第四章 设计洪水流量.ppt

第4章设计洪水流量与设计水位计算Chapter4CalculationofDesignFloodFlowandFloodWaterLevel,4.1概述（Introduction）,4.1.1设计洪水的意义及内容桥梁、涵洞、堤防、水坝和城市防洪工程，在未来长期运行过程中，随时都面临着洪水破坏的威胁。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。,确定设计洪水频率后，可以按照一定的方法推求相应于该频率的设计洪水流量，简称设计流量，以及相应的设计水位、设计流速和过水断面面积，作为桥孔设计、墩台冲刷计算的依据。,但河流的洪水有大有小，用多大的洪水来设计桥梁？这就需要有一个标准，这个标准称为设计洪水标准，用频率（或重现期）表示，称为设计洪水频率。,4.1.2设计洪水标准（DesignCriterionofFlood）设计标准由国家统一制定。桥涵工程依据：交通部颁布的公路工程技术标准（JTJ001-97）和公路工程水文勘测设计规范（JTGC30-2002）。,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。,4.1.3设计洪水的计算途径1、由实测流量资料推求；2、由暴雨资料推求；3、由地区综合法推求。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。,设计洪水标准越高（频率越小），设计洪水流量越大还是越小？,4.2由实测流量资料推算设计流量(DesignFloodBasedonStreamflowData),1、选样（sampling）年最大值法选样，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。一般要求桥位断面洪水系列n30a，并有若干次特大洪水（实测和调查的历史洪水）。,设计资料：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。,4.2.1设计洪峰流量的推求,2、资料的审查（1）资料可靠性的审查与改正资料的可靠性是指资料的正确与否，要从流量资料的测验方法、水位流量关系、整编精度和水量平衡等方面进行检查。,（2）资料一致性的审查与还原资料系列的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。因气候条件变化缓慢，故主要从人类活动影响和下垫面的改变来审查。若不能满足一致性要求，则需进行一致改正。,（3）资料代表性的审查与插补延长洪水系列的代表性，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，如接近程度较高，则系列的代表性较好，频率分析成果的精度较高，反之较低。样本对总体代表性的高低，可通过对二者统计参数的比较加以判断。但总体分布是未知的，无法直接进行对比，人们只能根据对洪水规律的认识，与更长的相关系列对比，进行合理性分析与判断。,我国大部分河流由于实测年限有限，所以目前我们所掌握的样本系列不长，系列愈短，抽样误差愈大。而且在实测期内不一定发生大洪水，所以洪水系列不一定含有特大洪水资料，如果用一般的中小洪水资料进行设计，设计成果不可靠。特别是用于推求百年一遇、三百年一遇的高标准洪水，根据就很不足。,如果能获得这种洪水资料，比如能调查到N年(Nn)中发生的特大洪水，就相当于把n年资料延长到了N年，提高了系列的代表性，能使计算成果更加合理、可靠。,桥位河段历史上肯定发生过很多次特大洪水。历史上曾经发生过的特大洪水，往往会造成严重的洪涝灾害，在历史文献中一般会有详细的记载和留下洪水痕迹可供查证，所以调查到的历史洪水一般就是特大洪水。,【例】1955年规划河北省滹沱河黄壁庄水库时，按当时具有的1919-1955年期间断断续续的20年实测洪水资料推求千年一遇设计洪峰流量Qm=7500m3/s。1956年发生了一次洪峰流量为13100m3/s的特大洪水，显然原设计成果值得怀疑。将1956年特大洪水直接加入实测资料组成21年的样本系列，对此样本直接进行频率计算也是不合适的。