设计断面水位流量关系曲线拟定大纲.doc

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FCD 11030 FCD水利水电工程 初步设计阶段设计断面水位流量关系曲线拟定大纲范本水利水电勘测设计标准化信息网1996年3月 水电站初步设计阶段设计断面水位流量关系曲线拟定大纲 主 编 单 位: 主编单位总工程师: 参 编 单 位: 主 要 编 写 人 员: 软 件 开 发 单 位: 软 件 编 写 人 员: 勘测设计研究院 年 月目 次1. 引 言 42. 设计依据文件和规范 43. 基本资料 54. 设计内容与方法 65. 专题研究86. 应提供的设计成果97. 附录A108. 附录B129. 附录C141. 引 言1.1 工程与河道概况 工程位于 省(区) 市(县) 乡 村 河(江)上。工程设计标准为 , 设计洪水流量为 m3/s; 校核标准为 , 校核洪水流量为 m3/s。坝址以上流域位于东经 ; 北纬 之间。坝址以上河道长度 km, 集水面积 km2, 纵比降 %。 坝址河段形势:提示：顺直或弯曲, 扩散或收缩, 急滩或石梁, 漫滩或分流, 回水顶托以及堤坝、桥梁, 分洪、决口等情况。 断面情况:提示：断面形状的单式或复式, 断面宽深比, 死水、回流, 河床组成及床面特性, 岸壁特性。两岸滩地及其宽度, 滩地平面、纵面、横面形态, 床质及植被等。1.2 基本要求 (1) 设计断面水位流量关系曲线的绘制, 应以一定的实测资料为依据, 绘制所得的为工程修建前天然情况下的水位流量关系曲线。 (2) 水位流量关系曲线的高程应与工程设计采用同一基面。 (3) 本阶段所拟定的设计断面水位流量关系, 应在坝址待机实测低、中、高各级水位下的流量对其进行验证, 如较前一设计阶段成果改变较大时, 应有充分的论证。 (4) 工程修建后水位流量关系曲线的修正, 必要时应列专题作为专题研究内容。2. 设计依据文件和规范2.1 有关本工程(或专业)的文件 (1) 本工程预可行性研究报告及审批文件; (2) 本工程可行性研究报告及审批文件; (3) 水工、施工等专业提出的要求。2.2 设计规范 (1) DL 5020-93水利水电工程可行性研究报告编制规程; (2) DL 5021-93水利水电工程初步设计报告编制规程; (3) SL 58-93水文普通测量规范; (4) SDJ 214-83水利水电工程水文计算规范; (5) SD 244-87水文年鉴编印规范; (6) SL 77-94小型水力发电站水文计算规范; (7) GB 50179-93河流流量测验规范。2.3 参考资料 (1) 洪水调查资料审编刊印试行办法, 水利电力部颁发, 水利电力出版社, 1976年10月; (2) 洪水调查, 水利电力部东北勘测设计院主编, 水利电力出版社, 1977 年2月; (3) 水利水电量和单位实用手册, 水利电力出版社, 1988年11月; (4) 水文资料整编方法, 水利电力部水文局编, 1958年10月。3. 基本资料3.1 河段平面图提示:(1)图面比例尺, 根据工程所在河段范围大小, 采用1:20001:10000, 特殊情况的可用1:25000。 (2)河道平面图可用以分析水面比降变化与设计断面河段及上下游河段地形、地貌的密切关系, 有助于水面线的绘制与分析。3.2 横断面图提示:(1)断面的数量及位置, 应根据工程设计要求及推算流量方法不同来决定。如用水面曲线法推流, 断面应在水面坡降转折、或河谷发生变化的地方。一般为工程设计所要求的位置。 (2)高程一般至历年最高洪水位以上24m, 平原河流尾闾地区至历年最高洪水位以上0.5m。 (3)注意河道整治工程对过水面积的影响。3.3 纵断面图提示:在纵断图上标有横断面位置; 绘有河底线、测时水面线、各大洪水年(历史洪水及近期洪水)水面线。3.4 地形资料提示:当工程所在河段无实测纵、横断面图时, 应尽量搜集已有的各种比例尺的地形成果, 如为整治河道、修筑堤坝而施测的专用河道图等。3.5 水位、流量资料提示:水位、流量资料包括厂、坝区实测水位、流量资料; 上、下游水文站的实测水位流量资料等。