工程水文课程设计1课案

目录

1 工程概况与设计任务 ....................................... 2

1.1工程概况及原始资料 .................................. 2 1.2设计任务 ............................................ 4 2 干流设计洪水推求 ......................................... 5

2.1 特大洪水重现期N与实测系列长度n的确定 ............... 5 2.2 洪水经验频率的计算 .................................. 5 2.3 洪水频率曲线统计参数估计和确定 ...................... 8 2.4 干流设计洪峰流量推求 ............................... 10 3 支流小流域设计洪水计算 .................................. 11

3.1 最大24小时设计暴雨过程推求 ........................ 11 3.2 产流计算 ........................................... 12 3.3 汇流计算 ........................................... 14 3.4 支流设计洪峰流量的确定 ............................ 16 4 桥址设计洪水流量 ........................................ 16 5 桥址设计断面平均流速和设计水深 ........................... 16 6 设计感悟 ................................................ 17

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1 工程概况与设计任务

1.1工程概况及原始资料

某高速公路大桥跨越的河流断面来水由干流和支流洪水组成，干流水文站位于桥址上游1km处，资料可用来推求坝址处洪水，支流洪水由地区降雨资料推求。干，支流与桥址位置示意图如图1所示。

图1-1干支流与桥址位置示意图

干流洪水资料有年洪峰最大流量，包括调查和实测资料，见表1。另外，还调查到桥址附近干流1900年岸坡上洪痕点2个，分别位于水文站和桥轴线上，洪痕点高程分别为121.3m和120.8m，桥址断面河床高程为115.03m，河床比降为0.5%0，床面与边坡曼宁粗糙系数n=0.012，河宽500m，据此可得该年洪峰流量，作为一个洪水统计样本点。

图1-2桥址河段年最大洪峰流量

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支流洪水为一小流域（流域面积为F）汇流而成。

1） 该支流流域无实测洪水流量资料，但流域中心附近有一个雨量站资料，经频率计算获得P=2%，1%所对应的最大1d的设计点雨量分别为202.4mm, 323.8mm。该地区暴雨点~面折算关系见表2，该地区的最大日降雨量与最大24小时降雨量根据经验其关系为H24,p1.14H日,p，设计暴雨时程分配见表3。

表1-1某地区暴雨点~面折算关系表

F（km） t（h） 1 3 6 12 24 1.000 0.945 0.911 0.884 0.864 0.847 0.834 0.823 0.815 0.807 1.000 0.960 0.931 0.910 0.893 0.879 0.867 0.858 0.851 0.845 1.000 0.977 0.957 0.942 0.928 0.917 0.907 0.899 0.892 0.886 1.000 0.986 0.972 0.961 0.951 0.943 0.935 0.928 0.921 0.915 1.000 0.991 0.983 0.975 0.969 0.964 0.959 0.953 0.949 0.944 20 20 40 60 80 100 120 140 160 180 表1-2地区最大24小时设计暴雨的时程分配表

日 程 时段序号（3h） 典型分配（%） 4.1 8.3 13.8 34.2 20.4 11.5 4.2 3.5 1 2 设计暴雨的时段（3h）雨量过程 3 4 5 6 7 8 2） 该流域位于湿润地区，流域蓄水容量为Im。用同频率法求得设计

Pa90mm(P2%);Pa86mm(P1%)，该流域的稳定下渗率为fc(mm/h)

3

流域所在地区的地区综合瞬时单位线参数nn0,Kk0

1.2设计任务

1）推求桥址设计洪水流量

2）按均匀流假设，推求坝址断面设计流量的平均流速和水深。 设计条件如下表： 3 1）大桥工程设计洪水标准为2% 2）Im110mm，fc1.5mm/h 3）综合单位线参数n01.5,F30km2 k05.68，支流小流域面积

