新工程水文及水利计算课程设计指导书

千公水库除险加固设计水文计算

一基本资料

1、设计资料

1.1 流域概况

千公水库位于岳阳县饶村乡东山村境内，坝址距饶村乡5km，距岳阳县14Km。所在河流为新墙河水系沙港河。千公水库集水面积为1.1km2。库区内是中低山区，植被较好、降雨丰富，灌区为池塘、农田，植被较差。    

千公水库集雨面积0.27km2，干流长度0.70km，干流平均坡降为14%。

千公水库流域未设入库水文站，水库未开展任何水文水情观测；仅有断断续续的水位及雨情观测，并且其观测资料极不完整，不能满足规范要求。故该水库洪水复核按无资料地区对待。

1.2 气象

千公水库地处饶村乡饶村，所在河流为新墙河。水库总集雨面积为0.27Km2，水库无水站，水文资料引用岳阳毛田站实测长系列降雨资料。

新墙河流域地处中亚热带向北亚热带的过渡地带，属性季风湿润气候，四季分明，湿润多雨，具有春温变幅大，初夏雨水多，伏秋天热易旱，冬季严寒不多的特点。冬季多为西伯利亚干冷气团控制，具有严寒期短，无霜期长；夏季为低纬海洋暖湿气团所盘据，温高湿重。夏季之交，流域正处在冷暖气流交汇的过渡地带，形成阴湿多雨的梅雨天气。4月～6月为主汛期，大洪水主要集中在5月～7月。

1.2.1气温

根椐岳阳县气象站观测的气象站资料统计，多年平均日照时间在1813.8小时以上，多年平均气温为16.6℃，历年日平均最高气温为29.3℃，历年日平均最低气温为4.3℃，极端最高气温为39.35℃，极端最低气温-11.7℃

1.2.2降水

根据岳阳县气象站观测的气象站资料统计，多年平均降水量1450.0mm，降雨年内变化较大，分布不均，4月～6月为主汛期，大洪水主要集中在5月～7月。

1.2.3蒸发

根据岳阳县气象站观测的气象站资料统计，多年平均蒸发量为1268.2mm.

1.2.4风

最大瞬时风速28m/s，多年平均最大风速为14m/s，风向为西北风.

1.2.5径流

千公水库库区径流主要由降雨形成，根据气象资料分析，多年平均降雨量1450.0mm，多年平均径流系数0.51，多年平均径流深739.5mm，多年平均入库水量19.97万m3。

1.3 工程等级与洪水标准

千公水库总库容为万m3。根据《防洪标准》（GB50201-94）和《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000），确定该工程等别为Ⅴ等、小（2）型，其主要建筑物级别为5级，次要建筑物级别为5级，临时性建筑物为5级。

水库担负着下游380亩耕地、1800多人口的防洪保安任务，垮坝后受灾的范围和破坏程度较大，因此水库大坝防洪标准洪水重现期为30年一遇设计，300年一遇校核；溢洪道消能防冲工程防洪标准设计洪水重现期为20年。

1.4 洪水

千公水库所在的河流没有水文站，建库后水库管理所也没有开展入库流量观测，为无资料地区，没有实测的水文气象资料，因此本次洪水计算采用无资料暴雨推求洪水，计算方法按湖南省水利厅1984年编制的《湖南省暴雨洪水查算手册》进行计算。

