防洪工程常用計算公式

防洪工程常用計算公式

2010-8-28

強新泉

摘自新浪

強新泉的博客在抗洪搶險中，經常遇到一些技術問題，也就是暴雨、洪水、河道、水庫的設計洪水、校核洪水、河道過洪能力計算問題，本人把一般常用的水利水電工程計算公式摘錄如下，以供大家在抗洪搶險中參考、探討：

㈠暴雨洪水設計

⑴暴雨設計：

暴雨：12小時降雨量達到30毫米或者24小時降雨量達到50毫米時稱為暴雨。每小時以內的降雨量達到20毫米也稱為暴雨。設計暴雨的計算公式：

①設計點雨量計算公式：Htp=KpHt

(式中：Ktp——設計點雨量；Kp——皮爾遜曲線值；Ht——最大雨量均值；t——欲求時間；)

②設計面雨量計算公式：Ht面=atHt

（式中：Ht面——設計面雨量；at——暴雨線性系數；Ht——設計歷時點雨量；at、bt——暴雨線性擬合系數；）

③暴雨系數計算公式：at=

（式中：at、bt——線性擬合參數；F——流域面積；）

④多年平均徑流量計算公式：Wp=1000yF

(式中：Wp——多年平均徑流量；y——多年平均徑流深；F——流域面積；)

⑤設計頻率年徑流深計算公式：yp=yKp

(式中：y——多年平均徑流深；Kp——頻率模比系數；)

⑥多年平均年徑流系數計算公式：α=y/x=W/1000Fx

（式中：α——多年平均年徑流系數；y——年徑流深；x——多年平均降雨量；）

⑵洪水設計：

①洪水特征：一般常用洪峰流量、洪水總量、洪水過程線三個要素表示。洪水設計的概念：一次降雨形成的洪水過程線，反映洪水的外形，過程線上的最大值就是洪峰流量，用Q表示。洪峰最高點就是洪峰水位，用Z表示。洪水過程線和橫坐標所包圍的面積，經過單位面積換算求得，就是洪水總量，用W表示。洪水過程線的底寬是洪水總歷時，用T表示。從開始漲水到洪峰流量的歷時稱為漲水歷時，用t1表示。從洪峰到洪水下落到終止的歷時稱為落水歷時，用t2表示。洪水總歷時等于漲水歷時和落水歷時之和。即T=t1+t2。一般情況下，一次降雨形成的洪水過程稱為單式洪水過程。相鄰兩次以上的降雨，前面降雨形成的洪水沒有泄完，后面降雨形成的洪水接踵而來，稱為復式洪水過程。

洪水的類型：洪水的類型一般分為六種，一是暴雨洪水，暴雨洪水又分為山洪和泥石流兩種。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，六是潰壩洪水。

洪水分級：根據國家《水文情報預報規(guī)范》，按洪水重現(xiàn)期的大小，把洪水分為常見洪水（8-10年一遇）、較大洪水（10-50年一遇）、大洪水（50-150年一遇）、特大洪水（大于50年一遇）。

洪水的形成過程：從降雨到水流匯集至河流出口的整個物理過程，稱為徑流形成過程，也就是洪水的形成過程。洪水的形成，是一個相當復雜的物理過程，為了便于說明這個過程，我們把它概化為：流域蓄滲過程、坡地匯流過程和河網匯流過程。也可以概化為產流過程和匯流過程。

⑴產流過程：指降雨滿足了截流、下滲、填洼、和雨期蒸發(fā)后形成徑流量的過程。

⑵損失過程：流域的蓄滲過程，不直接生產徑流，而是消耗或損失于植物截流、下滲、填洼、蒸發(fā)的降雨量。

⑶超滲產流：地下水埋藏深，包氣帶土層厚度可達數十米到幾百米，下部干土缺水量很大，一般降雨不能使土層達到田間持水量，因植被差，土質貧瘠，下滲能力低，往往形成的大量產流。

⑷蓄滿產流：年降雨量充沛，地下水位高，包氣帶土層不厚，下層容易常達田間持水量，缺水量不大，不容易形成超滲產流，在土壤缺水量滿足后全部產生徑流的蓄流方式，稱為滿蓄產流。

⑸匯流過程：降雨或者潰壩形成的洪水，從產生的地點到流域出口斷面的匯集過程，稱為匯流過程。也可以稱為流域匯流。流域匯流分為坡地匯流和河網匯流兩個階段。

⑹坡地匯流：降雨產生的水流從產生地點沿坡地向河槽匯集的過程，稱為坡地匯流。分為坡面徑流、表層徑流和地下徑流三種徑流形式：坡面徑流，出流過程一般用坡地匯流曲線的徑流成因公式計算描述；表層徑流，通常用線性蓄泄關系描述；地下徑流，流動規(guī)律一般采用土壤飽和水流與非飽和水流方程進行描述。

