2020年整理工程水文及水利计算课程设计天福庙水库防洪复核计算.doc

天福庙水库防洪复核计算
一.设计任务
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553.62
km河长58.2km，河道比降1.06%，总库容6367万，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。

天福庙水库于1974年冬开工建设，1978年建设成，已运行近30年。

1975年技术设计时，水文系列年限仅20年，系列太短，也缺乏大洪水的资料。

本次课程设计的任务，是在延长基本资料的基础上，按现行规范要求对水库的防洪标准进行复核，其具体任务是：
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的计算。

4.调洪计算。

5.坝顶高程复核。

二.流域自然地理概况，流域水文气象特性
(一)流域及工程概况
天福庙水库位于湖北省远安县黄柏河东支的天赋庙村，大坝以上流域面积553.6，河长58.2km，河道比降10.6‰，总库容6367万，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。

天福庙水库于1974年冬开工建设，1978年建设成，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。

设计洪水位（P=2%）409.28m,
校核（P=0.2%）洪水位409.28m，
坝顶高程410.3m，防浪墙顶高
程411.3m。

库区吹程1000m。

（二）水文气象资料
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
温年内变化较大，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15.5m/s，风向多为NE。

流
域多年平均降水量1036.3mm，
流域暴雨频繁，洪水多发，4-10月为汛期，汛期降雨量占全年降雨量的86.7%左右，尤其以7月最大，占全年的1.3%。

月降雨量最少是12月，仅占全年的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108
3.0。

3. 乡站历史洪水。

根据1982年省雨洪办对宜昌市历史洪水调查成果的审定结果，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1826年以来的第1位，重现期为176年，1984年洪水于1826年、1930年洪水相当，分别确定为 1826年以来的地24位，1958年洪水为1826年以来的地5位。

4.天福庙水库洪峰洪量系列。

见KS1-2。

三．防洪标准选择
由天福庙库容量资料得其总库容6367万，根据《防洪标准》GB 50201-94查得天福庙水库工程等级为三级,天福庙水库位于湖北省远安县黄柏河东支的天赋庙村,属于丘陵区水库,设计防洪标准为50～100年,p=1%～2%，而实际设计防洪标准为p=2%在此范围内，说明符合设计标准。

校核防洪标准为500～1000年,p=0.1%～0.2%而实际校核标准为p=0.2%在此范围内，说明符合设计标准在此范围内，说明符合设计标准。

四．峰、量选样及历史洪水调查
1.天福庙水库坝址1959～1977年峰、量系列根据分乡站资料换算得到，洪峰按面积比指数的2/3次方换算，洪量按面积比的1次方换算。

2.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。

3.分析分乡站历史洪水，并换算至天福庙水库坝址。

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。

分析解答过程如下。

首先根据天福庙水库坝址1978～2001年峰、量系列建立峰、量相关关系。

（1）均值 i 1
13030
x x 542.92n 24=
==∑3
m /s
i 1 4.3644
y y 0.182n
24
=
=
=∑ 8310m ⨯
（2
）均方差x 457.184σ=== 3m /s
8y 83
0.182100.10110m σ==⨯⨯
=⨯（3
）相关系数--=
=
=(K 1)(K 1)9.9450r 0.927
相关系数的显著检验：在=0.01时 n=24时查的=0.5668。

因为r>可推断出总体是相关的，r>0.8，密切相关。

（4）回归系数 σσ⨯==⨯=8
y y/x
x 0.10110R r 0.92720479.1457.184
y 倚x 的回归方程 y
x
y y r
(x x)σσ-=- （5）代入数据得 y=20479.1x+7081487.03
（6
）σ==⨯⨯=⨯863y s 0.10110 3.78810m /s
天福庙水库洪峰、3天洪量系列 （1）均值 i 113030
x x 542.92n
24
=
=
=∑3
m /s
i 17.11
y y 0.2961n
24
=
=
=∑8310m ⨯ （2
）均方差x 457.184σ===3m /s
8y 83
0.2961100.15510m σ==⨯⨯
=⨯
（3
）相关系数--=
=
=(K 1)(K 1)8.9212r 0.877
相关系数的显著检验：在=0.01时 n=24时查的=0.5668。

