设计洪水与设计水位推算方案.ppt

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1、桥涵水文Hydrology of Bridge and Culvert第四章设计洪水与设计水位推算,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法第二节 根据洪水调查资料推算（略）第三节 根据暴雨资料推算（略）第四节 小流域设计洪水第五节 设计洪水位的推求,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。本章主要任务在于确定桥梁基本尺寸(桥孔长度、桥面标高、墩台埋深)所依据的桥位河段的水文要素，即在桥渡设计使用期内可能出现的控制洪峰流量(设计流量)及其相应的

2、水位(设计水位)。,设计洪水：在道路桥涵规划、设计中所指定的各种设计标准的洪水。设计水位：在规定的桥涵设计洪水频率标准下的水位加上根据河流具体情况，即考虑壅水高度、浪高、水拱、河湾超高、凹岸超高、局部股流涌高和桥墩冲高等影响的高度后的水位。,桥涵工程依据：交通部颁布的公路工程技术标准（JTJ B01-2003）公路工程水文勘测设计规范（JTG C30-2002）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

3、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。,设计洪水的计算途径1、由实测流量资料推求；2、由洪水调查资料推求；3、由暴雨资料推求。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。,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,一、资料的选样与审查水文资料：桥位

4、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。1、选样年最大值法：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。年超大值法：观测年数较少时采用。,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,一、资料的选样与审查2、审查资料可靠性：资料的正确与否资料一致性：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资料代表性：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资料独立性：水文资料彼此无关,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,一、资料的选样与审查3、资料的插补与延长（

5、1）寻找参证站：采用水文统计方法推算设计流量时，如桥位附近水文站流量观测资料的观测年限较短或有缺失年份，则应尽量利用参证站(上、下游或邻近流域内的水文站)的观测资料，进行插补和延长，来提高可靠性。（2）用暴雨资料插补洪峰资料 插补和延长年数不宜超过实测洪水流量的年数，并应结合气象和地理条件作合理性分析。,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,二、设计洪峰流量的推求,连序系列：即从大到小排位，序号是顺位连续排列的系列。如：实测系列不连序系列：特大洪水加入系列后称为不连序系列，即从大到小排位，序号不连续，其中一部分属于漏项、缺项位，其经验频率和统计参数计算与连序系列不同。,第一节 有观测资料的

6、设计洪水流量推算方法,二、设计洪峰流量的推求,（1）连序系列,选取样本，一般采用“年最大值法”选取样本；绘制经验频率曲线；用适线法绘制理论频率曲线，并选定三个统计参数；用选定的三个统计参数计算设计洪水频率相应的设计流量；审查计算结果。参照统计参数的地区经验值，审查所选定参数值，并用其他方法推算设计流量，进行对比。,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,（2）不连序系列,在水文站观测年份内，如果河流发生特大洪水，相应地就会出现特大值。通过洪水调查和文献考证，往往也会获得特大值。这些特大值与其它数值之间有显著的脱节现象，是不连续的。在统计计算中，不能把这些特大值与其它数值等同看待，需要进行适当

7、处理，即所谓特大值的处理。,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,什么是特大洪水？至今人们对特大洪水还没有一个明确的量的定义。在概率格纸上，它的频率点与一般洪水的频率点有明显的脱节、不连续现象。在历史洪水中、在实测洪水中都有可能出现特大洪水，需提出作单独处理。,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,（2）不连序系列,（2）不连序系列,为什么要进行特大值的处理？通过特大值处理，可以延长系列资料，增强系列的代表性，减少各参数值的抽样误差，从而提高计算成果的稳定性和可靠性。一般同时采用三种来源的资料：水文站观测资料、参证站插补和延长资料、调查洪水和文献考证资料。,第一节 有观测资料的设计洪水

8、流量推算方法,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。,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,不连续系列的经验频率计算,x,P(%),100,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,【例】某站自1930年至1978年有49个年头的连续实测资料，另外还调查到1903年和1921年两个历史洪水资料，另知三个历史洪水流量的排序,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,解：(1)取1903年到1978年N=76

9、年作为一个系列。根据调查考证，认为在此期间不会遗漏大于等于1903年的洪水流量。那么在76年为首的三项的频率为：(2)另取1930年-1978年n=49年作为一个系列，按大小排队，各项频率为：对于两个系列中都有的1949年流量，一般来说选取时期较长的系列所推算的经验频率。,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,2）统一样本法：将实测系列和特大洪水系列共同组成一个不连续系列，在考证期(或调查期)内统一进行排队。,(1)若在实测系列n年之内，有 个特大洪水，而在系列之外又调查到在N年中有 个历史洪水，则在N年中为首的a个特大洪水可以按大小顺序排,然后按维泊尔公式求频率。(2)实测系列中所余下的

