水利枢纽与水工建筑物讲义

§2水库、水利枢纽、水工建筑物一、水库—reservoir1.作用

调节作用：把来水按用水要求在时间和数量上重新分配。

其他作用：利用大量的蓄水和抬高了的水头来满足发电、航运以及水产等其他用水部门的需要。

按调节周期分：日调节水库，如葛洲坝、富春江年调节水库，如三峡（不完全的）、九甸峡（完全）多年调节水库，如新安江、龙羊峡、丰满水库与径流调节水库调节及分类水库调节兴利调节防洪调节日（周）调节年调节多年调节调节周期：由库空到库满再到库空，循环一次所经历的时间。水库运用1水库控制运用水库调度任务：制定合理的水库运用方案，对入库天然径流进行控制蓄泄，最大限度发挥水资源综合效益。依据（编方案）：根据承担任务、河川径流变化、各部门用水要求，保证水库安全内容：拟定各项水利任务的控制运用方式；编制调度规程、调度图、当年调度计划；制定面临时段（月、旬）的水库蓄泄方案；进行水库水量调度运用的实时操作等。主要技术指标实时调度依据、原则：上级批准或有关协议水库泥沙淤积及其防治1水库泥沙冲淤现象和规律1.1库区水流形态和输沙流态壅水：指因水流受阻而产生的水位升高现象。如在河流中建造闸坝或桥墩。库区水流形态：壅水流态和均匀流态均匀流态挟沙数量沿程不变，当来沙量大于挟沙量时，发生沿程淤积或冲刷。壅水流态下三种输沙流态：1）浑水扩散到全断面，流速沿程递减，水流挟沙数量沿程递减；2）浑水沿库底运动，形成异重流输沙流态（高含沙水流进入库区遭遇清水后，由于挟沙水流的比重大于清水而在适当的位置潜入水库底部向前运行的现象）。3）异重流在坝前清水下面滞蓄。1.2水库泥沙冲刷溯源冲刷：库水位下降时，产生的向上游发展的冲刷。沿程冲刷：水沙条件改变后，原河床与之不相适应，为了调整河床适应变化了的水沙而发生的冲刷。壅水冲刷：开启底孔闸门发生的冲刷。1.3库区泥沙淤积形态纵剖面形态：三角洲淤积锥体淤积带状淤积横断面形态：全断面淤积主槽淤积沿湿周淤积三角洲淤积：发生在库容较大，库水位变幅较小的水库。挟沙水流进入回水末端以后，水流流速逐渐减小，挟沙能力沿程减小。椎体淤积：发生在库容较小，库水位变幅较大的水库。含沙水流将大量泥沙带到坝前。带状淤积:发生在库水位变动较大的河道型水库。1.4水库泥沙冲淤规律冲淤平衡趋向性规律：冲淤结果是达到不冲不淤的平衡状态（水沙平衡）。淤积一大片：挟沙浑水到哪，哪里发生淤积。冲刷一条带：水库泄流较大时，冲刷河槽，拉出一条深槽。死滩：指滩地不能通过冲刷来降低滩面，只能淤不能冲刷。活槽：指河槽能冲淤交替。2水库淤积防止措施2.1减少泥沙入库（加强水土保持）：植树造林、种草绿化荒山、耕种梯田。2.2减少水库淤积引洪放淤蓄清排浑异重流排沙2.3清除水库淤积人工排沙法机械清淤法虹吸清淤法高渠泄水冲淤法水库对环境的影响1对自然环境影响1.1对地质的影响水库蓄水后，水体压重引起地壳应力增加；水渗入断层，导致断层间润滑度增加；增加岩层中空隙水压力，诱发地震。水库蓄水后水位升高，岸坡土体抗剪强度降低，易发生山体滑坡。水库蓄水后，库区周围地下水位上升，引起低洼地带沼泽化、土壤盐碱化、建筑物地基沉陷。1.2对土壤的影响浸没沼泽化潜育化盐碱化潜育化：指土壤长期滞水，严重缺氧。2.特征水位—characteristicwaterlevel(1)正常高水位—normalhighwaterlevel(2)设计洪水位—designfloodlevel(3)校核洪水位—checkfloodlevel(4)汛前限制水位—prefloodlimitw.l.(5)死水位—deadw.l.正常蓄水位是水库和水电站最重要的设计参数之一，是确定拦河坝高度、水库容积、利用水头和发电能力的基本依据；对水工建筑物的工程量、水库调节性能和水头的利用,关系极大;对水库和水电站的建设工期、投资、动能经济效益以及水库淹没损失等均有重要影响。