工程水文与水力计算课程设计

1、 2013 届课程设计课程设计学 院 水利建筑工程学院专 业 农业水利工程 13-2姓 名 廖青松 学 号 3011209233 指导教师 郑金丰 日 期 2012年4月 塔里木大学教务处制前 言工程水文学与水利计算基础课程设计是该课程学习的一个实践环节。是对该课程进行综合性学习和训练，使同学们更好的掌握该课程的知识，为今后的毕业设计打下坚实的基础，对以后的工作也有着重要的意义。课程设计的目的是为加强对工程水文学与水利计算基础设计知识的进一步巩固，了解设计工程水文学与水利计算基础的主要过程，培养正确熟练地运用结构设计规范手册，各种标准图籍及参考书的能力。通过设计训练，初步建立设计与施工的全面协

2、调统一思想。工程水文水利计算课程设计指导书第一部份：资料一、设计任务在某地区的一条河流上，拟修建宏原水库,因而要进行水库规划的工程水文及水利计算，其具体任务是：1.设计年径流分析计算；2.选择水库死水位；3.选择正常蓄水位；4.计算保证出力，多年平均发电量和选择装机容量；5.推求设计标准和校核标准的设计洪水过程线；6.推求各种洪水特征水位和确定坝顶高程。二、设计提纲(一)水文气象资料的搜集和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。(二)设计年径流量及其年内分配先进行年径流量频率计算,求出设计频率

3、的丰、平、枯水年径流量（本设计已求出频率为50%平水年径流量）。根据年，月径流资料和代表年的选择原则,确定丰、中、枯三个代表年。并按设计年径流量为控制用同倍比方法缩放各代表年的逐月径流量，推求丰、平、枯水年径流量的年内分配（本设计仅计算平水年）。(三)选择水库死水位1.绘制水库水位容积曲线和水电站下游水位流量关系曲线；2.根据泥沙资料计算水库的淤积体积。3.根据水轮机的情况确定水库的最低死水位；该省生产的机型,单机容量为600千瓦,适应最小水头为10m。 。(四)选择正常蓄水位根据本地区的兴利要求，发电方面要求保证出力不低于800千瓦，发电保证率为85%，灌溉任务不大，可利用发电尾水得到满足，

4、因此，初步确定正常蓄水位为70.0 m，若通过水能计算后能满足保证出力要求就作为确定的正常蓄水位。(五)保证出力,多年平均发电量和装机容量的计算先对丰、中、枯三个代表年以月为时段进行水能计算,计算出各月的水流出力（本设计仅计算平水年）。出力系数A=7.5，预留水头损失为0.5m。取设计平水年供水期的平均出力为保证出力。作出出力历时曲线(以12个月出力值计算)并以装机年利用小时数h装=3440h，推求出装机容量和多年平均发电量。(六)推求各种设计标准的设计洪水过程线本水库为大(2)型水库，工程等别为等，永久性水工建筑级别为2级。设计标准为1%，校核标准为0.1%，需要推求1%、0.1%设计洪水过

5、程线。1.按年最大值选样方法在实测资料中选取年最大洪峰流量及各历时洪量，根据洪水特性和防洪计算的要求，确定设计控制历时为1天和3天，因而可得洪峰和各历时的洪量系列。2.对洪峰和各时段洪量系列进行频率计算，(洪峰频率计算要对特大值处理)，从而可得各设计、校核条件的洪峰和洪量值（1天和三天设计、校核洪量已计算，分别为W1,1%=68.6×106;W3,1%=103.1×106; W1,0.1%=79.18×106;W3,0.1%=119.6×106;）。4.洪峰和洪量成果的合理性分析。5.选择典型洪水过程线(要按照选择原则进行)，并算出典型洪水过程线的洪峰和

