橋涵水文-5教材

第五章內(nèi)河橋設(shè)計(jì)流量

的確定第五章內(nèi)河橋設(shè)計(jì)流量的確定學(xué)習(xí)目標(biāo)及要求：掌握有流量觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)流量推算方法；掌握缺乏實(shí)測(cè)資料時(shí)設(shè)計(jì)流量推算的方法；理解短系列資料插補(bǔ)延長(zhǎng)的意義；理解橋位斷面處設(shè)計(jì)流量、設(shè)計(jì)水位的推算方法。通過對(duì)本章的學(xué)習(xí)，使學(xué)生具有由實(shí)測(cè)長(zhǎng)系列資料推求設(shè)計(jì)流量的能力、缺乏實(shí)測(cè)資料時(shí)設(shè)計(jì)流量的推求能力。本章重點(diǎn)：有流量觀測(cè)資料和缺乏實(shí)測(cè)資料時(shí)設(shè)計(jì)流量推算方法。本章難點(diǎn)：缺乏實(shí)測(cè)資料時(shí)設(shè)計(jì)流量的推算方法。

第五章主要內(nèi)容

第一節(jié)洪水頻率與橋涵的設(shè)計(jì)洪水頻率

第二節(jié)有水文觀測(cè)資料時(shí)設(shè)計(jì)流量的推算

第二節(jié)洪水實(shí)測(cè)資料的插補(bǔ)與延長(zhǎng)

第四節(jié)

缺乏水文觀測(cè)資料時(shí)設(shè)計(jì)流量的推算

第一節(jié)洪水頻率與橋涵的設(shè)計(jì)洪水頻率等于或大于某一數(shù)值的隨機(jī)變量在序列里重復(fù)出現(xiàn)的平均年距。

二、橋涵設(shè)計(jì)洪水頻率構(gòu)造物名稱公路等級(jí)高速公路一二三四特大橋1/3001/3001/1001/1001/100大、中橋1/1001/1001/1001/501/50小橋1/1001/1001/501/251/25涵洞1/1001/1001/501/25不作規(guī)定公路橋涵設(shè)計(jì)洪水頻率(JTGC30-2002)

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的設(shè)計(jì)洪水頻率對(duì)應(yīng)的洪峰流量，稱為設(shè)計(jì)洪水流量或設(shè)計(jì)流量，其相應(yīng)的水位稱為設(shè)計(jì)水位。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的設(shè)計(jì)洪水頻率越小，橋涵遭遇洪水破壞的可能性越小，結(jié)構(gòu)越越安全，但工程造價(jià)越高。

第二節(jié)有水文觀測(cè)資料時(shí)設(shè)計(jì)流量

的推算自然界中河流流量在幾百年內(nèi)是穩(wěn)定的，有規(guī)律可循的。本節(jié)方法需要20年以上資料

常用的坐標(biāo)格紙普通坐標(biāo)格紙?jiān)谶@種坐標(biāo)格紙中，經(jīng)驗(yàn)累計(jì)頻率曲線兩端曲率變化很大，呈“S”形，這對(duì)曲線的延長(zhǎng)增加了難度。2.海森(A.Hazon)機(jī)率格紙

縱坐標(biāo)均勻分格，橫坐標(biāo)的分格按所示數(shù)據(jù)：

P(%)xP(%)x0.013.72051.6450.053.290101.2820.13.090200.8420.52.576300.52412.326400.25322.053500.000第二節(jié)經(jīng)驗(yàn)頻率曲線與理論頻率曲線海森機(jī)率格紙中間格密而兩邊漸疏，把正態(tài)分布的頻率曲線在坐標(biāo)格紙中呈現(xiàn)為一條直線。普通坐標(biāo)格紙中，經(jīng)驗(yàn)頻率曲線呈S形，曲線兩端陡峭，外延時(shí)任意性較大。橋位附近有水文站時(shí)，應(yīng)充分利用水文站的觀測(cè)資料，經(jīng)審查和插補(bǔ)延長(zhǎng)后，如能獲得足夠多的年最大流量資料（不宜少于20年），則可采用水文統(tǒng)計(jì)法推算設(shè)計(jì)流量。為了提高計(jì)算結(jié)果的精度，還應(yīng)該通過洪水調(diào)查和文獻(xiàn)考證，盡量搜集歷史洪水資料，以補(bǔ)充和延長(zhǎng)實(shí)測(cè)流量資料系列。一、經(jīng)驗(yàn)頻率的計(jì)算二、繪制經(jīng)驗(yàn)頻率曲線三、繪制理論頻率曲線

