水工建筑物-第2章

水工建筑物讲课教师：李劲草Email:jingcaoli@126.com2.1水利工程设计的任务和特点水利工程

运用科学知识与技术手段，为满足社会兴水利除水害、防灾减灾的需求而修建的工程。张飞庙、石宝寨和白鹤梁是库区三处著名的古迹，各方面人士提出许多保护、迁建方案。我们认为张飞庙的搬迁以就近后靠为好，石宝寨的保护关键是山体和基础的稳定，白鹤梁的保护方案应由多部门、多学科参予全面论证2都江堰水利工程34鱼嘴的设置极为巧妙，它利用地形、地势，巧妙地完成分流引水的任务，而且在洪、枯水季节不同水位条件下，起着自动调节水量的作用。鱼嘴所分的水量有一定的比例。春天，岷江水流量小；灌区正值春耕，需要灌溉，这时岷江主流直入内江，水量约占六成，外江约占四成，以保证灌溉用水；洪水季节，二者比例又自动颠倒过来，内江四成，外江六成，使灌区不受水潦灾害2.1水利工程设计的任务和特点水利工程的特点

1受自然条件制约，工作条件复杂多变；

2施工难度大，对环境和自然的影响大；

3社会、经济效益高，与经济系统联系密切；

4工程实施的后果严重。52.1水利工程设计的任务和特点水利工程的特点

生态、环境、航运、旅游、文物67如果桥上走的是船，相信大多数人都会惊讶，难以相信。但在德国就有这样一座桥，桥面既可以供行人、车辆通行，也可以行船荡舟。这是一座桥中桥，或者，可以称其为渡槽。确切地说，这座桥中间行船，两侧留出通道供行人和非机动车通行。这就是德国马格德堡水桥也称跨河水道。马格德堡水桥，2003年10月建成，全长918米，德国人花了整整一个多世纪才建成这座马格德堡水桥。马格德堡水桥8红线是老路，黄线是建桥之后的路。

易北河在马格德堡和两条大运河相交，一条通柏林，一条通莱茵。

易北河的水位比两条运河都要低，建桥之前，船要从易北河绕进另一条运河，并且要通过两次水闸。图上可以看到两个转弯都很急，易北河的水位一低，满载的船就过不去了。经常要费时费力的卸货重装。

9这座奇特的桥中桥连接着德国两条重要的航运运河：易北—哈维尔运河（Elbe-HavelCanal）和马格德堡（Magdeburg）附近的米德兰运河（Mittellandkanal），并直通德国工业重镇鲁尔山谷（RuhrValley）的中心地区。现在的马格德堡水桥于1997年正式开工建造，历经6年、花费5亿欧元，于2003年10月开通并投入使用。大桥于2003年开通，横跨易北河，连接易北河-哈维尔运河（Elbe-HavelCanal）和马格德堡近的米德兰运河（Mittellandkanal），沟通了德国东西部的水路交通。10福尔柯克轮福尔柯克轮是世界上第一个，也是到目前为止唯一的一个旋转升船机，位于苏格兰中部福尔柯克镇Falkirk附近。建于1773年的福斯和克莱德运河（CanalForthandClyde），在Grangemouth港和福尔柯克镇之间，连接着格拉斯哥与苏格兰西海岸。建于1822年的联盟运河（CanalUnion）位于福尔柯克与爱丁堡之间，由于地理位置的困难，二条运河之间有79英尺的高度落差。11作为千禧年计划之一，英国政府投入了约8500万英镑用于疏通联合运河以及福斯和克莱德运河附件的水道，并耗资1400万英镑修建了福尔柯克轮（FalkirkWheel）。福尔柯克轮是世界上第一个，也是到目前为止惟一的一个旋转升船机，它位于苏格兰中部福尔柯克镇附近。旋转升船机连接福斯和克莱德运河以及联盟运河，使苏格兰中部连接大西洋和北海的水道变为畅通12福尔柯克轮FalkirkWheel其实就是一个大转轮，两边各有一个对称的可封闭水槽。当船要由高水位开到低水位的运河时，它就由高架水道开入水槽内，然后把水槽封闭，接着大转轮就可以转半圈，把船运到低水位的运河。旋转吊桥的巨大起重机配备有10个水压的水泵，能在15分钟内，将4艘船(包括水)起吊到35米的高度。与此同时，另一只吊臂将4艘船放下。而整个装置由于两边的水槽是对称的，所以船开进去后，两边水槽的重量是接近一样的。因此整个装置运作起来所需要的能量并不大。福尔柯克轮大大减少了船只要渡过有高度差运河时的时间。所以，福尔柯克轮被称为二十一世纪工程的一大奇观。13由RMJM建筑设计事务所负责设计的福尔柯克轮于2002年5月开始运营，她被誉为二十一世纪工程设计的一大奇观，堪称是世界水利工程界一个将异想天开化为实际应用的绝佳案例。

