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防洪工程常用计算公式2010-8-28 强新泉摘自新浪 强新泉的博客在抗洪抢险中,经常遇到一些技术问题,也就是暴雨、洪水、河 道、水库的设计洪水、校核洪水、河道过洪能力计算问题,本人 把一般常用的水利水电工程计算公式摘录如下,以供大家在抗洪 抢险中参考、探讨:暴雨洪水设计暴雨设计:暴雨:12小时降雨量达到30毫米或者24 小时降雨量达到50毫米时称为暴雨。每小时 以内的降雨量达到20 毫米也称为暴雨。设计暴雨的计算公式: 设计点雨量计算公式:Htp=KpHt(式中:Ktp设计点雨量;Kp皮尔逊曲线值;Ht一最大雨量均值;t欲求时间;) 设计面雨量计算公式:Ht面=atHt(式中:Ht面设计面雨量;at暴雨线性系数;Ht设计历时点雨量;at、bt 暴雨线性拟合系数;) 暴雨系数计算公式: at=(式中:at、bt线性拟合参数;F流域面积;) 多年平均径流量计算公式: Wp=1000yF(式中:Wp多年平均径流量;y多年平均径流深;F流域面积;) 设计频率年径流深计算公式: yp=yKp(式中:y多年平均径流深;Kp频率模比系数;) 多年平均年径流系数计算公式:a=y/x =W/1000Fx(式中:a多年平均年径流系数;y一年径流深;x多年平均降雨量;) 洪水设计: 洪水特征:一般常用洪峰流量、洪水总量、洪水过程线三个要素表示。洪水设计的概念:一次降雨形成的洪水过程线,反映洪水的外形,过程线上的最大值就是洪 峰流量,用Q表示。洪峰最高点就是洪峰水位,用Z表示。洪水过程线和横坐标所包围的 面积,经过单位面积换算求得,就是洪水总量,用W表示。洪水过程线的底宽是洪水总历 时,用T表示。从开始涨水到洪峰流量的历时称为涨水历时,用t1表示。从洪峰到洪水下 落到终止的历时称为落水历时,用 t2 表示。洪水总历时等于涨水历时和落水历时之和。即 T=t1+t2。一般情况下,一次降雨形成的洪水过程称为单式洪水过程。相邻两次以上的降雨, 前面降雨形成的洪水没有泄完,后面降雨形成的洪水接踵而来,称为复式洪水过程。洪水的类型:洪水的类型一般分为六种,一是暴雨洪水,暴雨洪水又分为山洪和泥石流 两种。二是融雪洪水,三是冰川洪水,四是冰凌洪水,五是雨雪混合洪水,六是溃坝洪水。洪水分级:根据国家水文情报预报规范,按洪水重现期的大小,把洪水分为常见洪 水(8-10 年一遇)、较大洪水(10-50年一遇)、大洪水(50-150年一遇)、特大洪水(大 于 50 年一遇)。洪水的形成过程:从降雨到水流汇集至河流出口的整个物理过程,称为径流形成过程, 也就是洪水的形成过程。洪水的形成,是一个相当复杂的物理过程,为了便于说明这个过程, 我们把它概化为:流域蓄渗过程、坡地汇流过程和河网汇流过程。也可以概化为产流过程和 汇流过程。产流过程:指降雨满足了截流、下渗、填洼、和雨期蒸发后形成径流量的过程。损失过程:流域的蓄渗过程,不直接生产径流,而是消耗或损失于植物截流、下渗、 填洼、蒸发的降雨量。超渗产流:地下水埋藏深,包气带土层厚度可达数十米到几百米,下部干土缺水量很 大,一般降雨不能使土层达到田间持水量,因植被差,土质贫瘠,下渗能力低,往往形成的 大量产流。蓄满产流:年降雨量充沛,地下水位高,包气带土层不厚,下层容易常达田间持水量, 缺水量不大,不容易形成超渗产流,在土壤缺水量满足后全部产生径流的蓄流方式,称为满 蓄产流。汇流过程:降雨或者溃坝形成的洪水,从产生的地点到流域出口断面的汇集过程,称 为汇流过程。也可以称为流域汇流。流域汇流分为坡地汇流和河网汇流两个阶段。坡地汇流:降雨产生的水流从产生地点沿坡地向河槽汇集的过程,称为坡地汇流。