水位的设定依据当水电站除发电外，尚有其他综合利用任务时，则正常蓄水位选择应统筹考虑水力发电、防洪、灌溉、航运、供水等综合用水部门的要求，进行多方案比较。一般应研究如下方面：①地区国民经济发展对电力需求的增长情况；②综合用水部门对水资源开发利用的要求；③坝址及水库区地形地质条件的限制和河流年径流量的大小及分布；④水库区淹没移民的许可程度，特别应注意重要城镇、铁路、公路及贵重矿藏资源提出的高程限制，其他如粮棉基地、旅游风景区以及重要名胜古迹等也应予考虑；⑤在各种边界河流上修建的水库和水电站，应对上下游、左右岸的要求进行协调，使确定的正常蓄水位能为各方面接受。在选择正常蓄水位时应根据各方面要求先确定其上限和下限，在此范围内再拟定若干方案，进行水利、动能和经济方面的计算分析，然后作政治、技术经济综合比较，并进行环境影响的评价，择优选定。在确定梯级水电站和水电站群正常蓄水位时，还应考虑其上下游水位间的合理联接和相互补偿调节的需要。(1)正常高高水位位—normalhighwaterlevel水库在在正常常运用用情况况下，，允许许经常常保持持的最最高水水位。。为保保证各各兴利利部门门枯水水期正正常用用水，，水库库在丰丰水期期末需需要达达到的的水位位。它是确确定水水工建建筑物物尺寸寸、投投资、、淹没没、电电站出出力等等指标标的最最重要要的参参数。。(2)设计洪洪水位位—designfloodlevel水库在在正常常运用用情况况下，，当发发生设设计洪洪水时时，水水库达达到的的最高高水位位。水工建建筑物物必须须按这这种水水位进进行设设计。。(3)校核洪洪水位位—checkfloodlevel水库在在非常常运用用情况况下，，当发发生校校核洪洪水时时，水水库达达到的的最高高水位位。水工建建筑物物必须须按这这种水水位进进行校校核。。(4)汛前限限制水水位—prefloodlimitw.l.在汛期期来临临之前前，预预先把把水库库放空空一部部分，，以腾腾出库库容多多蓄洪洪水，，这时时消落落下来来的水水位。。也称称为汛汛期限限制水水位或或防洪洪限制制水位位。(5)死水位位—deadwaterlevel水库在在正常常运用用情况况下，，允许许消落落的最最低水水位。。为满满足淤淤沙或或灌溉溉、发发电、、航运运、供供水、、养殖殖、旅旅游等等需要要，水水库必必须保保持的的最低低水位位。。通常由由发电电最小小水头头和灌灌溉最最低水水位决决定。。三峡三峡水水电站站的限制制洪水水位145米，145米以下下都应应该是是死水位位。设计计蓄水水位175米，正常蓄蓄水位位175米，校校核蓄蓄水位位加10%。什么情情况下下正常常蓄水水位比比设计计洪水水位高高?设计洪洪水位位比正正常蓄蓄水位位低，，是不不是会会影响响水电电站经经济效效益？？设计洪洪水位位是在泄洪设施全全开时时通过过设计洪洪水流量情情况下下的水水位。。电站站运行行时可可通过过闸门门控制制水位位满足足发电电需要要。一般来来说设计洪洪水位位小于正常蓄蓄水位位是可减减少工工程投投资和和减少少洪水水淹没没损失失的。。如果果设计洪洪水位位高于正常蓄蓄水位位，那么么校核洪洪水位位将更高高，挡挡水建建筑将将加高高，淹淹没也也会加加大，，不经经济。。尤其是是城市景景观河道，，为了了蓄水水形成成景观观水面面，通通常会会出现现正常蓄蓄水位位高于设计洪洪水位位，蓄水水高取取决于于挡水水建筑筑物的的拦蓄蓄水位位3.特征库库容—characteristicreservoircapacity(1)死库容容—死水位位以下下的水水库库库容，，不能能用于于水量量调节节，可可用于于泥沙沙淤积积(2)兴利库容—死水位与正正常高水位位之间的水水库库容(3)设计调洪库库容—设计洪水位位与汛前限限制水位之之间的水库库库容(4)校核调洪库库容—校核洪水位位与汛前限限制水位之之间的水库库库容(5)共用库容—正常高水位位与汛前限限制水位之之间的水库库库容，兴兴利和调洪洪公用的库库容特征水位与与特征库容容兴利库容—死水位与正正常高水位位之间的水水库库容共用库容—正常高水位位与汛前限限制水位之之间的水库库库容，兴兴利和调洪洪公用的库库容二、水利枢枢纽—waterproject一个水利工工程究竟要要包括哪些些组成建筑筑物，由河河流综合利利用规划中中提出的任任务来确定定。