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1、水利水电工程概论,李宗坤 教授,目录,我国的水资源和水利电力建设概况 水利枢纽和水工建筑物 挡水建筑物 泄水建筑物 水利枢纽的施工导流 渠系及渠系建筑物 水力发电 水利工程的建设与管理 水工隧洞 水工建筑物管理,第一章 我国的水资源和水利电力建设概况,水与水资源 水资源面临的问题 节水与调水 我国的水利建设,1.1 水与水资源,水是人类生活和生产劳动所必须的，能够补给的自然资源。它具有循环性和有限性，时空分布不均匀性，有利性和有害性。,中国水资源储量： 河流年平均径流量28000亿m3，居世界的六位，位于巴西、俄罗斯、加拿大、美国和印尼之后。 中国水能资源 河川水能资源蕴藏量6.67亿kw，可
2、开发利用的约3.78亿kw，居世界各国之首。但分布不均，西南地区占70，西北占12，中南占9.5，华北、华南、东北仅占8。,1、水资源的自然属性：,二、 水资源的特点,流动性 可再生性 是指水资源在水量上的损失（如蒸发、流失、取用等）后和（或）水体被污染后，通过大气降水和水体自净（或其他途径）可以得到恢复和更新的一种自我调节能力。,有限性,我国水资源总量丰富，约28124亿m3，居世界第6位； 人均占有量少，约2200 m3，相当于世界人均占有量的1/4，被联合国列为13个贫水国之一。,时空分布不均匀（世界）,时空分布不均匀（我国）,降雨量：东南沿海地区：1500mm以上 华东、华北：4008
3、00mm 西北： 400mm以下 地面径流：长江多年平均径流量10000亿m3， 黄河多年平均径流量560亿m3 黄河经常断流，92年断流70d，95年断流122d，2000年断流180d 时间分布不均 集中在汛期：69月份 占全年降雨量： 南方 5060 北方 70%80% 通过水利工程来兴利除害。,不可替代性,有的自然资源，是可以替代的或者说可以部分替代。例如，石油、煤炭缺乏的国家，可以多发展核电，以替代石化能源。木材缺乏，可以用塑料、钢铁替代。但是，水对于人类生活，对于工农业生产，是一种须臾不可缺少的自然资源，是无法替代的。 水是生命的摇篮，是一切生物的命脉。水在维持人类生存和生态环境方
4、面是不可代替的，是比石油、天然气、煤更加宝贵的自然资源。因此，保护水资源、节约用水是一项事关子孙后的极端重要的事情。,2、水资源的社会属性：,社会共享性 利与害的两重性 多用途性 商品性,一、洪涝灾害（水多）,1.2 水资源面临的问题,1、原因： 水资源时空分布不均 全球气候变化与人类活动影响加剧 城市化发展迅速 江河防洪标准偏低,2、形式：河流洪水、突发洪水、城市洪涝灾害等,二、干旱缺水（水少）（08年底-09年初）,我国水资源短缺主要表现在：农业缺水、城市缺水和生态缺水。,1.农业缺水：,我国全部耕地中只有40%能够确保灌溉，全国正常年份农业缺水量达300亿立方米(全国总缺水量为近400亿
5、立方米)。有关资料显示，每年农业因缺水造成的损失超过1500亿元。,原因：水资源分布与耕地分布不匹配,2.城市缺水：,全国600多个城市中，有400多个城市存在供水不足，其中比较严重的缺水城市达110个，全国城市缺水总量为60亿立方米。在32个百万人口以上的特大城市中，有30个城市长期受缺水困扰 。,原因：人口增加、城镇化和经济社会发展加快。,3.生态缺水：,原因：经济用水挤占生态用水,生态补水工程：扎龙湿地补水、白洋淀补水等。,三、水环境污染（水脏）,原因：人类活动排放的污水、废水量日益增加 危害:（1）危害人体健康和生产用水； （2）加剧水资源短缺危机,西南诸河区、西北诸河区、长江区、珠江
