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1、 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
2、 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
3、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
4、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
5、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
6、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）
7、 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
8、 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.
9、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
10、 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
11、 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
12、 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
13、 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
14、 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
15、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
16、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
17、 （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
18、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 ＜
19、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 1000~5
20、00 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
21、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
22、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
23、 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
24、 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 0.27
25、627795 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 0.11
26、23 -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 0.4
27、794 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.
28、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
29、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
30、)]= 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+0.0
31、7 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.
32、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 0.08
33、9 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
34、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 0.032023
35、8 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
36、 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 1.12
37、9 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)ΣY
38、i=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
39、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 m
40、³/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
41、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
42、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.
43、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 214
44、855.5761 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
45、 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 366
46、3.2953 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%
47、 -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.
48、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
49、 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
50、 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
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