例如：：为满足防洪洪、发电及及灌溉的要要求，需要要在河流适适宜地点修修建拦河坝，用以抬高高水位形成成水库，调调节河道的的天然流量量，把河道道丰水期的的水储蓄在在水库中，，供枯水期期引用。即即把洪水期期河道不能能容纳的部部分洪水，，存蓄在水水库里，以以便削减河河道的洪水水流量，防防止洪水灾灾害的发生生。另外，，在运行过过程中还可可能会遇到到水库容纳纳不下的洪洪水，这就就需要建造造一个宣泄泄洪水的通通道，叫做做溢洪道或泄洪隧隧洞，当用拦河坝的的一段兼作溢洪洪道时称为溢流流坝。为了引用用库中蓄水以供供农田灌溉和城城市供水或进行行水力发电等，，还要建造通过过坝身的引水管道或穿过岸边山体体的引水隧洞，为了发电、供供电，还要建水电站、开关站站等等。水利枢纽分为：：高水头—大多修建在山区区峡谷河流上低水头—大多修建在平原原河流上三峡水利枢纽工工程平面布置图图（实体重力坝坝）新安江水电站平平面布置图（宽宽缝重力坝）二滩水电站枢纽纽平面布置图（（拱坝）小浪底水利枢纽纽工程平面布置置图（土坝）葛洲坝水利枢纽纽长江在该处原有有两个江心洲（（葛洲坝和西坝坝），分江流为为三，从右到左左依次称大江、、二江、三江，，枢纽横跨长江江及其两洲，施施工比较方便，，这是一座低水水头大流量的水水利枢纽。1—左岸土石坝；2—3号船闸；3—三江冲沙闸；4—三江混凝土坝段段；5—2号船闸；6—黄草坝混凝土坝坝段；7—二江电站；8—左导墙；9—二江泄水闸；10—右导墙；11—大江电站；12—1号船闸13—大江冲沙闸；14—右岸土石坝；15—220kV开关站；16—500kV开关站；17—三江防淤堤；18—大江防淤堤；19、20—导沙坝富春江水电站枢枢纽布置图淮河入海水道漫漫水闸枢纽工程程淮河入海道淮安安枢纽工程水利枢纽布置为什么三峡要做成重力力坝而不是拱坝坝？为什么李家河水库要做做成拱坝而不是是重力坝？一坝址和坝坝型的选择坝址、坝型的选选择和水利枢纽纽布置是水利枢枢纽设计的重要要内容，二者相相互联系，不同同的坝址可选用用不同的坝型和和枢纽布置。例例如：当河谷狭狭窄、地形条件件良好时，适合合修建拱坝；河河谷宽阔，地质质条件较好，可可以修建重力坝坝；河谷宽阔，，河床覆盖层深深厚，地质条件件较差又有适宜宜土石料时，可可以选用土石坝坝。不同的坝址址选择不同的建建筑物形式以及及相应的枢纽布布置方案，在选选择坝址、坝型型和布置时，，不仅要考虑枢枢纽附近的自然然条件，还需考考虑枢纽的施工工条件、运行条条件、综合效益益、投资指标以以及长远规划等等。（一）地质质条件地质条件是坝址址、坝型选择的的重要条件。拱拱坝和重力坝（（低的溢流坝重重力坝除外），，需要建在岩基基上；土石坝对对地质要求较低低，岩基、土基基均可；二水闸闸多是建在土基基上。但天然地地基总是存在这这样或那样的缺缺陷。如：断层层破碎带、软弱弱地基、淤泥、、细沙层等。在在工程设计中应应通过勘测研究究，了解地质情情况，采取不同同的地基处理方方法，使其满足足要求。（二）地形形条件不同的坝型对地地形的要求不一一样。在高山峡峡谷地区不住水水利枢纽，尽量量减少高边坡开开挖。坝址选在在峡谷地段，坝坝轴线短，坝体体工程量小，但但对布置泄水、、发电等建筑物物以及施工导流流均有困难。选选用土石坝坝型型时，应注意库库区内有无天然然垭口或天然冲冲沟可布置岸边边溢洪道，上下下游是否便于布布置施工场地。。因此，经济与与否由枢纽的总总造价、总工期期来衡量。对于于多泥沙及有漂漂木要求的河道道，还应注意河河流的流态，在在坝址选择时，，要注意坝址的的位置是否对取取水防沙及漂木木有利。对有通通航要求的水利利枢纽还应注意意上下游河道与与船闸、伐道等等过坝建筑物的的连接。