分 为坡面径流、表层径流和地下径流三种径流形式:坡面径流,出流过程一般用坡地汇流曲线 的径流成因公式计算描述;表层径流,通常用线性蓄泄关系描述;地下径流,流动规律一般 采用土壤饱和水流与非饱和水流方程进行描述。河网汇流:许多大小不同的河槽构成相互贯通的泄水系统,称为河系。水流沿着河槽向 下游运动的过程,称为河槽汇流。在这个系统中,各级河槽的水流向下游流动的过程,称为 河系汇流。在天然河槽,特别是在河系中,沿程旁侧支流洪水的加入和入流,干支流的互相 干扰因素和沿程水力特性的差异,使河道洪水的波浪运动变化更为复杂,一般采用水流连续 定理和蓄泄关系进行描述河系汇流。也就是采用径流成因公式计算描述出流过程。因此,在 实际工作中,可以直接用净雨代表坡面出流,经过河槽汇流计算描述流域出口断面的流量过 程。洪水过程的水源组成: 降雨形成的洪水过程,一般由地表径流、壤中流、浅层地下水 和深层地下水四种水源组成。地表径流,是超渗降雨形成沿坡面流动注入河槽的水量,是洪 水的主要组成部分。壤中流,地表以下和地下水水面以上的包气带土层,由包气带进入河槽 的水量称为壤中流。也可称为表层流。浅层地下水,指地下水面以下的第一个隔水层以上的 有自由表面的重力水,称为浅层地下水。也可称为潜水。河道切割深度达到潜水位以下时, 潜水就会立即向河槽排泄,从而形成潜流。深层地下水,指第一个隔水层以下,不透水层以 上的地下水。也可称为承压水或者层间水。深层地下水补给河道水量,一般不是本次降雨产 生的。对于一个流域而言,深层地下水比较稳定,我们通常把深层地下水称为基流。 洪水标准:分为五等5级,水工建筑物五等5级。正常运用洪水标准分为五级10-500 年一遇8个档次,是一般设计洪水的标准;非常运用洪水标准分为五级200-10000年一遇 8 个档次,是一般校核洪水的标准。洪水设计前,把防洪工程的等级、级别和相应的洪水频 率标准、确定出来,才能进行洪水设计。 洪水设计 洪水设计,就是根据国家防洪工程设计的有关法律规范、洪水频率、标准把河道或沟道的洪水流量、水位、海拔高程、概略坐标(经纬度)、流域面积,计算设计出来的一种科学 法定方法。洪水设计一般分为三种方法:实测资料设计洪水:就是根据一个附近典型的水文站或者水库,设计计算本流域的洪水流量。计算公式为:Qm 设=(FS/f z) 2/3.Qmz(式中:Qm设一一洪水设计流量;Fs设计控制面积;Fz附近典型水文站的控制面 积;Qmz水文站的标准流量。)经验公式设计洪水:经验公式有两种计算公式。一是洪水面积相关法: Qm=KnFn(式中:Qm洪水设计流量;Kn不同重现期的8个洪水频率系数和不同分区的6 个地形系数,洪水设计计算系数是28-48个系数;Fn制面积,F上面的n是面积系数。 面积系数是12-24个,根据地形地貌状况确定。这种计算方法在1000平方公里内可以应用, 超过1000平方公里控制面积慎用。在XXX水文手册里面可以查到。)二是综合参数法:Qm=CNaFBYHn3n(式中:N洪水设计重现期(年);F控制面积;一一流域形状系数,0= ; a、B、丫、n一一水文手册中的30种设计计算参数。)暴雨资料设计洪水:按照产流面积、面雨量、径流深、前期影响雨量、入渗率、土壤 含水量、平均降雨强度、净雨量、汇流计算、综合指数、参数、概化暴雨洪水过程线、洪水 总量、根据产流高程、设计洪水,绘制设计洪水过程线图、在设计洪水过程线图上查算,设 计洪水计算成果表。过洪断面的水力验算一般习惯上应用明渠等速流计算公式,解决防洪工程的水力计算问题。人工渠道、天然河 道、未充满水的管道,通称为明渠等速流。在明渠等速流的水,称为明渠水流,明渠水流是 无压流。明渠水流,可能是恒定流,也可能是非恒定流。可能是等速流(均匀流),也可能 是变速流(非均匀流)。当明渠水流的过水断面、平均流速、水深沿流动方向不变时,称为 明渠等速流。