新墙河洪水由暴雨形成，洪水时空变化特性与暴雨特性一致。4月～6月为主汛期，大洪水主要集中在5月～7月。新墙河属典型的山溪河流，洪水陡降陡落。

2．设计任务

2.1除险加固项目

本工程除险加固设计项目包括：

（1）对大坝坝体、坝基、坝肩进行防渗处理。

（2）对大坝上游坝坡进行砼预制块护坡。

（3）对大坝下游坝坡进行整形护坡，下游坝趾新修排水棱体。

（4）加高溢洪道进口段、控制段、泄槽段边墙，加固底板，出口新建消力池。

（5）输水涵封赌新建输水隧洞。

（6）完善大坝安全监测设施，改造通讯设施。

（7）按有关标准建设管理所。

2.2设计任务

对千公水库进行除险加固，因而要进行水库的工程水文及水利计算，其具体任务是：

1. 由设计暴雨推求设计净雨；

2. 由于设计净雨推求设计洪水；

3. 洪水复核结果的合理性检查和洪峰模数的计算；

4. 调洪演算；

5. 根据调洪演算推求各种洪水特征水位。

二、设计提纲

1.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。

2.设计暴雨

根据千公水库的地理位置和集雨面积，从《湖南省暴雨洪水查算手册》图一中查得该流域属暴雨一致区第一区，从图三“年最大24h点雨量均值等值线图”查得该流域中心最大24h点雨量均值，查图四得统计变差系数Cv，Cs=3.5Cv，利用《湖南省暴雨洪水查算手册》求得千公水库流域内的频率暴雨.

①300年一遇点暴雨和面暴雨

②30年一遇点暴雨和面暴雨

③20年一遇点暴雨和面暴雨

暴雨的时程分配，参照《查算手册》推荐的公式计算，

最大1～6小时净暴雨的时程分配公式为：

最大6～24小时净暴雨的时程分配公式为：

上述二式中:Ht——1～24小时内任一时段的暴雨量；

n2、n3——依地理位置、集雨面积及降雨量而变的参数；

t——对应Ht的时间。

             设计暴雨参数及成果表          表2.4-1

本次设计利用《湖南省暴雨洪水查算手册》推求设计洪水。设计洪水过程包括地面径流过程和地下径流过程，地面径流过程采用径流分配系数法推求，地下径流过程采用三角形法推求。

参照《查算手册》φ值表（十一），重现期300年、30年、20年地面径流占总径流的比值分别取0.78、0.75、0.75，各频率的地面洪峰流量和汇流时间是根据地理参数θ、汇流参数m及可以利用汇流公式:

汇流公式中：Qm——地面最大净峰流量（m3/s）；

F——集雨面积（km2），为0.27km2；

Rt/t——地面径流强度；

t——汇流时间（h）；

L——流域干流长度，0.70km；

J——干流平均坡降，14%；

m——汇流参数

将有关数据代入汇流公式，求得西湖水库的地面洪峰流量、汇流时间及其它有关参数如表。

设计洪水参数表           

入库洪水过程线由地面径流过程线与地下径流过程线叠加而成，地面径流过程按径流分配系数法推求，地下径流过程按等腰三角形关系推求，由此而得的入库洪水过程线。

4. 洪水复核结果的合理性检查

《湖南省暴雨洪水查算手册》编制于八十年代初期，近20年，特别是九十年代，不少地域发生的暴雨资料没有参编，因此，有必要根据近期相关统计资料对本次计算成果进行合理性检查。

5.洪峰模数

根据查算得千公水库重现期为30年的洪峰模数为13.14m3/s.km2（4.60/0.35），与水库所在区域的同频率统计资料计算洪峰模数比较，属合理。

6.近区同频率24小时点暴雨值对比检查

千公水库位于桃林站与公田站站之间的丘陵区，根据湖南省水文局1998年编制《湖南省暴雨洪水特征重现期查算手册》查算，重现期为30年的公田站与桃林站的24小时点暴雨值分别为216.62mm和260.93mm。本次计算西湖水库重现期为30年的点暴雨H24点=247.53mm处于二者之间，属于合理.