⑺河網匯流：許多大小不同的河槽構成相互貫通的泄水系統(tǒng)，稱為河系。水流沿著河槽向下游運動的過程，稱為河槽匯流。在這個系統(tǒng)中，各級河槽的水流向下游流動的過程，稱為河系匯流。在天然河槽，特別是在河系中，沿程旁側支流洪水的加入和入流，干支流的互相干擾因素和沿程水力特性的差異，使河道洪水的波浪運動變化更為復雜，一般采用水流連續(xù)定理和蓄泄關系進行描述河系匯流。也就是采用徑流成因公式計算描述出流過程。因此，在實際工作中，可以直接用凈雨代表坡面出流，經過河槽匯流計算描述流域出口斷面的流量過程。

⑻洪水過程的水源組成：

降雨形成的洪水過程，一般由地表徑流、壤中流、淺層地下水和深層地下水四種水源組成。地表徑流，是超滲降雨形成沿坡面流動注入河槽的水量，是洪水的主要組成部分。壤中流，地表以下和地下水水面以上的包氣帶土層，由包氣帶進入河槽的水量稱為壤中流。也可稱為表層流。淺層地下水，指地下水面以下的第一個隔水層以上的有自由表面的重力水，稱為淺層地下水。也可稱為潛水。河道切割深度達到潛水位以下時，潛水就會立即向河槽排泄，從而形成潛流。深層地下水，指第一個隔水層以下，不透水層以上的地下水。也可稱為承壓水或者層間水。深層地下水補給河道水量，一般不是本次降雨產生的。對于一個流域而言，深層地下水比較穩(wěn)定，我們通常把深層地下水稱為基流。

②洪水標準：分為五等5級，水工建筑物五等5級。正常運用洪水標準分為五級10-500年一遇8個檔次，是一般設計洪水的標準；非常運用洪水標準分為五級200-10000年一遇8個檔次，是一般校核洪水的標準。洪水設計前，把防洪工程的等級、級別和相應的洪水頻率標準、確定出來，才能進行洪水設計。

③洪水設計

洪水設計，就是根據國家防洪工程設計的有關法律規(guī)范、洪水頻率、標準把河道或溝道的洪水流量、水位、海拔高程、概略坐標（經緯度）、流域面積，計算設計出來的一種科學法定方法。洪水設計一般分為三種方法：

⑴實測資料設計洪水：

就是根據一個附近典型的水文站或者水庫，設計計算本流域的洪水流量。計算公式為：Qm設=（Fs/Fz）2/3.Qmz

(式中：Qm設——洪水設計流量；Fs——設計控制面積；Fz——附近典型水文站的控制面積；Qmz——水文站的標準流量。)

⑵經驗公式設計洪水：經驗公式有兩種計算公式。

一是洪水面積相關法：Qm=KnFn

(式中：Qm——洪水設計流量；Kn——不同重現(xiàn)期的8個洪水頻率系數和不同分區(qū)的6個地形系數，洪水設計計算系數是28-48個系數；Fn——控制面積，F(xiàn)上面的n是面積系數。面積系數是12-24個，根據地形地貌狀況確定。這種計算方法在1000平方公里內可以應用，超過1000平方公里控制面積慎用。在《XXX水文手冊》里面可以查到。)

二是綜合參數法：Qm=CNαFβΦγHη3n

（式中：N——洪水設計重現(xiàn)期（年）；F——控制面積；Φ——流域形狀系數，Φ=；α、β、γ、η——水文手冊中的30種設計計算參數。）

⑶暴雨資料設計洪水：按照產流面積、面雨量、徑流深、前期影響雨量、入滲率、土壤含水量、平均降雨強度、凈雨量、匯流計算、綜合指數、參數、概化暴雨洪水過程線、洪水總量、根據產流高程、設計洪水，繪制設計洪水過程線圖、在設計洪水過程線圖上查算，設計洪水計算成果表。

㈡過洪斷面的水力驗算

一般習慣上應用明渠等速流計算公式,解決防洪工程的水力計算問題。人工渠道、天然河道、未充滿水的管道，通稱為明渠等速流。在明渠等速流的水，稱為明渠水流，明渠水流是無壓流。明渠水流，可能是恒定流，也可能是非恒定流?？赡苁堑人倭鳎ň鶆蛄鳎部赡苁亲兯倭鳎ǚ蔷鶆蛄鳎?。當明渠水流的過水斷面、平均流速、水深沿流動方向不變時，稱為明渠等速流。否則，稱為明渠變速流。明渠變速流是一般防汛單位研究的重點問題，明渠變速流是設計單位研究的復雜繁瑣問題。

明渠等速流洪水的類型和水力計算要素：

①梯形斷面的過水斷面面積計算公式：ω=（b+mh）h

(式中：ω——過水斷面面積，單位：平方米；b——底寬，單位：米；h——水深，單位：米；m——邊坡系數，表示斜坡的垂直距離每增加1米，則水平距離相應增加m米；)

