第11章 水利工程

1、土木工程概论土木工程概论第 11 章水利工程本章内容本章内容11.1 11.1 引言引言11.2 11.2 作为土木工程一部分的水利工程作为土木工程一部分的水利工程11.3 11.3 水文学概要水文学概要11.4 11.4 水利工程和径流调节水利工程和径流调节11.5 11.5 水利发电水利发电11.6 11.6 灌溉、排水和防洪灌溉、排水和防洪11.7 11.7 给水给水11.8 11.8 水利工程的其他领域水利工程的其他领域水利工程是从事水资源勘探、利用、保护、江河湖海整治和疏浚、水利电力工程、农田水利、海岸和近海工程的研究、设计、施工和维护的工程领域。这些目标多是通过建造水工结构水工结构

2、来实现。因此，水利工程也与建造水工结构及相关过程的管理相关。11.1 引言引言水利工程有下列分支：水上运输、水力发电、水利土壤改良给水和排水、渔业水利等11.1 引言引言球上约有13亿Km的水，其中大部分在海洋，河中水只占总水量的很少部分。然而，河中水对于目前的水利工程却是非常重要的。多数河流中的流量随时间而显著变化；洪水期的流量要比枯水期的流量大得多。因此，需要建造水库来调节流量。11.1 引言引言在这些过程中，不论是水资源利用还是水灾预防，都需要建造水工结构。要利用储存水中的能量，就需要建造大坝来提高水位形成驱动发电机所需要的水头。对于航运业，必须建造航道标志、码头、防波结构以及用于船只建

3、造和维护的结构物。河道需要疏浚和整治，并建造通航船闸等以保持正常航运功能。水利事业的灌溉、排水和防洪等工程中，也需要建造各种各样的特种结构。11.1 引言引言11.1 引言引言防波堤11.1 引言引言喷灌 微喷 水工结构与其他结构的根本区别在于前者是在水中起作用。大坝通常承受巨大的水压力。因此采取措施防止水工结构的滑移和失稳，这通常可通过增大结构的重量来实现。11.1 引言引言水工结构的建造和维护与水流密切相关。水利工程师感兴趣的是水位、单位时间内通过的水量、流速、冰的形成以及水中泥沙含量等现象。对海上水中结构，还要研究水位变化和波浪作用。因此，水利工程师必须掌握水文学的知识。11.1 引言引

4、言水利工程通常有巨大的工程量，特别是含有庞大的土石方工程量。施工条件复杂，施工作业必须在河床上进行，考虑水流、冰流和过往船只的影响。所以说，施工对于水利工程师来说也是个重要的问题。11.1 引言引言古时人们尝试利用河流为其服务。河流提供了引用和灌溉的水，并且提供了最经济的运输方法。河流也用作御敌于外的防线。11.1.2 水利工程简史水利工程简史 人类很早就利用河水发展灌溉四大文明古国都出现在大河流域，以灌溉为古代文明的基础。 公元前4400年在古埃及开挖了巨大的渠道来引水灌溉尼罗河平原。 公元约4000年古埃及建造了堆石坝和土坝。 公元前40003000年间，在古巴比伦一些城市已有输水道和自流

5、井。 印度最早的坝建于公元前1000年。欧洲第一座坝于公元前800年建于西班牙。 公元前600年开挖了一条从尼罗河到红海的运河。 11.1.2 水利工程简史水利工程简史 约公元前250年阿基米德写了“浮体论”的论文，这是历史上第一篇水力学论文。直到18世纪和19世纪初水利工程学才有了很大的发展。 在过去的百余年间，水利工程学有了很大的发展。建造了巨型水电站、数百公里长的运河以及庞大的灌溉和排水工程。 11.1.2 水利工程简史水利工程简史中国水资源储量：中国水资源储量： 河流年平均径流量河流年平均径流量28000亿亿m3，居世界的六位，位于巴，居世界的六位，位于巴西、俄罗斯、加拿大、美国和印尼

6、之后。西、俄罗斯、加拿大、美国和印尼之后。中国水能资源中国水能资源 河川水能资源蕴藏量河川水能资源蕴藏量6.67亿亿kw，可开发利用的约，可开发利用的约3.78亿亿kw，居世界各国之首。但分布不均，西南地区占，居世界各国之首。但分布不均，西南地区占70，西北占西北占12，中南占中南占9.5，华北、华南、东北仅占华北、华南、东北仅占8。11.1.3 中国的水利工程中国的水利工程几千年前：人们已经认识到水利工程的重要性几千年前：人们已经认识到水利工程的重要性 4000年前的大禹治水，至今仍在使用的长达年前的大禹治水，至今仍在使用的长达1800km的黄的黄河大堤。河大堤。700年前（公元前年前（公元