因为r>可推断出总体
是相关的，r>0.8，密切相关。

（4）回归系数 σσ⨯==⨯=8
y y/x
x 0.15510R r 0.87729733.1457.184
y 倚x 的回归方程 y
x
y y r
(x x)σσ-=- （5）代入数据得 y=29733.1x+13467305.35
（6
）σ==⨯⨯=⨯863y s 0.155107.4510m /s
将分乡站历史洪峰、洪量换算成天福庙的历史洪峰、洪量，洪峰按面积比指数的2/3次方换算，洪量按面积比的1次方换算。

洪峰比：2
3
553.60.63931083.0⎛⎫
= ⎪
⎝⎭
洪量比：
553.6
0.51121083.0
=
y=20479.1x+7081487.03 y1=0.68358310m ⨯
1826年1天洪量为 0.562383
10m ⨯
1830年1天洪量为 0.541883
10m ⨯
1935年3天洪量为y=29733.1x+13467305.35 y3=1.0248310m ⨯
1826年3天洪量为 0.868383
10m ⨯
1830年3天洪量为 0.818583
10m ⨯
结果如表上格所示
五.设计洪水计算
1. 对天福庙水库坝址洪峰及1d 、3d 洪量系列分别进行频率计算，推求出各设计频率的设计洪峰和1d 、3d 设计洪量。

洪水调查期为1826到2001年，所
以N=176,1935年、1984年、1826年、1930年、1958年作为历史洪水即a=5实测洪峰、洪量资料44年，n=44，l=2。

1按统一样本法计算经验频率，即M M P N 1=
+，m M,a M,a
m l
P P (1P )n l 1
-=+--+ 如表中第5和7列所示分别为特大洪水和一般洪水的经验频率。

2.根据表中第2列洪峰流量系列，计算年最大洪峰流量均值Q ,离势系数
V C ,N=176，a=5，l=2。

3J Q 11885m /s
=∑ 3
i
Q 19132m /s =∑ ()
2
J Q Q
18142773-=∑ ()
2
i Q Q
2776464-=∑
a n
3
j i 1l 1
1N a 11765Q Q Q
1188519132510m /s N n l
176442+⎛⎫⎛⎫--=+=+⨯=
⎪ ⎪--⎝⎭⎝⎭
∑∑ 1C 0.8v 510=
==3.根据上步初估参数成果，取Q =3510m /s 、V C =0.8、S V C /C =3，查表频率p
的p ϕ的值，由P P V Q Q
(C 1)ϕ=+计算各p 的洪峰流量P Q ，进行第一次配线，如附图1所示，可见线条下端较高，上端较低。

因此，需要调整参数，适当增加V C 再次配线。

取Q =3510m /s V C =0.9、S V C /C =3进行第二次配线，如附图1所示，
由P 2%P V Q Q (C 1)ϕ==+计算得，设计洪峰p=2%和校核洪峰p=0.2%
3P 2%P V Q Q (C 1)510(3.090.91)1928m /ϕ==+=⨯⨯+=s 3P 0.2%P V Q Q (C 1)510(5.920.91)3227m /ϕ==+=⨯⨯+=s
第一次配线
第二次配线
1按统一样本法计算经验频率，即M M P N 1=
+，m M,a M,a
m l
P P (1P )n l 1
-=+--+ 如表中第5和7列所示分别为特大1天和一般1天洪量的经验频率。

2.根据表中第2列1天洪量系列，计算年最大1天洪量均值W ,离势系数
V C ,N=176，a=5，l=2。

831J
W
2.960210m =⨯∑ 831I W 6.558110m =⨯∑
()
2
16
1d
1dJ W W 0.911610-=⨯∑ ()
2
161d
1di W W 0.231610-=⨯∑
a n 881dj 1di 1l 183
1N a 11765W W W 2.960210 6.558110N n l 1764420.168510m +⎛⎫⎛⎫--=+
=⨯+⨯⨯ ⎪ ⎪
--⎝⎭
⎝⎭
=⨯∑∑
11
C v 0.1685W
0.61
=
==3.根据上步初估参数成果，取W =830.1710m ⨯、V C =0.61、S V C /C =3，Cs=1.83,查表频率p 的p ϕ的值，由P P V Q Q (C 1)ϕ=+计算各p 的1天洪量1dP W ，进行第一次配线，如附图2所示，，可见曲线上段明显偏低，中段稍微偏高。

因此，需要调整参数，适当增大S C 再次配线。

取W =830.1710m ⨯、V C =0.61、S V C /C =3.5，S C 2.14=进行第二次配线，如附图2所示，总体上配合良好，可以作为推求的该处年最大1天洪量理论频率曲线。