10、项只有 个，它们作为总体中抽出来的样本，是有条件的，属于条件抽样，其频率为：,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,一般洪水的经验频率为:,x,P(%),100,PMa,最后一项的经验频率：,剩下Na 项的频率范围为：1-PMa，而实际只知n-a2 项。先将 n-a2项在 0-1 内计算经验频率：,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,x,P(%),100,PMa,然后按（1-PMa）为比例缩小，并接到 PMa 之后，最后得：,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,解：(1)在实测系列n=49中有1个特大洪水在实测期以外，又调查得到两个历史洪水所以：在N=76年中的序位是M=1，2

11、，3有：(2)而在实测资料的49年中，因抽出1949年的流量后，尚余48项，各项的经验频率为：,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,两种方法的比较：第一种显得方便，但没有坚强的理论基础，有时会出现经验频率分布重叠的不合理现象。第二种方法理论基础强，但所要求调查的特大洪水个数要准确可靠，而这一点在有些情况下是不易做到的。当有特大洪水遗漏时，将导致错误的计算结果。以上两种估算频率的方法已为水利电力工程设计洪水计算规范SD 122-79所采用。,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,不连续系列的统计参数计算,假定：缺测年份中的各最大值的平均数与连续n年内除特大值之外的其它最大值的平均数及均

12、方差均相等。,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,N年系列的均值为：,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,N年系列的CV值为：,由：,由此可证明：,即：,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,三、成果合理性检查及安全保证值对水文计算的结果，可按下述的途径进行合理性检查：1.从洪峰及其参数随时间变化关系上分析2.从洪峰及其参数的地区分布规律分析3、设计洪峰流量与国内外或地区最大洪水记录对比4、与暴雨计算成果比较,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,【例3-16】某河水文站实测年最大洪峰流量资料30 年，历史特大洪水2年，调查考证期N

13、=102 年。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：a1=2，N=102 一般洪水：n=30，a2=0 统一样本法计算结果见下表。,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,某河洪峰流量经验频率计算（a=2）,2、参数估计 矩法,调整参数，最后采用：,适线法初试取：,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,3、求设计值T=200年，P=0.5%，CV=0.80，CS=3.5CV=2.8 查表，得桥位断面设计流量：,第一节 有观测资料的设计洪水流量推算方法,第二节 根据洪水调查资料推算,洪 水 调 查 表,洪水编号：洪1,调查时间：,第三节 根

14、据暴雨资料推算,第四节 小流域设计洪水（无观测、无考证、无调查）,1）1958年水利科学研究院水文研究所推理公式,1.推理公式,注意：暴雨推理公式中的参数和指数采用各地区编制的暴雨径流图表值。,2）、径流简化公式,式中，：地貌系数；与流域面积、地形、主河道比降有关；h：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。,2、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，C：经验指数和经验系数，随地区和频率而变，可查各省

15、的水文手册或设计手册。,地区经验公式 1979年，交通部公路规划设计院组织全国各省市交通厅局利用1785个水文站点资料汇总分析，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，制定了（1）全国水文分区流量计算参数表（2）全国水文分区Cv值表（3）全国水文分区Cs/Cv经验关系表。,1、全国水文分区流量计算参数表在此表中，给出了111个分区的三项资料：i)平均流量（年最大流量系列的均值）ii)频率P=2%的流量iii)Q1%/Q2%，根据此值，可由Q2%算出Q1%2、全国水文分区Cv值表表中给出111个分区流域面积从100平方公里到5万平方公里范围内的Cv值，或者建议采用

16、Cv等值线取值，其等值线可从相关水文手册获得。从表中Cv值可以看出，流域面积越大，Cv值越小。3、全国水文分区Cs/Cv经验关系表,全国水文分区流量计算参数表,计算方法：由全国水文分区流量计算参数表：计算 查表（表3-2-2）查表（表3-2-3）,使用范围：一般用于流域面积小于50 000k的中等流域的 桥位。使用方法：首先在地图上勾绘出桥位以上的流域面积F，视 流域大部分在哪一个分区中，就可采用该分区 公式。,第五节 设计洪水位的推求,设计流量往往是根据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测流断面或桥位附近的形态断面计算而得，与桥位断面通常是不重合的，因而需要换算到桥位断面