7、前4851292年）全线通航，纵贯祖国南北年）全线通航，纵贯祖国南北，长达，长达1794km的京杭大运河。的京杭大运河。公元前公元前250年，四川灌县修建的都江堰防洪灌溉工程。年，四川灌县修建的都江堰防洪灌溉工程。11.1.3 中国的水利工程中国的水利工程11.1 引言引言都江堰水利工程 都江堰及其示意图四川都江堰水利工程（公元前256年秦蜀郡守李冰修建），是全世界至今为止年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程。都江堰没有众多水利工程所常见的雄伟大坝，只有一个酷似鱼一样的大堤纵卧江中，这条堤就被称为“金刚堤”。堤的头部就是都江堰的鱼嘴；中后部是一个低矮的斜坡，叫飞沙堰；尾部是两山之

8、间狭窄的进水口，形似瓶口，叫宝瓶口。这项工程主要由鱼嘴分水堤、飞沙堰溢洪道、宝瓶口进水口三大部分构成，科学地解决了江水自动分流、自动排沙、控制进水流量等问题，消除了水患，使川西平原成为“水旱从人”的“天府之国”。目前灌溉面积已达40余县、超过一千万亩农田。11.1 引言引言11.1 引言引言都江堰及其示意图从古到今人类为了生存和发展的需要，采取各种措施，对自然界的水和水域进行调控，以防治水旱灾害，开发利用和保护水资源。用于调控自然界的地表水和地下水，以达到除害兴利目的而兴建的工程称为水利工程。我国江河众多，全国大小河流总长达42万公里，河川径流总量为2.81 012 m3，流域面积在1000

9、km2以上的河流约1500条。11.1 引言引言中国七大江河中国七大江河 引言引言项目项目长江长江黄河黄河松花江松花江珠江珠江辽河辽河海河海河淮河淮河流域面积（万流域面积（万km2）180.95.255.744.422.926.426.9河长（河长（km）6300546423082214139010901000年均降水深（年均降水深（mm）10704755271469473559889年均径流量（亿年均径流量（亿m3）9513658623338148228622注入注入东海渤海黑龙江南海渤海长江渤海典型工程典型工程三峡都江堰南水北调11.2 11.2 作为土木工程一部分的水利工程作为土木工程一

10、部分的水利工程 11.2.1 作用在水工结构上的力作用在水工结构上的力水的静压力总是与结构与水的接触面相垂直，其值等于该点处水柱的重量。 设水柱的高度为H，重度为r，则静水压可表示为： 22HW11.2 11.2 作为土木工程一部分的水利工程作为土木工程一部分的水利工程除了静水压外：除了静水压外：动水压浮力冰压力土压力风压力地震力自重等。11.2 11.2 作为土木工程一部分的水利工程作为土木工程一部分的水利工程11.2.2 水工结构的承载力和稳定性水工结构的承载力和稳定性 水工结构物必须足够的强壮和稳定。也就是，它必须满足承载力和稳定性的要求。 如果一个结构或其部分在某种横向作用下（通常是土

11、压或水压）产生横移，则称该结构失去稳定（失稳） 所以，抵抗滑移的力T必须足够大，以抵抗横向作用W并具有足够的安全系数 。此要求可表示为：eKWKTe11.2 11.2 作为土木工程一部分的水利工程作为土木工程一部分的水利工程11.2.3 水工结构的地基和地基条件水工结构的地基和地基条件 结构所处的场地和地基必须可靠与坚固，因此，须仔细研究相关地质条件。 确定地基有何种岩层：喷出岩、沉积岩、变质岩。 11.2 11.2 作为土木工程一部分的水利工程作为土木工程一部分的水利工程11.2.4 水工结构所用的材料水工结构所用的材料 可用于水工结构的材料包括钢、生铁、木、石料、粘结材料、混凝土、钢筋混凝