6、各时段洪量值。6.用同频率放大法推求设计洪水过程线(包括1%、0.1%)。(七)推求水库防洪特征水位和确定坝顶高程根据水库下游防洪要求，等于或小于20年一遇的洪水，只放发电用水(17m3/s)，其余全部拦蓄在水库里，超过20年一遇的洪水，溢洪道自由泄流。起调水位(防洪限制水位)为70m。用20年一遇洪水过程线,除下泄发电用水(17m3/s)外,其余蓄在水库，则总蓄水量加在防洪限制水位上，则可得防洪高水位。用百年一遇洪水过程线，从防洪限制水位开始，先按发电流量(17m3/s)下泄，其余蓄在水库里，待蓄至防洪高水位后，即打开溢洪道闸门自由泄流，通过调洪演算，得设计洪水位，拦洪库容和相应最大下泄流量

7、。方法与设计洪水计算相同，只是用1000年一遇设计洪水过程线来进行计算。应考虑起调水位、设计条件下大坝前波浪高、设计条件下安全超高；或起调水位、校核条件下大坝前波浪高、校核条件下安全超高。经分析计算，设计条件下大坝前波浪高为1.5米，校核条件下为0.9米。按工程等级，设计条件下安全超高为0.7米，校核条件下安全超高为0.4米。三、设计说明书 设计说明书，主要应包括以下内容 1.设计任务；2.流域自然地理简况，流域水文气象资料概况；3.设计年径流量及其年内分配的推求；4.水库死水位的选择；5.水库正常蓄水位的选择；6.水能计算和装机容量选择；7.设计洪水的推求;8.水库洪水特征水位的确定和坝顶高

8、程的计算；9.附表、附图、最后装订成册。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。四、基本资料1.流域和水库情况简介 该河为某流域一大水系，流域面积为2200km2，发源于某省宏源县山脉,干流全长200km，上游坡陡流急，县城以下堰塘遍布，河道曲折，排泄不畅，易遭洪涝灾害，又因流域拦蓄工程较少，灌溉水源不足，易受旱灾。该水库以防洪为主，结合发电，灌溉，是一座综合利用水库。库区位于区域的斜构造内，周边岩

9、石多为不透水或弱透水的砂页岩，仅在局部地区有奥陶纪石灰岩及钙质页岩,但因层薄,并有砂页岩隔层，岩溶现象不甚发育，加之山体宽厚,其高程一般均在200m以上，故库区渗漏问题可以不考虑。水库建成后，使农田免除洪水直接威胁，以不同程度的减轻洪水危害。设计坝址有19502003年的实测径流资料，经分析计算，已获得设计平水年径流资料，附表1。附表1 设计平水年设计年径流设计平水年567891011流量 m3/s设计平水年121234平均流量 m3/s流量 m3/s根据调查1942年9月1日在坝址附近发生一场大洪水，推算得洪峰流量为1350m3/s。这场洪水是1900年后至今最大的一次洪水。缺测年份内，没有

10、大于1160m3/s的洪水发生。经对洪水资料统计分析，已得到历年洪峰流量和1天、3天洪量资料，附表2、附表3。附表2 历年洪峰流量年份洪峰年份洪峰年份洪峰年份洪峰年份洪峰19547021959237196440919693871974287195528419604781965510197030519751661956374819616591966232197150019761191957402196258519672441972108197723819582001963116019681671973484并经过对洪水资料分析，已选择1963年的洪水为典型洪水过程线，附表4。附表4 典型洪水过程

11、线时段（2小时）024681012流量（m3/s）57100171260335373330时段（2小时）14161820222426流量 （m3/s）305293575805100011301160时段（2小时）28303234363840流量 （m3/s）860666470306235240269时段（2小时）42444648505254流量 （m3/s）286290277252235212192时段（2小时）56586062646668流量 （m3/s）161145118103928265时段（2小时）7072流量 （m3/s）43404.水库水位容积关系曲线，附表5。 附表5 水位容积曲

