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水利工程基本知识 第一节水资源与水利工程 第一章水资源与水利工程 全球总量约15亿km3 可利用的淡水总量约0 38亿km3 仅占全球总量的2 5 其中约有0 3亿km3的淡水储藏在极地和冰山冰川之中 另外相当大的部分埋藏于地下 对人类起着重要作用的江河湖泊地表水资源 其水量的总和约为47万亿m3 第一节水资源与水利工程 我国年平均径流量2 7万亿m3 径流总量居世界第6位 人均则为世界平均水平的1 4 排名在110位之后 影响水循环的因素1 气象因素 风向风速温度湿度2 下垫面因素 地形地质土壤植被3 人类活动 水利措施 特点 时空分布不均匀性 水利工程 所谓水利工程 是指对自然界的地表水和地下水进行控制和调配 以达到除害兴利目的而修建的工程 1 工程量大2 投资多3 工期长4 工作条件的复杂性5 受自然条件制约 施工难度大6 工程效益大对环境影响大7 失事后果严重 水利工程的特点 水利工程分类 防洪工程农田水利工程水力发电工程供水与排水工程航道及港口工程环境水利工程 第二节水利枢纽与水工建筑物 一 水利枢纽 为了达到防洪 获得发电 灌溉 供水等方面的效益 需要在河流的适宜地段修建不同类型的建筑物 用来控制和分配水流 这些建筑物统称为水工建筑物 而由不同类型的水工建筑物组成综合体 称为水利枢纽 水利枢纽分类水利枢纽按其所在地区的地貌形态可分为 平原地区水利枢纽和山区 包括丘陵地区 水利枢纽 也可按承受水头大小 分为 高 中 低水头水利枢纽 按水利枢纽的作用 可分为 蓄水枢纽 取水枢纽等 溢流重力坝 水电站 升船机 土石坝 重力坝 丹江口水利枢纽 图1 2四川省都江堰工程布置示意图 内江 外江 鱼嘴 宝瓶口 金钢堤 都江堰工程布置示意图 二 水工建筑物的分类 1 挡水建筑物 用以拦截江河 形成水库或壅高水位 如各种材料和类型的坝和水闸 以及为防御洪水或阻挡海潮 沿江河海岸修建的堤防及海塘等 三峡水利枢纽 2 泄水建筑物 用以宣泄多余水量 排放泥沙和冰凌 或为人防 检修而放空水库等 以保证坝和其他建筑物的安全 小浪底泄水 3 输水建筑物 为灌溉 发电和供水的需要 从上游向下游输水用的建筑物 如引水隧洞 引水涵管 渠道 渡槽 倒虹吸等 拱式渡槽 4 取 引 水建筑物 是输水建筑物的首部建筑 如引水隧洞的进口段 灌溉渠首和供水用的进水闸 扬水站等 5 整治建筑物用以改善河流的水流条件 调整水流对河床及河岸的作用 以及为防护水库 湖泊中的波浪和水流对岸坡的冲刷 6 专门建筑物 为灌溉 发电 过坝需要而兴建的建筑物 如专为发电用的压力前池 调压室 电站厂房等 第三节水利枢纽分等和水工建筑物分级 首先按水利枢纽工程的规模 效益及其在国民经济中的作用进行分等 分五等 然后再对各组成建筑物按其所属枢纽的等别 建筑物在枢纽中所起的作用和重要性进行分级 分五级 第二章土石坝第一节概述土石坝的特点与类型 小浪底土石坝枢纽坝址 小浪底坝体剖面图 密云水库 土石坝的优点 筑坝材料可以就地取材 能适应各种不同的地形 地质和气候条件 适应大型机械化 构造简单 运用管理方便 土石坝的缺点 坝顶不能溢流 施工导流不方便 坝体填筑工程量大 一 土石坝设计的基本要求 1 具有足够的断面维持坝体的稳定 2 设置良好的防渗和排水设施控制渗流 3 设计合理 4 泄洪建筑物具有足够的泄洪能力 5 采取适当的构造措施 土石坝的工作条件 渗流影响 冲刷影响 沉陷影响 其他影响 二 土石坝的类型按坝体高度可分为 高坝 中坝 低坝 按施工方法可分为 碾压式土石坝 冲填式土石坝 水中填土坝和定向爆破堆石坝等 均质坝 土质心墙坝 土质斜墙坝 按土料在坝身内的配置和防渗体所用的材料又可分为 土质斜心墙坝 多种土质坝 人工材料心墙坝 人工材料斜墙坝 堆石体 1 垫层区 2 过渡区 3 主堆石区 4 下游堆石区 图面板堆石坝主要分区示意图1 1A 上游铺盖区 2 1B 盖重区 3 2A 垫层区 4 2B 特殊垫层区 5 3A 过渡区 6 3B 主堆石区 7 3C 下游堆石区 8 3D 下游护坡 9 可变动的主堆石区与下游堆石区与下游堆石区界面 角度依坝料特性及坝高而定 10 3E 抛石区 或滤水坝趾区 11 F 混凝土面板 第二节土石坝的基本剖面 土石坝的坝体剖面由坝体 防渗体 排水体 护坡四部分组成 坝身主要用来保持坝体的稳定 防渗体的作用控制渗流 排水体的作用是引导渗流 上游护坡为了防止风浪淘刷 排水设备 常见的排水型式 棱体排水 贴坡排水 褥垫排水 综合式排水 第三章岩基上的重力坝 一 重力坝的工作原理及特点 