12、土等等。例如坝的建造，如果当地土质合适则可用于造坝，这就是很经济的设计。但如果该坝要求较高并且具有较小截面，则用混凝土造坝可能是更好的选择。11.3 11.3 水文学概要水文学概要水文学是研究自然界中水的运动的科学。水文学作为一门科学是在20世纪形成的。自然界的水以各种形式存在于空气中、地球表面和地球内部。所以水文学通常分为三个分支：水文气象学、地表水文学、水文地质学。11.3 11.3 水文学概要水文学概要地表水分布在海洋、河流、湖泊、沼泽等不同水体中。从海洋蒸发的水的总量 ，加上从陆地蒸发的水的总量 ，必须等于海洋的降水量 与陆地的降水量 之和。MXMZCZCX11.3 11.3 水文学概

13、要水文学概要水位水位：河流中给定点的水位随时间变化。水位与时间的关系曲线对于确定水工结构的高度是重要的，一个水工结构的顶部必须始终在水面之上。流速流速：在河断面的不同点流速是不同的。在河的横向。流速在河中间取最大值，并随着趋近于岸边而逐渐减小。在垂直方向，最大流速发生在水的表面，随深度的增加流速逐渐减少。流量流量：年径流量：年径流量：11.3 11.3 水文学概要水文学概要研究一条河流的水位、流速、流量、年径流量的变化规律、径流年内分布特性、最大供水流量和最小枯水流量是陆地水文学的重要内容，这直接关系到水利工程项目的规划和设计。11.4 11.4 水工结构和径流调节水工结构和径流调节各水工结构

14、并非各自孤立。他们通常互相并联而形成一个水利综合体来实现多重的目标。这样的综合体为水利枢纽。由坝的作用而产生的水位差称为水头。根据水头的大小，水利枢纽可分为低、中、高水头枢纽。11.4 11.4 水工结构和径流调节水工结构和径流调节水利工程中的水库可在洪水期储存多余的水以减少下泄量。洪水期过后水库里的水就可以用来补充天然流量的不足。这种用人工方法对天然流量的调节称为径径流调节流调节。11.4 11.4 水工结构和径流调节水工结构和径流调节水库的有效容积是其下泄口最高点以上的容积。该点以下的容积称为死容积死容积。两者之间的分界水位称为死死水位水位。正常蓄水时的最高水位称为正常挡水位正常挡水位。正

15、常挡水位与死水位之间的高差称为水库的工作深度水库的工作深度。11.4 11.4 水工结构和径流调节水工结构和径流调节水利枢纽所包含的主要水工结构有：坝、泄洪结构、输水结构、取水结构和整治结构。11.4 11.4 水工结构和径流调节水工结构和径流调节11.4 11.4 水工结构和径流调节水工结构和径流调节水电站建筑物的布置水电站建筑物的布置（1）河床式水电站建筑物的布置适用于较低水头，一般在3040 m以下，多修建在河流的中下游河床坡降较平缓的地段或灌溉渠道上。如长江葛洲坝水电站。（2）当水头较高，一般超过3040 m时，由于压力大，厂房本身的重量不足以维持其稳定时，采用坝后式水电站建筑物的布置

16、。（3）由于地形、地质条件，坝后不能布置电站或无坝引水，则采用引水式水电站建筑物的布置。11.4 11.4 水工结构和径流调节水工结构和径流调节11.5 11.5 水力发电水力发电与火力发电相比，水力发电具有许多优点。控制洪水泛滥、提供灌溉用水、改善河流航运，有关工程同时改善该地区的电力供应和经济，特别可以发展旅游业及水产养殖 11.5 11.5 水力发电水力发电缺点：1 建厂期间长，建造费用高。2 因设于天然河川或湖沼地带易受风水之灾害，影响其他水利事业。电力输出易受天候旱雨之影响。 .3 建厂后不易增加容量。4生态破坏：大坝以下水流侵蚀加剧，河流的变化及对动植物的影响等。5需筑坝移民等，基

17、础建设投资大。6下游肥沃的冲积土因冲刷而减少。11.5 11.5 水力发电水力发电典型的水力发电站由下列组成：水库：提供了驱动水轮机所需的水头和水流厂房厂房中连接到发电机的水轮机其他机电设备11.5 11.5 水力发电水力发电从高处而下的水流驱动水轮机做功，从而带动发电机发电。所做功的量主要由水头乘以水量来决定。因此，发电厂的发电能力（容量）N可表示为：g为重力加速度；Q是流量（单位时间的水量）；H是水头； 是效率系数。gQHN 11.5 11.5 水力发电水力发电可用坝来直接形成所需的水头，称为坝式水电站。把水导入渠道或管道来形成所需水头，称为引水水电站。一般根据具体条件来选择用哪种形式：当

