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1、第8章 水利工程,8.1 水利工程简介,水利工程是用于控制和调配自然界的地表水和地下水，达到除害兴利目的而修建的工程。水是人类生产和生活必不可少的宝贵资源，是人类生活和生产活动中必不可少的物质，但其自然存在的状态并不完全符合人类的需要，在人类社会的生存和发展中，需要不断地适应、利用、改造和保护水环境。,8.1.1 概述,修建水利工程能控制水流，防止洪涝灾害，并进行水量的调节和分配，以满足人民生活和生产对水资源的需要。,水利活动起源很早，文字记载可以追溯到六七千年前，水利在中国有着重要地位和悠久历史，历代有为的统治者，都把兴修水利作为治国安邦的大计。如四川的都江堰、关中的郑国渠、沟通长江与珠江水
2、系的灵渠及京杭大运河等都是我国古代水利工程的代表。,都江堰与京杭运河淮安船闸,8.1.2 水利工程的特点,水利工程不同于其他土木工程，具有下列特点： 很强的系统性和综合性。单项水利工程是同一流域，同一地区内各项水利工程的有机组成部分，这些工程既相辅相成，又相互制约。单项水利工程自身往往是综合性的，各服务目标之间既紧密联系，又相互矛盾。水利工程和国民经济的其他部门也是紧密相关的。,规划设计水利工程必须从全局出发，系统地、综合地进行分析研究，才能得到最为经济合理的优化方案。,灵渠水系总揽图,京杭大运河流经区域, 对环境有很大影响。水利工程不仅通过其建设任务对所在地区的经济和社会发生影响，而且对江河
3、、湖泊以及附近地区的自然面貌、生态环境、自然景观，甚至对区域气候，都将产生不同程度的影响。 工作条件复杂。水利工程中各种水工建筑物都是在难以确切把握的气象、水文、地质等自然条件下进行施工和运行的，承受水的推力、浮力、渗透力、冲刷力等多种荷载的作用，工作条件较其他建筑物更为复杂。,水利工程决堤事故, 水利工程的效益具有不确定性，根据每年水文状况不同而效益不同，农田水利工程还与气象条件的变化有密切联系。 水利工程一般规模大，技术复杂，工期较长，投资多。,如长江三峡水利枢纽静态总投资需要900.9亿元，总工期18年。 一期5年（1992一1997年），主要工程除准备工程外，主要进行一期围堰填筑，导流
4、明渠开挖。修筑混凝土纵向围堰，以及修建左岸临时船闸，并开始修建左岸永久船闸、升爬机及左岸部分石坝段的施工。 二期工程6年（1998-2003年），工程主要任务是修筑二期围堰，左岸大坝的电站设施建设及机组安装，同时继续进行并完成永久特级船闸，升船机的施工。 三期工程6年（2003一2009年），本期进行的右岸大坝和电站的施工，并继续完成全部机组安装。,8.1.3 水利工程的类型及分类,蓄水工程指水库和塘坝，不包括专为引水、提水工程修建的调节水库。 引水工程指从河道、湖泊等地表水体自流引水的工程，不包括从蓄水、提水工程中引水的工程； 提水工程指利用扬水泵站从河道、湖泊等地表水体提水的工程，不包括从
5、蓄水、引水工程中提水的工程； 调水工程指水资源一级区或独立流域之间的跨流域调水工 程，蓄、引、提工程中均不包括调水工程的配套工程。 地下水源工程指利用地下水的水井工程，分为浅层地下水和深层承压水。,南水北调西线方案,南水北调中线方案,南水北调东线方案,水利工程按其使用目的和服务对象分类,水利枢纽工程是修建在同一河段或地点，共同完成以防治水灾、开发利用水资源为目标的不同类型水工建筑物的综合体，它是水利工程体系中最重要的组成部分，一般由挡水建筑物、泄水建筑物、进水建筑物以及必要的水电站厂房、通航、过鱼、过木等专门性的水工建筑物组成。,向家坝水利枢纽三维模型,按承担任务的不同，可分为防洪枢纽、灌溉(
