华北电力大学-工程水文及水利计算课程设计(天福庙).doc

课程设计报告

课程设计报告
(2014--2015 年度第一学期)

名 称： 工程水文及水利计算课程设计
题 目： 天福庙水库防洪复核计算
院 系： 可再生能源学院
班 级： XXXXXX
学 号： XXXXXX
学生姓名： XXXXXX
指导教师： XXXXXX
设计周数： 2周

成 绩：

日期： 年 月 日
课程设计报告

一、课程设计的目的与要求
1.设计目的
天福庙水库在1975年技术设计时，水文系列年限仅20年，系列太短，也缺乏大洪水资料，此次课程设计的目的就是在延长基本水文资料的基础上，按现行规范要求对水库的防洪标准进行复核。
2.设计要求
（1）选择水库防洪标准
（2）历史洪水调查分析及洪量插补
（3）设计洪水和校核洪水计算
（4）调洪计算
（5）坝顶高程复核
二、设计正文
（一）水文气象资料的收集和审查
<一>流域自然地理概况
天福庙水库位于湖北省远安县黄柏河东支的天福庙村，大坝以上流域面积553.6平方千米，河长58.2千米，河道比降1.06%，总库容6367万立方米，是一座以灌溉为主，结合防洪、发电、拦沙、养殖等综合利用的水利工程。

<二>流域水文资料
1.气象特征
天福庙流域地处亚热带季风区，四季分明，夏季炎热多雨，冬季低温少雨，秋温高于春温，春雨多于秋雨，气温年内变化大，无霜期长。多年平均气温16.8℃，历年最高气温达40℃，最低气温—12℃，平均风速1.2m/s，多年平均最大风速15.5 m/s，风向多为NE。流域多年平均年降雨量1036.3mm，流域暴雨频繁，洪水多发，4—10月为汛期，汛期雨量占全年降雨量的86.7%左右，尤其以7月最大，占全年的19.5%。12月降雨量最少，仅占全年降雨量的1.3%。
2.水文测站
黄柏河干流上1958年设立池湾河水文站，1971年设立小溪塔水文站，1961年在东支设立分乡水文站。天福庙水库建成之后，先后开展了降雨、水位、泄流观测，有比较完整的运行资料。分乡水文站是重要的参证站，控制流域面积1083.0平方千米。
3.分乡站历史洪水
根据1982年湖北省洪办对宜昌市历史洪水调查结果的审定，分乡站洪水的排位为1935年、1984年、1826年、1930年、1958年，资料可靠，可直接采用，经审定认为，分乡站1935年洪水为1826年以来的第一位，重现期为176年，1984年洪水与1926年、1930年洪水相当，分别确定为1826年以来的2-4位，1958年洪水为1926年以来的第五位。分乡站历史洪水成果见表2-1.
表2-1 分乡站历史洪水成果表
序号
年份
洪峰流量
（m³/s）
1d洪量
(×108m3)
3d洪量
(×108m3)
重现期
备注
1
1935
4680