,后在滹沱河调查到1794、1853、1917和1939年4次特大洪水，将1956年洪水和历史调查洪水作特大值处理，得千年一遇设计洪峰Qm=22600m3/s，比原设计值大得多。1963年又发生了一次大洪水，洪峰流量为12000m3/s，再将其作为特大洪水也加入样本，得千年一遇设计洪峰流量Qm=23500m3/s。这次计算的洪峰流量只变化了4%，显然设计值已趋于稳定。由此可看出特大洪水处理的重要性。,特大洪水可以发生在实测记录期间的n年之内，也可以发生在实测期的n年之外，前者称资料内特大洪水，后者称资料外特大洪水（历史特大洪水），如下图。也可以资料内资料外都有特大洪水。一般，这样的洪水QN可以考虑作为特大洪水处理。,特大洪水重现期的确定特大洪水可能有多次，首先必须确定出首位特大洪水的重现期，然后在该重现期内对其它特大洪水进行从大到小排位，计算每项洪水的经验频率。但要准确地定出首位特大洪水的重现期是相当困难的，目前，一般是根据历史洪水发生的年代来大致推估。1）从发生年代至今为最大N=设计年份-发生年份+12）从调查考证的最远年份至今为最大N=设计年份-调查考证期最远年份+1,这种方法确定的特大洪水的重现期具有相当大的不稳定性，如果要更加准确地确定历史洪水的重现期势必就要追溯到更远的年代，但追溯的年代愈远，历史记载可能愈不详尽，河道情况与当前差别也愈大，计算精度反而愈差，所以，我国一般以明清两代以来六百年为宜.,【例4-1】确定特大洪水重现期长江重庆宜昌河段洪水调查，同治九年(1870年)川江发生特大洪水，沿江调查到石刻91处（如下图），推算得宜昌洪峰流量Qm=110000m3/s。该洪水为1870年以来为最大，则重现期：N=1992-1870+1=123(a)，这么大的洪水平均123年就发生一次，可能性不大。又经调查，忠县东云乡长江岸石壁上有两处宋代石刻，记述“绍兴二十三年癸酉六月二十六日水泛涨。”这是长江干流上发现最早的洪水题刻。,据洪痕实测，忠县洪峰水位为155.6m。又据历史洪水调查，宜昌站洪峰水位为58.06m，推算流量为92800m3/s，3天洪量为232.7亿m3。宋绍兴二十三年即公元1153年，该次洪水也小于1870年洪水，所以可以推断1870年洪水是1153年以来最大的洪水，故1870年洪水的重现期为：N=1992-1153+1=840(a),（2）连序系列和不连序系列连序系列（completen-yearseries）：洪水样本中每一项从大到小排位，序号是连续顺位排列的系列。如：实测系列。不连序系列（incompleteN-yearseries）：洪水样本加入特大洪水后的系列称为不连序系列，即从大到小排位，序号不连续，其中一部分属于漏项、缺项位的系列。如：加入历史调查洪水的系列。,不连序系列经验频率和统计参数的计算方法与连序系列有所不同。这样，就要研究有特大洪水的不连序系列的排序和频率计算以及参数估计的方法，称为特大洪水处理。,特大洪水的排序，对可以定量的特大洪水，可根据洪峰流量的大小进行排位。对无法定量的历史调查洪水，可根据历史文献记载中不同次洪水的雨情、水情、灾情的描述分析比较后确定序位。,（3）考虑特大洪水时经验频率的计算不连序系列经验频率（考虑特大洪水时经验频率）计算：设调查及实测(包括空位)的总年数为N年（即首位特大洪水的重现期），连续实测期为n年（n包含在N中），共有a次特大洪水，其中有l次发生在实测期，a-l次是历史特大洪水。,目前国内有两种计算特大洪水与一般洪水经验频率的方法。,1)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。,特大洪水的经验频率为：,式中，M=1，2，a,x,P(%),100,一般洪水的经验频率为：,式中，,2)统一样本法将实测一般洪水系列与特大值系列共同组成一个不连序系列作为代表总体的样本，不连序系列的各项可在调查期限N年内统一排位。特大洪水的经验频率为：,式中，M=1，2，a,一般洪水的经验频率为:剩下Na项的频率范围为：1-PMa，而实际,x,P(%),100,PMa,最后一项的经验频率：,只知nl项。先将nl项在01内计算经验频率：,m=l+1，l+2，n,x,P(%),100,PMa,然后按（1-PMa）为比例缩小，并接到PMa之后，最后得：,m=l+1，l+2，n,上述两种方法，我国目前都在使用。