1、 FCD 11030 FCD 水利水電工程 初步設計階段設計斷面水位流量關系曲線擬定大綱范本水利水電勘測設計標準化信息網1996年3月 水電站初步設計階段設計斷面水位流量關系曲線擬定大綱 主 編 單 位: 主編單位總工程師: 參 編 單 位: 主 要 編 寫 人 員: 軟 件 開 發 單 位: 軟 件 編 寫 人 員: 勘測設計研究院 年 月目 次1. 引 言 42. 設計依據文件和規范 43. 基本資料 54. 設計內容與方法 65. 專題研究86. 應提供的設計成果97. 附錄A108. 附錄B129. 附錄C141. 引 言1.1 工程與河道概況 工程位于 省(區) 市(縣) 鄉 村 河

2、(江)上。工程設計標準為 , 設計洪水流量為 m3/s; 校核標準為 , 校核洪水流量為 m3/s。壩址以上流域位于東經 ; 北緯 之間。壩址以上河道長度 km, 集水面積 km2, 縱比降 %。 壩址河段形勢:提示：順直或彎曲, 擴散或收縮, 急灘或石梁, 漫灘或分流, 回水頂托以及堤壩、橋梁, 分洪、決口等情況。 斷面情況:提示：斷面形狀的單式或復式, 斷面寬深比, 死水、回流, 河床組成及床面特性, 岸壁特性。兩岸灘地及其寬度, 灘地平面、縱面、橫面形態, 床質及植被等。1.2 基本要求 (1) 設計斷面水位流量關系曲線的繪制, 應以一定的實測資料為依據, 繪制所得的為工程修建前天然情況

3、下的水位流量關系曲線。 (2) 水位流量關系曲線的高程應與工程設計采用同一基面。 (3) 本階段所擬定的設計斷面水位流量關系, 應在壩址待機實測低、中、高各級水位下的流量對其進行驗證, 如較前一設計階段成果改變較大時, 應有充分的論證。 (4) 工程修建后水位流量關系曲線的修正, 必要時應列專題作為專題研究內容。2. 設計依據文件和規范2.1 有關本工程(或專業)的文件 (1) 本工程預可行性研究報告及審批文件; (2) 本工程可行性研究報告及審批文件; (3) 水工、施工等專業提出的要求。2.2 設計規范 (1) DL 5020-93水利水電工程可行性研究報告編制規程; (2) DL 502

4、1-93水利水電工程初步設計報告編制規程; (3) SL 58-93水文普通測量規范; (4) SDJ 214-83水利水電工程水文計算規范; (5) SD 244-87水文年鑒編印規范; (6) SL 77-94小型水力發電站水文計算規范; (7) GB 50179-93河流流量測驗規范。2.3 參考資料 (1) 洪水調查資料審編刊印試行辦法, 水利電力部頒發, 水利電力出版社, 1976年10月; (2) 洪水調查, 水利電力部東北勘測設計院主編, 水利電力出版社, 1977 年2月; (3) 水利水電量和單位實用手冊, 水利電力出版社, 1988年11月; (4) 水文資料整編方法, 水

5、利電力部水文局編, 1958年10月。3. 基本資料3.1 河段平面圖提示:(1)圖面比例尺, 根據工程所在河段范圍大小, 采用1:20001:10000, 特殊情況的可用1:25000。 (2)河道平面圖可用以分析水面比降變化與設計斷面河段及上下游河段地形、地貌的密切關系, 有助于水面線的繪制與分析。3.2 橫斷面圖提示:(1)斷面的數量及位置, 應根據工程設計要求及推算流量方法不同來決定。如用水面曲線法推流, 斷面應在水面坡降轉折、或河谷發生變化的地方。一般為工程設計所要求的位置。 (2)高程一般至歷年最高洪水位以上24m, 平原河流尾閭地區至歷年最高洪水位以上0.5m。 (3)注意河道整