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2 干流设计洪水推求

2.1 特大洪水重现期N与实测系列长度n的确定

1.干流设计洪水推求

1)洪水资料的总长度N：洪水资料的总长度为实测资料期17年；调查期56年；考证

（年） 期4年的总和，即：Nnn1n2772)特大洪水流量判定：QEM/Q3，若QiQEM，可判定为特大洪水

xQin4958.24

, QEM3x14874.72

3)由调查资料推求水文站1900年洪峰流量

x0.5%o，x=0.5m,推求水文站处河床高程为115.03+0.5=115.53m 1000.3115.535.77m,桥址水深M2120.8115.035.77m 水文站水深M1121m 推求水文站处水流断面面积A5.775002885212/31/2Ri 根据曼宁公式vn2113v5.770.000525.9945m/s水文站处断面平均流速 0.0125.994517294.1325 根据QAv推求水文站处洪峰流量Q2885判定1900年，1904年，1927年为特大洪水。

2.2 洪水经验频率的计算

其中有3项特大洪水，即a=3。其经验频率按以下公式计算： 特大洪水系列：PM

5

MN1M1,2,...a

则3次特大洪水经验频率分别为：

P1P1921P2P190010.0128 77120.0256 771P3P190430.0385 771实测洪水：

系列长度为 n=1976－1960＋1=17年

实测期的n项洪水，认为是在N年中任意抽取的部分。如果实测期n项中有l项是特大洪水，是属于a项中的，即已从n项中抽出，还剩有（n－l）项普通洪水都不超过为首的a项特大洪水。由于上一步中3项特大洪水可看做从N年中随意抽取的，故其概率可假定在0~1之间分布。在统一样本法中，认为这（n－l）项洪水的经验频率均匀分布于1－PMa范围内，经验频率计算公式为： 实测洪水系列：PmPa(1Pa)mlnl1ml1,l2...,ln

3如1960年，Qm6120m/s，M=2，其经验频率为：

P1960PMa(1PMa)

ml19.88%nl1

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洪峰流量 频率计算 MN1按时间次序排列 流量由大到小排列 PM PmPa(1Pa)mlnl1年份 1900 1904 1921 1960 1961 1962 1963 1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975 1976

流量 17294.1 15100 20600 6120 5610 3990 5300 8670 5830 3690 4390 4230 3930 3540 7340 4430 5920 5100 2720 3570 年份 1921 1900 1904 1964 1971 1960 1973 1965 1961 1963 1974 1972 1967 1968 1962 1969 1966 1976 1970 1975 流量 20600 17294.1 15100 8670 7340 6120 5920 5830 5610 5300 5100 4430 4390 4230 3990 3930 3690 3570 3540 2720 7

PM 0.0128 0.0256 0.0385 Pm(%) 9.19 14.53 19.88 25.22 30.56 35.9 41.24 46.58 51.93 57.27 62.61 67.95 73.29 78.63 83.98 89.32 94.66

2.3 洪水频率曲线统计参数估计和确定

1）统计参数初估 对于不连续系列样本，

假定：（n－l）年系列的均值和均方差与除去特大洪水后的（N－a）年系列的均值和均方差相等，可导出如下统计参数矩法初估公式：

1aNaxxjNj1nl

xiil1

n1Cvx

1aNa2(xx)jN1j1nl(xix)il1

n2Qj1amj20600172941510052994 ，

Qi1ni84290

n1a773xxx5453.3ji 77j1170il1

1Cv5453.3

1a773n22(xix)0.5311(xjx) 771j117lil12）目估适线法确定统计参数

选频率分布线行为皮尔逊Ⅲ型，并选Cs3Cv 进行第一次配线

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第二次配线采用Cv=0.71 Cs=2.5 Cs/Cv=3.52

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第一次配线 EX=5453.293m² 频率P% Cv=0.531 Cs=1.593 Cs/Cv=3 Kp （1） 1 5 10 20 50 75 90 95 99 （2） 2.793 2.039 1.705 1.359 0.866 0.613 0.472 0.419 0.363 Xp （3） 15229.06 11121.22 9295.79 7409.5 4722.6 3340.53 2572.88 2282.4 1977.48 第二次配线（采用） EX=5453.293m² Cv=0.71 Cs=2.5 Cs/Cv=3.52 Kp （4） 3.753 2.427 1.887 1.3692 0.852 0.624 0.511 0.474 0.440 Xp （5） 20466.23 13235.16 10290.38 7466.66 4647.6 3404.98 2787.83 2582.16 2399.73