176

2
1984
3739
1.0738
1.6664

3
1826

不能定量
4
1930

不能定量
5
1958
2820
1.2201
1.9500

4.天福庙水库洪峰洪量系列 见表2-2

表2-2 天福庙水库洪峰、洪量系列
年份

洪峰Qm
（m³/s）
1d洪量W1
(×108m3)
3d洪量W3
(×108m3)
年份

洪峰Qm
（m³/s）
1d洪量W1
(×108m3)
3d洪量W3
(×108m3)
1958
1803
0.6237
0.9968
1980
571
0.1725
0.2092
1959
131
0.0434
0.0664
1981
126
0.0841
0.1241
1960
266
0.0921
0.138
1982
582
0.2127
0.3172
1961
200
0.0664
0.1023
1983
437
0.2124
0.3223
1962
640
0.1999
0.2924
1984
2389
0.5489
0.8518
1963
1036
0.3727
0.5725
1985
121
0.0613
0.1307
1964
452
0.1314
0.2223
1986
218
0.0979
0.1924
1965
519
0.1452
0.23
1987
438
0.1677
0.2864
1966
189
0.0817
0.1253
1988
222
0.1154
0.179
1967
774
0.1876
0.2852
1989
592
0.2229
0.3189
1968
838
0.2832
0.6594
1990
634
0.1209
0.179
1969
428
0.1514
0.2213
1991
804
0.2334
0.3158
1970
598
0.2233
0.3103
1992
851
0.2635
0.3288
1971
389
0.1681
0.2877
1993
425
0.1195
0.1824
1972
64
0.0363
0.0797
1994
167
0.1177
0.2131
1973
445
0.1457
0.2233
1995
261
0.0985
0.186
1974
240
0.0813
0.1589
1996
487
0.2341
0.4334
1975
848
0.1483
0.248
1997
544
0.1383
0.3186
1976
272
0.0931
0.138
1998
974
0.2262
0.4135
1977
162
0.0915
0.1795
1999
170
0.0734
0.1686
1978
299
0.1525
0.2812
2000
613
0.2113
0.3157
1979
634
0.288
0.5393
2001
471
0.1913
0.2986

5．天福庙水库典型洪水过程线（1984年7月26-28日）见表2-3

表2-3 典型洪水过程线（1984.7.26-28）
时段
（△t=1h）
流量
（m³/s）
时段
（△t=1h）
流量
（m³/s）
时段
（△t=1h）
流量
（m³/s）
时段
（△t=1h）
流量
（m³/s）
0
96.6
19
216.3
37
44.2
55
24.8
1
572
20
183.5
38
43.5
56
24.2
2
1085
21
156
39
41.7
57
23.5
3
1345
22
138
40
40
58
22.8
4
1568
23
121
41
38.3
59
22.1
5
1791
24
103.9
42
36.6
60
21.5
6
2090
25
108.4
43
34.8
61
20.6
7
2389
26
91.5
44
33.1
62
19.3
8
2138.7
27
83.5
45
32.2
63
18.2
9
1465.5
28
68.6
46
31.3
64
17.3
10
1005.1
29
53.3
47
30.4
65
16.1
11
768.8
30
40.9
48
29.5
66
15.3
12
494.3
31
51
49
28.7
67
14.4
13
584.9
32
61
50
27.8
68
13.5
14
421.2
33
54.8
51
27.2
69
12.6
15
358.7
34
48.5
52
26.6
70
11.8
16
344.8
35
46.3
53
26
71
11
17
313.7
36
45.2
54
35.4
72
10.6
18
232.5

6.天福庙水库库容曲线和泄洪建筑物泄流曲线
天福庙水库库容曲线根据原库区1:2000地形图进行了复核计算，成果可靠。左岸溢洪道堰顶高程398.0m，2孔，每孔净宽13.0m，为弧形闸门控制。坝顶溢洪道堰顶高程402.4m，4孔，每孔净宽8.0m，亦为弧形闸门控制。两溢洪道堰型均为WES标准型剖面实用堰。由相应的流量计算公式Q=σcmn(√2g)H3/2计算的泄洪建筑物泄流曲线见下表2-4。

表2-4 天福庙水库库容曲线和泄洪建筑物泄流曲线
库水位

库容
(×104m3)
左岸溢洪道
（m³/s）
坝顶溢洪道
（m³/s）
合计泄洪量
（m³/s）
398
3460
0
0
0
399
3670
37
0
37
400
3890
107
0
107
401
4100
216
0
216
402
4325
365
0
365
403
4545
530
25
555
404
4775
730
103
833
405
5004
922
230
1152
406
5235
1130
400
1530
407
5515
1345
605
1950
408
5790
1582
835
2417
409
6045
1845
1095
2940
410
6310
2115
1375
3490
411
6596
2370
1695
4065

7.混凝土拱坝安全超高 见表2-5

表2-5 混凝土拱坝安全超高hc
坝的级别
1
2
3
正常运行
0.7
0．5
0.4
非常运行
0.5
0.4
0.3

（二）防洪标准选择

<一>水库工程概况
天福庙水库于1974年冬开工建设，1978年建成，大坝为浆砌石双曲拱坝，坝前河底高程348m，坝高63.3m，电站总装机6040kW。水库死水位378m，死库容714万m³，正常蓄水位409m，相应库容6032万m³。设计洪水位（P=2%）409.28m，校核（P=0.2%）洪水位409.8，坝顶高程410.3m，防浪墙顶高程411.3m。库区吹程1000m。
<二>确定防洪标准