6、治工程對過水面積的影響。3.3 縱斷面圖提示:在縱斷圖上標有橫斷面位置; 繪有河底線、測時水面線、各大洪水年(歷史洪水及近期洪水)水面線。3.4 地形資料提示:當工程所在河段無實測縱、橫斷面圖時, 應盡量搜集已有的各種比例尺的地形成果, 如為整治河道、修筑堤壩而施測的專用河道圖等。3.5 水位、流量資料提示:水位、流量資料包括廠、壩區實測水位、流量資料; 上、下游水文站的實測水位流量資料等。3.6 洪、枯水調查資料提示:包括洪水、枯水調查資料及計算成果。3.7 水面線資料提示:(1)包括設立水尺施測的設計河段不同水位級的水面線和在設計河段調查的歷史洪水水面線及近年大洪水的水面線。 (2)注意河

7、道整治工程對水面線的改變。3.8 河道糙率資料提示:根據設計河段具體資料情況, 選擇以下方法確定河道糙率; (1)利用設計河段和鄰近上下游水文站實測資料, 分析水位(或流量)與糙率的關系, 對高水則外延水位糙率關系確定糙率值; (2)如果沒有上述資料, 則可根據河床組成、床面特性、河段平面形態、水流流態、岸壁特性、水深及含沙量情況, 參考天然河道糙率表選取糙率值; (3)利用設計河段的同時水面線或調查的大洪水水跡線,應用試算法反求糙率值。4. 設計內容與方法4.1 天然情況下設計斷面水位流量關系曲線的擬定提示:當設計斷面河段順直, 河床比較穩定, 不受下游變動回水影響, 測站控制條件良好, 同

8、一水位下各有關水力因素均保持不變, 或者各因素雖有變化, 但能集中反映在斷面面積和斷面平均流速兩因素能互相補償, 使同一水位只有一個相應流量, 其關系就成為穩定的單一線; 當測站控制條件較差, 各有關水力因素不能保持不變, 又不能互相補償時, 則形成不穩定的非單一水位流量關系線。設計斷面單一水位流量關系曲線的擬定提示:(1)若設計斷面(壩址、廠房尾水出口、導流洞進出口、引水渠進口、料場區等, 下同)有實測水位流量資料, 可直接根據實測資料點繪水位流量關系。 (2)當設計斷面無實測水位流量資料, 應盡早在該河段設立專用水文站或水位站, 施測不同水位級水面線和流量。有條件時還應進行洪、枯水調查。當

9、取得設計斷面一定的水位流量(或僅有水位)觀測資料后, 可按附錄A擬定設計斷面單一的水位流量關系。設計斷面單一水位流量關系曲線的延長提示:設計斷面單一水位流量關系曲線的高水延長, 應注意分析河道情況, 水面比降、河道糙率、斷面特性等因素隨水位升高而變化的情況, 如外延幅度較大, 用幾種不同方法互相印證, 采取合理的方法。常用的外延方法有: (1)外延水位流速關系; (2)用曼寧公式作高水延長; (3)用曲線法延長; (4)順趨勢延長水位流量關系曲線; (5)以斷流水位為控制作低水延長。 具體延長方法和步驟可參見附錄B。設計斷面非單一性的水位流量關系曲線的擬定及延長提示:對于非單一性的水位流量關系

10、曲線, 應分析其成因, 提出反映不同水力條件的水位流量關系曲線。根據其主要影響因素, 其水位流量關系可分以下幾種: (1)受洪水漲落影響的水位流量關系; (2)受變動回水影響的水位流量關系; (3)受沖淤影響的水位流量關系; (4)受水生植物影響的水位流量關系; (5)受結冰影響的水位流量關系; (6)受潮汐影響的水位流量關系; (7)受混合影響的水位流量關系。 受各種影響的水位流量關系曲線的擬定及延長方法參見附錄C。水位流量關系曲線評價提示:(1)對擬定的設計斷面水位流量關系曲線, 應從基本資料、參數選用、計算方法等方面估計其可能誤差范圍, 并作出評價。 (2)本階段擬定的設計斷面水位流量關

11、系曲線如與前一設計階段成果有較大改變時, 應有充分的論證。4.2 工程修建后設計斷面水位流量關系曲線的修正施工棄碴對電站尾水水位流量關系曲線影響的修正提示:施工棄碴不合理或工程竣工后下游圍堰拆除不徹底, 都將抬高電站尾水位。因此在施工過程中, 必須做出合理的堆碴規劃。 根據規劃的棄碴方案, 分析溝道棄碴進入河道使河床抬高值, 其步驟為: (1)繪制河道縱橫斷面圖; (2)確定水面線計算的起始斷面, 該斷面不受棄碴影響, 能作出天然情況下水位流量關系; (3)確定棄碴后的計算糙率。 (4)采用明渠恒定漸變流方程逐段計算水面線,算得不同流量的各堆碴方案電站尾水水位, 修正原尾水水位流量關系曲線。射