此外还还希望坝轴线上上游山谷开阔，，在淹没没有损损失尽可能小的的情况下，能获获得较大的库容容。（三）建建筑材料坝址附近应有足足够数量符合要要求的建筑材料料。采用混凝土土坝时，要求有有可作骨料用的的沙卵石或碎石石场。采用土石石坝时，应在距距坝址不远处有有足够数量的土土石料场。对于于料场分布、储储量、埋深、开开采运输及施工工期淹没等问题题均应认真考虑虑。（四）施施工条件要便于施工导流流，坝址附近应应有开阔的地形形，便于布置施施工场地；距交交通干线较近，，便于交通运输输。在同一坝区区范围内，施工工条件往往是决决定坝址的重要要因素，但施工工的困难是暂时时的，工程运输输管理方便则是是长久的。应从从长远利益出发发，正确对待施施工条件的问题题。（五）综综合效益对不同的坝址就就是合理的安排排枢纽中各种建建筑物的相应位位置。在布置时时应从设计、施施工运用、管理理、技术经济等等方面进行综合合比较，选定最最优方案。二水利枢纽纽布置枢纽布置就是合合理安排枢纽中中各建筑物的相相互位置。在布布置时应从设计计、施工、应用用、管理、技术术经济等方面进进行综合比较，，选定最优方案案。（一）枢纽布布置的一般原则则（1）枢纽布置应保保证各建筑物在在任何情况下都都能正常工作。。（2）在满足建筑物物的强度和稳定定的条件下，使使枢纽总造价和和年运费降低。。尽量采用当地地材料，节约钢钢材、木材、水水泥等基建用料料。采用新技术术、新材料等设设备是降低工程程造价的主要措措施。（3）枢纽布置应考考虑施工导流、、施工方法和施施工进度等，应应使施工方便、、工期短、造价价低。（4）枢纽中各建筑筑布置紧凑，尽尽量将统一工种种布置在一起；；尽量使一个建建筑物发挥多种种用途，充分发发挥枢纽的综合合效益。（5）尽可能使枢纽纽中的部分建筑筑物早日投产，，提前受益。（6）考虑枢纽的远远景规划，应对对远期扩大装机机容量、大坝加加高、扩建等留留有余地。（7）枢纽的外观与与周围环境要协协调，在可能情情况下尽量美观观。（二）枢纽纽布置方案的选选择在遵循枢纽布置置一般原则的前前提下，从若干干个具有代表性性的枢纽布置方方案中选择一个个技术可行、经经济合理、运用用安全、施工期期短、管理维修修方便的最优方方案是一个反复复优化的过程。。需要对各方案案进行具体分析析、全面论证、、综合比较而定定。进行方案比较时时，通常对以下下项目进行比较较：（1）主要工程量。。如钢筋混凝土土和混凝土、土石方、金属结结构、机电安装装、帷幕灌浆、、砌石等各项工工程量。（2）主要建筑物材材料用量。如钢钢筋、钢材、水水泥、木材、沙沙石、沥青、炸炸药等材料的用用量。（3）施工条件。主主要是包括施工工期、发电日期期、机械化程度度、劳动力状况况、物资供应、、料场位置、交交通运输条件。。（4）运用管理条件件。发电、通航航、泄洪、灌溉溉是否相互干扰扰，建筑物和设设备的检查、维维修和操作运用用、对外交通是是否方便，人防防条件是否具备备等（5）建筑物位置与与自然界的适应应情况。如地基基是否可靠，河河床抗冲能力与与下游的消能方方式是否适应，，地形是否便于于泄水建筑物的的进、出口的布布置和取水建筑筑物进口的布置置等。（6）经济指标。主主要比较总投资资、总造价、年年运费、淹没损损失、电站单位位千瓦投资、电电能成本、灌溉溉单位面积投资资以及能力航运运。鲁布革枢纽布置置三、水工建筑物—hydraulicstructure(1)挡水建筑物—waterretainingstructure(2)泄水建筑物—waterreleasestructure(3)引水建筑物—waterdiversionstructure(4)整治建筑物—regulatingstructure(5)专门建筑物—specialhydraulicstructure引水建筑物包括括取水建筑物和和输水建筑物。。1.分类(1)挡水建筑物—waterretainingstructure用以拦截河流，，形成水库或雍雍高水位。