水利水电枢纽工程的等级
工程等级
水库
防洪
治涝
灌溉
供水
水电站
工程规模
总库容（108m3）
城镇及工矿企业的重要性
保护农田
（万亩）
治涝面积（万亩）
灌溉面积
（万亩）
城镇及工矿企业的重要性
装机容量
（×104kw）
一
大（1）型
＞10
特别重要
＞500
＞200
＞150
特别重要
＞120
二
大（2）型
10~1.0
重要
500~100
200~60
150~50
重要
120~30
三
中型
1.0~0.1
中等
100~30
60~15
50~5
中等
30~5
四
小（1）型
0.1~0.01
一般
30~5
15~3
5~0.5
一般
5~1
五
小（2）型
0.01~0.001

＜5
＜3
＜0.5

＜1

水工建筑物的级别
工程等级
永久性水工建筑物级别
临时性水工建筑物级别

工程等级
永久性水工建筑物级别
临时性水工建筑物级别
主要建筑物
次要建筑物
主要建筑物
次要建筑物
1
1
3
4
4
4
5
5
2
2
3
4
5
5
5

3
3
4
5

水库工程水工建筑物的防洪标准
水工建筑物级别
防洪标准[重现期（年）]
设计
校核
平原区 滨海区
混凝土坝、浆砌石坝及其他水工建筑物
土坝、堆石坝

设计
校核
一
1000~500
5000~2000
可能最大洪水（PMF）或
10000~5000
300~100
2000~1000
二
500~100
2000~1000
5000~2000
100~50
1000~300
三
100~50
1000~500
2000~1000
50~20
300~100
四
50~30
500~200
1000~300
20~10
100~50
五
30~20
200~100
300~200
10
50~20

根据以上资料，天福庙水库正常库容为6032万m³，也就是0.6023亿立方米，按照水利水电枢纽工程的等级划分属于中型水库，工程等级为三级。水库位于湖北省宜昌市，属于丘陵区水库，坝型为浆砌石双曲拱坝，依据水库工程建筑物的防洪标准，天福庙水库的设计防洪标准（重现期）应为50-100年，即P=0.01-0.02，取P=0.02=2%,校核防洪标准为500-1000年,即P=0.001-0.002，取P=0.002=0.2%。

三、峰、量选样及历史洪水调查

<一>天福庙水库坝址1959-1977年峰、量系列根据分乡站同期资料换算而得，洪峰按面积比指数的2/3次方换算，洪量按面积比得1次方换算。
<二>天福庙水库坝址1978-2001年峰、量系列直接采用天福庙入库洪水系列计算。
<三>根据天福庙水库坝址1978-2001年峰、量系列建立峰、量相关关系；根据此峰、量关系计算历史洪水的1d、3d洪量，具体过程如下：