12、流增差作用對電站下游水位流量關系曲線影響的修正提示:(1)樞紐泄洪時, 將水流的巨大位能轉換成高速水流集中向下游河道中沖射,造成壩址下游的局部沖刷坑, 把電站的尾水位壓低, 水面相應出現倒比降, 形成射流增差。 (2)根據樞紐采用的消能方式, 分別采用動量方程或能量方程估算射流增差值 (1) 動量方程法 根據工程實踐, 當樞紐采用挑流消能時, 射流增差效果比較大, 可以根據入射水流上下游斷面河道動量的變化, 考慮高速水流的摻氣影響, 按動量平衡原理計算水位增差值DZ。 (2) 能量方程法 當樞紐采用其他消能方式時, 進入下游河道的動量減小, 則射流增差作用小, 應選取沖刷坑下游河段, 按能量方

13、程估算增差值DZ。分流河段上修建工程后設計斷面水位流量關系曲線的修正提示:分流河段上受工程建設影響的水位流量關系曲線, 有兩江分流、三江分流及多江分流等情況, 推求的方法基本上是一致的。兩江分流情況下, 只考慮一個參數(總流量Q)即可推求左右河道的水位流量關系曲線; 而在三江分流的情況下, 除總流量這一參數外, 尚需考慮三江分流不同的因素。即兩江分流中某一條水位流量關系曲線, 在三江分流時可能因分流大小不同而變成一組曲線。此外僅以兩江分流的推求方法示例。該時的水位流量曲線是以總流量為參數的一束曲線組。因受工程影響后的水位流量關系曲線較天然情況下的曲線平緩得多, 能求得曲線起點、天然情況分流點和

14、曲線終點三個控制點即可確定該條曲線。 一般情況下求得以上三個特征點, 即可作出總流量為Q時分流河道斷面處的水位流量關系曲線, 用同樣方法可以推求出另一分流河道斷面處的水位流量關系曲線。 按上述推求曲線組中某一流量Q情況下的一條曲線同樣的方法, 推求出曲線組中總流量為Q1、Q2、Q3, Qn情況下的水位流量關系曲線。詳見紅水河1993年第3期。下游河道修建閘、壩、橋梁、港口、碼頭工程后對設計斷面水位流量關系曲線影響的修正提示:當設計斷面下游河道修建閘、壩、橋梁、港口、碼頭工程后, 設計斷面的水位流量關系曲線應以工程修建后的河道(或水庫)斷面、糙率, 用水面線計算方法對原水位流量關系曲線進行修正。

15、河道整治后對設計斷面水位流量關系曲線影響的修正提示:(1)河道整治包括截彎工程、護岸工程、導流工程、束窄工程和渠化工程等。 (2)可根據河道整治后河道斷面形態的改變(裁彎、護岸、束窄、導流等)、河床比降和水面比降以及河床組成的變化情況, 分析確定河道整治后各斷面的過水斷面面積、水面比降及河道糙率等因素, 通過水面線計算的方法修正原水位流量關系曲線。5. 專題研究提示:必要時應進行射流增差計算的研究, 以便估算電站運行后泄洪水流的射流增差作用6. 應提供的設計成果 提供的設計成果, 主要有計算書、報告書、附圖及附表等。 (1) 設計斷面水位流量關系曲線擬定計算書; (2) 設計斷面水位流量關系曲

16、線擬定報告書; (3) 專題研究報告; (4) 天然情況下設計斷面水位流量關系曲線表;表1 水位流量關系曲線表水位, m流量, m3/s (5) 施工堆碴及計入射流增差的水位流量關系曲線表;表2 堆碴后計入射流增差水位流量關系曲線表流量m3/s原河道水位m堆碴后水位m堆碴后計入射流增差水位m采用水位m備 注 (6) 工程修建后設計斷面水位流量關系曲線表, 表的格式參考表2; (7) 設計河段平面圖; (8) 設計斷面實測橫斷面圖; (9) 設計河段實測和調查水面線圖;(10) 設計斷面及主要控制站水位流量關系曲線圖。附錄A 設計斷面單一水位流量關系曲線的擬定 根據設計河段水位、流量、水面線資料