3.6 洪、枯水调查资料提示:包括洪水、枯水调查资料及计算成果。3.7 水面线资料提示:(1)包括设立水尺施测的设计河段不同水位级的水面线和在设计河段调查的历史洪水水面线及近年大洪水的水面线。 (2)注意河道整治工程对水面线的改变。3.8 河道糙率资料提示:根据设计河段具体资料情况, 选择以下方法确定河道糙率; (1)利用设计河段和邻近上下游水文站实测资料, 分析水位(或流量)与糙率的关系, 对高水则外延水位糙率关系确定糙率值; (2)如果没有上述资料, 则可根据河床组成、床面特性、河段平面形态、水流流态、岸壁特性、水深及含沙量情况, 参考天然河道糙率表选取糙率值; (3)利用设计河段的同时水面线或调查的大洪水水迹线,应用试算法反求糙率值。4. 设计内容与方法4.1 天然情况下设计断面水位流量关系曲线的拟定提示:当设计断面河段顺直, 河床比较稳定, 不受下游变动回水影响, 测站控制条件良好, 同一水位下各有关水力因素均保持不变, 或者各因素虽有变化, 但能集中反映在断面面积和断面平均流速两因素能互相补偿, 使同一水位只有一个相应流量, 其关系就成为稳定的单一线; 当测站控制条件较差, 各有关水力因素不能保持不变, 又不能互相补偿时, 则形成不稳定的非单一水位流量关系线。4.1.1 设计断面单一水位流量关系曲线的拟定提示:(1)若设计断面(坝址、厂房尾水出口、导流洞进出口、引水渠进口、料场区等, 下同)有实测水位流量资料, 可直接根据实测资料点绘水位流量关系。 (2)当设计断面无实测水位流量资料, 应尽早在该河段设立专用水文站或水位站, 施测不同水位级水面线和流量。有条件时还应进行洪、枯水调查。当取得设计断面一定的水位流量(或仅有水位)观测资料后, 可按附录A拟定设计断面单一的水位流量关系。4.1.2 设计断面单一水位流量关系曲线的延长提示:设计断面单一水位流量关系曲线的高水延长, 应注意分析河道情况, 水面比降、河道糙率、断面特性等因素随水位升高而变化的情况, 如外延幅度较大, 用几种不同方法互相印证, 采取合理的方法。常用的外延方法有: (1)外延水位流速关系; (2)用曼宁公式作高水延长; (3)用曲线法延长; (4)顺趋势延长水位流量关系曲线; (5)以断流水位为控制作低水延长。 具体延长方法和步骤可参见附录B。4.1.3 设计断面非单一性的水位流量关系曲线的拟定及延长提示:对于非单一性的水位流量关系曲线, 应分析其成因, 提出反映不同水力条件的水位流量关系曲线。根据其主要影响因素, 其水位流量关系可分以下几种: (1)受洪水涨落影响的水位流量关系; (2)受变动回水影响的水位流量关系; (3)受冲淤影响的水位流量关系; (4)受水生植物影响的水位流量关系; (5)受结冰影响的水位流量关系; (6)受潮汐影响的水位流量关系; (7)受混合影响的水位流量关系。 受各种影响的水位流量关系曲线的拟定及延长方法参见附录C。4.1.4 水位流量关系曲线评价提示:(1)对拟定的设计断面水位流量关系曲线, 应从基本资料、参数选用、计算方法等方面估计其可能误差范围, 并作出评价。 (2)本阶段拟定的设计断面水位流量关系曲线如与前一设计阶段成果有较大改变时, 应有充分的论证。4.2 工程修建后设计断面水位流量关系曲线的修正4.2.1 施工弃碴对电站尾水水位流量关系曲线影响的修正提示:施工弃碴不合理或工程竣工后下游围堰拆除不彻底, 都将抬高电站尾水位。因此在施工过程中, 必须做出合理的堆碴规划。 根据规划的弃碴方案, 分析沟道弃碴进入河道使河床抬高值, 其步骤为: (1)绘制河道纵横断面图; (2)确定水面线计算的起始断面, 该断面不受弃碴影响, 能作出天然情况下水位流量关系; (3)确定弃碴后的计算糙率。 (4)采用明渠恒定渐变流方程逐段计算水面线,算得不同流量的各堆碴方案电站尾水水位, 修正原尾水水位流量关系曲线。4.2.2 射流增差作用对电站下游水位流量关系曲线影响的修正提示:(1)枢纽泄洪时, 将水流的巨大位能转换成高速水流集中向下游河道中冲射,造成坝址下游的局部冲刷坑, 把电站的尾水位压低, 水面相应出现倒比降, 形成射流增差。 (2)根据枢纽采用的消能方式, 分别采用动量方程或能量方程估算射流增差值 (1) 动量方程法 根据工程实践, 当枢纽采用挑流消能时, 射流增差效果比较大, 可以根据入射水流上下游断面河道动量的变化, 考虑高速水流的掺气影响, 按动量平衡原理计算水位增差值DZ。 (2) 能量方程法 当枢纽采用其他消能方式时, 进入下游河道的动量减小, 则射流增差作用小, 应选取冲刷坑下游河段, 按能量方程估算增差值DZ。4.2.3 分流河段上修建工程后设计断面水位流量关系曲线的修正提示:分流河段上受工程建设影响的水位流量关系曲线, 有两江分流、三江分流及多江分流等情况, 推求的方法基本上是一致的。两江分流情况下, 只考虑一个参数(总流量Q)即可推求左右河道的水位流量关系曲线; 而在三江分流的情况下, 除总流量这一参数外, 尚需考虑三江分流不同的因素。即两江分流中某一条水位流量关系曲线, 在三江分流时可能因分流大小不同而变成一组曲线。此外仅以两江分流的推求方法示例。该时的水位流量曲线是以总流量为参数的一束曲线组。因受工程影响后的水位流量关系曲线较天然情况下的曲线平缓得多, 能求得曲线起点、天然情况分流点和曲线终点三个控制点即可确定该条曲线。 一般情况下求得以上三个特征点, 即可作出总流量为Q时分流河道断面处的水位流量关系曲线, 用同样方法可以推求出另一分流河道断面处的水位流量关系曲线。 按上述推求曲线组中某一流量Q情况下的一条曲线同样的方法, 推求出曲线组中总流量为Q1、Q2、Q3, Qn情况下的水位流量关系曲线。详见红水河1993年第3期。4.2.4 下游河道修建闸、坝、桥梁、港口、码头工程后对设计断面水位流量关系曲线影响的修正提示:当设计断面下游河道修建闸、坝、桥梁、港口、码头工程后, 设计断面的水位流量关系曲线应以工程修建后的河道(或水库)断面、糙率, 用水面线计算方法对原水位流量关系曲线进行修正。4.2.5 河道整治后对设计断面水位流量关系曲线影响的修正提示:(1)河道整治包括截弯工程、护岸工程、导流工程、束窄工程和渠化工程等。 (2)可根据河道整治后河道断面形态的改变(裁弯、护岸、束窄、导流等)、河床比降和水面比降以及河床组成的变化情况, 分析确定河道整治后各断面的过水断面面积、水面比降及河道糙率等因素, 通过水面线计算的方法修正原水位流量关系曲线。5. 专题研究提示:必要时应进行射流增差计算的研究, 以便估算电站运行后泄洪水流的射流增差作用6. 应提供的设计成果 提供的设计成果, 主要有计算书、报告书、附图及附表等。 (1) 设计断面水位流量关系曲线拟定计算书; (2) 设计断面水位流量关系曲线拟定报告书; (3) 专题研究报告; (4) 天然情况下设计断面水位流量关系曲线表;表1 水位流量关系曲线表水位, m流量, m3/s (5) 施工堆碴及计入射流增差的水位流量关系曲线表;表2 堆碴后计入射流增差水位流量关系曲线表流量m3/s原河道水位m堆碴后水位m堆碴后计入射流增差水位m采用水位m备 注 (6) 工程修建后设计断面水位流量关系曲线表, 表的格式参考表2; (7) 设计河段平面图; (8) 设计断面实测横断面图; (9) 设计河段实测和调查水面线图;(10) 设计断面及主要控制站水位流量关系曲线图。附录A 设计断面单一水位流量关系曲线的拟定 根据设计河段水位、流量、水面线资料和上、下游邻近水文站的实测资料情况, 选用下列相应方法拟定设计断面单一的水位流量关系曲线。A1 当设计断面实测水位流量资料比较充分时, 可直接根据实测水位流量资料绘制。A2 当设计断面有实测水位和水面线资料, 其上、下游有实测流量资料, 区间又无较大支流, 则可将上、下游流量经适当修正(当设计断面与设计依据站集水面积相差超过3%, 但小于15%, 降雨量和下垫面条件相差不大时, 则应按面积比的指数关系修正)后移用到设计断面。借用上、下游修正后的流量与设计断面的相应水位, 绘制设计断面的水位流量关系曲线。A3 当设计断面水位资料短缺, 又无水面线资料, 但上、下游流量资料经适当修正后能移用到设计断面, 应在设计断面处设水尺观测水位, 并施测设计河段不同水位级的水面线。