一般说，独立样本法把特大洪水与实测一般洪水视为相互独立的，这在理论上有些不合理，但比较简单，在特大洪水排位可能有错漏时，因不相互影响，这方面讲是比较合适的。当特大洪水排位比较准确时，理论上说，用统一样本法更好一些。,【例4-2】东北某桥位河段有19351960年实测资料，其中，1960年为特大洪水，洪水位Z1960.并调查到1888年（光绪十四年）发生的特大洪水，洪水位Z1888.并考证到1810年（嘉庆十五年）发生的特大洪水，洪水位Z1810.经过对历史文献的论证，上述三次洪水排序为：,Z1960Z1810Z1888,26年实测系列中排第二位的是1945年，洪水位Z1945.从当时调查研究的1960年出发，试计算上述四次洪水经验频率。,解：,（1）独立样本法,（2）统一样本法,【例4-3】某桥位断面19351972年38年洪水资料中，有5年因战乱缺测，故实有洪水资料33年。其中1949年为最大，经考证应作为特大值处理。另外，洪水调查查明自1903年以来的70年间，为首的三次大洪水，其大小排位依次为1921、1949、1903年，并能判断不会遗漏掉比1903年更大的洪水。此外，经考证在1903年以前，还发生过三次大于1921年的特大洪水，其序位为1867、1852、1832、1921年，但因年代久远，这一期间小于1921年的洪水则无法查清。现按上述两种方法估算各项经验频率。,1832,1903,1935,1972,1832,1852,1867,1903,1921,1949,实测期,调查期,历史考证期,根据上述情况，实测洪水n=33年，调查期分作两个时期：其一是18321972年，记为N2=141年，在此期间能够进行排位的有1832、1852、1867和1921年洪水，顺序为1867、1852、1832、1921，而1949、1903年则不能在这一调查期中排位。其二是19031972年，记为N1=70年，其中仅有1903、1921、1949年的洪水能在N1中排位，它们的大小顺序为1921、1949、1903年，见下图，频率计算见下表4-3。,1832,38,1867,（4）不连序序列统计参数估计,1、用矩法初估参数：假定：Na年系列与nl年实测系列的均值和均方差相等，即：,适线法（curvefittingmethod）,l,n,N,a,所以N年系列的均值为：,N年系列的CV值为：,由：,由此可证明：,即：,令：,CSN按经验的方法选取：CVN0.50CSN/CVN=340.501.00CSN/CVN=23,2、三点法同第三章第4节。不连序系列用三点法初估参数更简单。,适线法应注意：曲线应尽可能通过点群中心，适当照顾上、中部大洪水；曲线应尽量靠近峰量数值、重现期精度较高的点据；应参照同一气候区内其余站参数变化规律进行调整。,【例4-4】某桥位河段实测洪峰流量资料30a，另调查到二次历史特大洪水，调查考证期N=102a。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：a=2，l=0，N=102一般洪水：n=30，l=0统一样本法计算结果见下表。,某河洪峰流量经验频率计算（a=2，l=0）,800,1600,2400,3200,2、参数估计矩法,调整参数，最后采用：,适线法初试取：,3、求设计值T=200a，P=0.5%，CV=0.80，CS=3.5CV查K值表，得KP=4.87，桥位断面设计流量：,1、利用历史调查洪水推算统计参数如果桥位河段能调查到三次以上历史洪水，其中至少能定量出二次洪峰流量及其重现期，则可推算。设可以定量及确定重现期的二次历史调查洪水的洪峰流量及其经验频率为：Q1，P1Q2，P2,4.2.2利用历史调查洪水推算设计流量,设历史洪水服从P-型分布，且上述两点在频率曲线上，则有：,令：,可解得：,式中、P已知，是CS的函数，若假定CS=（34）CV，则可以看作是CV的函数。上式是CV的隐函数，可通过试算解出CV值，并求出CS值。又：,求出后，根据设计洪水频率，就可求出设计值QP。