重力坝的工作原理 主要依靠坝体自身重量在滑动面上产生的抗滑力来抵消坝前水压力以满足稳定的要求大坝 重力坝的工作特点 优点和缺点 优点 1 结构作用明确 设计方法简便 安全可靠 重力坝沿坝轴线用横缝分成若干坝段 各坝段独立工作 结构作用明确 稳定和应力计算都比较简单 2 对地形 地质条件适应性强 任何形状的河谷都可以修建重力坝 因为坝体作用于地基面上的压应力不高 甚至在土基上也可以修建高度不大的重力坝 3 枢纽泄洪问题容易解决 重力坝可以做成溢流的 也可以在坝身不同高度设置世水孔 一般不需另设溢洪道或世水隧洞 枢纽布置紧凄 4 便于施工导流 在施工期可以利用坝体导流 一般不需要另设导流隧洞 5 施工方便 大体积混凝土可以采用机械化施工 在放样 立模和1昆凝土浇筑方面都比较简单 井且补强 修复 维护或扩建也比较方便 缺点 1 坝体剖面尺寸大 材料用量多 2 坝体应力较低 材料强度不能充分发挥 3 坝体与地基接触面积大 相应坝底扬压力大 对稳定不利 4 坝体体积大 由于施工期混凝土的水化热和硬化收缩 将产生不利的温度应力和收缩应力 因此 在提筑混凝士时 需要有较严格的温度控制措施 重力坝的类型按坝的高度分类为 高坝 中坝 低坝三类 按筑坝材料分类可分为 混凝土重力坝和浆砌石重力坝 按坝体的结构型式分类可分为 实体重力坝 宽缝重力坝 空腹重力坝 朱庄浆砌石重力坝 宽缝重力坝工程量比实体重力坝要省10 20 潘家口宽缝重力坝 广东枫树坝空腹重力坝 佛子岭连拱坝 梅山连拱坝 佛子岭连拱坝 湖南镇梯形支墩坝 宽缝重力坝 二泄水重力坝 溢流坝的工作特点溢流坝既是挡水建筑物又是泄水建筑物 除应满足稳定和强度要求外 还需要满足泄水的要求 1 坝顶溢流式 2 大孔口溢流式 三峡工程 三闸门与类型水工闸门按其功用可分为工作闸门 事故闸门和检修闸门 四消能工的形式 4 消力戽消能 2 底流式消能 3 面流消能 5 联合消能 1 挑流消能 图片名称 猫跳河红岩水电站电站地点 贵州修文所在河流 猫跳河所在水系 长江水系主要坝型 双曲拱坝坝顶高程 890米最大坝高 60米 猫跳河红岩水电站 二滩双曲拱坝 图片名称 二滩水电站电站地点 四川省攀枝花市所在河流 雅砻江所在水系 长江水系主要坝型 混凝土拱坝坝高 240米 石门拱坝 图片名称 石门水库电站地点 陕西汉中所在河流 褒河所在水系 黄河水系主要坝型 混凝土拱坝坝顶高程 620 0米最大坝高 88米 图片名称 佛子岭水电站大坝全景电站地点 安徽霍山所在河流 淠河所在水系 淮河水系主要坝型 连拱坝坝顶高程 128 46米最大坝高 75 9米 第四章拱坝 一 拱坝的特点拱坝的结构拱坝是固接在基岩上的空间壳体结构 高次超静定结构 拱坝的受力拱坝所承受的水平荷载一部分通过拱的作用压向两岸岩体 另一部分通过竖直梁的作用传到坝底基岩 拱坝的稳定坝体的稳定主要依靠两岸拱端的反力作用 并不全靠坝体自重来维持 1 用拱结构特点 充分利用材料强度 2 稳定依靠两岸拱端的反力来维持 3 超载能力强 安全度高 4 抗震性能好 5 坝身泄流布置复杂 二 拱坝坝址的地形和地质条件 用坝顶高程处的河谷宽度和坝高之比 称为宽高比L H 来描述河谷形状 用坝底最大厚度和坝高之比 称为厚高比T H 来描述拱坝的薄厚程度 一 地形条件 宽高比厚高比当L H0 35L H 4 5时 不宜修建拱坝 二 地质条件基岩比较均匀 坚固完整 有足够的强度 透水性小 能抵抗水的侵蚀 耐风化 岸坡稳定 没有大断裂等 三 拱坝的形式 按其厚高比特征可分为薄拱坝 中厚拱坝 厚拱坝 或称重力拱坝 按其坝体形态的特征可分为定圆心等半径拱坝 或称单曲拱坝 等中心角变半径拱坝 变圆心变半径 双曲拱坝 四拱坝的坝身泄水 第五章溢洪道 一 作用宣泄水库不能容纳的多余洪水 以保大坝安全 二 型式正槽式 过堰水流与泄槽轴线大致平行侧槽式竖井式虹吸式 正槽溢洪道平面布置图l引水渠 2 溢流堰 3 泄槽 4一出口消能段 5一尾水渠 侧槽式溢洪道 竖井式溢洪道 引水渠控制段 溢流堰和两侧连接建筑物 泄槽出口消能段尾水渠 2 组成 第六章水工隧洞 一 水工隧洞的作用辅助泄洪引水 输水排沙防空水库施工导流 1 有压洞洞内始终处于满流有压状态 工作闸门一般设在洞出口处 2 无压流洞内始终处于明流无压状态 工作闸门一般设在洞进口段 二 分类 按水流条件分 1 水流特点引水隧洞 洞身流速低要求 洞壁光滑 减少水头损失泄水隧洞 洞内流速较高 易发生空蚀破坏 要求 1 顺直 避免弯道 2 洞壁平稳 多采用弧型闸门 3 材料防蚀 抗磨性能好 三 水工隧洞的工作特点 地下结构 施工条件差 受地质条件影响大 塌洞现象时有发生 环境条件差