三.调洪演算

1调洪演算的基本原则

根据千公水库的实际情况，此次调洪演算的起调水位为正常蓄水位79.08m, 当入库洪水流量大于溢洪道的泄流能力时，库水位上涨，水库滞洪；至入库洪水流量等于溢洪道的泄流能力时，水库水位达到本次复核洪水的最高水位；随后，入库洪水流量小于溢洪道泄流能力，库水位下降。为水库安全起见，调洪演算时水库出库流量只计溢洪道的泄流能力，其他放水设施均不参与泄洪。

2调洪演算方法、水位～容积、水位～下泄流量

2.1方法

调洪演算采用试算法。根据水量平衡原理，调洪演算基本方程：

式中：、——时段始末的入库流量（m3/s）；

、——时段始末的出库流量（m3/s）；

、——时段始末的水库库容（万m3）；

——计算时段；

i——时段编号。

2.2水位～容积关系

千公水库库区植被较好，库区各支流入库口均无淤积现象，本次洪水复核仍采用千公水库管理所提供的水位～库容曲线,在程序计算中以数值方式输入，程序中用线性插值以水位求面积值。水库的水位与库容关系见下表，

2.3水位～下泄流量关系

千公水库溢洪道溢流堰堰型为宽顶堰，其泄流量根据公式：

式中：Q—流量，m3/s；

m—流量系数，M2 =0.32；

B—堰顶宽度，B；

水库的水位与库容、水位与下泄流量关系见表。

水库水位与库容关系    

入库洪水过程根据《查算手册》采用推理公式和径流分配系数法推算，见附件表格。

根据洪水流量过程线、水库的水位～水面容积关系曲线及溢洪道水力参数，由调洪起始水位依次计算，直至洪水过程结束，均由计算机完成。计算机输出各时段末的水位、库容及溢洪道下泄流量。

3 调洪演算结果

根据调洪演算的基本原则和西湖水库库容曲线、泄流曲线重现期为300年、30年的调洪演算结果，见表。

         调 洪 演 算 结 果             表2.6-2  

抗洪能力复核主要是对挡洪建筑物的顶部高程进行复核。对西湖水库而言，就是对水库大坝及溢洪道控制段导墙顶部高程进行复核。

四水库大坝坝顶高程复核

1基本资料

（1）多年平均年最大风速W=14.00m/s；设计风速的取值：在正常运用条件下，采用多年平均年最大风速的1.5倍；在非常运用条件下，采用多年平均年最大风速。

（2）风区长度： D=233m。

（3）内坡坡比。

（4）水域的平均水深：正常情况时H=8.113m，非常情况时H=8.393m。

2大坝坝顶高程复核

由本次洪水复核，30年一遇设计洪水位，300年一遇校洪水位。大坝属Ⅴ等、小（2）型工程中的5级建筑物，根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）中的第5.3条规定进行坝顶超高复核计算，坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，并按以下运行条件计算，取最大值：

1）设计洪水位加正常运行条件的坝顶超高；

2）正常蓄水位加正常运行条件的坝顶超高；

3）校核洪水位加非常运行条件的坝顶超高。

坝顶在水库静水位以上的超高按下式计算：

y=R+e+A

式中：y—坝顶超高，m；

R—最大波浪在坝坡上的爬高，m；由平均波高与坝迎水面前水深的比值和相应累积频率P（%）按《规范》表A.1.13规定的系数计算求得，

即   

—系数，按《规范》表A.1.13确定；

Rm—波浪平均爬高（m），

K△—糙率渗透性系数，按《规范》表A.1.12-1确定；

Kw—经验系数，按《规范》表A.1.12-2确定；

Hm—平均浪高，按莆田试验站公式（A.1.5-1）计算；

W—计算风速，设计情况取W=1.5×14m/s，校核情况取W=14m/s；

D—风区长度，D=233m；

Lm—平均波长（m）, 按《规范》公式（A.1.5-3）计算；

m—坝坡系数,m=1.87；

e—最大风壅水面高度， m；

A—安全加高，m；大坝安全加高在正常运用时A=0.5m，在非常运用时A=0.3m。

各计算要素及成果见表2.7-1。

             坝顶超高复核计算成果表       表2.7-1

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）第5.5.3条的规定：土质防渗体（心墙）顶部在正常蓄水位或设计洪水位以上的超高为0.6～0.3m；非常运用条件下，防渗体顶部不应低于非常运用条件的静水位。千公水库设计水位已知，校核洪水位已知，超高取0.3m，设计洪水位加超高为，因此千公水库大坝防渗心墙顶部高程不得低于校核洪水位。