12、线水位（m）48505560657075容积(106 m3)041630456381水位（m）80828486889093容积(106 m3)1021121221331481672105.水电站下游水位流量关系曲线，附表6。附表6 水位流量关系曲线水位（m）4647流量（m3/s）0163，泥沙干容重=1650kg/m3，泥沙沉积率m=90%，孔隙率p=0.3，推移质与悬移质淤积量之比值=15%。级建筑物，因此设计洪水标准为1%，校核洪水标准为0.1%，水库下游保护地区防洪标准为5%。溢洪道:实用堰型，净宽40m，堰顶高程70m。遇防洪标准、设计标准和校核洪水时，先放发电用水(17m3/s)，

13、其余全部拦蓄，当其水位与堰顶高程齐平时，溢洪道自由泄洪。起调水位：70m，相应库容63×106m3（为了减少计算工作量，本设计仅对设计标准和校核标准的洪水，进行调洪演算）。第二部分：设计计算1. 死水位的选择2. 绘制水库水位容积曲线和水电站下游水位流量关系曲线。根据资料给出的水库水位容积关系，绘制水库水位容积关系曲线。见图1。 图1 水库水位容积曲线根据资料给出的水电站下游水位流量关系，绘制水电站下游水位流量关系曲线。见图2。 图2 水位流量关系曲线 B根据泥沙资料计算水库的淤积体积V沙年悬=mpow0/(1-p)r已知：多年平均含沙量po3；泥沙干容重=1650kg/m3；泥沙沉

14、积率m=90%；孔隙率p=0.3，多年平均径流量w0=QT=17.21×365×24×3600=54270×104m3V沙年悬=mpow0/(1-p)r=0.9×2.37×54270×1043V沙年推= V沙年悬3中型水库正常使用年限为30年;V沙总=T(V沙年悬+V沙年推)=30(1002296.81+150344.52)=34570000m3=34.57×106 m3根据V沙总查水库水位容积曲线,得死水位为Z死=62mC根据水轮机的情况确定水库的最低死水位。根据水轮机的情况确定水库的最低死水位；已知该省生产的机

15、型,单机容量为600千瓦,适应最小水头为10m。经水能计算可知，满足水轮机适应最小水头的要求（见表1）。经过泥沙资料计算水库的淤积和水轮机适应最水水头的要求，综合考虑各方面的情况，确定水库死水位为62m。2. 选择正常蓄水位由于本地区，灌溉任务不大，可利用发电尾水得到满足，故通过水能计算满足保证出力要求，确定正常蓄水位。A保证出力计算平水年水能计算：出力计算公式:N=AqH已知A=7.5;水头损失为0.5米。计算过程见表1。 表1 水能计算表（平水年）月份天然流量Q发电流量q水库蓄供水弃水流量Q时段末库蓄水量V时段平均蓄水量V上游平均水位Z下游水位Z平均净水头H出力N=AqH净蓄v供vm3/s

16、m3/s106106m3/s106106mmm103kw12345678910111250636707068809179807010163707011146012011142068211290304062合计0由上表知平水年供水期的平均出力为：Np根据本地区的兴利要求，发电方面要求保证出力不低于800千瓦，发电保证率为85%。故满足要求。同时，本地区灌溉任务不大，可利用发电尾水得到满足，因此，经过水能计算可以满足保证出力要求，故确定正常蓄水位为70.0m。根据平水年水能计算成果，作出力历时曲线。见曲线图3。 图3 出力历时曲线根据装机年利用小时数h装=3440h，查出力历时曲线，得装机容量为：

17、N装=2705kw作装机容量、多年平发电量关系曲线：假定：N1=1991.76kw; E1=281.4×104 N2=2185.26kw; E2=591×104 N3=2340.06kw; E3=761.8×104 N4=2636.76kw; E4=1146.8×104 N5 E5=1759.1×104根据以上计算结果，绘制曲线（见N装E年曲线）图4。 图4 N装-E年曲线多年平均发电量：根据N装查N装E年曲线，得多年平均发电量：E年=1310×1043. 推算各种设计标准的洪过程线：3. 推算设计洪峰流量： 特大洪水的处理：根据资料