由1d P V W W (C 1)ϕ=+计算得，设计1天洪量p=2%和校核1天洪量p=0.2%.
8831d P 2%P V W W (C 1)0.1710(2.930.611)0.473810m ϕ==+=⨯⨯⨯+=⨯ 8831d P 0.2%P V W W (C 1)0.1710(5.330.611)0.722710m ϕ==+=⨯⨯⨯+=⨯
第一次配线
第二次配线
1按统一样本法计算经验频率，即M M P N 1=
+，m M,a M,a
m l
P P (1P )n l 1
-=+--+ 如表中第5和7列所示分别为特大3天和一般3天洪量的经验频率。

2.根据表中第2列3天洪量系列，计算年最大3天洪量均值W ,离势系数
V C ,N=176，a=5，l=2。

833J W 4.559810m =⨯∑ 83
3I
W 10.794710m =⨯∑ ()
2
16
3d
3dJ W W 2.058810-=⨯∑ ()
2
163d
3di W W 0.67810-=⨯∑
a n
883d
3dj 3di
1l 183
1N a 11765W W W 4.55981010.794710N n l 1764420.275610m +⎛⎫⎛⎫--=+=⨯+⨯⨯ ⎪ ⎪--⎝⎭⎝⎭
=⨯∑∑
1
C v 0.27560.6
===3.根据上步初估参数成果，取3d W =830.27510m ⨯、
V C =0.6，S V C /C =3，S C 1.8=,查表频率p 的p ϕ的值，由P P V Q Q (C 1)ϕ=+计算各p 的1天洪量1dP W ，进行第一次配线，如附图3所示，可见曲线上段明显偏低，中段稍微偏高。

因此，需要调整参数，适当增加S C 再次配线。

取W =830.27510m ⨯、V C =0.6、S V C /C =3.5，Cs=2.1进行第二次配线，如附图3所示，总体上配合良好，可以作为推求的该
处年最大天洪量理论频率曲线。

由3d P V W W (C 1)ϕ=+计算得，得到设计1天洪量和p=2%校核1天洪量p=0.2%。

8833d P 2%P V W W (C 1)0.27510(2.930.61)0.758410m ϕ==+=⨯⨯⨯+=⨯ 8833d P 0.2%P V W W (C 1)0.27510(5.330.61) 1.154410m ϕ==+=⨯⨯⨯+=⨯
第一次配线
第二次配线
4.洪峰和洪量成果的合理性分析
根据理论频率曲线得到的设计洪峰和校核洪峰流量分别为3
m s、
1928/ 3
0.7210
⨯m和83
⨯m，
0.4710
3227/
m s，相应的设计1d洪量和校核1d洪量分别为83
设计3d洪量和校核3d洪量分别为83
1.1510
⨯m。

计算结果与实测
⨯m和83
0.7610
资料比较，176年中第二大洪水的经验频率为1.12%。

设计频率为2%，设计洪峰洪量与设计1d洪量、3d洪量比第二大洪水相应数据稍小；176年中第一大洪水的经验频率为0.57%。

校核频率为0.2%，校核洪峰洪量与校核1d洪量、3d洪量比第一大洪水相应数据偏大。

故计算结果比较合理。

2. 选择典型洪水过程线
天福庙水库典型洪水过程线（1984年7月2628日）见表KS1-3。

1天洪量=0.7158 8310m ⨯ 1天洪量=0.77808310m ⨯
Q K =1928/2389=0.807
W1K =13161 /15247=0.863 W3K =(21066-13161)/(23661-15247)=0.94
（2）校核洪峰、洪量各时段放大比：
Q K =3227/2389=1.348
W1K =20075/15247=1.32 W3K =(32066-20075)/( 23661-15247)=1.43
2将放大倍比按其控制时间相应地填入表中，与对应的典型洪水流量相乘，得放大流量，如下表所示。

p=2%设计洪水过程线与典型洪水过程线
p=0.2%设计洪水过程线与典型洪水过程线
六.设计洪水调洪计算
(1)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地形图进行复核计算，与刊布成果一致，见表KS1-4。

