4设计洪水与设计水位推算分解

桥涵水文HydrologyofBridgeandCulvert第四章设计洪水与设计水位推算第一节有观测资料的设计洪水流量推算方法第二节根据洪水调查资料推算（略）第三节根据暴雨资料推算（略）第四节小流域设计洪水第五节设计洪水位的推求对公路桥梁工程来说，在发生洪水时，必须保证桥梁能安全宣泄洪水，公路能畅通。因此，在规划设计公路桥梁时，桥涵的孔径、桥梁的高度、墩台基础的埋置深度、调治构造物的尺寸等，都应根据洪水的大小来设计。本章主要任务在于确定桥梁基本尺寸(桥孔长度、桥面标高、墩台埋深)所依据的桥位河段的水文要素，即在桥渡设计使用期内可能出现的控制洪峰流量(设计流量)及其相应的水位(设计水位)。设计洪水：在道路桥涵规划、设计中所指定的各种设计标准的洪水。设计水位：在规定的桥涵设计洪水频率标准下的水位加上根据河流具体情况，即考虑壅水高度、浪高、水拱、河湾超高、凹岸超高、局部股流涌高和桥墩冲高等影响的高度后的水位。桥涵工程依据：交通部颁布的《公路工程技术标准》（JTJB01-2003）《公路工程水文勘测设计规范》（JTGC30-2002）首先根据《公路工程技术标准》确定公路的等级和桥梁的大小，然后按照《公路工程水文勘测设计规范》，确定设计洪水频率（或重现期），最后推求相应于该频率的设计流量，以及相应的设计水位、设计流速和过水断面面积。桥梁涵洞分类桥涵分类公路桥涵多孔跨径总长L/m单孔跨径/m特大桥L≥1000≥150大桥100≤L≤100040≤≤150中桥30＜L＜10020＜＜40小桥8≤L≤305≤＜20涵洞-＜5KLKLKLKLKLKL构造物名称公路等级高速公路一二三四特大桥1/3001/3001/1001/1001/100大中桥1/1001/1001/1001/501/50小桥1/1001/1001/501/251/25涵洞及小型排水构造物1/1001/1001/501/25按具体情况确定路基1/1001/1001/501/25按具体情况确定公路桥涵设计洪水频率注：二级公路的特大桥及三、四级公路的大桥，在水势猛急、河床易于冲刷的情况下，可提高一级洪水频率验算基础冲刷深度。铁路等级设计洪水频率检算洪水频率桥梁涵洞特大桥（或大桥）属于技术复杂、修复困难者或重要者Ⅰ、Ⅱ1/1001/501/300Ⅲ1/501/501/100铁路桥涵设计洪水频率设计标准越高（频率越小），设计洪水越大，设计的工程越安全，被洪水破坏的风险就越小，但工程的造价越高；反之，标准越低（频率越大），工程耗资较少，但安全程度也相应降低，被破坏的风险就较大。设计洪水的计算途径1、由实测流量资料推求；2、由洪水调查资料推求；3、由暴雨资料推求。实际工作中，对重要的工程，为保证计算成果的可靠性，应根据水文资料的情况，采用多种途径计算，相互比较，充分论证，合理采用。第一节有观测资料的设计洪水流量推算方法一、资料的选样与审查水文资料：桥位断面实测年最大洪峰流量系列及若干次历史调查洪水资料；实测水位-流量关系、水位-流速关系、水位-过水断面关系等。1、选样年最大值法：组成容量为n的年最大洪峰流量系列，以及若干次历史调查洪水资料。年超大值法：观测年数较少时采用。第一节有观测资料的设计洪水流量推算方法一、资料的选样与审查2、审查资料可靠性：资料的正确与否资料一致性：是指组成该系列的流量资料，都是在同样的气候条件、同样的下垫面条件和同一测流断面条件下获得的资料代表性：是指该洪水样本的频率分布与其总体概率分布的接近程度资料独立性：水文资料彼此无关第一节有观测资料的设计洪水流量推算方法一、资料的选样与审查3、资料的插补与延长（1）寻找参证站：采用水文统计方法推算设计流量时，如桥位附近水文站流量观测资料的观测年限较短或有缺失年份，则应尽量利用参证站(上、下游或邻近流域内的水文站)的观测资料，进行插补和延长，来提高可靠性。