（1）洪峰与1日洪量关系 见表3-1

表3-1 洪峰与1日洪量关系
年份
洪峰QmX
（m³/s）
1d洪量Y(×108m3)
Kx
Ky
Kx-1
Ky-1
(Kx-1)2
(Ky-1)2
(Kx-1)(Ky-1)
1978
299
0.1525
0.551
0.8386
-0.449
-0.161
0.2018
0.026
0.07251087
1979
634
0.288
1.168
1.5837
0.1678
0.5837
0.0281
0.3407
0.09792921
1980
571
0.1725
1.052
0.9486
0.0517
-0.051
0.0027
0.0026
-0.0026596
1981
126
0.0841
0.232
0.4625
-0.768
-0.538
0.5897
0.2889
0.41278086
1982
582
0.2127
1.072
1.1696
0.072
0.1696
0.0052
0.0288
0.01221237
1983
437
0.2124
0.805
1.168
-0.195
0.168
0.0381
0.0282
-0.032774
1984
2389
0.5489
4.4
3.0184
3.4003
2.0184
11.562
4.074
6.86325312
1985
121
0.0613
0.223
0.3371
-0.777
-0.663
0.6039
0.4394
0.51516627
1986
218
0.0979
0.402
0.5384
-0.598
-0.462
0.3582
0.2131
0.27627795
1987
438
0.1677
0.807
0.9222
-0.193
-0.078
0.0373
0.0061
0.01503677
1988
222
0.1154
0.409
0.6346
-0.591
-0.365
0.3494
0.1335
0.21599356
1989
592
0.2229
1.09
1.2257
0.0904
0.2257
0.0082
0.051
0.020408
1990
634
0.1209
1.168
0.6648
0.1678
-0.335
0.0281
0.1123
-0.0562297
1991
804
0.2334
1.481
1.2835
0.4809
0.2835
0.2313
0.0804
0.13632053
1992
851
0.2635
1.567
1.449
0.5675
0.449
0.322
0.2016
0.25478734
1993
425
0.1195
0.783
0.6571
-0.217
-0.343
0.0472
0.1176
0.07446724
1994
167
0.1177
0.308
0.6472
-0.692
-0.353
0.4794
0.1244
0.24425405
1995
261
0.0985
0.481
0.5417
-0.519
-0.458
0.2696
0.2101
0.23800161
1996
487
0.2341
0.897
1.2873
-0.103
0.2873
0.0106
0.0826
-0.0295925
1997
544
0.1383
1.002
0.7605
0.002
-0.239
4E-06
0.0574
-0.0004778
1998
974
0.2262
1.794
1.2439
0.794
0.2439
0.6305
0.0595
0.1936459
1999
170
0.0734
0.313
0.4036
-0.687
-0.596
0.4718
0.3557
0.40963295
2000
613
0.2113
1.129
1.1619
0.1291
0.1619
0.0167
0.0262
0.02090515
2001
471
0.1913
0.868
1.052
-0.132
0.052
0.0175
0.0027
-0.0068836
合计
13030
4.3644
24
24
-1E-06
-1E-15
16.309
7.0628
9.94496656
均值
542.92
0.1819
1
1
-6E-08
-5E-17
0.6796
0.2943
0.41437361
由表KS2-1的计算结果，可进一步计算出下列各值
均值 X^=(1/n)ΣXi=13030/24=542.92
Y^=(1/n)ΣYi=4.3644/24=0.1819
均方差 σx= X^[√Σ(Kx-1)2/(n-1)]= 542.92[√16.309/(24-1) ]=457.178
σy= Y^[√Σ(Ky-1)2/(n-1)]= 0.1819 [√7.0628/(24-1) ]=0.1008
相关系数 r=[Σ(Kx-1)(Ky-1) ]/ [√Σ(Kx-1)2Σ(Ky-1)2]= 9.94496656/[√16.309*7.0628]=0.9267
相关系数的显著性检验：在α=0.01时，据n=24查表的rα=0.487。因为r＞rα，由此可以推断总体是相关的，且r＞0.8，可以认为相关是密切的。
回归系数 Ry/x=r（σy/σx）=0.9267*(0.1008/457.178)=2.0432×10-4