過水斷面寬度計算公式：B=b+2mh

濕周計算公式：X=b+2h

水力半徑計算公式：R=ω/X

=bh/b+2h(1+m2)1/2

②矩形斷面的過水斷面面積計算公式：ω=bh

濕周計算公式：X=b+2h

水力半徑計算公式：R=ω/X

=bh/b+2h

③寬淺矩形斷面的過水斷面面積計算公式：

當

≥10時，X=b,R=h。

④圓形斷面的過水斷面面積計算公式：

ω=(θ-sinθ°)

水面寬度計算公式：B=2[h(d-h)]1/2

濕周計算公式：X=1/2θd

水力半徑計算公式：R=ω/X

=d/4(1-sinθ°/θ)

(式中：d——直徑；h——水深；θ=3.14/180°.θ°;

θ°=180°+2arcsin.h-d/2/d/2)

⑤不規(guī)則的天然河道的過水斷面面積計算公式：

一般按照寬淺矩形斷面計算。

⑥明渠等速流的平均流速計算公式：V=C(RJ)1/2

⑦明渠等速流的流量計算公式：Q=ωC(RJ)1/2

如果有流量模數K=ωC

值的話，則Q=K(R)1/2

⑧謝才系數C值的計算公式：C=1/nR1/6

⑨河道洪水和防洪工程的糙率n值的確定：

鐵路、公路橋梁、河道堤防、排洪渠工程,把天然河道與人工渠道、堤防的糙率n值，在《水力計算》手冊上羅列了15-24種情況，n值從0.012-0.040不等，一般習慣上把糙率n值統(tǒng)一確定為0.025進行計算。

⑽河道洪水設計的縱斷面比降J值的測量確定，防汛部門規(guī)定：河道洪水計算或者防洪工程，一般縱斷面比降測量的距離≥500米。在設計洪水和防洪工程中，一定要求以實際測量出來的上下游距離和高差的比降為準。

㈢水庫潰壩洪水計算公式：

水庫潰壩方式一般分為瞬潰、瞬分潰、漸潰三種。瞬潰，危害性最大，破壞力極強；瞬分潰，次之；漸潰，過程非常復雜。黃河流域洪水經驗公式：

①峰頂流量：qm=λB（gH)1/2

②連續(xù)波流：λ=mn-1[2(m)1/2+u/(gH)1/2/1+2m]2n+1

③不連續(xù)波流：λ=βm[（βm-αm)（βm-αm)/(m+1))βm-αm+u2/(gH)1/2

④潰壩缺口寬度：b=KW1/4.B1/4.H1/2

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

⑥潰壩沿程最大流量：Q1=W/(W/Qmax)+(L/VmaxK)

⑦潰壩洪水傳播時間：t1=K[L1.75(10-h)1.5]/W0.2H0.35

⑧潰壩洪水到達時間：t2=K2L1.4/W0.2H0.5hm0.25

⑨河槽過流能力：Q=AR2/3/n(J)1/2

⑩潰壩洪水傳播到下游的洪峰：QL=W/W/Qmax+L/VmaxK

㈣生活污水量設計：Q=qNK/24*3600

㈤管道設計：⑴斷面：A=3.14/4(d.d);⑵流量：Q=AV=3.14/4(d.d).V;⑶管徑：d=[4Q/3.14V]1/2=3.14[Q/V]1/2;⑷管道的最經濟流速計算公式：φ100-400,則V=0.6-1.0m/s;⑸管道阻力：管道阻力=管道長度L/管道1m的阻力。管道1m的阻力=阻力系數*（流速*流速）。

㈥水庫洪水計算公式：①溢洪道下泄流量：W=QT=1.5Bh2/3T;②水庫洪水總量計算公式：W=1000KRF;③翼墻擴散角計算：tgθ=2/3[h/△h]1/2;翼墻下游長度計算：L=(2.5-3)△B/2;④淤地壩洪水總量計算：Wn=0.18Qm1.27;⑤滯洪庫容計算：qp=Qp(1-V/Wp);⑥放水量確定：Qf=Am/3600TtN;⑦消能井計算公式：容積V=9.81/8.QH=1.23QH;流量Q=0.62A[2gH]1/2;深度P=t-h+δ；平面面積BL=V/t;L=2B;B=[V/2t]1/2。

㈦水電站裝機容量確定：⑴高水頭大型水電站：水頭在70m以上的裝機容量大于75萬KW的水電站；中水頭中型水電站：水頭在30-70m之間的裝機容量在2.5-25KW的水電站；低水頭小型水電站：水頭在30m以下的裝機容量在2.5KW以下的水電站；⑵水電站年利用小時：h=E/N;⑶裝機范圍確定：N=CNP;⑷水電站裝機容量計算公式：P=9.81QHξ；⑸水電站單位時間的水能：N=9.81QH;⑹水電站出力計算公式：N=(6.0-8.0)QH;⑺水電站年發(fā)電量計算公式：E=NT。

㈧泰勒穩(wěn)定分析數計算公式：m=C/KyH;安全系數：K=C/myH;

㈨河道施工期圍堰導流計算公式：Q=1000FLC/86400=0.0116FLC

㈩鐵路、公路橋梁的橋孔過洪能力審查計算公式：Q=εhBV;

風壅洪水