理論頻率曲線統(tǒng)計(jì)參數(shù)可采用求矩適線法或三點(diǎn)適線法等方法計(jì)算三個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)的初始值，點(diǎn)繪理論頻率曲線（P—Ⅲ型），與實(shí)測(cè)流量經(jīng)驗(yàn)頻率曲線相比較，如吻合不理想，可調(diào)整,值，使二者基本吻合。1、皮三曲線2.各參數(shù)對(duì)頻率分布曲線的影響自然界中存在規(guī)律：值與流域形狀大小有關(guān)。一般在0.2至1.5之間。用左半部分適線法步驟將已知的隨機(jī)變量系列，按大小遞減次序排列，并按公式維泊爾公式求各項(xiàng)的經(jīng)驗(yàn)頻率，并在幾率格紙上繪出經(jīng)驗(yàn)頻率曲線；求統(tǒng)計(jì)參數(shù)，并假定繪制理論頻率曲線，在我國(guó)一般取m=2~4。在繪有經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)群的同一幾率格紙上，繪出理論頻率曲線。觀察理論頻率曲線與經(jīng)驗(yàn)頻率曲線的符合程度，反復(fù)調(diào)整，使兩曲線符合最好。求指定頻率的水文變量設(shè)計(jì)值。注意事項(xiàng)照顧的重點(diǎn)在上端、中部經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)；先調(diào)整，再調(diào)整，調(diào)整的依據(jù)為統(tǒng)計(jì)參數(shù)對(duì)機(jī)率密度曲線、頻率曲線的影響；調(diào)整幅度應(yīng)在抽樣誤差范圍內(nèi)。5、三點(diǎn)適線法

在經(jīng)驗(yàn)頻率曲線上任選三個(gè)點(diǎn)，利用該三點(diǎn)處的流量值和相應(yīng)的頻率，推求三個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)的初試值，再通過適線確定三個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)的采用值，稱為三點(diǎn)適線法。相對(duì)于求矩適線法，三點(diǎn)適線法推算統(tǒng)計(jì)參數(shù)的計(jì)算量大大減小，適用于值較小的情況。1.利用已知的三個(gè)流量和相應(yīng)的頻率，列出三個(gè)方程：2.聯(lián)立可求解可得：

S也是頻率P和偏差系數(shù)Cs的函數(shù)，若已知S、P，則可以求得Cs。為方便可以編制S和Cs關(guān)系表。3.以求出的三個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)繪制理論頻率曲線檢查與經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)的配合好壞以決定是否再作進(jìn)一步調(diào)整；4.根據(jù)符合最好的理論頻率曲線求取設(shè)計(jì)流量。注意：在經(jīng)驗(yàn)頻率曲線上選取的三個(gè)點(diǎn)，應(yīng)盡量使其間距大一些，但也不宜超過實(shí)測(cè)范圍過多。一般可根據(jù)實(shí)測(cè)范圍，選用6、模比系數(shù)法流量模比系數(shù)：

§5-3洪水資料的的插補(bǔ)與延長(zhǎng)

采用水文統(tǒng)計(jì)法推算設(shè)計(jì)流量時(shí)，如果橋位附近水文站流量觀測(cè)資料的觀測(cè)年限較短或有缺測(cè)年份，則應(yīng)盡量利用上下游或鄰近流域內(nèi)的水文站觀測(cè)資料，進(jìn)行插補(bǔ)和延長(zhǎng)。對(duì)于流量資料的插補(bǔ)和延長(zhǎng)，有以下幾種方法:1、直線相關(guān)法2、流域面積比擬法3、水位流量關(guān)系曲線法：4、過程線疊加法插補(bǔ)和延長(zhǎng)年數(shù)不宜超過實(shí)測(cè)洪水流量的年數(shù)，并應(yīng)結(jié)合氣象和地理?xiàng)l件作合理性分析。一、抽樣誤差分析抽樣誤差相對(duì)均方誤差二、相關(guān)分析相關(guān)關(guān)系相關(guān)分析位于同一河流上、下游的兩個(gè)水文站，若兩站之間無較大支流匯入，而且兩站已有的流量觀測(cè)中，相同年份的年最大洪峰流量大致成比例關(guān)系相關(guān)分析:簡(jiǎn)單相關(guān)和復(fù)雜相關(guān)兩組變量之間的關(guān)系（簡(jiǎn)單相關(guān)）直線相關(guān)曲線相關(guān)兩組變量之間的關(guān)系：在數(shù)理統(tǒng)計(jì)法中，一般采用相關(guān)系數(shù)r來描述和判別兩變量之間的相關(guān)程度。相關(guān)系數(shù)0≤|r|≤1，r絕對(duì)值為±1：完全相關(guān)

r=0零相關(guān)；

r絕對(duì)值介于1和0間統(tǒng)計(jì)相關(guān)

r越大，相關(guān)程度越高。在進(jìn)行相關(guān)分析時(shí)，要求≮0.8。相關(guān)系數(shù)的最大誤差4Er1、直線相關(guān)法圖解法解析法資料的插補(bǔ)與延長(zhǎng)1、圖解法2、解析法配合最佳的直線方程：分別求各項(xiàng)參數(shù)，但有前提條件就是2、流域面積比擬法a、如果同一條河流上，水文站測(cè)流斷面或形態(tài)斷面距離橋位斷面很近，流域面積相差不超過5%時(shí)，則推算的設(shè)計(jì)流量可以不必?fù)Q算，而直接作為橋位斷面的設(shè)計(jì)流量。