17、和上、下游鄰近水文站的實測資料情況, 選用下列相應方法擬定設計斷面單一的水位流量關系曲線。A1 當設計斷面實測水位流量資料比較充分時, 可直接根據實測水位流量資料繪制。A2 當設計斷面有實測水位和水面線資料, 其上、下游有實測流量資料, 區間又無較大支流, 則可將上、下游流量經適當修正(當設計斷面與設計依據站集水面積相差超過3%, 但小于15%, 降雨量和下墊面條件相差不大時, 則應按面積比的指數關系修正)后移用到設計斷面。借用上、下游修正后的流量與設計斷面的相應水位, 繪制設計斷面的水位流量關系曲線。A3 當設計斷面水位資料短缺, 又無水面線資料, 但上、下游流量資料經適當修正后能移用到設計

18、斷面, 應在設計斷面處設水尺觀測水位, 并施測設計河段不同水位級的水面線。借用上、下游修正后的流量與設計斷面的相應觀測水位, 繪制設計斷面水位流量關系曲線。A4 當設計斷面水位資料短缺, 無水面線資料, 并且其上、下游流量資料短缺或不能移用時, 應在設計斷面設站觀測水位, 施測設計河段不同水位級的水面線, 并在設計斷面施測流量。根據施測的水位、流量繪制設計斷面水位流量關系曲線。A5 當設計斷面無任何實測水位流量資料, 其上、下游又無流量資料可以移用, 也無條件設站觀測水位流量時, 應在設計河段進行洪、枯水面線調查及河段縱斷面圖、設計斷面橫斷面圖施測。然后根據河段縱斷面圖和設計斷面橫斷面圖, 參

19、照主槽河底平均比降和洪、枯水調查的水面比降, 以及根據河道特征參照天然河道糙率, 采用比降法估算各級假定水位下相應流量, 繪制“計算的”水位流量關系曲線。A5.1 若河段順直均整, 上下斷面形態及斷面面積接近, 河床穩定, 可近似地用穩定均勻流公式即: (A1) 計算各級假定水位下相應的流量, 據以點繪水位流量關系曲線。 式中:Q¾¾洪峰流量, m3/s; n¾¾河道糙率; I¾¾水面比降; A¾¾有效過水斷面面積, m2; R¾¾水力半徑, m。A5.2 若設計河段內斷面沿水流方向逐漸擴散或逐

20、漸收縮時, 應采用穩定非均勻流公式計算各級假定水位下相應的流量, 即 (A2) 式中:DH¾¾沿程水頭損失, m; L¾¾河段長度, m; ¾¾上下兩斷面輸水率平均值, m3/s; A1、A2¾¾上下兩斷面的有效過水面積, m2; z¾¾局部水頭損失系數。斷面收縮時z=0.1或0; 斷面突然擴散時 z=0.51.0; 逐漸擴散時z=0.30.5。收縮河段為1+z; 擴散河段為1-z。 如果設計河段較長, 調查洪痕點較少, 河段內河底坡降及橫斷面的變化較大, 不能由少數洪痕聯成直線確定水面比降時,

21、 一般用水面曲線法推求洪峰流量。常用計算方法有試算法和圖解法(詳細計算可參見“洪水調查”一書)。根據假定水位及相應流量點繪水位流量關系曲線。附錄B 設計斷面單一水位流量關系曲線的延長 設計斷面河段均勻順直, 河床比較穩定, 不受下游變動回水影響, 其水位流量關系呈單一關系時, 可根據設計河段河道平面形態、河床特性、河道糙率、水面比降、斷面特性的不同情況, 分別選用以下一種或幾種方法。B1 利用水位面積、水位流速關系曲線作高低水延長 河床比較穩定, 水位面積、水位流速關系點子比較集中, 曲線趨勢明顯的測站或斷面, 可用此法。 (1) 根據實測的大斷面資料, 繪制水位面積曲線。 (2) 根據高水的