18、河流位于平原时常用前者；当不适合造坝时常用后者。11.5 11.5 水力发电水力发电11.6 11.6 灌溉、排水和防洪灌溉、排水和防洪11.6.1 灌溉 在农业生产中，如果自然界不能给土壤提供足够的水，则需人工向农作物供水（也即灌溉）以保证农作物的正常生长。 灌溉的形式有三种： 1.地面灌水法，即使水直接流入被灌溉的田地； 2.人工降雨法，大范围可用人工降雨技术，小范围可用降雨模拟器； 3.地下灌水法，在地下埋管道使水直接被土吸收。11.6 11.6 灌溉、排水和防洪灌溉、排水和防洪11.6 11.6 灌溉、排水和防洪灌溉、排水和防洪灌溉系统包括以下几部分：（1）水源（2）取水结构（3）引水

19、和配水的渠道或水管（4）农庄内部的渠道网或水管网（5）渠道网上的建筑物（6）被灌溉的田地（7）排除多余水的渠道（泄水渠）11.6 11.6 灌溉、排水和防洪灌溉、排水和防洪其他灌溉法：漓漫灌溉法是指筑堤来挡雨水或雪水以浸润土壤洗土灌溉法为清除土壤中的有害盐分。11.6 11.6 灌溉、排水和防洪灌溉、排水和防洪11.6.2 排水人工去除田地和土壤中多余的水称为排水。多余的水对农作物有害，并可能形成沼泽。排水技术：（1）采用造堤挡水、挖沟阻水等措施以减少进水量；（2）用排水沟排除地表水和地下水。排水沟可为明沟或埋于地下的暗沟11.6 11.6 灌溉、排水和防洪灌溉、排水和防洪 利用地下沟（管）排

20、除田间土壤多余水分的排水技术措施。土壤中的多余水分可 以从暗管接头处或管壁滤水微孔渗入管内排走，起到控制地下水位、调节土壤水分、 改善土壤理化性状的作用。暗管排水有便于田间机械化作业，节省用地和提高土地利 用率的优点。但一次性投资较大，施工技术要求较高，如防沙滤层未处理好，使用过 程中易淤堵失效。 11.6 11.6 灌溉、排水和防洪灌溉、排水和防洪 11.6.3 水土保持土壤被风和水所粉碎并迁移的现象称为土壤侵蚀。它会带走田地表面的沃土，增加河渠中水流的含沙量，使渠道淤塞、河流荒废、并且，土壤侵蚀使地面的雨水不易吸收，更容易发生水旱灾害。风力侵蚀（哈密魔鬼城）风力侵蚀（哈密魔鬼城）水力侵蚀（

21、黄土高原）水力侵蚀（黄土高原）冻融侵蚀冻融侵蚀中国水土流失主要特点中国水土流失主要特点分布范围广、面积大；分布范围广、面积大；侵蚀形式多样，类型复杂；侵蚀形式多样，类型复杂；土壤流失严重，中国每年土壤流土壤流失严重，中国每年土壤流失总量约为失总量约为50亿亿t11.6 11.6 灌溉、排水和防洪灌溉、排水和防洪 水土流失的危害水土流失的危害耕地减少，土地退化严重；耕地减少，土地退化严重；泥沙淤积，加剧洪涝灾害；泥沙淤积，加剧洪涝灾害；影响水资源的有效利用，加剧了干旱影响水资源的有效利用，加剧了干旱的发展；的发展；破坏交通运输、生态环境，危及人民破坏交通运输、生态环境，危及人民生命财产安全生命财

22、产安全11.6 11.6 灌溉、排水和防洪灌溉、排水和防洪 11.6 11.6 灌溉、排水和防洪灌溉、排水和防洪 为防止这些灾害，应增加地表的吸水能力，减小雨水的径流量，同时设法减低径流的速度，并增强土壤抵抗雨水侵蚀的能力。11.6 11.6 灌溉、排水和防洪灌溉、排水和防洪 农林中防止土壤侵蚀的措施：增加土中有机物含量、作物轮换、改善耕作方法、陡坡上植树种草、等高种植和条植以及造林等。11.6 11.6 灌溉、排水和防洪灌溉、排水和防洪水利工程上防止土壤侵蚀的重要措施就是变坡地为阶地11.6 11.6 灌溉、排水和防洪灌溉、排水和防洪11.6.4 洪水防止 可以建造堤坝防止河水泛滥。但是在多数情况下，仅靠堤是不能解决问题的。随着淤积沉淀过程的发展，河床将逐渐升高。所以除了造堤之外