1H、6H暴雨资料。对竹寿水库气象站1/6H、1H、6H、24H暴雨序列排频分析，优化配线所得参数如下表421，频率曲线图见附图6附图9。表421暴雨序列频率分析参数暴雨序列均值CVCS/CV1/6H123024351H391037356H7170453524H10403635图421竹寿水库1/6H暴雨频率曲线图图422竹寿水库1H暴雨频率曲线图图423竹寿水库6暴雨频率曲线图图424竹寿水库24暴雨频率曲线图将上述参数与四川省中小流域暴雨洪水计算手册（1984年版，以下简称省手册）等值线图对照，可以发觉均值均比手册查算值要大。根据设计流域中心位置查省手册等值线图所得结果为1H暴雨参数均值300MM，CV042；6H暴雨参数均值600MM，CV035；24H暴雨参数均值80MM,CV035。实测暴雨参数偏大的原因主要是手册上该设计流域处等值线比较稀疏，内插误差比较大，因此设计暴雨计算采用实测暴雨参数成果，见表423。由于流域面积为69KM2，以设计点暴雨量代替设计面暴雨量。定点定面折算系数接近于10，因此，设计流域以设计点雨量代替设计面雨量使用。表423设计流域暴雨计算成果表HPMM历时H均值MMCVCS/CVP01P02P10P20P50P1001/6H1230243528826225238209196139103735137110103853775668671704535244225181161135115241040363528826922320317615443设计洪峰流量的推求431公式设计洪峰流量的推算方法关于设计洪峰流量的推算方法，可有四种1按实测最大流量资料推算；2按暴雨资料推算3按洪水调查资料推算；4按水文气象法推算。设计洪峰流量的推求采用省手册推荐的推理公式法进行计算。推理公式推求设计洪峰流量公式为,/2780MNSJLFFSQNMP式中MPQ设计洪峰流量（S/3）；洪峰径流系数；流域汇流时间（H）；F流域面积（2KM）；L自出口断面沿主河道至分水岭的河流长度（KM）；J沿的河道平均坡度（）；S暴雨雨力（H/）；N暴雨公式指数；产流参数（M/）；M汇流参数。上述参数按性质可分为三组流域特征参数F、L、J；暴雨参数S、N；产流参数和汇流参数M。推求设计洪峰流量必须定出这3组参数。432参数确定推理公式中需要定量的有七个参数，可分三类第一类为流域特征参数、；FLJ第二类为暴雨参数、；第三类为损失经验性参数和汇流经验性参数。SNM1流域特征参数、的确定FLJ代表出口断面以上的流域面积，可在适当比例尺的地形图上勾绘流域分水线，F直接量取。对地形图精度不高或分水线不清的流域，要进行实地查勘测量以确定分水线实在位置，单位以平方公里计。采用自出口断面起沿主河道至分水岭的最长距离，包括主河道以上沟形不明显部L分坡面沿流程的长度。一般情况下可自地形图上量取，必要时须根据实测资料进行验证，单位以公里计。为沿的坡面和河道平均比降，须自分水岭起根据沿流程的比降变化特征点高程，J按下式采用加权平均法计算012102NNZLZLZLLL（4321）式中、为自出口断面起沿流程各特征地面点高程，、为01N1L2NL各特征点间的