借用上、下游修正后的流量与设计断面的相应观测水位, 绘制设计断面水位流量关系曲线。A4 当设计断面水位资料短缺, 无水面线资料, 并且其上、下游流量资料短缺或不能移用时, 应在设计断面设站观测水位, 施测设计河段不同水位级的水面线, 并在设计断面施测流量。根据施测的水位、流量绘制设计断面水位流量关系曲线。A5 当设计断面无任何实测水位流量资料, 其上、下游又无流量资料可以移用, 也无条件设站观测水位流量时, 应在设计河段进行洪、枯水面线调查及河段纵断面图、设计断面横断面图施测。然后根据河段纵断面图和设计断面横断面图, 参照主槽河底平均比降和洪、枯水调查的水面比降, 以及根据河道特征参照天然河道糙率, 采用比降法估算各级假定水位下相应流量, 绘制“计算的”水位流量关系曲线。A5.1 若河段顺直均整, 上下断面形态及断面面积接近, 河床稳定, 可近似地用稳定均匀流公式即: (A1) 计算各级假定水位下相应的流量, 据以点绘水位流量关系曲线。 式中:Q¾¾洪峰流量, m3/s; n¾¾河道糙率; I¾¾水面比降; A¾¾有效过水断面面积, m2; R¾¾水力半径, m。A5.2 若设计河段内断面沿水流方向逐渐扩散或逐渐收缩时, 应采用稳定非均匀流公式计算各级假定水位下相应的流量, 即 (A2) 式中:DH¾¾沿程水头损失, m; L¾¾河段长度, m; ¾¾上下两断面输水率平均值, m3/s; A1、A2¾¾上下两断面的有效过水面积, m2; z¾¾局部水头损失系数。断面收缩时z=0.1或0; 断面突然扩散时 z=0.51.0; 逐渐扩散时z=0.30.5。收缩河段为1+z; 扩散河段为1-z。 如果设计河段较长, 调查洪痕点较少, 河段内河底坡降及横断面的变化较大, 不能由少数洪痕联成直线确定水面比降时, 一般用水面曲线法推求洪峰流量。常用计算方法有试算法和图解法(详细计算可参见“洪水调查”一书)。根据假定水位及相应流量点绘水位流量关系曲线。附录B 设计断面单一水位流量关系曲线的延长 设计断面河段均匀顺直, 河床比较稳定, 不受下游变动回水影响, 其水位流量关系呈单一关系时, 可根据设计河段河道平面形态、河床特性、河道糙率、水面比降、断面特性的不同情况, 分别选用以下一种或几种方法。B1 利用水位面积、水位流速关系曲线作高低水延长 河床比较稳定, 水位面积、水位流速关系点子比较集中, 曲线趋势明显的测站或断面, 可用此法。 (1) 根据实测的大断面资料, 绘制水位面积曲线。 (2) 根据高水的水位流速曲线常趋于同纵轴接近平行的直线, 可顺实测的水位流速关系曲线趋势向上或向下延长。 (3) 以延长部分的各级水位的流速乘以相应面积得相应流量, 据此便可绘出延长部分的水位流量关系曲线。B2 用曼宁公式作高水延长 河道顺直、河床底坡平坦、断面均匀稳定的测站或断面, 视有无糙率、比降资料可用曼宁公式作高水延长。B2.1 有糙率和比降资料的测站或断面: 可点绘水位与糙率关系曲线, 并延长至高水。选用高水时的糙率n值与实测比降I, 并由实测大断面算得水力半径R和面积A, 代入曼宁公式: (B1) (B2) 计算高水时的流速V、流量Q, 据以延长水位流量关系曲线。 对于宽深比()超过40的河槽可用平均水深代替水力半径R。B2.2 无糙率、比降资料的测站或断面: 根据实测流量资料, 用曼宁公式计算(即)值, 并据以点绘Z关系曲线, 顺趋势沿平行于纵轴的方向延长至高水。再据实测大断面资料, 计算面积A, 水力半径R和值, 点绘Z关系曲线。按不同水位在曲线上分别查得相应的和值, 以两者乘积求得流量, 据以延长水位流量关系曲线。B2.3 若高水漫滩, 则主槽和漫滩部分应分别计算流量进行延长。B3 用曲线作高水延长 断面为单式河槽, 无显著冲淤, 高水糙率和比降变化不大的测站或断面, 可用此法。B3.1 根据实测大断面资料, 计算各级水位的值, 并点绘关系曲线。B3.2 根据实测部分的曲线和关系曲线, 查得各级水位的、值, 点绘关系曲线, 并顺趋势按直线向上延长。B3.3 以不同的高水位Z, 在曲线上查得值，再以值在曲线上查得相应Q值, 据以点绘在原水位流量关系曲线上, 连成平滑的高水延长曲线。