否则,称为明渠变速流。明渠变速流是一般防汛单位研究的重点问题,明渠变 速流是设计单位研究的复杂繁琐问题。明渠等速流洪水的类型和水力计算要素: 梯形断面的过水断面面积计算公式:3= (b+mh) h(式中:3 过水断面面积,单位:平方米;b 底宽,单位:米;h水深,单位:米; m一边坡系数,表示斜坡的垂直距离每增加1米,则水平距离相应增加m米;) 过水断面宽度计算公式: B=b+2mh湿周计算公式: X=b+2h水力半径计算公式: R=3/X =bh/b+2h(1+m2)1/2 矩形断面的过水断面面积计算公式: 3=bh湿周计算公式: X=b+2h水力半径计算公式: R=3/X =bh/b+2h 宽浅矩形断面的过水断面面积计算公式:当 10 时,X=b,R=h。 圆形断面的过水断面面积计算公式:3= (0-sin0)水面宽度计算公式: B=2h(d-h)1/2湿周计算公式:X= l/28d水力半径计算公式:R=3/X = d/4(1-sine/9 )(式中:d直径;h水深;e=3.14/180. e; e=180+2arcsin.h-d/2/d/2 ) 不规则的天然河道的过水断面面积计算公式:一般按照宽浅矩形断面计算。 明渠等速流的平均流速计算公式:V=C(RJ)l/2 明渠等速流的流量计算公式:Q=3C(RJ)l/2如果有流量模数K=wC值的话,则Q=K (R)1/2 谢才系数C值的计算公式:C=1/n R1/6 河道洪水和防洪工程的糙率n值的确定:铁路、公路桥梁、河道堤防、排洪渠工程把天然河道与人工渠道、堤防的糙率n值,在 水力计算手册上罗列了 15-24种情况,n值从0.012-0.040不等,一般习惯上把糙率n 值统一确定为0.025进行计算。河道洪水设计的纵断面比降J值的测量确定,防汛部门规定:河道洪水计算或者防洪 工程,一般纵断面比降测量的距离A500米。在设计洪水和防洪工程中,一定要求以实际测 量出来的上下游距离和高差的比降为准。水库溃坝洪水计算公式: 水库溃坝方式一般分为瞬溃、瞬分溃、渐溃三种。瞬溃,危害性最大,破坏力极强;瞬 分溃,次之;渐溃,过程非常复杂。黄河流域洪水经验公式: 峰顶流量:qm=B (gH)1/2 连续波流:A=mn-12(m)1/2+u/(gH)1/2/1+2m2n+1 不连续波流:入邙m(pm-am)(pm-am)/(m+1)pm-am+u2/(gH)1/2 溃坝缺口宽度: b=KW1/4.B1/4.H1/2 溃坝最大流量: Qmax=(8/27)(g)1/2(B/b)1/4.bH2/3 溃坝沿程最大流量: Q1=W/(W/Qmax)+(L/VmaxK) 溃坝洪水传播时间: t1=KL1.75(10-h)1.5/W0.2H0.35 溃坝洪水到达时间: t2=K2L1.4/W0.2H0.5hm0.25 河槽过流能力: Q=AR2/3/n(J)1/2 溃坝洪水传播到下游的洪峰: QL=W/W/Qmax+L/VmaxK生活污水量设计:Q=qNK/24*3600管道设计:断面:A=3.14/4(d.d);流量:Q=AV=3.14/4(d.d).V;管径: d=4Q/3.14V1/2=3.14Q/V1/2;管道的最经济流速计算公式:100-400,则 V=0.6-1.0m/s;管道阻力:管道阻力=管道长度L/管道1m的阻力。管道1m的阻力=阻力 系数*(流速*流速)。水库洪水计算公式:溢洪道下泄流量:W=QT=1.5Bh2/3T;水库洪水总量计算公式: W=1000KRF;翼墙扩散角计算:tg9=2/3h/h1/2;翼墙下游长度计算:L=(2.5-3)B/2; 淤地坝洪水总量计算
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