知识点：防洪工程

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 ㈠暴雨洪水设计

   ⑴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：

    ①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——最大雨量均值；t——欲求时间；)

    ②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；）

    ③暴雨系数计算公式：at=  

  （式中：at、bt——线性拟合参数；F——流域面积；）

    ④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；)

    ⑤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；)

    ⑥多年平均年径流系数计算公式：α=y/x =W/1000Fx

   （式中：α——多年平均年径流系数；y——年径流深；x——多年平均降雨量；）

    ⑵洪水设计：

    ①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。

    ⑴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。

    ⑵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。

    ⑶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。

    ⑷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。

    ⑸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。

    ⑹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。

   ⑺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。

    ⑻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。

    ②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。

    ③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：

    ⑴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/Fz）2/3.Qmz 

    (式中：Qm设——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。)

    ⑵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——控制面积，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=CNαFβΦγHη3n       

   （式中：N——洪水设计重现期（年）；F——控制面积；Φ——流域形状系数，Φ= ；α、β、γ、η——水文手册中的30种设计计算参数。）

    ⑶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。

    ㈡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：

    ①梯形断面的过水断面面积计算公式：ω=（b mh）h

    (式中：ω——过水断面面积，单位：平方米；b——底宽，单位：米；h——水深，单位：米；m——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=ω/X =bh/b 2h(1 m2)1/2

    ②矩形断面的过水断面面积计算公式：ω=bh

    湿周计算公式：X=b 2h

    水力半径计算公式：R=ω/X =bh/b 2h

    ③宽浅矩形断面的过水断面面积计算公式：

    当 ≥10时，X=b,R=h。

    ④圆形断面的过水断面面积计算公式：

    ω= (θ-sinθ°)

    水面宽度计算公式：B=2[h(d-h)]1/2

    湿周计算公式：X= 1/2θd

    水力半径计算公式：R=ω/X = d/4(1-sinθ°/θ )

    (式中：d——直径；h——水深；θ=3.14/180°. θ°; θ°=180° 2arcsin.h-d/2/d/2 )

    ⑤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。

    ⑥明渠等速流的平均流速计算公式：V=C(RJ)1/2

    ⑦明渠等速流的流量计算公式：Q=ωC(RJ)1/2          

    如果有流量模数K=ωC 值的话，则Q=K (R)1/2

    ⑧谢才系数C值的计算公式：C=1/n R1/6

    ⑨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。

    ⑽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≥500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。

    ㈢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：

    ①峰顶流量：qm=λB（gH)1/2

    ②连续波流：λ=mn-1[2(m)1/2 u/(gH)1/2/1 2m]2n 1

    ③不连续波流：λ=βm[（βm-αm)（βm-αm)/(m 1))βm-αm u2/(gH)1/2

    ④溃坝缺口宽度：b=KW1/4.B1/4.H1/2

    ⑤溃坝最大流量：Qmax=(8/27)(g)1/2(B/b)1/4.bH2/3

    ⑥溃坝沿程最大流量：Q1=W/(W/Qmax) (L/VmaxK)

    ⑦溃坝洪水传播时间：t1=K[L1.75(10-h)1.5]/W0.2H0.35

    ⑧溃坝洪水到达时间：t2=K2L1.4/W0.2H0.5hm0.25

    ⑨河槽过流能力：Q=AR2/3/n(J)1/2

    ⑩溃坝洪水传播到下游的洪峰：QL=W/W/Qmax L/VmaxK

    ㈣生活污水量设计：Q=qNK/24*3600

    ㈤管道设计：⑴断面：A=3.14/4(d.d);⑵流量：Q=AV=3.14/4(d.d).V;⑶管径：d=[4Q/3.14V]1/2=3.14[Q/V]1/2;⑷管道的最经济流速计算公式：φ100-400,则V=0.6-1.0m/s;⑸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）。

    ㈥水库洪水计算公式：①溢洪道下泄流量：W=QT=1.5Bh2/3T;②水库洪水总量计算公式：W=1000KRF;③翼墙扩散角计算：tgθ=2/3[h/△h]1/2;翼墙下游长度计算：L=(2.5-3)△B/2;④淤地坝洪水总量计算：Wn=0.18Qm1.27;⑤滞洪库容计算：qp=Qp(1-V/Wp);⑥放水量确定：Qf=Am/3600TtN;⑦消能井计算公式：容积V=9.81/8.QH=1.23QH;流量Q=0.62A[2gH]1/2;深度P=t-h δ；平面面积BL=V/t;L=2B;B=[V/2t]1/2。

   ㈦水电站装机容量确定：⑴高水头大型水电站：水头在70m以上的装机容量大于75万KW的水电站；中水头中型水电站：水头在30-70m之间的装机容量在2.5-25KW的水电站；低水头小型水电站：水头在30m以下的装机容量在2.5KW以下的水电站；⑵水电站年利用小时：h=E/N;⑶装机范围确定：N=CNP;⑷水电站装机容量计算公式：P=9.81QHξ；⑸水电站单位时间的水能：N=9.81QH;⑹水电站出力计算公式：N=(6.0-8.0)QH;⑺水电站年发电量计算公式：E=NT。

    ㈧泰勒稳定分析数计算公式：m=C/KyH;安全系数：K=C/myH;

    ㈨河道施工期围堰导流计算公式：Q=1000FLC/86400=0.0116FLC

    ㈩铁路、公路桥梁的桥孔过洪能力审查计算公式：Q=εhBV;

    风壅洪水水面高度计算公式：e=KV2F/(2gd)cosβ;

    泥石流整体冲击力计算公式：F=λ.ycVc/g.sin2α;

    水库抢险的管涌危险范围确定公式：J=hL/L=0.05,正常渗流出逸点一般在堤身的1/3以下处;出逸点渗流比降计算：J=sinβ;沉砂池断面平均流速计算公式：V=Q/HB;泥沙沉降的水平长度：L=VH/ω；沉砂池长度计算公式：L=KL;泥石流流量计算公式：Q=ωCVc;涵洞孔径净宽：b=Q/1.58H1.5;涵洞前面水深：H=[Q/1.58b]2/3。

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