4 溢洪道控制段导墙顶部高程确定

西湖水库溢洪道无闸门控制，运用情况只有泄洪情况。根据《溢洪道设计规范》（SL253—2000）中的第2.3.7条规定，在宣泄校核洪水时溢洪道控制段的导墙顶部高程不得低于校核洪水位加安全超高值。千公水库溢洪道为5级建筑物，《溢洪道设计规范》（SL253—2000）中有3级以上建筑物的安全超高值，没有4、5级建筑物的安全超高值，本工程参考3级建筑物的安全超高值取为0.3m。因此，本次设计千公水库溢洪道控制段导墙顶部高程应高于79.95m(79.65m+0.3m)，取控制段导墙顶部高程为80m。

5计算结论

（1）本次设计布置的溢洪道尺寸能满足该水库防洪标准泄洪的要求，相应水位分别为：重现期30年设计洪水位为，相应最大下泄流量；重现期300年校核洪水位为，相应最大下泄流量。

（2）千公水库大坝坝顶高程满足规范所要求的坝顶超高，根据规范计算所需的坝顶高程最低为：正常运用时，非常运用时m；现有坝顶高程为m，满足满足规范要求。

（3）千公水库溢洪道控制段无导墙，不能满足规范要求，需加高。

（4）千公水库大坝防渗心墙顶部高程不得低于校核洪水位，本工程为均质坝，无防渗心墙。

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；

2.1 由设计暴雨推求设计净雨；

2.2由于设计净雨推求设计洪水；

2.3. 洪水复核结果的合理性检查和洪峰模数的计算；

2.4. 调洪演算；

2.5. 根据调洪演算推求各种洪水特征水位。

2.6.附表、附图、最后装订成册。

3.要求

3.1.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。

3.2．宽顶堰B每个人取值不一样，从1.6米开始值，如有雷同，则按抄袭重新算，计算表格见电子表格。

《课程设计说明书》格式规范

一、封面要求

学生提交的正稿封面样式附后。评定成绩必须有教师签名并写出评语。

二、正文规范

1、字体字号要求

①设计标题用小三号黑体、居中，英文标题对应用小三号Times New Roman、居中，“摘要”用5号黑体，中文摘要内容用5号宋体，“Abstract”用5号黑体，英文摘要内容用5号Times New Roman。

②课程设计正文内容

第一级标题用四号黑体、靠左；第二级标题用小四号黑体、靠左；正文全文用小四号宋体、英文用Times New Roman 12

③页码用小五号居中，页码两边不加修饰符，页码编号从正文开始。

④图表标题用小五号黑体，居图表幅宽中间位置。

2、内容要求

①正文必须按照《湖南农业大学学报（自然科学版）》要求，即包括完整的标题、作者、指导教师、中英文摘要、前言、方案比较分析、设计计算、讨论、小结、参考文献、致谢、附录含计算数据、参考手册相关计算表格等。

②文理通顺、说理有据。

③图表中文标题下必须有英文对照。

三、《课程设计说明书》的装订

1、用A4纸单面打印，页面上边距2.5cm，下边距2cm，左边距2.5cm，右边距2cm（左边装订），单倍行距，段前0行，段后0.5行。

2、装订顺序

封面

课程设计任务书

正文

程序清单

湖南农业大学工学院

课程设计说明书

 课程名称：                           

题目名称：                           

班    级：20   级            专业   班

姓   名：                           

学    号：                           

指导教师：                          

评定成绩：

教师评语：

           指导老师签名：    

                    20     年     月     日