17、的流量或水位。,水文测站，形态断面距桥位断面很近，流域面积相差5%时，可以直接采用测站或形态断面处的设计流量，不用换算。水文站或形态断面与桥位断面的流量相差小于10%时，可直接采用测站或形态断面处的设计流量，不必作换算。当流域面积相差不超过20%，可按下式换算:,当流域面积相差超过20%，按上式计算的结果误差较大，应结合实际情况，从多方面比较后确定。,复习,第一章 概述（了解）水文学？桥涵水文学？桥与水的关系？桥涵水文学的研究内容及意义第二章 河川径流（理解）河川水文现象的特点与桥涵水文的研究方法河流形态与河流水情河流的泥沙运动与河床演变,复习,第三章 水文统计基本原理和方法（熟练掌握）水文经

18、验频率曲线水文理论频率曲线水文频率计算适线法,复习,第四章 设计洪水与设计水位推算（熟练掌握）有观测资料的设计洪水流量推算方法小流域设计洪水（缺少或无观测资料）,例：某桥位附近有水文站，能搜集到20年连续的流量观测资料，通过洪水文献考证知，从1784年至1982年期间，曾有8年发生过较大洪水。其中：1880年、1948年和1955年能调查到历史洪水位，可推算得洪水流量；1975年在实测期内，有实测资料；其余4年未能获得流量资料，只知1784年洪水大于1880年，另3年洪水均小于1948年，试求洪水流量Q1%。关键词：考证期、调查期、实测期、经验频率、经验频率曲线、理论频率曲线 重点参数和公式：

19、Q、CV、CS、P 曲线和公式 QP%=Q(1+PCV)解：1，经验频率分析方法：（1）独立样本法：可分为3个独立系列：1)考证期（1784年1982年）N2为199年，1784年洪水频率为：P1/(N+1)=1/200=0.5%；2)调查期（1880年1982年）N1为103年，包括1880年、1948年、1955年和1975年（在实测期内）4个特大值。频率分别为：P=M/(103+1),M取1、2、3、4。3)实测期（1963年1982年）n为20年，频率为：P=m/(n+1),m取1、2、3、20，其中1975年为特大洪水，则a2=1。,（2）统一样本法：在考证期内199年中各流量统一排

20、位：考证期：N199年，,M=1,1784年的流量,调查期:n=103年，a14，包括1880年、1948年、1955年和1975年 的特大洪水。a21，即1975年洪水。实测期：n=20年，包括特大值1975年流量，应在调查期内按特大值排位。水文 站观测资料只有20年，年限较短，代表性不强，采用第二种方法的计算结果。,1955,1975,1948,1880,1784,1963,实测期n=20,调查期N1=103,考证期N2=199,经 验 频 率 计 算 表,2,点绘经验频率曲线：将经验频率点群点绘于海森几率格纸上，目估通过点群分布中心，并兼顾到特大值作曲线，得到经验频率曲线。3，适线中重点

21、参数的求算：（1）,应用3点适线法确定统计参数 Q、CV和 CS。在经验频率曲线上读 P5%,P50%,P95%所对应的流量得 Q5%=3210 m/s(Q1)、Q50%=1750 m/s(Q2)、Q95%=970 m/s(Q3)公式：S(Q1+Q3-2Q2)/(Q1-Q3）S（312097021750）/（3120970）0.274 查表得：CS0.99，并知，当CS0.99时，P15%,1=1.88 P2=50%,2=-0.16,P3=95%,3=-1.32 公式：Q=(Q3 1 Q1 3）/（1 3）9701.883120（1.32）/1.88（.32）1857 m/s 公式：CV（Q1

22、Q3）/(Q3 1 Q1 3）0.36,4，作理论频率曲线、适线、推求设计流量（1）作理论频率曲线、适线：以Q=1857 m/s、CV 0.36、CS0.99 选取P1%、295各频率并查表得各对应的P值，根据 P 曲线公式：QP%=Q(1+P CV)求得:作理论频率曲线:QP%=1857*(1+0.36P)各P%频率对应的流量QP%如下表 表中 KP=(1+P CV),将各频率P%和对应的流量QP%点绘于海森几率格纸上，检测理论曲线和经验曲线的符合状况，若符合很好，则该理论曲线即为所求，否则调整CV值后重复以上过程重新适线，直至两线符合很好为止，再利用最终的理论曲线参数再推求设计流量。（2）

23、推求设计流量：利用P 曲线公式并查各表得设计频率1,计算可得设计流量Q1,即：Q1Q(1+1CV)=3863 m/s 经验频率计算及经验频率曲线、理论频率曲线见下图,1000,2000,3000,4000,5000,6000,7000,8000,1,5,10,20,30,40,50,60,70,80,90,95,100(%),.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,到此，我们告别了数理统计学繁杂的数学公式 即将进入桥涵水力学计算部分，请大家把你的 流体力学书拿出来吧大中桥孔径计算（桥涵水力计算）桥梁墩台冲刷计算（桥涵水力计算）小桥与涵洞孔径计算（桥涵水力计算）,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,