18、提供调查1942年9月1日在坝址附近发生一场大洪水，推算得洪峰流量为1350m3/s。这场洪水是1900年后至今最大的一次洪水。缺测年份内，没有大于1160m3/s的洪水发生。根据以上情况，显然不能与一般实测洪水放在同一时期中排位。在调查期中1942年为第一位。在实测期24年中，1963年为第一位，显然也不能与一般洪水放在同一时期排位，故应按特大洪水考虑，排第二位，在实测系列中排位，不计算频率。重现期为:N=1977-1900+1=78P=M/N+1×100%=1/78×100%=1.28%P=M/N+1×100%=2/78×100%=2.56%实测洪水

19、频率计算，见表2：将原始资料按大小次序排列；用公式P=m/n+1×100%计算经验频率，并在机率格纸上绘出经验频率点据。 表2 宏原水库洪峰流量频率计算表 m3/s序号由大到小排列Q模比系数Ki-1(ki-1)2P=m/n+11116027488370212465916558520651024750028848432947836104094011402441238748133055214287561528460162446417238681823772192327620200802116784221668823119922410896总计84514. 按无偏估值公式计算统计参数4.

20、计算年最大洪峰流量的均值5. 计算变差系数式中为各项的模比系数6. 选配理论频率曲线1 ，取，查附表4 得出相应于不同频率的值，列入表2第（2）栏，乘以得相应的值，列入表2中第（3）栏。 表3 宏原水库洪峰流量频率曲线选配计算表频率第一次配线第二次配线第三次配线=400=400=400（1）（2)(3)(4)(5)(6)(7)15102050759095993.375 1350960784601333189103 初选：Q=400 m3/s CV=0.72 CS=2CV查KP值表得相应于各种频率的模比系数，再由公式QP=QKP求得相应于各种频率的QP值。见频率曲线选配计算表，见表3。绘制频率曲

21、线，见图5 图 5 频率曲线根据频率曲线,由设计标准P=1%查频率曲线,得设计洪峰流量:Q1%=1372 m3/s由校核标准P=0.1%查频率曲线,得校核标准洪峰流量:Q0.1%=1960 m3/s根据典型洪水过程线，按照设计控制历时1天和3天。计算典型洪量:一天典型洪量:W1=57.12×106m3三天典型洪量:W3=89.89×106m3由资料已知设计条件下一天、三天的洪量值:W1,1%=68.6×106m3;W3,1%=103.1×106m3; 由资料已知校核条件下一天、三天的洪量值:W1,0.1%=79.18×106m3;W3,0.1%

22、=119.6×106 m3。计算放大倍比：设计条件下：KQ=Qmp/QmdK1=W1p/W1d=68.6×106/57.12×106K3-1=W3p-W1p/W3d-W1d=(103.1-68.6)×106/(89.89-57.12)×106校核条件下:KQ=Qmp/QmdK1=W1p/W1d=79.18×106/57.12×106K3-1=W3p-W1p/W3d-W1d=(119.6-79.18)×106/(88.89-57.12)×106典型洪水过程放大:将典型洪水过程线各时刻的流量按相应的放大倍比放

23、大，见计算表4，并修匀。即为P=1%的设计洪水过程线和P=0.1%的校核洪水过程线，见表5，并绘制洪水过程线，见图6。 表4 宏原水库P=1%的设计洪水过程线计算表 m3/s时 间典型洪水放大倍比设计洪水时 间典型洪水放大倍比设计洪水057603824025221001054026928341711804228630062602734429030583353524627729110373420482522651233039650235247143053665221222316293352541922021857569056161169208059665814515222100012006011

24、8124241130135662103108261160139264929728860103266828630666799686568324705647043453430634472404236235247 表5 宏原水库P=0.1%的校核洪水过程线计算表 m3/s时 间典型洪水放大倍比校核洪水时 间典型洪水放大倍比校核洪水057703824029521001234026933141712104228635262603204429035783354124627734110373459/5184825231012330459502352891430542452212261162934075419