左岸溢洪道堰顶高程398.0m,2孔，每孔净宽8.0m，亦为弧形闸门控制。

两岸溢洪道堰型均为WES标准型剖面实用堰，流量计算公式为
Q=
由该式计算泄洪建筑物泄流曲线，见表KS1-4。

设计洪水洪峰流量为3
1928/=Q m s ，小于调洪起调水位下的泄流校核洪水洪峰流量，采用控制泄流方式即可，控制闸门开度，使下泄流量等于入库流量。

校
核洪水流量为3
3227/=Q m s ，大于调洪起调水位下的泄流量3
=2940/q m s 限量。

绘出库容曲线Z ～V 和蓄泄曲线q ～V ，如图所示
(2)确定调洪的起始条件、溢洪道属于有闸门控制，调洪起调水位为正常蓄水位409m ，相应的库容为1V =60454310m ⨯，下泄流量1q =29403m /s 。

（3）推求下泄流量过程线q ～t 。

整个下泄流量过程的计算如下表所示；已知第一时段的1Q =27603m /s ，2Q =31893m /s ，并由起始条件得1V =60454310m ⨯，下泄流量1q =20133m /s ,现在要求出第一时段末的2V 和2q ；求法是：假定2q =30003m /s 由式得
1212
21
43
Q Q q q V t t V 22
2760318927603000
3600360060450000
22607910m ++=∆-∆+++=
⨯-⨯+=⨯
在曲线q ～V 中，以2V =43608510m ⨯查的2q =3000/s ，与原假设不符，故重设2q 进行计算。

再假2q =2950/s ，可得
243
2760318927602950
V 3600360060450000
22608810m ++=
⨯-⨯+=⨯
由查得2q =2950/s ，与假设相符，故43
2V 608810m =⨯，2q =2950/s 即为所求，
接下来以第一时段所求的2V ，2q ，作为第二时段初的1V ，1q ，重重复第一时段的试算过程，又可求得第二时段的2V ，2q 。

如此连续试算，既得下泄流量过程
~q t 。

流量下泄表
（4）最大下泄流量m q 的计算。

按时段1t h ∆=，取表中t 、Q 、q 值绘制在下图中的Q~t 和~q t 过程线。

Q~t 和~q t 的交点处是出现m q 的地方。

（5）推求拦洪库容和设计洪水位。

从图中可知，3
2950/=m q m s 所相应的库容103
4
6088=⨯m V m ，此库容减去防洪限制水位相应的库容即为拦洪库容
10346088-6045=43=⨯m V m ，由10346088=⨯m V m 查曲线Z~V 可得=409.3m Z m ，故
最大泄流量为3
2950/=m q m s ，校核洪水位为=409.3m Z m 。

七、坝顶高程复核计算
根据根据《混凝土拱坝设计规范》（SL 282-2003），坝顶高程不应低于校核洪水位，坝顶上游侧防浪墙顶高程与设计洪水位或校核洪水位的高差h 按下式计算：
b
z
c
∇h =
++h h h
式中
h b
——波高，m ；
h z ——波浪中心线超出静水位的风壅高度，m ； h c
——安全超高，根据建筑物等级选取.
波高 h b =12
3
112
0.0076((2g ）gD V )V V
波长
42
15
715
m
0.331(
(2g
）gD V )L
V V
-
=
风壅高度 L
L
m
m
H
cth
ππ2b
h h 2
z =
V
V---计算风速，设计工况采用1.5倍的多年平均最大风速，校核工况采用多年 平均最大风速；
H ——坝前水深，m ； g ——重力加速度
D ——库区长度，即吹程，m
7、混凝土拱坝安全超高，见表KS1-5。

表KS1-5 混凝土拱坝安全超高 单
m /s 2m /s 代入数据得 b h =13
2112
2gD V 0.0076
2g V
V ⎛⎫⎛⎫
⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
=0.8059m 4
72
15
-15
m 2
9.8100015.5L =0.331?15.5
=6.07m 15.59.8⎛⎫
⨯⎛⎫ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
2
z
m
m
π2πH
b =
cth h
h
L
L
=0.42m
查表KS1-5得，0.3c h m = 故
=0.81+0.42+0.3=1.53b z c h h h h m ∆=++
根据资料，设计洪水位高程为409.3m ，校核洪水位高程为409.8m ，坝顶高程410.3m ，防浪墙高程411.3m ，故坝顶上游侧防浪墙顶高程为：
1409.3 1.53410.83m H Z h m =+=+=
因为坝顶高程410.3m 大于校核洪水位高程409.8m ，实际防浪墙高程411.3m 大于计算防浪墙高程410.83m ，故水库坝高符合标准。

八、结论与建议。