LowercanalEntrancetolowercanal142.1水利工程设计的任务和特点白鹤梁

位于长江三峡库区上游涪陵城北的长江中，是一块长约1600米，宽16米的天然巨型石梁。白鹤梁景观是三峡文物景观中唯一的全国重点文物保护单位，每年12月到次年3月长江水枯的时候，才露出水面。相传唐朝时朱真人在此修炼，后得道，乘鹤仙去，故名“白鹤梁”。联合国教科文组织将其誉为“保存完好的世界唯一古代水文站”。1516全世界唯一的一处以刻石鱼为“水标”，并观测记录水文的古代水文。三峡大坝蓄水175米后，白鹤梁题刻将永远淹没于近40米的江底。2002年国家采用了工程院院士葛修润提出以“无压容器”的保护方式，创造性地修建了世界上唯一在水深40米处的白鹤梁水下博物馆.172.1水利工程设计的任务和特点水利技术工作

勘测、规划、工程设计、工程施工、工程管理、科技开发。182.1水利工程设计的任务和特点水利工程设计

技术预测、信息分析、科学类比、系统分析、方案设计、功能分析、安全分析、施工方案、经济分析、综合评价。192.1水利工程设计的任务和特点设计工作水平

1开发型设计

2更新型设计

3适配型设计设计方法的特点202.2水工建筑物设计的步骤水工建筑物设计（图2-1水利工程建设系统）

设计阶段的工作步骤

212.2水工建筑物设计的步骤水利水电工程分等和水工建筑物分级水库五级

主要建筑物

次要建筑物222.3水工建筑物的安全性失事情况统计

渗漏16%

失稳15%

漫顶12%安全储备232.3水工建筑物的安全性极限状态

承载能力极限状态

正常使用极限状态Z=R-SR-结构抗力

S-作用对结构产生的作用效应242.3水工建筑物的安全性可靠指标

可靠性：安全性、适用性、耐久性

可靠性的尺度：1可靠度（可靠概率ps）

2不可靠度(失效概率pf)

ps+pf=1

3安全指标(数值指标)252.3水工建筑物的安全性描述结构状态的功能函数为Z=g(X1,X2,…,Xn,c)当g(.)﹥0时，结构安全；当g(.)﹤0时，结构失效；当g(.)=0时，极限状态；因此，极限状态方程Z=g(.)=0是描述结构处于极限状态时的数学模型。结构在给定条件和基准期内完成预定功能的概率，就是可靠度。26272.3水工建筑物的安全性

ps=P[g(.)≧0]=P[Z≧0]=1-FZ(0)Z为安全裕量，FZ(z)为Z的概率分布函数。

失效概率为pf=P[g(.)]=P[Z﹤0]=FZ(0)2.3水工建筑物的安全性

1单一安全系数法K=R/S(只是定性，没有定量)