6、或供水)枢纽、水力发电枢纽和航运枢纽等。多数水利枢纽承担多项任务，称为综合性水利枢纽。,葛洲坝水利枢纽,桂平航运枢纽,中国水利枢纽工程分等指标,8.1.4 水利工程发展趋势,水利工程的水工建筑物向高水头、大容量、新材料、新结构等方面发展。随着施工技术不断提高和大型、高效施工机械及高速、大容量电子计算机的采用，高拱坝、高土石坝、碾压混凝土坝、深埋隧洞及大型地下建筑物等的设计和研究将会有较快的进展。,全球大型水电站排行表,当前世界多数国家出现人口增长过快，可利用水资源不足，城镇供水紧张，能源短缺，生态环境恶化等重大问题，都与水有密切联系。水灾防治、水资源的充分开发利用成为当代社会经济发展的重大课题
7、。水利工程的发展趋势主要是： 防治水灾的工程措施与非工程措施进一步结合，非工程措施越来越占重要地位; 水资源的开发利用进一步向综合性、多目标发展； 水利工程的作用，不仅要满足日益增长的人民生活和工农业生产发展的需要，而且要更多地为保护和改善环境服务； 大区域、大范围的水资源调配工程，如跨流域引水工程，将进一步发展； 由于新的勘探技术、新的分析计算和监测试验手段以及新材料、新工艺的发展，复杂地基和高水头水工建筑物将随之得到发展，当地材料将得到更广泛的应用，水工建筑物的造价将会进一步降低； 水资源和水利工程的统一管理、统一调度将逐步加强。,溪洛渡水电站有高拱坝、高水头、高地震带和大型洞室群的开挖等
8、特点，技术上非常有挑战性，既是国家实施西部大开发战略的重大举措，同时又缓解我国经济高速发展中日益突出的电力紧张问题，对有效改善国家电网结构，促进东、中、西部优势互补、协调发展等方面具有十分重大的意义。,正在建设的溪洛渡水电站是我国仅次于三峡工程的世界级巨型水电站，大坝采用混凝土双曲拱坝，坝高276米，系世界最高大坝之一，建成后期装机容量和年平均发电量的规模将排世界第三。,8.2 主要水工建筑物,水利工程的基本组成是各种水工建筑物，包括挡水建筑物、泄水建筑物、进水建筑物、输水建筑物、河道整治建筑物、水电站建筑物、渠系建筑物、过坝设施等。,水工建筑物设计内容很多，其具体内容及流程如图下。,为使水工
9、建筑物的安全度与其重要性和工程造价相协调，即在保证一定安全度的前提下，做到经济合理，需要对枢纽中的各个建筑物按其作用和重要性进行分级。,对不同级别的建筑物，在抗御洪水能力、强度和稳定安全系数、建筑材料和运行可靠性等方面应有不同的要求。级别高，要求也高；级别低，则可适当降低要求，我国水工建筑物分为五级，具体级别划分见表.,中国水工建筑物级别的划分,按照功能水工建筑物大体分为三类：挡水建筑物、泄水建筑物和专门水工建筑物。此外，还有专门为某一目的服务的水工建筑物，水工建筑物以多种形式组合成不同类型的水利工程。,8.2.1 挡水建筑物,挡水建筑物是具有阻挡或拦束水流、拥高或调节上游水位的建筑物，一般横
10、跨河道者称为坝，沿水流方向在河道两侧修筑者称为堤，坝是形成水库的关键性工程。坝的类型根据坝址的自然条件、建筑材料、施工场地、导流、工期、造价等综合比较选定。,挡水建筑物现场照片,坝是主要的挡水建筑物之一，它的主要荷载有坝面水压力、坝体自重、泥沙压力、冰压力、温度荷载以及地震荷载等。坝的设计中要解决的主要问题是坝体抵抗滑动或倾覆的稳定性、防止坝体自身的破裂和渗漏。,(1) 土石坝 土石坝包括土坝、堆石坝、土石混合坝等，又统称为当地材料坝。 土石坝的优点有：筑坝材料可以就地取材，可节省大量钢材和水泥，节省进场公路；能适应地基变形，对地基的要求比混凝土坝要低；结构简单，工作可靠，便于维修和加高、扩建
11、；施工技术简单，工序少，便于组织机械化施工。 不足之处是坝顶不能过流，必须另开溢洪道，施工导流不如混凝土坝便利，对防渗要求高；加之剖面大，填筑量大而且施工容易受季节影响。,土石坝的类型及特点,粘土心墙堆石坝 沥青混凝土心墙堆石坝,粘土斜心墙堆石坝 粘土斜墙堆石,钢筋混凝土面板堆石坝 重力墙式堆石坝,(2) 混凝土坝 混凝土坝可分为重力坝、拱坝和支墩坝三种类型，重力坝依靠坝体自重与基础间产生的摩擦力来承受水的推力而维持稳定。,其优点是结构简单，施工较容易，耐久性好，适宜于在岩基上进行高坝建筑，便于设置泄水建筑物。,当河谷狭窄时，可采用平面上呈弧线的拱坝。拱坝为一空间壳体结构，平面上呈拱形，凸向上