2.4 干流设计洪峰流量推求

xpx(1Cv)

x5453.（3m3/s） Cv=0.71 3.85.3(10.713.85)20359.90m3/s得，xpx(1Cv)5453

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3 支流小流域设计洪水计算

3.1 最大24小时设计暴雨过程推求

该支流流域无实测洪水流量资料，但流域中心附近有一个雨量站资料，经频率计算获得P=2%，1%所对应的最大1d的设计点雨量分别为202.4mm, 323.8mm。该地区暴雨点~面折算关系见表1-1，该地区的最大日降雨量与最大24小时降雨量根据经验其关系为

H24,p1.14H日,p。该流域位于湿润地区，流域蓄水容量为Im。用同频率法求得设

计Pa90mm(P2%);Pa86mm(P1%)，该流域的稳定下渗率为fc(mm/h)。 流域所在地区的地区综合瞬时单位线参数nn0,Kk0

1）最大1日面设计暴雨量

利用设计资料中所提供的关系式：H24,p1.14H日,p

H24,p1.14323.8230.736mmH日，p323.8mm，所以

2）流域面平均设计雨量及时程分配

根据设计资料所提供的点面折算系数进行流域面平均设计雨量的计算 由设计资料，支流小流域面积F30km2

根据表1-1，t=24时，F=20时折算系数为0.991，F=40时折算系数为0.983。 利用内插法，F=30Km² 折算系数=0.983(0.9910.983)(4030)0.987

4020230.736=227.736所以，流域面平均设计雨量为0.987mm

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根据设计暴雨时程分配表进行设计暴雨的时程分配

日程 时段序号（3h） 典型分配（%） 分配量（mm） 1 4.1 9.3 2 8.3 18.9 设计暴雨的时段（3h）雨量过程 3 13.8 31.4 4 34.2 77.9 5 20.4 45.6 6 11.5 26.2 7 4.2 9.6 8 3.5 8.0

3.2 产流计算

1）设计净雨的推求

按照蓄满产流模式（B=0.2）进行设计净雨计算。根据稳定下渗率进行地面净雨和地下净雨的划分。

根据设计资料所提供，Wm110mm，B=0.2，

'm(1B)Wm 得，Wmm(10.2)110132mm 由公式Wm 根据设计资料所提供，Wo=Pa=90mm

m1(1W0/Wm) 由公式A=Wm1/(1B)得，A=1321-90/1101B1/1.2111.67已知流

域降雨量P和初始土壤含水量W0=90时，蓄满产流模型的产流计算公式归纳为

时，RPW0WmWm1(AP)/Wmm 当A+PWmm

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设计净雨计算表

P 9.3 18.9 31.4 77.9 46.5 26.2 9.6 8 Wmm´ 132 132 132 132 132 132 132 132 A 112 118.29 132 132 132 132 132 132 A+P 121.3 137.19 163.4 209.9 178.5 158.2 141.6 140 R 2.5 7.2 29.9 77.9 46.5 26.2 9.6 8 Wo 90 102.738 110 110 110 110 110 110 Wm 110 110 110 110 110 110 110 110

2）地面净雨与地下净雨的推求

根据对设计资料中所提供的数据，本流域的稳定下渗率为1.5mm/h。由设计净雨过程中扣除地下净雨（等于稳定下渗率乘以净雨历时）得地面净雨过程。其中第一时段的净雨历时tc=（2.202/14.94）x3=0.806（h）