6、区和东南诸河区水质较好，符合和优于类水的河长占95%64%； 海河区、黄河区、淮河区、辽河区和松花江区水质较差，符合和优于类水的河长占35%47%。,四、水土流失严重 水土流失原因：森林覆盖率低，只有12，居世界120位 。 水土流失面积：约367万km2，占国土面积38。 水土流失总量：50亿t/年。仅黄土高原每年因水土流失带走的氮、磷、钾就有4000万t，相当于我国全年生产化肥的总量。 水土流失带来的后果： 生态环境恶化 河床抬高（黄河开封段） 水库淤积（三门峡，小浪底）,1.3 节水和调水,一、节水 我国农业用水占全国用水量的80，每年约需水量4000亿m3，但利用率仅有3040，必须采
7、取节水灌溉措施。如：渠道硬化、管道输水，喷灌、滴灌新技术。 提高工业用水重复率，北京、天津已达到70。（高用水量行业定量，超出部分提高水价）,二、调水 从根本上解决北方地区的缺水问题，必须跨流域调水。 南水北调工程经过40年的酝酿论证已经成熟。 西线：拟在长江上游通天河和大渡河上游筑坝建库， 将水引入黄河，每年调水145195亿m3。 中线：从长江中游、汉江支流丹江口水库引水，自流进 入北京、天津。干线长达1200km。 东线：从长江下游扬州附近抽水，利用扩建的京杭大 运河（700年前建成）逐级提水北送，拟建13 个提及泵站，水位差40m,干线长1150km。 三条线每年可调水500600亿m
8、3。,1.4 我国的水利建设,一、水利工程建设 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1800km的黄河大堤。 700年前（公元前4851292年）全线通航，纵贯祖国南北，长达1794km的京杭大运河。 公元前250年，四川灌县修建的都江堰防洪灌溉工程。,解放后：水利建设迅速发展 初步控制了一般性的洪涝灾害 如：黄河从19111946年的36年间，花园口发生1万m3/s以上的洪水8次，有7次决口泛滥成灾，而在建国后50年间发生1万m3/s以上的洪水15次，却没有一次决口（建小浪底后，黄河下游泥沙淤积变化）。 初步建立一个综合性的防洪体系 如：修建水
9、库近9万座；修筑土堤1000亿m3 （折合成1m3土堤，可绕地球2500圈）。 农田灌溉和城市供水得到较大的发展 汪恕成部长提出“水利信息化管理时代”,1、水力发电优点 利用循环资源 不污染资源 成本低 2、水电开发情况 水电装机总容量约占电力的1/41/5 水资源的开发利用率8 以每年500万kw的速度递增,二、我国的水电建设,如三峡工程，装机1820万kw，年发电量846.8亿kw.h，相当于10座装机200万kw的大型火电站和一座年产5000万t原煤的特大型煤矿。 （节能源，少污染）,三、水电开发前景广阔,第二章 水利枢纽和水工建筑物,水库 水利枢纽和水工建筑物,1、正常蓄水位正常运用情
10、况下允许经常保持的 最高水位。 2、设计洪水位和校核洪水位 发生设计频率洪水时，水库达到的最高水位称 设计洪水位。 发生校核频率洪水时，水库达到的最高水位称 校核洪水位。,二、水库的特征水位和库容,3、汛前限制水位（防洪限制水位） 在汛期到来之前，预先把水库放空一部分，以便腾出库容，在洪水到来时多蓄洪水，从而削减更大的洪峰，这个削落下来的水位称汛前限制水位。 4、死水位， 正常运用情况下允许削落的最低水位。,库容,死库容不能起水量的调节作用，可淤积泥沙。 兴利库容发挥效益、发电、供水、灌溉。 调洪库容调节来水和泄水的比例，以削减洪峰。 共用库容兴利和调洪共用的库容。 总库容,2.2 水利枢纽和
