桥涵水文 第四章 设计洪水流量

1、桥 涵 水 文,第四章 设计洪水流量,齐洪亮,设计洪水流量,主要内容,2020/7/1,2,设计洪水流量,第四章 设计洪水流量,设计洪水流量：对应于某一设计洪水频率的洪峰流量，简称设计流量。 设计洪水位：桥位设计计算断面上通过设计流量相应的水位，简称设计水位。 设计流速：设计流量通过时桥位断面的河槽平均流速。,因此，应根据工程实际情况，按国家颁发的有关规范选定合适的设计标准，依此推算设计洪水。 公路工程技术标准（JTJ001）,2020/7/1,3,设计洪水流量,第四章 设计洪水流量,2020/7/1,4,水文统计法,经验公式或推理公式,相关分析,资料多，中等以上流域,小流域,资料较少,地区经

2、验公式,无水文站观测资料,设计洪水流量,4.1 根据流量观测资料推算设计流量,实测资料,经验频率曲线,理论频率曲线,但是，由于洪水观测年限与总体相比差之甚远，经验频率点群分布并不是一条光滑的连续曲线；而由三个参数确定的皮尔逊型理论频率曲线，抽样误差也比较大，从而使由计算参数得到的皮尔逊理论频率曲线，与经验频率点群偏离较大，即两者配合不是很好，因此必须采用某种方法来确定合适的统计参数，使两者拟合最好。 通过调整统计参数CS、CV，选择一条与经验频率曲线点群拟合最好的理论频率曲线，这种方法叫适线法。,2020/7/1,5,设计洪水流量,4.1 根据流量观测资料推算设计流量,一、适线法的步骤 将审核

3、过的水文资料按递减顺序排列，计算各随机变量的经验频率，并点绘于概率格纸上。 计算统计参数：均值、CV，假定CS=m CV，在我国一般取 m=24。 确定线型，根据均值、CS、Pi查表计算确定理论频率曲线的纵坐标，绘制理论频率曲线。 观察理论频率曲线与经验频率曲线的符合程度，反复调整统计参数，直到两者符合得最好为止，即可确定统计参数均值、CV和CS的采用值及采用的理论频率曲线。,2020/7/1,6,设计洪水流量,4.1 根据流量观测资料推算设计流量,任务一： 现在需要在湘江支流潇水某兰花镇附近建设一座中型桥梁。根据规范的要求，该水库设计标准之一是：能够抵御五十年一遇的洪水。你作为设计人员，该如

4、何完成任务？,2020/7/1,7,1、来到潇水建桥地点河流断面附近水文站，索要或者购买建站以来的水文特别是洪水数据。你特别幸运，水文站对你很友好，将建站以来供24年（1980年2003年）的数据都提供给你了。 2、分析这些数据的准确性、一致性与代表性 3、频率计算（水文频率计算适线法），见下表。均值为：5084m3/s，Cv0.4。,设计洪水流量,4.1 根据流量观测资料推算设计流量,2020/7/1,8,设计洪水流量,4.1 根据流量观测资料推算设计流量,按照初始计算值绘出相应的理论频率曲线，如下图。,2020/7/1,9,由图可知：上、下部拟合不佳， 需顺时针旋转，即增大Cv,设计洪水流

5、量,4.1 根据流量观测资料推算设计流量,调整参数：第二次配线，均值5084、Cv0.5、Cs=0.8，曲线较为平坦，底部拟合不够好； 第三次配线，均值5084，Cv0.5、Cs=1.5，见下图。,2020/7/1,10,设计洪峰流量推求 ： T=50年，P=2%，查图得出相应洪峰流量为12000m3/s 。,设计洪水流量,4.1 根据流量观测资料推算设计流量,二、资料中特大值的处理（特大洪水处理） 特大洪水：在实测期、调查期或者文献考证期内，流量显著大的洪水称为特大洪水。 特大洪水可以出现在实测期、调查期或者文献考证期，出现在调查期或者文献考证期的特大洪水往往是不连续的，因此不能与一般洪水同

6、等对待，需要进行单独处理，即所谓的特大值处理。,2020/7/1,11,设计洪水流量,4.1 根据流量观测资料推算设计流量,三、为什么要考虑特大洪水 目前我们所掌握的样本系列不长,系列愈短,抽样误差愈大, 若用于推求千年一遇、万年一遇的稀遇洪水,根据就很不足。如果能调查到N年(Nn)中的特大洪水,就相当于把n年资料展延到了N年,提高了系列的代表性,使计算成果更加合理、准确。等于在频率曲线的上端增加了一个控制点。,2020/7/1,12,设计洪水流量,4.1 根据流量观测资料推算设计流量,三、为什么要考虑特大洪水 1955年规划河北省黄壁庄水库，有1919-1955年期间20年实测洪水资料，推求