2分项系数极限状态设计法

(1)结构重要性系数γ0(2)作用分项系数γF282.3水工建筑物的安全性(3)材料性能分项系数γf

(4)设计状况系数ψ(5)结构系数γd292.4水工建筑物的抗震分析震级

指地震的大小，是表征地震强弱的量度，是以地震仪测定的每次地震活动释放的能量多少来确定的。震级通常用字母M表示。我国目前使用的震级标准，是国际上通用的里氏分级表，共分9个等级。

通常把小于2.5级的地震叫小地震，2.5-4.7级地震叫有感地震，大于4.7级地震称为破坏性地震。震级每相差1.0级，能量相差大约30倍;每相差2.0级，能量相差约900倍。比如说，一个6级地震释放的能量相当于美国投掷在日本广岛的原子弹所具有的能量。302.4水工建筑物的抗震分析烈度地震烈度就是为了衡量地震的破坏程度。同样大小的地震，造成的破坏不一定相同;同一次地震，在不同的地方造成的破坏也不一样。在中国地震烈度表上，对人的感觉、一般房屋震害程度和其他现象作了描述，可以作为确定烈度的基本依据。

影响烈度的因素有震级、震源深度、距震源的远近、地面状况和地层构造等。31基本烈度不是某一次地震影响所致的烈度，而是用统计学方法计算得来的综合烈度，即在今后若干年，这一地区可能遭遇到的最大危险烈度。冠以“基本”二字是为了与一般使用的烈度意义有别。322.4水工建筑物的抗震分析3334

“5.12”汶川大地震发生后，位于汶川县境内的福堂、太平驿、映秀湾水电站停运，大坝泄洪设施不能及时打开而出现江水漫溢险情。为防止溃坝危及下游人民群众的生命和财产安全以及救援部队利用水道抢险的安全，5月19日，中央领导同志作出重要批示，要求对福堂、太平驿和映秀湾大坝出现的险情尽快核实情况，研拟排险方案，立即采取措施排除险情。

5.12汶川地震2.4水工建筑物的抗震分析352.4水工建筑物的抗震分析太平驿水电站362.4水工建筑物的抗震分析太平驿电站位于汶川映秀镇上游9公里，5月15日，电站水库有崩塌危险的消息传出时，大批救援队伍正在赶往下面的映秀进行救援。太平驿库容仅90万立方，但是“若溃决依然能在瞬间产生很高的水头，对沿江乡镇造成威胁。”37紫坪铺水电站382.4水工建筑物的抗震分析5.12地震让岷江流域的水电站大坝有不同程度的损坏，国家电监会5月20日的报告称，这些大坝库容均较小，坝高较低(最高的31.5米)。即使这些大坝溃决，其下游有紫坪铺水库(库容11.26亿方)容纳。因此，不会对紫坪铺下游造成次生灾害。39图1：记者航拍到的德阳西北的一座山间水电站，由于地震的作用而滚落的碎石将其损坏严重，随时将被洪水冲毁。40图2：紫坪铺水电站被损坏的建筑。41图：紫坪铺水电站因地震影响，大坝多处开裂，工作人员正在大坝上进行仔细检测勘查。42“大坝尚好，只是千疮百孔”紫坪铺水电站43然而，这次大灾难还是令一些地质专家，对地处断裂带上大规模修建水利水电工程再次提出疑问，而紫坪铺只是岷江流域上百座大小水电站其中的一个。据水利部统计，目前四川省因地震出现险情的水库有391座。

“我们需要反思。”地质学者杨勇说，这对防范次生灾害和灾后重建有益无害。

“我们应该对受地震影响的电站、水库进行认真评估，应对可能发生的地质灾害。这些次生灾害可能比地震造成更大的破坏。而今后这些电站、大坝是恢复、重建还是废弃呢？这是一个值得思考的问题。”

——地质学者杨勇

“2007年，四川省水利厅问，紫坪铺水库已经建成了，该怎么办？我的意见是炸掉！或者将水放掉。”

——四川省地震局已退休的高级工程师李有才

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