地下净雨h下fctc=1.5x0.806=01.2(mm),故第一时段地面净雨为1.2mm，其余类推。

P=2%设计暴雨过程分配

时段数（△t=3h） 占最大1日的百分数（%） 设计暴雨（mm） 设计净雨（mm） 地下净雨（mm） 地面净雨（mm） 1 4.1 2 8.3 3 13.8 4 34.2 5 20.4 6 11.5 7 4.2 8 3.5 合计 100 222.7 207.8 29.7 178.8 9.3 2.5 1.2 1.3 18.9 7.2 1.7 5.5 31.4 29.9 4.3 25.6 77.9 77.9 4.5 73.4 13 45.6 45.6 4.5 42.0 26.2 26.2 4.5 21.7 9.6 9.6 4.5 5.1 8.0 8.05 4.5 3.5

3.3 汇流计算

1）无因次单位线u(t,t)与10mm单位线u(t,t)的推求 由设计资料得，综合单位线参数n01.5,k05.68，

u(t,tk)S(tk)S(tkt)

t(h) 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51

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t/k 0 0.528 1.056 1.585 2.113 2.641 3.169 3.697 4.225 4.754 5.282 5.81 6.338 6.866 7.394 7.923 8.451 8.979 S(t) 0 0.209 0.45 0.634 0.761 0.847 0.904 0.94 0.963 0.977 0.986 0.991 0.994 0.997 0.998 0.999 1 1 S(t-∆t) 0 0.209 0.45 0.634 0.761 0.847 0.904 0.94 0.963 0.977 0.986 0.991 0.994 0.997 0.998 0.999 1 u(∆t,t) 0 0.209 0.241 0.184 0.127 0.086 0.057 0.036 0.023 0.014 0.009 0.005 0.003 0.003 0.001 0.001 0.001 0 q(∆t,t) 0.000 5.806 6.694 5.111 3.528 2.389 1.583 1.000 0.639 0.389 0.250 0.139 0.083 0.083 0.028 0.028 0.028 0.000

2）设计地面径流过程推求

由上表得出大洪水的单位线。由设计地面净雨过程通过单位线推求，得设计地面径流过程。

3）设计地下径流过程推求

把地下径流概化为等腰三角形初六，其峰值出现在设计地面径流停止时刻（第24时段），地下径流过程的底长为设计径流底长的2倍，即T下2T面2243144h

W下0.1h下F0.131.08330104932490

Qm下2W下T下3.598

4）设计洪水过程推求

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3.4 支流设计洪峰流量的确定

支流设计洪峰流量即为洪水流量过程线中最大值，为89.68（m^3/s）

4 桥址设计洪水流量

桥址断面设计洪峰流量Q总Q干Q支20359.9089.6820449.58m3/s

5 桥址设计断面平均流速和设计水深

已知：洪痕点2个分别位于水文站和桥轴线上，洪痕点高程分别为121.3m和120.8m桥址断面河床高程为115.03m 河床比降为0.5%0 床面与边坡曼宁粗糙系数n=0.012 河宽500m。

按均匀流假设，桥址断面设计流量的平均流速v和水深h分别为

1123QAvdhvdhhi2

nV=6.43m/s h=6.44m

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6 设计感悟

这一次的课程设计让我感受非常，由于是一个人单独完成，很多知识点很模糊，不知道从何入手进行设计工作。和舍友晚上在寝室也在激烈的讨论，做到很晚。计算量和工作量都很大。对于自己，我也发现有一些问题，就是性子太急，每次发现有一点错误就赶紧全部改正，殊不知，改了一组数据，其他的数据也会跟着改变，从而，每次都是从头到尾改几遍，很浪费时间，这次之后，我一定得遇到错误的时候想一想，而不是急着去改，改正错误以后还必须调试数据以达到规定范围内，否则，你做设将会一直改一直改，何不把他弄清楚再改正。现在我们做的还是小工程，要是以后做真的工程，损失的不仅是时间，将是各种各样的人力物力财力，所以做工程师更需要谨慎。通过这一次的课程设计，我发现了平时学习上的漏洞，对课本上的知识有了更深的了解。

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