12、游，利用拱的作用将所承受的水平载荷变为轴向压力传至两岸基岩，两岸拱座支撑坝体，保持坝体稳定。,拱坝具有较高的超载能力，拱坝对地基和两岸岩石要求较高，施工上亦较重力坝难度大。,在两岸岩基坚硬完整的狭窄河谷坝址，特别适于建造拱坝。一般按坝底厚度与最大坝高的比值将拱坝分为薄拱坝、拱坝、重力拱坝；若坝底厚度与最大坝高的比值很大时，拱的作用已很小，即近于重力坝。如图所示的是建设中的小湾水电站的拦河大坝，采用混凝土双曲拱坝，是目前建设规模仅次于三峡的中国第二大水电站，坝高292米，是世界上已建和拟建中的最高拱坝。,建设中的小湾水电站的拦河大坝,在缺乏足够筑坝材料时，可采用钢筋混凝土的轻型坝(俗称支墩坝)，
13、由一系列倾斜的面板和支承面板的支墩(扶壁)组成的坝，面板直接承受上游水压力和泥沙压力等荷载，通过支墩将荷载传给地基。,面板和支墩连成整体。根据面板的形式，支墩坝可分为三种类型：平板坝、连拱坝和大头坝。支墩坝抵抗地震作用的能力和耐久性都较差。,平板坝,连拱坝,大头坝,连拱坝的出现一方面由于平板坝的面板受力条件不好，需将面板的形式加以改进，混凝土抗压性能好，所以将平面面板改为圆弧面板(拱)，即连拱坝；当在河谷较宽时，若采用一般拱坝，拱作用得不到充分发挥，且混凝土方量多(中心角越大，弧长越长)，故将面板做成连续拱型，其受力条件较好能较好地利用材料强度。,梅山连拱坝 加拿大丹尼尔约翰逊连拱坝,随着世界
14、筑坝技术的提高，坝的高度逐渐提高，坝的规模亦随之加大。目前世界最高的坝是俄罗斯335m高的罗贡土石坝，最高的混凝土坝是瑞士的大迪克桑斯坝，坝高为285m。体积最大的土石坝是巴基斯坦塔贝拉水电站的土石坝，体积达1.2亿立方米；体积最大的混凝土坝是俄罗斯的萨扬舒申斯克重力拱坝，体积为850万立方米；若计入尾矿坝则为美国新科尼利亚尾矿坝，体积为2.1亿立方米。,俄罗斯罗贡坝 瑞士的大迪克桑斯坝,(3) 其他类型的坝 其他材料建成的坝如橡胶坝、钢坝、木坝及草土坝(堰)等使用较少，一般只适用于低水头。橡胶坝坝高一般在7m以下，最大达15m，建于河道及渠道上便于调节水位。钢坝常为钢板桩格体坝，最大坝高约3
15、0m，常用于海港码头以及施工期的纵向围堰中。木坝及草土坝是传统水工建筑物，近代常用于临时建筑物中。,橡胶坝,堤是沿河、渠、湖、海岸边或行洪区、分洪区、围垦区边缘修筑的挡水建筑物。其作用为：防御洪水泛滥，保护居民、农田及其各种设施；限制分洪区(蓄洪区)、行洪区的淹没范围；围垦洪泛区或海滩，增加土地开发利用的面积；抵挡风浪或抗御海潮；约束河道水流，控制流势，加大流速，利于泄洪排沙。,堤的规划设计及其影响因素,堤身加固方式 a 抽槽换土 b 粘土斜墙和铺盖 c 构筑防渗墙 d 砂石反滤 e 减压井 f 修筑前戗 g 修筑后戗 h 堤背放淤,由于河床淤积抬高，堤防相对降低，堤身受各种影响和内部存在隐患
16、，危及安全，因此需要对堤防加高加固，以维持和巩固其效能。堤的加高应根据新的设计指标，采用的材料和结构，连同原有堤防进行分析计算，以确定新的堤身横断面。堤的加固通常采用加大横断面尺寸或改变堤身结构的办法，主要的措施有：,8.2.2 泄水建筑物,泄水建筑物是用以排放多余水量、泥沙和冰凌等的水工建筑物。泄水建筑物具有安全排洪，放空水库的功能。对于水库、江河、渠道或前池等的运行起太平门的作用，也可用于施工导流。泄水孔、泄水隧洞、溢洪道、溢流坝等是泄水建筑物的主要形式。此外，与坝结合在一起的称坝体泄水建筑物；设在坝身以外的常统称为岸边泄水建筑物。,泄水建筑物示意图,泄水建筑物是水利枢纽的重要组成部分，其造价常占工程总造价的很大部分，合理选择形式，确定其尺寸十分重要。泄水建筑物按其进口高程可布置成表孔、中孔、深孔或底孔。表孔泄流与进口淹没在水下的孔口泄流，在同样水头时，前者具有较大的泄流能力，是溢洪道及溢流坝的主要形式。,葛洲坝水利枢纽二江泄水闸,(1) 溢洪道 溢洪道是用于宣泄