Y倚x的回归方程 y=2.0432×10-4x+0.07
回归方程的均方误 Sy=σy√（1-r2）=0.1008/√（1-0.92672）=0.268
（2）洪峰与3日洪量关系 见表3-2
表3-2 洪峰与3日洪量关系
年份
洪峰Qm
X（m³/s）
3d洪量Y(×108m3)
Kx
Ky
Kx-1
Ky-1
(Kx-1)2
(Ky-1)2
(Kx-1)(Ky-1)
1978
299
0.2812
0.551
0.95
-0.449
-0.05
0.202
0.0025
0.0225832
1979
634
0.5393
1.168
1.82
0.1678
0.821
0.028
0.6748
0.1378117
1980
571
0.2092
1.052
0.71
0.0517
-0.29
0.003
0.0861
-0.015179
1981
126
0.1241
0.232
0.42
-0.768
-0.58
0.59
0.3374
0.4460547
1982
582
0.3172
1.072
1.07
0.072
0.071
0.005
0.0051
0.0051342
1983
437
0.3223
0.805
1.09
-0.195
0.089
0.038
0.0078
-0.017274
1984
2389
0.8518
4.4
2.88
3.4003
1.877
11.56
3.5227
6.3820221
1985
121
0.1307
0.223
0.44
-0.777
-0.56
0.604
0.312
0.4340811
1986
218
0.1924
0.402
0.65
-0.598
-0.35
0.358
0.1226
0.2095718
1987
438
0.2864
0.807
0.97
-0.193
-0.03
0.037
0.0011
0.0063199
1988
222
0.179
0.409
0.6
-0.591
-0.4
0.349
0.1564
0.2337435
1989
592
0.3189
1.09
1.08
0.0904
0.077
0.008
0.0059
0.006967
1990
634
0.179
1.168
0.6
0.1678
-0.4
0.028
0.1564
-0.066342
1991
804
0.3158
1.481
1.07
0.4809
0.067
0.231
0.0044
0.0320238
1992
851
0.3288
1.567
1.11
0.5675
0.11
0.322
0.0122
0.062704
1993
425
0.1824
0.783
0.62
-0.217
-0.38
0.047
0.1474
0.083392
1994
167
0.2131
0.308
0.72
-0.692
-0.28
0.479
0.0786
0.1940591
1995
261
0.186
0.481
0.63
-0.519
-0.37
0.27
0.1382
0.1930609
1996
487
0.4334
0.897
1.46
-0.103
0.464
0.011
0.2151
-0.047766
1997
544
0.3186
1.002
1.08
0.002
0.076
4E-06
0.0058
0.0001517
1998
974
0.4135
1.794
1.4
0.794
0.397
0.63
0.1573
0.3148803
1999
170
0.1686
0.313
0.57
-0.687
-0.43
0.472
0.1854
0.295745
2000
613
0.3157
1.129
1.07
0.1291
0.066
0.017
0.0044
0.0085526
2001
471
0.2986
0.868
1.01
-0.132
0.009
0.018
7E-05
-0.001126
合计
13030
7.106
24
24
-1E-06
3E-05
16.31
6.3397
8.921172
均值
542.9
0.2961
1
1
-6E-08
1E-06
0.68
0.2642
0.3717155
均值 X^=(1/n)ΣXi=13030/24=542.92
Y^=(1/n)ΣYi=7.106/24=0.2961
均方差 σx= X^*[√Σ(Kx-1)2/(n-1)]= 542.92[√16.31/(24-1) ]=457.193
σy= Y^*[√Σ(Ky-1)2/(n-1)]= 0.2961 [√6.3397/(24-1) ]=0.1555
相关系数 r=[Σ(Kx-1)(Ky-1) ]/ [√Σ(Kx-1)2Σ(Ky-1)2]= 8.921172/[√16.31*6.3397]=0.8773
相关系数的显著性检验：在α=0.01时，据n=24查表的rα=0.487。因为r＞rα，由此可以推断总体是相关的，且r＞0.8，可以认为相关是密切的。
回归系数 Ry/x=r（σy/σx）=0.8773*(0.2961/542.92)=4.7847×10-4
Y倚x的回归方程 y=4.7847×10-4x+0.03633
回归方程的均方误 Sy=σy√（1-r2）=0.1555/√（1-0.87732）=0.324