（2）用暴雨资料插补洪峰资料插补和延长年数不宜超过实测洪水流量的年数，并应结合气象和地理条件作合理性分析。第一节有观测资料的设计洪水流量推算方法二、设计洪峰流量的推求连序系列：即从大到小排位，序号是顺位连续排列的系列。如：实测系列不连序系列：特大洪水加入系列后称为不连序系列，即从大到小排位，序号不连续，其中一部分属于漏项、缺项位，其经验频率和统计参数计算与连序系列不同。第一节有观测资料的设计洪水流量推算方法二、设计洪峰流量的推求（1）连序系列选取样本，一般采用“年最大值法”选取样本；绘制经验频率曲线；用适线法绘制理论频率曲线，并选定三个统计参数；用选定的三个统计参数计算设计洪水频率相应的设计流量；审查计算结果。参照统计参数的地区经验值，审查所选定参数值，并用其他方法推算设计流量，进行对比。第一节有观测资料的设计洪水流量推算方法（2）不连序系列在水文站观测年份内，如果河流发生特大洪水，相应地就会出现特大值。通过洪水调查和文献考证，往往也会获得特大值。这些特大值与其它数值之间有显著的脱节现象，是不连续的。在统计计算中，不能把这些特大值与其它数值等同看待，需要进行适当处理，即所谓特大值的处理。第一节有观测资料的设计洪水流量推算方法a1个大洪水a2个大洪水n实测期N调查期或考证期T2T1a1+a2=a个大洪水什么是特大洪水？至今人们对特大洪水还没有一个明确的量的定义。在概率格纸上，它的频率点与一般洪水的频率点有明显的脱节、不连续现象。在历史洪水中、在实测洪水中都有可能出现特大洪水，需提出作单独处理。第一节有观测资料的设计洪水流量推算方法（2）不连序系列（2）不连序系列为什么要进行特大值的处理？通过特大值处理，可以延长系列资料，增强系列的代表性，减少各参数值的抽样误差，从而提高计算成果的稳定性和可靠性。一般同时采用三种来源的资料：水文站观测资料、参证站插补和延长资料、调查洪水和文献考证资料。第一节有观测资料的设计洪水流量推算方法1)独立样本法此法是把包括历史洪水的长系列(N年)和实测的短系列(n年)看作是从总体中随机抽取的两个独立样本，各项洪峰值可在各自所在系列中排位。因为两个样本来自同一总体，符合同一概率分布，故适线时仍可把经验点据绘在一起，共同适线。第一节有观测资料的设计洪水流量推算方法不连续系列的经验频率计算xP(%)1001221100%,=11231MMaNaPMNTT特大洪水的经验频率，，，22100%1,mmamPnan一般洪+1，+的经验2,水频率第一节有观测资料的设计洪水流量推算方法【例】某站自1930年至1978年有49个年头的连续实测资料，另外还调查到1903年和1921年两个历史洪水资料，另知三个历史洪水流量的排序192119491903QQQ实测期考证期（调查期）第一节有观测资料的设计洪水流量推算方法解：(1)取1903年到1978年N=76年作为一个系列。根据调查考证，认为在此期间不会遗漏大于等于1903年的洪水流量。那么在76年为首的三项的频率为：(2)另取1930年-1978年n=49年作为一个系列，按大小排队，各项频率为：对于两个系列中都有的1949年流量，一般来说选取时期较长的系列所推算的经验频率。,123761mPm、、,12...,49491mPm，，第一节有观测资料的设计洪水流量推算方法2）统一样本法：将实测系列和特大洪水系列共同组成一个不连续系列，在考证期(或调查期)内统一进行排队。(1)若在实测系列n年之内，有个特大洪水，而在系列之外又调查到在N年中有个历史洪水，则在N年中为首的a个特大洪水可以按大小顺序排,然后按维泊尔公式求频率。