如坝坝、闸、堤等。。(2)泄水建筑物—waterreleasestructure用以宣泄水库（（或渠道）在洪洪水期间或其他他情况下的多余余水量，以保证证坝（或渠）的的安全。如溢流流坝、河岸溢洪洪道、泄洪隧洞洞和泄水涵洞等等。(3)引水建筑物—waterdiversionstructure用以从水库（或或河道）向库外外（或下游）引引水，以满足灌灌溉、发电、供供水等要求。如如引水隧洞、引引水涵管、渠道道等。水利枢纽“三大大件”：挡水建筑物、泄泄水建筑物、引引水建筑物(4)整治建筑物—regulatingstructure用以改善河流的的水流条件，调调整水流对河床床及河岸的作用用，防止水库、、湖泊中的波浪浪和水流对岸坡坡的冲刷。如丁丁坝、顺坝、导导流堤、护岸、、护底等。(5)专门建筑物—specialhydraulicstructure为实现某一水利利事业而修建的的建筑物。如水水电站厂房、船船闸、升船机、、鱼道、鱼闸、、过木筏道、过过竹筏道等。2.水工建筑物的特特点（1）由于水的作用用，建筑物的工工作条件复杂（2）设计独特性自然地形、地质质条件千差万别别，因此，设计计只能按各自的的特征进行。除除非规模很小，，一般不能采用用定型设计。但某些部件可以以标准化，如：：水工闸门。（3）施工条件复杂杂解决施工导流问问题；气温、雨季的影影响，如：浇筑筑混凝土、填筑筑土坝；洪水威胁，要求求在汛期前填筑筑到足够高程；；工程量大，工期期长，要求施工工机械先进、管管理科学（4）意义重大，失失事后果严重瓦依昂（意大利利）、提堂（美美国）、马尔帕帕塞（法国）板桥和石漫滩等等（中国75.8）至今中国已垮坝坝3000多座，最多一年年垮坝500余座。瓦依昂Vajont(orVaiont)Dam现状MalpassetDam(France，1959)Malpassetdam(1988拍摄)“75·8事故”（中国国，1975.8）Failureofatotalof62damsinHenan,China,duringanextremestorminAug.1975.Inundatedarea:12,000km2Knowndeathcount:26,000Affectedpopulation:over10million板桥大坝决口石漫滩大坝溃决决（中国，1975.8）下游村庄被毁田岗水库溃坝沟后水库溃坝（中中国，1993）（3）Teton分区土石坝（美國國，1976）Teton坝位于美国Idaho州的Teton河上，是一座防洪洪、发电、旅游、、灌溉等综合利用用工程。大坝为土土质肥心墙坝。最最大坝高93m(至心墙齿槽底126.5m)。坝顶高程1625m，坝顶长945m。土基坝段坝上游游坡：上部为1:2.5，下部为1:3.5。坝下游坡：上部部为：1:2.0，下部为1:3.0。左岸为发电厂房房，装机16MW。右岸布置有3孔槽式溢洪道。该该坝于1972年2月动工兴建，1975年建成。节理流纹岩地基上上的大坝典型剖面面溃坝过程照片1976年6月5日上午10:30左右，下游坝面有有水渗出并带出泥泥土。11:30洞口继续向上扩大大，泥水冲蚀了坝坝基，主洞的上方方又出现一渗水洞洞。流出的泥水开开始冲击坝趾处的的设施。12：00过后坍塌口加宽目前状况§3河川水利枢纽对环环境的影响一、物理影响1.淤积和冲刷上游：流速降低，，泥沙淤积下游：清水下泄，，加大冲刷2.气候变化、诱发地地震、边坡失稳雾天增多高坝：坝高超过100m，库容超过10×108m3，达17%二、生态影响1.水库养鱼，但阻碍碍回游2.调蓄水量，但水温温不一定适应作物物生长3.增加了传播疾病有有利条件（钉螺、、疟蚊）4.库水化学成分改变变，影响生物5.大库影响气候变化化6.大量淹没生态问题涉及范围围很广，需研究。。如：为了正确处理水利利工程安全和经济济之间的矛盾，必必须把水利工程及及其水工建筑物