图3-1

（3）根据以上相关关系计算历史洪水的1d、3d洪量
洪峰与1日流量的相关方程为：y=2.0432×10-4x+0.07
洪峰与3日流量的相关方程为： y=4.7847×10-4x+0.03633
1935年洪峰流量为4683 m³/s，则根据上述相关方程，可计算得此次洪水的1日洪量y1=2.0432×10-4×4683+0.07=1.0268×108m3, 1日洪量y2=4.7847×10-4×4683+0.03633=2.277×108m3
（4）分析分乡站历史洪水，并换算至天福庙水库坝址洪水 见表3-3
表3-3 分乡站洪水换算成天福庙水库坝址洪水
年份
洪峰流量
（m³/s）
1d洪量
(×108m3)
3d洪量
(×108m3)
重现期
坝址洪峰流量（m³/s）
1d洪量(×108m3)
3d洪量(×108m3)
1935
4680
1.0268
2.277
176
2992
0.5249
1.1639
1984
3739
1.0738
1.6664

2390
0.5489
0.8518
1826
不能定量

1930
不能定量

1958
2820
1.2201
1.9500

1803
0.6337
0.9968

四、设计洪水计算
<一>频率计算
其中1935年、1984年、1826年、1930年以及1958年作为历史特大洪水处理，由于1826年及1930年的洪水资料缺失，作为特大洪水计算时有很多不便，而在实测范围内，有1984年和1958年两年为特大洪水，属于系列内特大洪水。在进行频率计算时，不考虑1935年洪水，取调查考证期为1958年至2001年的44年，采用统一样本法计算经验频率。
由统一样本法, （%），
考证期至今：N=2001-1826+1=176
实测洪水系列：n=44
N年中的特大洪水：a=5
n年中的特大洪水：l=2
均值
变差系数

表4-1 天福庙水库洪峰流量经验频率计算表
序号
洪峰流量Q
PM
Pm
Xi-X
（Xi-X）^2
M
m
(m3/s)
Ⅰ

2992
0.56%

2481.5252
6157967.1311
Ⅱ

2389
1.13%

1878.5252
3528856.7854
Ⅲ

2385
1.69%

1874.5252
3513844.5841
Ⅳ

2380
2.26%

1869.5252
3495124.3325
Ⅴ

1803
2.82%

1292.5252
1670621.2952

1
1036

5.08%
525.5252
276176.6962

2
974

7.34%
463.5252
214855.5761

3
851

9.60%
340.5252
115957.3862

4
848

11.86%
337.5252
113923.2352

5
838

14.12%
327.5252
107272.7319

6
804

16.38%
293.5252
86157.0209

7
774

18.64%
263.5252
69445.5112

8
640

20.90%
129.5252
16776.7677

9
634

23.16%
123.5252
15258.4657

10
634

25.42%
123.5252
15258.4657

11
613

27.68%
102.5252
10511.4089

12
598

29.94%
87.5252
7660.6540

13
592

32.20%
81.5252
6646.3521

14
582

34.46%
71.5252
5115.8488

15
571

36.72%
60.5252
3663.2953

16
544

38.98%
33.5252
1123.9365

17
519

41.24%
8.5252
72.6784

18
487

43.50%
-23.4748
551.0680

19
471

45.76%
-39.4748
1558.2628

20
452

48.02%
-58.4748
3419.3066

21
445

50.28%
-65.4748
4286.9544

22
438

52.54%
-72.4748
5252.6021

23
437

54.80%
-73.4748
5398.5518

24
428

57.06%
-82.4748
6802.0989

25
425

59.32%
-85.4748
7305.9479

26
389

61.58%
-121.4748
14756.1362

27
299

63.84%
-211.4748
44721.6070

28
272

66.10%
-238.4748
56870.2482

29
266

68.36%
-244.4748
59767.9463

30
261

70.62%
-249.4748
62237.6946

31
240

72.88%
-270.4748
73156.6378

32
222

75.14%
-288.4748
83217.7320

33
218

77.40%
-292.4748
85541.5307

34
200

79.66%
-310.4748
96394.6248

35
189

81.92%
-321.4748
103346.0713

36
170

84.18%
-340.4748
115923.1151

37
167

86.44%
-343.4748
117974.9641

38
162

88.70%
-348.4748
121434.7125

39
131

90.96%
-379.4748
144001.1524

40
126

93.22%
-384.4748
147820.9008

41
121

95.48%
-389.4748
151690.6492

42
64

97.74%
-446.4748
199339.7807
均值
510

离势系数Cv
0.80

经验频率曲线如下：

表4-2理论频率曲线选配计算表

频率P（%）
第一次配线 Cs/Cv=3
第二次配线 Cs/Cv=2.5
第三次配线 Cs/Cv=3.5
φp
Kp
Qp
φp
Kp
Qp
φp
Kp
Qp
1%
3.81
4.048
2064.48
3.61
3.888