25、2236185757995616119820805111958145178221000139060118145241130157162103127261160161264921132886011956682101306669266865803247065370435334306425/37672404936235289 P=1%的设计洪水过程线P=0.1%的校核洪水过程线图6 洪水过程线 4. 推求水库防洪特征水位和确定坝顶高程A、泄洪建筑物型式及尺寸溢洪道:实用堰型，净宽40m，堰顶高程与正常蓄水位相同，等于起调水位(防洪限制水位)为70m。B、计算并绘制宏原水库的蓄泄曲线qv宏原水库为无闸

26、溢洪道，堰顶高程与正常蓄水位相同，等于起调水位(防洪限制水位)为70m。堰顶净宽40m，流量系数取为1.6。该水库设有小型水电站，汛期按水轮机过水能力Q电=17m3/s引水发电，尾水再引入渠道进行灌溉，见表6，并绘制曲线见图7。表6 宏原水库qv关系曲线计算表库 水 位（m）170717273747576777879溢洪道堰顶水头H（m）20123456789溢洪道泄流量（m3/s）3064181333512715941118514481728发电流量（m3/s）417171717171717171717总泄流量（m3/s）51781198350529733958120214651745库 容

27、（106m3）663667073778185899398q溢=M1BH3/2=1.6×40×H3/2=64H3/2图7 蓄泄曲线qvC、计算并绘制q_V/t+q/2曲线为提同图解精度，计算中V值取溢洪道堰顶以上的库容。计算时段取t=2小时，计算过程见表7，并绘曲线见图8。表7 宏原水库辅助曲线计算表（t=2h）库水位Z（m）堰顶水头H（m）相应Z库容v106m3堰顶以上库容V 106m3V/tm3/sqm3/sq/2m3/sV/t+q/2m3/s(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)70063001771165227881722696694198997937337

28、2912493501751424744771419445297558118250073228667668421291795747933967778825347212026014073788933041671465799983548611745 图8 q_V/t+q/2曲线D、调洪计算:设计洪水调洪计算过程见表8。根据计算结果，绘制Qt与qt过程线，见图9，确定qmax、V设与Z设表8 宏原水库半图解法P=1%的设计洪水调洪计算表时间t(h)时段数（t=2h)Qm3/s（Q1+Q2）/2m3/sV/t+q/2m3/sqm3/sZm(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)060177021105

29、741842180306327339552843521417110542038624012639640826014736638127316835235928018969052137073201096682819744737422111200108362375241213561278875762613139213741092281410321212111277301579936621050321656492034173444547153618247240859038192524867440202822674464221300291419442230515773817346232912981494

30、3704824265278110234350252472561315320522622323512302985427202287562816910432645829152240603012413821072623110811618064329766616066338691.147683468771347035454501137236429471图9Qt与qt过程线根据Qt与qt过程线的交点的纵坐标数值，可得：qmax=m3/s利用qmax查qV曲线，得V总=.×106m3利用V查ZV曲线,得Z设V设=V总-V堰=.×106-63×106=2.×106m3

31、坝顶高程计算：应考虑设计条件下大坝前波浪高、设计条件下安全超高；已知设计条件下大坝前波浪高为1.5米，设计条件下安全超高为0.7米。故: Z坝设=Z设+1.5+0.7=7.+1.5+0.7=. m校核洪水调洪计算过程见表9。根据计算结果，绘制Qt与qt过程线，见图10，确定qmax、V校与Z校。表9 宏原水库半图解法P=0.1%的校核洪水调洪计算表时间t(h)时间段(t=2h)Qm3/s（Q1+Q2）/2m3/sV/t+q/2m3/sqm3/sZm(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)07017702112388214221051633202651137184412366170105488450232126459122229314742433416840714523581897996031697418201011199592238538221113907977624121571363810557726131612123778281411951302301592640991225321665310613417400312984036