7、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。 通过调查，1794、1853、1917和1939年出现4次特大洪水，同时将1956年洪水和历史调查洪水作为特大值处理，千年一遇设计洪峰 Qm=22600m3/s。 1963年又发生了一次大洪水，洪峰流量为12000m3/s，若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。,2020/7/1,13,设计洪水流量,4.1 根据流量观测资料推算设计流量,特大值处理时，目前国内有独立样本法

8、和统一样本法两种方法。 资料条件：设有a年特大洪峰流量资料Qmi（i1，2，a），其中可能有项实测大洪水；n年实测洪峰流量资料Qmj（j1，2，n）。,2020/7/1,14,假设： N 历史调查期年数； n 实测系列的年数； 为n年中的特大洪水项数； a 为N年中能够确定排位的特大洪水项数(含资料内特大洪水 项)； m 为实测系列在n中由大到小排列的序号，m+1，+2，.，n； Pm 实测系列第m 项的经验频率； PM 特大洪水第M 序号的经验频率，M1，2，.，a。,设计洪水流量,4.1 根据流量观测资料推算设计流量,2020/7/1,15,设计洪水流量,4.1 根据流量观测资料推算设计流

9、量,2020/7/1,16,1.独立样本法 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。,设计洪水流量,4.1 根据流量观测资料推算设计流量,2020/7/1,17,设计洪水流量,4.1 根据流量观测资料推算设计流量,2020/7/1,18,【例】 某水库坝址处具有19681995年共28年实测洪峰流量资料,通过历史洪水调查得知,1925年发生过一次大洪水，坝址洪峰流量6100 m/s，实测系列中1991年为自1925年以来的第二

10、大洪水,洪峰流量4900 m3/s。按独立样本法计算经验频率。,历史调查洪水的重现期为N=1995-1925+1=71年 实测洪水样本容量n=1995-1968+1=28年,设计洪水流量,4.1 根据流量观测资料推算设计流量,2020/7/1,19,2.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：,设计洪水流量,4.1 根据流量观测资料推算设计流量,2020/7/1,20,实测系列中其余的(n-l)项,假定均匀地分布在第a项频率以外的范围内,即1-Pma 。先将 n l 项在 0 1内计

11、算经验频率：,设计洪水流量,4.1 根据流量观测资料推算设计流量,2020/7/1,21,设计洪水流量,4.1 根据流量观测资料推算设计流量,2020/7/1,22,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。,设计洪水流量,4.1 根据流量观测资料推算设计流量,2020/7/1,23,算例：某站自19351972年的38年中，有5年因战争缺测，其中1949年为最大，并考证应从实测系列中抽出作为

12、特大值处理。另外，查明自1903年以来的70年间，为首的三次大洪水，其大小排位为1921、1949、1903年，并能判断在这70年间不会遗漏掉比1903年更大的洪水。同时，还调查到在1903年以前，还有三次大于1921年的特大洪水，其序位是1867、1852、1832年，但因年代久远，小于1921年洪水则无法查清。试分别用独立样本法和统一样本法估算各项洪水的经验频率。,设计洪水流量,4.1 根据流量观测资料推算设计流量,2020/7/1,24,独立样本法,1852年,1832年,1921年,1867年,解：据调查从18321972年，调查期N2141年,设计洪水流量,4.1 根据流量观测资料推

13、算设计流量,2020/7/1,25,独立样本法,1949年,1903年,1921年 已被抽到上面排序,据调查期从19031972，有调查期N170年,设计洪水流量,4.1 根据流量观测资料推算设计流量,2020/7/1,26,独立样本法,1940年,1968年,1949年 已被抽到上面排序,另外，实测期n33年,.,.,设计洪水流量,4.1 根据流量观测资料推算设计流量,2020/7/1,27,统一样本法,1852年,1832年,1921年,1867年,解：据调查从18321972年，调查期N2141年,设计洪水流量,4.1 根据流量观测资料推算设计流量,2020/7/1,28,据调查期从19