,【例4-5】江西赣州区某桥位，1980年经洪水调查，得如下资料：1、四次历史洪水从大到小排列为：1882年（光绪八年），1935年，1967年，1955年；2、可靠洪痕1967年、1955年。用形态法计算得：Q67=10946m3/s，Q55=10111m3/s；3、地区经验关系CS=4CV。求：统计参数五十年一遇设计流量,解：N=1980-1882+1=99（a）年份：1882193519671955Q（m3/s）1094610111（%）1234,取CV=0.70，CS=4CV=2.80,求设计流量，CV=0.70，CS=4CV=2.80，当P=2%时，P=3.11,2、利用历史调查洪水资料推算如果桥位河段调查到若干次历史洪水，并且能定量和确定出较可靠的重现期，可直接作部分频率曲线，推求设计流量。,Q,P,P,QP,Qi，Pi,设计桥梁时，为什么要考虑历史调查洪水？考虑特大洪水对设计成果有何影响？,4.3由暴雨资料推求设计洪水(DesignFloodBasedonRainstormData),略,4.4小流域设计洪水计算（DesignFloodComputationforSmallWatershed）,交通部门一般将集水面积小于100km2的流域称为小流域。公路沿线跨越的小河、溪沟、沟壑均属于小流域。小流域设计洪水计算的特点：没有实测流量资料；调查洪水资料少；小流域集水面积小，自然地理条件单一，计算方法允许作适当的简化；在基本保证精度的条件下，力求简便。计算方法：推理公式，地区经验公式，历史洪水调查分析法和综合单位线法。,4.4.3经验公式法计算设计洪峰流量（EmpiricalFormula）利用一个地区内小流域水文站实测的和调查的暴雨洪水资料，建立洪峰流量与其主要影响因素之间的经验相关关系，该关系就是洪峰流量的地区经验公式。在该地区内，无实测洪水资料的流域用它来推求设计洪峰流量，就是地区经验公式法。注意：经验公式地区性很强，用哪个地区的资料建立的经验公式，原则上只适用于该地区，一般不允许移到其它地区使用。,1、以流域面积为参数的地区经验公式,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，CP：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。,2、以流域面积和净雨量为参数的经验公式,式中，R24,P：设计频率为P，历时为24h的设计净雨量，mm；C，m，n：经验系数、经验指数，查各省水文手册或设计手册。,3、交通科学研究院经验公式,式中，：地貌系数；与流域面积、地形、主河道比降有关；hP：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数；：湖泊、塘堰、小水库调节作用影响洪峰流量的折减系数。,4.5桥位断面设计洪峰流量及设计水位的推求CalculationofDesignFloodPeakFlowandStageofBridgeLocationSection,4.5.1桥位断面设计洪峰流量（DesignFloodPeakFlowofBridgeLocationSection）一、桥位断面有实测洪水资料桥位断面有长期（n30a）实测洪水资料，且桥位河段有若干次历史调查洪水资料。按4.2计算。,二、桥位断面缺乏实测洪水资料1、桥位断面上、下游或附近相邻流域有实测洪水资料采用水文比拟法,桥位断面FB,水文站或形态断面F,水文站或形态断面F,当桥位断面和水文站断面或形态断面的集水面积相差小于5%时，直接将水文站或形态断面的实测资料移用到桥位断面，然后按有资料情况计算设计流量。,桥位断面FB,水文站或形态断面F,水文站或形态断面F,面积比法,式中，N为经验指数，查水文手册或设计手册。一般：大、中河流：N=0.50.7小河流：N=0.70.85通常：N=2/3,桥位断面FB,水文站或形态断面F,水文站或形态断面F,面积雨量比法,式中，N1、N2为经验指数，查水文手册或设计手册。,2、桥位断面有若干次历史调查洪水资料利用历史调查洪水反推三个统计参数，进而推求设计洪峰流量；或作部分频率曲线推求。3、利用暴雨资料推求,三、小流域设计洪峰流量推理公式，地区经验公式，综合单位线法等，或查各省的水文手册或设计手册。,4.5.2桥位断面设计水位