2、流域面積比擬法b、如果同一條河流上，先后兩個(gè)水文站所控流域面積相差不超過10%時(shí)，且無分洪與滯洪現(xiàn)象，可直接利用參考站的流量資料插補(bǔ)分析站的流量資料。

2、流域面積比擬法c、如果同一條河流上，測(cè)站上下游不遠(yuǎn)處均有觀測(cè)資料，可按流域面積內(nèi)插

3、水位流量曲線法4、過程線疊加法至今人們對(duì)特大洪水還沒有一個(gè)明確的量的定義。一般指相當(dāng)大的洪水。在概率格紙上，它的頻率點(diǎn)與一般洪水的頻率點(diǎn)有明顯的脫節(jié)、不連續(xù)現(xiàn)象。在歷史洪水中、在實(shí)測(cè)洪水中都有可能出現(xiàn)特大洪水，需提出作單獨(dú)處理。四、特大洪水及其在在流量計(jì)算中的應(yīng)用連續(xù)系列由實(shí)測(cè)和插補(bǔ)延長(zhǎng)資料組成的系列中，如果沒有特大洪水值需要提出單獨(dú)處理，各項(xiàng)洪水值直接按其大小順序統(tǒng)一排位，序號(hào)不間斷，這一樣本稱為連續(xù)系列。不連續(xù)系列當(dāng)有特大洪水值，需在更長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)進(jìn)行排位，序號(hào)不連續(xù)，這種樣本的系列稱為不連續(xù)系列。特大洪水(巨大的破壞性和不連續(xù)性)特大洪水的處理四、特大洪水及其在在流量計(jì)算中的應(yīng)用四、特大洪水及其在在流量計(jì)算中的應(yīng)用在水文站觀測(cè)年份內(nèi)，如果河流發(fā)生特大洪水，相應(yīng)地就會(huì)出現(xiàn)特大值。通過洪水調(diào)查和文獻(xiàn)考證，往往也會(huì)獲得特大值。這些特大值與其它數(shù)值之間有顯著的脫節(jié)現(xiàn)象，顯然是不連續(xù)的。在統(tǒng)計(jì)計(jì)算中，不能把這些特大值與其它數(shù)值等同看待，需要進(jìn)行適當(dāng)處理，即所謂特大值的處理。特大洪水可以延長(zhǎng)系列，增強(qiáng)系列的代表性，減少樣本引起的參數(shù)的抽樣誤差，提高結(jié)果的可靠性與穩(wěn)定性四、特大洪水及其在在流量計(jì)算中的應(yīng)用水文資料（年最大流量資料）從時(shí)間上分期：考證期調(diào)查期實(shí)測(cè)期實(shí)測(cè)期：把水文站觀測(cè)資料的年限稱為實(shí)測(cè)期（包括由參證站實(shí)測(cè)資料相關(guān)分析插補(bǔ)延長(zhǎng)的資料）。調(diào)查期：調(diào)查洪水的最遠(yuǎn)年份到實(shí)測(cè)完畢的年限。（包括實(shí)測(cè)期）考證期：文獻(xiàn)考證到的最遠(yuǎn)年份到實(shí)測(cè)完畢的年限（包括調(diào)查期）第一種：分為幾個(gè)連續(xù)系列計(jì)算將一不連續(xù)系列(樣本)看作為一個(gè)連續(xù)系列和另一個(gè)連續(xù)系列各自從總體中獨(dú)立抽樣而得。在這兩個(gè)系列中分別排隊(duì)，采用維泊爾公式計(jì)算其經(jīng)驗(yàn)頻率。

當(dāng)其中某一項(xiàng)可同時(shí)在兩個(gè)系列中排位時(shí)，則其經(jīng)驗(yàn)頻率應(yīng)取其中抽樣誤差較小者。【例】某站自1930年至1978年有49個(gè)年頭的連續(xù)實(shí)測(cè)資料，另外還調(diào)查到1903年和1921年兩個(gè)歷史洪水資料，另知三個(gè)歷史洪水流量的排序?qū)崪y(cè)期考證期（調(diào)查期）解：(1)取1903年到1978年N=76年作為一個(gè)系列。根據(jù)調(diào)查考證，認(rèn)為在此期間不會(huì)遺漏大于等于1903年的洪水流量。那么在76年為首的三項(xiàng)的頻率為：(2)另取1930年-1978年n=49年作為一個(gè)系列，按大小排隊(duì)，各項(xiàng)頻率為：