(2)实测系列中所余下的项只有个，它们作为总体中抽出来的样本，是有条件的，属于条件抽样，其频率为：121,2,....,1MMPMaaaaN其中22(1)111mmaaaPNNna1a2a2()na第一节有观测资料的设计洪水流量推算方法一般洪水的经验频率为:xP(%)100PMa最后一项的经验频率：剩下N–a项的频率范围为：1-PMa，而实际只知n-a2项。先将n-a2项在0-1内计算经验频率：1MaaPN222(0~1)1,manaman+1，12100%1123,MMaMPNa，特大洪水的经验频，率，第一节有观测资料的设计洪水流量推算方法xP(%)100PMa然后按（1-PMa）为比例缩小，并接到PMa之后，最后得：22222(1)1(1)111,mMaMamaPPPnamaaaNNnaman+1，第一节有观测资料的设计洪水流量推算方法解：(1)在实测系列n=49中有1个特大洪水在实测期以外，又调查得到两个历史洪水所以：在N=76年中的序位是M=1，2，3有：(2)而在实测资料的49年中，因抽出1949年的流量后，尚余48项，各项的经验频率为：192119491903123,,777777PPP192119491903QQQ、、1949Q19211903QQ、213a331(1),2,....,4977774911mmPm第一节有观测资料的设计洪水流量推算方法两种方法的比较：第一种显得方便，但没有坚强的理论基础，有时会出现经验频率分布重叠的不合理现象。第二种方法理论基础强，但所要求调查的特大洪水个数要准确可靠，而这一点在有些情况下是不易做到的。当有特大洪水遗漏时，将导致错误的计算结果。以上两种估算频率的方法已为《水利电力工程设计洪水计算规范》SD122-79所采用。第一节有观测资料的设计洪水流量推算方法不连续系列的统计参数计算假定：缺测年份中的各最大值的平均数与连续n年内除特大值之外的其它最大值的平均数及均方差均相等。第一节有观测资料的设计洪水流量推算方法a2个大洪水a1个大洪水n实测期N调查期或考证期T2T122NanaNanaxx2211211,NnNaiinaiaiaxxxxNana2112NniiiaiaNaxxnaN年系列的均值为：111[]aNNjijiaxxxN21121[](386)anjijiaNaxxNna第一节有观测资料的设计洪水流量推算方法N年系列的CV值为：由：由此可证明：即：第一节有观测资料的设计洪水流量推算方法222Nana222211211()()NnNanaiiiaiaxxxxNana22211211()()NnNNiiiaiaxxxxNana第一节有观测资料的设计洪水流量推算方法222112()()NnNNiiiaiaNaxxxxna222211221121[()()]11[()()]1aNNNNjijiaanNNjijiaxxxxNNaxxxxNna22211211[()()](387)1anNNNVNjiNNjiaNaCxxxxNnaxx三、成果合理性检查及安全保证值对水文计算的结果，可按下述的途径进行合理性检查：1.从洪峰及其参数随时间变化关系上分析2.从洪峰及其参数的地区分布规律分析3、设计洪峰流量与国内外或地区最大洪水记录对比4、与暴雨计算成果比较第一节有观测资料的设计洪水流量推算方法【例3-16】某河水文站实测年最大洪峰流量资料30年，历史特大洪水2年，调查考证期N=102年。试求200年一遇的设计洪峰流量。1、计算经验频率，点绘经验点据①独立样本法特大洪水：a1=2，N=102一般洪水：n=30，a2=0②统一样本法计算结果见下表。第一节有观测资料的设计洪水流量推算方法序号洪峰流量独立样本法统一样本法序号洪峰流量独立样本法统一样本法PMPmPMPmPMPmPMPmⅠ25200.0100.010154800.4840.494Ⅱ22000.0190.019164700.5160.525114000.0320.050174620