14、031972，有调查期N170年,统一样本法,设计洪水流量,4.1 根据流量观测资料推算设计流量,2020/7/1,29,另外，实测期n33年,统一样本法,.,设计洪水流量,4.1 根据流量观测资料推算设计流量,2020/7/1,30,设计洪水流量,4.1 根据流量观测资料推算设计流量,2020/7/1,31,对于一个不连续系列，若在调查期N年内，有a个特大值，其中 l个发生在实测期n年内，假定（N-a）年内流量的均值及分布规律与（n-l）年内的分布规律相同。则：,设计洪水流量,4.1 根据流量观测资料推算设计流量,对于不连续的年最大流量系列，其统计参数的最后确定，仍是应用适线法最适宜。以上计

15、算的均值和变差系数，作为初试值。适线法的基本步骤与连续系列相同。,2020/7/1,32,设计洪水流量,4.2 根据地区经验公式推算设计流量,1979年4月，在交通部公路规划设计院主持下，28个省(自治区)的交通厅和3个部属设计院参加，根据全国1785个水文站的观测资料，2198站年的历史洪水调查资料，制定了我国公路大中桥流量经验公式汇总报告。报告中把全国分为111个分区，分区图见图4-2-1。制定了3个表即： 全国水文分区流量计算参数表 全国水文分区Cv值表 全国水文分区CSCv经验关系表,2020/7/1,33,设计洪水流量,4.2 根据地区经验公式推算设计流量,全国水文分区流量计算参数表

16、,2020/7/1,34,设计洪水流量,4.2 根据地区经验公式推算设计流量,一、全国水文分区流量计算参数表,2020/7/1,35,设计洪水流量,4.2 根据地区经验公式推算设计流量,二、全国水文分区Cv值表,2020/7/1,36,设计洪水流量,4.2 根据地区经验公式推算设计流量,三、全国水文分区CSCv 值表,2020/7/1,37,设计洪水流量,4.2 根据地区经验公式推算设计流量,四、以上各表的使用,五、使用范围 一般用于流域面积F小于50000km2的中等流域的桥位。首先在地图上勾绘出桥位以上的流域面积F，视流域大部分在哪一分区中(图4-2-1)，就可采用该分区公式。,2020/

17、7/1,38,设计洪水流量,4.2 根据地区经验公式推算设计流量,2020/7/1,39,设计洪水流量,习题作业,1.,2. 在陕北窟野河区，桥位上游流域面积为250Km2，计算其桥位断面Q5%的流量。,2020/7/1,40,设计洪水流量,4.3 推理公式和经验公式,公路沿线跨越的小河、溪流、沟壑等都是属于小流域。小流域洪水暴涨暴落，历时短，很少能留下明显的痕迹，往往又不会引起人们的注意，难以调查到较为可靠的历史洪水资料，且一般没有水文站的观测资料。实际工作中小流域河流上的桥梁和涵洞及路基排水系统的设计，一般由暴雨资料来推求。流量计算多采用推理公式或经验公式。,2020/7/1,41,设计洪

18、水流量,4.3 推理公式和经验公式,（一）概述 某一设计频率的洪水流量计算，根据资料类型的不同，一般有两种主要方法： 1、如果有直接观测的当地流量的多年资料（附近有水文站而且观测多年），可以根据流量资料来推求； 2、没有直接观测的多年资料，但是有当地以上流域的暴雨资料以及暴雨与流量之间的关系函数知识，那可以利用设计暴雨资料来推求设计洪水流量（推理公式法、经验公式法）。,2020/7/1,42,设计洪水流量,4.3 推理公式和经验公式,（二）产汇流模型 1、产流过程：降雨扣除损失后形成净雨，从降雨到净雨的过程为产流过程。 2、汇流过程：坡面出现径流以后，从流域各处汇集到流域出口河流断面的过程。

19、3、汇流时间：从流域最远点到出口断面的时间，用表示。 4、假设：1）同频率的暴雨产生同频率的洪水； 2）在流域上降雨强度是均匀的； 3）洪峰流量（在同样降雨强度下）与集雨面积成正比。,2020/7/1,43,设计洪水流量,4.3 推理公式和经验公式,由暴雨资料推求设计洪峰是以降雨形成洪水的理论为基础的。按照暴雨洪峰的形成过程，推求设计峰可分三步进行： 推求设计暴雨，求不同历时指定频率的设计雨量及暴雨过程； 推求设计净雨，设计暴雨扣除损失就是设计净雨； 推求设计洪水，对设计净雨进行汇流计算，得流域出口断面的设计洪水。,2020/7/1,44,设计洪水流量,4.3 推理公式和经验公式,水文循环,流