22、水位流速曲線常趨于同縱軸接近平行的直線, 可順實測的水位流速關系曲線趨勢向上或向下延長。 (3) 以延長部分的各級水位的流速乘以相應面積得相應流量, 據此便可繪出延長部分的水位流量關系曲線。B2 用曼寧公式作高水延長 河道順直、河床底坡平坦、斷面均勻穩定的測站或斷面, 視有無糙率、比降資料可用曼寧公式作高水延長。B2.1 有糙率和比降資料的測站或斷面: 可點繪水位與糙率關系曲線, 并延長至高水。選用高水時的糙率n值與實測比降I, 并由實測大斷面算得水力半徑R和面積A, 代入曼寧公式: (B1) (B2) 計算高水時的流速V、流量Q, 據以延長水位流量關系曲線。 對于寬深比()超過40的河槽可用

23、平均水深代替水力半徑R。B2.2 無糙率、比降資料的測站或斷面: 根據實測流量資料, 用曼寧公式計算(即)值, 并據以點繪Z關系曲線, 順趨勢沿平行于縱軸的方向延長至高水。再據實測大斷面資料, 計算面積A, 水力半徑R和值, 點繪Z關系曲線。按不同水位在曲線上分別查得相應的和值, 以兩者乘積求得流量, 據以延長水位流量關系曲線。B2.3 若高水漫灘, 則主槽和漫灘部分應分別計算流量進行延長。B3 用曲線作高水延長 斷面為單式河槽, 無顯著沖淤, 高水糙率和比降變化不大的測站或斷面, 可用此法。B3.1 根據實測大斷面資料, 計算各級水位的值, 并點繪關系曲線。B3.2 根據實測部分的曲線和關系

24、曲線, 查得各級水位的、值, 點繪關系曲線, 并順趨勢按直線向上延長。B3.3 以不同的高水位Z, 在曲線上查得值，再以值在曲線上查得相應Q值, 據以點繪在原水位流量關系曲線上, 連成平滑的高水延長曲線。B3.4 對于寬深比()大于40的河槽, 可用平均水深代替水力半徑R。B4 以斷流水位為控制作低水延長 當需要作低水延長時, 可用斷流水位為控制。 根據河道、斷面及以情況確定斷流水位有下述三種方法:B4.1 根據水文站縱橫斷面資料確定:即以水文站下游淺灘或石梁的頂部高程作斷流水位; 若下游較長距離內河底平坦, 則以水尺斷面最低點高程作斷流水位。B4.2 分析法:當斷面整齊, 在延長水位變幅內河

25、寬變化不大, 無淺灘、分流現象時, 在曲線中低水彎曲部分, 從高向低依次取a、b、c三點, 使這三點的流量關系滿足, 則斷流水位: (B3) 式中: Z0¾¾斷流水位, m; Za、Zb、Zc¾¾水位流量關系曲線上a、b、c三點的水位, m。 以斷流水位和流量為零的坐標(Z0, 0)為控制點, 將水位流量關系曲線向下延長至需要的水位處。B4.3 圖解法:原理和使用條件與分析法相同。具體方法請參見SD244-87。附錄C 設計斷面非單一水位流量關系曲線的擬定及延長 根據設計斷面(測站)所受主要水力因素影響不同以及河道、斷面特性和外延幅度, 選用其中相應方法

26、擬定并延長非單一性的水位流量關系曲線。C1 受洪水漲落影響的水位流量關系 當受洪水漲落影響水位流量關系呈繩套形狀的曲線, 應通過漲落率為零的實測點據或按校正因素法定出單一的綜合曲線后, 再予以延長。C2 受變動回水影響的水位流量關系 受變動回水影響河道的水位流量關系可用定落差法(適用于河段內各斷面比較均勻, 河底平坦的站或斷面)和落差指數法(適用于河段順直, 斷面和河槽基本穩定, 落差代表性好的站或斷面)以及等落差法(適用斷面穩定, 用上下水尺斷面間的落差計算的比降能代表基本水尺斷面處的水面比降)處理為單一線后, 再予以延長。C3 受沖淤影響的水位流量關系 以沖淤發生時間的持續性分為經常性沖淤和不經常性沖淤; 從沖淤前后縱橫斷面變化情況分為普遍沖淤和局部沖淤; 還有在一次洪水過程中的沖淤變化。 在有實測資料的河段, 各種