對(duì)于兩個(gè)系列中都有的1949年流量，一般來說選取時(shí)期較長(zhǎng)的系列所推算的經(jīng)驗(yàn)頻率。第二種：統(tǒng)一排位調(diào)查期N1年內(nèi)，調(diào)查到為首的大洪水a(chǎn)1個(gè)，其中l(wèi)1個(gè)發(fā)生在實(shí)測(cè)期內(nèi)?？甲C期N2年內(nèi)考證到大洪水a(chǎn)2個(gè)，其中l(wèi)2個(gè)發(fā)生在N1年內(nèi)；實(shí)測(cè)期n年。則不連續(xù)系列經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算公式為：1）考證期考證到的l2項(xiàng)大洪水對(duì)應(yīng)頻率：（序號(hào)M2)2)調(diào)查期內(nèi)除去為首的l2項(xiàng)，排序號(hào)第M1位的洪水頻率：3)實(shí)測(cè)期內(nèi)除去為首的l1項(xiàng)，排序號(hào)第m位的洪水頻率：

解：(1)在實(shí)測(cè)系列n=49中有1個(gè)特大洪水

在實(shí)測(cè)期以外，又調(diào)查得到兩個(gè)歷史洪水所以：在N=76年中的序位是M=1，2，3有：(2)而在實(shí)測(cè)資料的49年中，因抽出1949年的流量后，尚余48項(xiàng)，各項(xiàng)的經(jīng)驗(yàn)頻率為：兩種方法的比較：第一種顯得方便，但沒有堅(jiān)強(qiáng)的理論基礎(chǔ)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)頻率分布重疊的不合理現(xiàn)象。(年限長(zhǎng)，資料代表性好)第二種方法理論基礎(chǔ)強(qiáng)，但所要求調(diào)查的特大洪水個(gè)數(shù)要準(zhǔn)確可靠，而這一點(diǎn)在有些情況下是不易做到的。（資料可靠）2不連續(xù)系列的統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算方法在調(diào)查期或考證期N年內(nèi)，特大洪水a(chǎn)個(gè)，其中l(wèi)個(gè)發(fā)生在實(shí)測(cè)期n年內(nèi)，則用下式計(jì)算均值和變差系數(shù)：利用年最大流量系列推算設(shè)計(jì)流量步驟1選取樣本盡可能長(zhǎng)。包括實(shí)測(cè)、插補(bǔ)、調(diào)查、考證資料。2

計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率，繪制經(jīng)驗(yàn)頻率曲線3

確定統(tǒng)計(jì)參數(shù)，繪制理論頻率曲線（用適線法）4計(jì)算設(shè)計(jì)流量：利用選定的統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算5審查計(jì)算結(jié)果可以參照地區(qū)經(jīng)驗(yàn)值審查。根據(jù)流量觀測(cè)資料推算設(shè)計(jì)流量四、成果合理性檢查對(duì)水文計(jì)算的結(jié)果，可按下述的途徑進(jìn)行合理性檢查：1.利用洪水統(tǒng)計(jì)參數(shù)和特征值具有一定的地區(qū)分布規(guī)律來檢查所得成果的合理性。2.可將河流上下游水文站的洪水頻率曲線繪在一起，進(jìn)行綜合比較，檢查曲線間的關(guān)系是否合理。3.將稀遇的設(shè)計(jì)洪水流量與本地區(qū)最大洪水記錄進(jìn)行對(duì)比，如前者超出后者較多，應(yīng)分析其原因。第三節(jié)有觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推算方法基本要求：可靠性：一致性：代表性：獨(dú)立性：資料可靠程度的檢查相當(dāng)重要，檢查它是否有矛盾或?qū)戝e(cuò)與偽造之處。數(shù)理統(tǒng)計(jì)法要求所有的資料屬于同一類型，并且是在同一成因條件下產(chǎn)生的，不能選取不同成因性質(zhì)的資料。設(shè)計(jì)流量的計(jì)算結(jié)果的誤差主要取決于樣本系列的代表性，尤其是系列較短的樣本，資料的代表性就顯得更為重要。一般要求系列中應(yīng)包含豐水年和枯水年的流量資料，且系列至少為20~30年方具有一定的代表性。在資料不足的情況下，應(yīng)盡量插補(bǔ)延長(zhǎng)。不能將彼此關(guān)聯(lián)的水文資料放在一起分析計(jì)算。第五節(jié)缺乏流量觀測(cè)資料時(shí)推算設(shè)計(jì)流量

公路沿線跨越的河流，一般以中小河流