20、域汇流,2020/7/1,45,设计洪水流量,4.3 推理公式和经验公式,一、基本概念,暴雨强度公式：暴雨强度、历时及累积频率三者关系的数学模型 if(t，P)，称为暴雨强度公式。它用以反映实测点雨量资料的暴雨特性，也是一种地区性较强的经验公式。 i时段平均暴雨强度； Sp雨力，相当于t=1h 的平均雨强，mm/h； n降雨递减系数，t1h时n=n1, 6h t1h时n=n2,t6h时n=n3,2020/7/1,46,设计洪水流量,4.3 推理公式和经验公式,一、基本概念,暴雨形成洪峰：小流域的特点是面积小、汇流历时短，形成洪峰流量最不利情况只是数小时的短历时暴雨。因此可假定暴雨强度在全流域内

21、分布均匀，时空分布变化不大，并可利用点雨量资料。产生洪峰流量的主要因素是暴雨强度I与流域面积F，设计洪水以“峰”控制，洪峰流量计算的计算式可写成：,K为单位换算系数水文学中，Q、i、F的惯用单位有两类，因此K有两种取值。,2020/7/1,47,设计洪水流量,4.3 推理公式和经验公式,二、推理公式,公式基本形式：,Qp频率为p%的流量（m3/s） K单位换算系数0.278 频率为p%的平均净雨强度（mm/h） F流域面积（km2）,净雨量的推求：,降雨量乘以洪峰径流系数，以表示； 降雨量减去雨损（mm/h）,2020/7/1,48,设计洪水流量,4.3 推理公式和经验公式,二、推理公式,公式

22、基本形式：,1、水科院公式（1958年）,洪峰径流系数，与流域汇流时间、面积、入渗率，降雨衰减系数有关的一参数 K单位换算系数，取0.278,2020/7/1,49,设计洪水流量,4.3 推理公式和经验公式,二、推理公式,2、交通部公路科学研究所公式（1980年）,Qp频率为p%的流量（m3/s） Sp设计频率p%的雨力（mm/h），查图表获得 降雨损失参数（mm/h）,北方地区：,南方地区：,2020/7/1,50,设计洪水流量,4.3 推理公式和经验公式,三、经验公式,公式1,Sp、 F同前； C、3系数，查表4-3-6。,公式2,Sp、 、F同前； 地貌系数，查表4-3-5； m、2指数

23、，查表4-3-5。,2020/7/1,51,设计洪水流量,4.3 推理公式和经验公式,四、公式使用范围,交通部制定的推理公式和经验公式：流域面积小于100km2的小河沟； 水科院的推理公式：对于多雨湿润地区，流域面积一般在300km2至500km2以下；干旱地区为100km2至200km2以下。,2020/7/1,52,设计洪水流量,4.3 推理公式和经验公式,五、公式的应用,解： 1、求雨力SP 查图4-3-1雨力SP等值线图（P=1%） 以桥涵的地理位置（经纬度）查本图，可线性内插。 对本图，可在图4-3-4 n值分区图上获得大致的经纬度经度90-100,纬度40。 查图得SP=50mm/

24、s,2020/7/1,53,设计洪水流量,4.3 推理公式和经验公式,五、公式的应用,2、求降雨损失参数 北方： 查表4-3-2， K1、1,K1 = 0.65 1= 0.82,2020/7/1,54,设计洪水流量,4.3 推理公式和经验公式,五、公式的应用,3、求流域汇流时间 北方地区： L=13Km，I=8，K3和1通过查表4-3-4获得：,汇流时间和系数指数,2020/7/1,55,设计洪水流量,4.3 推理公式和经验公式,五、公式的应用,4、求暴雨衰减指数n 首先由图4-3-4查n值的分区，得分区为类地区； 然后查表4-3-1 1h=1.83h 6h，取n2=0.76,2020/7/1,56,设计洪水流量,4.3 推理公式和经验公式,五、公式的应用,SP=50mm/s,n=0.76,F=95km2,2020/7/1,57,设计洪水流量,4.4 桥位断面设计流量水位推算,一、桥位断面设计流量计算,设计流量往往是利用水文站观测资料或洪水调查资料推算，其流量是根据水文站的观流断面或桥位附近的形态断面计算而得，因而需要换算到桥位断面 。 1、如果水文站测流断面或形态断面距离桥位断面很近，流域面积相差不超过5%时，则推算的设计流量可以不必换算，而直接作为桥位断面的设计流量。,2020/7/1,58,设计洪水流量,4.4 桥位