B3.4 对于宽深比()大于40的河槽, 可用平均水深代替水力半径R。B4 以断流水位为控制作低水延长 当需要作低水延长时, 可用断流水位为控制。 根据河道、断面及以情况确定断流水位有下述三种方法:B4.1 根据水文站纵横断面资料确定:即以水文站下游浅滩或石梁的顶部高程作断流水位; 若下游较长距离内河底平坦, 则以水尺断面最低点高程作断流水位。B4.2 分析法:当断面整齐, 在延长水位变幅内河宽变化不大, 无浅滩、分流现象时, 在曲线中低水弯曲部分, 从高向低依次取a、b、c三点, 使这三点的流量关系满足, 则断流水位: (B3) 式中: Z0¾¾断流水位, m; Za、Zb、Zc¾¾水位流量关系曲线上a、b、c三点的水位, m。 以断流水位和流量为零的坐标(Z0, 0)为控制点, 将水位流量关系曲线向下延长至需要的水位处。B4.3 图解法:原理和使用条件与分析法相同。具体方法请参见SD244-87。附录C 设计断面非单一水位流量关系曲线的拟定及延长 根据设计断面(测站)所受主要水力因素影响不同以及河道、断面特性和外延幅度, 选用其中相应方法拟定并延长非单一性的水位流量关系曲线。C1 受洪水涨落影响的水位流量关系 当受洪水涨落影响水位流量关系呈绳套形状的曲线, 应通过涨落率为零的实测点据或按校正因素法定出单一的综合曲线后, 再予以延长。C2 受变动回水影响的水位流量关系 受变动回水影响河道的水位流量关系可用定落差法(适用于河段内各断面比较均匀, 河底平坦的站或断面)和落差指数法(适用于河段顺直, 断面和河槽基本稳定, 落差代表性好的站或断面)以及等落差法(适用断面稳定, 用上下水尺断面间的落差计算的比降能代表基本水尺断面处的水面比降)处理为单一线后, 再予以延长。C3 受冲淤影响的水位流量关系 以冲淤发生时间的持续性分为经常性冲淤和不经常性冲淤; 从冲淤前后纵横断面变化情况分为普遍冲淤和局部冲淤; 还有在一次洪水过程中的冲淤变化。 在有实测资料的河段, 各种冲淤条件的流量计算, 视冲淤条件不同, 可用改正水位法、导向原断面法、临时曲线法等定线。C3.1 临时曲线法:适用于不经常性冲淤的站。C3.2 导向原断面法:适用于受经常性冲淤影响时属普遍性冲淤的站。C3.3 改正水位法:适用于受经常性冲淤影响时属局部性冲淤的站。 对于仅有年际冲淤变化的河道, 通过调查访问勾绘出大水当年的过水断面后, 就可按比降法估算洪峰流量, 据以延长水位流量关系曲线。 对于一次洪水过程中涨冲落淤的河道, 可根据洪水过程中实测断面资料, 分析绘制水位与冲刷面积关系, 利用实测水文资料, 建立关系, 顺势外延其高水部分。当求出冲刷后的断面面积和水力因素后, 受冲刷影响的水位流量关系曲线即可求得。C4 受水生植物影响的水位流量关系 可用改正水位法和改正系数法定线。具体方法参见SD 244-87。C5 受结冰影响的水位流量关系 冰期水位流量关系不稳定, 而无冰塞、冰坝壅水的时期, 适用改正系数法, 推流方法与改正水位法相似。即以畅流期的水位流量关系曲线作为标准曲线, 点绘改正系数过程线, 以水位查得标准曲线上流量, 乘以在改正系数过程线上查得相应时间的改正系数, 即为所求流量。 改正水位法与改正系数法定线和推流方法相似。 当下游有冰塞、冰坝, 使水位抬高, 形成回水顶托影响, 定线方法同受变动回水影响情况相似, 可用定落差法和落差指数法处理为单一线后, 再予以高水延长。C6 受潮汐影响的水位流量关系 当设计断面受潮汐影响时, 设计断面水位受到上溯潮波的影响, 抬高了水位, 一般河道的水位流量关系不复存在, 其水位不仅是流量的函数, 还与潮汐有关。 潮流量推求有合轴相关法、定潮汐要素法和感潮闸坝站的一潮推流法等。具体方法参见SD 244-87。C7 受混合因素影响的水位流量关系 常见的有冲淤与洪水涨落, 冲淤与回水, 洪水涨落与回水等混合影响型。仅以同时受涨落和回水顶托两种因素影响的水位流量关系曲线而论, 归根到底反映在河道比降(或落差DZ)的变化上, 通常多用流量与落差指数比的方法, 即建立关系来处理。