11、水工建筑物,一、定义 水工建筑物为满足防洪、发电、灌溉、供水等要求，需要修建的各种不同类型的建筑物，用来控制和支配水流，这些建筑物统称为水工建筑物。 水利枢纽各种不同类型的水工建筑物组成的综合体。,按其在枢纽中所起的作用分： 1 挡水建筑物 2 泄水建筑物 3 输水建筑物 4 取水建筑物 5 整治建筑物 6 专门建筑物,二、水工建筑物的类别,1、工作条件复杂 A、水工建筑物的作用： 静、动水压力，扬压力 高速水流引起空蚀、掺气、振动 对下游河道的冲刷 泥沙问题 B、地形、地质条件复杂：个别性,三、水工建筑物的特点,2、施工难度大 施工导流 截流、渡汛 施工技术复杂： 大体积砼：温控难 地基处理
12、复杂 地下、水下工程多（开挖、定模、排水） 交通、通讯、用电不便,3、效益大，对附近地区影响大 效益： 三峡仅发电一项每年的直接经济效益170亿元， 另有防洪、通航等效益。 影响： 地下水位抬高，库区淹没。 生态平衡破坏，诱发地震 4、失事后果严重,1、目的将工程造价和工程安全合理地统一起来。 2、分等分级原则 A ：分等水利枢纽按规模、效益及其在国民经 济中的重要性，分为五等。 B：分级按建筑物在枢纽中的作用和重要性， 可分五级。,四、水利枢纽分等和水工建筑物分级,永久性建筑物指工程运行期间使用的建筑物，如大坝，电站等。 临时性建筑物指工程施工期间使用的建筑物，如施工围堰，导流建筑物。 主要
13、建筑物指失事后将造成下游灾害或严重影响工程效益的建筑物；如大坝、水闸、电站厂房等 次要建筑物指失事后不致造成下游灾害或对工程效益影响不大，且易于修复，如挡土墙、导流墙、护岸等。,3、名词解释：,第三章 挡水建造物,重力坝 拱坝 土石坝 碾压砼坝 砼面板堆石坝,拦 河 坝,砼坝（重力坝，砼拱坝） 土石坝（土坝，堆石坝，土石混合坝） 浆砌坝（重力坝，拱坝）,3.1 重力坝,一、重力坝的特点 1、在水压力作用下，主要依靠自重的作用来维护坝体稳定 2、坝顶可以溢流，坝身可以开孔，因此，泄洪和导流易解决。 3、剖面大，水泥用量大，坝基扬压力大。 4、材料不能充分发挥其作用。 5、结构简单，安全可靠。 6
14、、机械化施工方便（大体积砼）,自重：建筑物和附属设备的重量 水压力 ：静水压力、动水压力、浪压力、扬压力 冰压力：静冰压力，动冰压力 土压力 地震力：地震惯性力，地震动水压力 温度荷载,二、重力坝的荷载,1、基本剖面：三角形（因水压呈三角形分布） 2、实用剖面：满足运用和交通要求 A：坝顶有一定宽度，（810）H B：坝顶有一定超高：,三、重力坝的剖面,波浪在坝坡上的爬高（m） 风浪引起在坝前水位雍高（m） 安全加高，m,1、材料 1）砼： A:强度：C10,C15,C20,C25,C30,C40,C50,C60随着 龄期的增长而增强，设计龄期一般为90d或180d，早期强度28d不低于7.5
15、MPa B:耐久性：抗渗、抗冻、抗磨、抗侵蚀等。 抗冻经冻融循环而不破坏。 2）砌石,四、重力坝的材料及构造,1）分缝 为满足温度、地基不均匀沉陷、施工等要求，将坝体适当分缝。分为：横缝和纵缝两种。 2）止水 挡水坝必须从地基到坝顶组成一个完整的防渗阻水系统，以起到挡水作用。因此，横缝内须要设止水。 3）廊道系统 为满足施工和运用要求，如灌浆、排水、观测、检查和交通等需要，相互联通，构成廊道系统。,2、坝体构造,坝体各部分的工作条件不同，对砼强度、抗渗、抗冻、抗冲刷、抗裂等性能的要求也不同。为了节约与合理使用水泥，通常将坝体按不同部位和不同工作条件分区，采用不同标号的砼。,3、坝体砼分区,防渗
16、帷幕 开挖与清理 固结灌浆 坝基排水,五、地基处理,六、碾压砼重力坝,1、建设状况 20世纪20年代末，碾压砼经常用于高速公路路基和机场路面，当时被称为贫砼，干贫砼。 1941年首次建议将碾压砼用于大坝施工。 19601961年碾压砼首次用于围堰施工，台湾石门大坝。 19611980 理论上不断发展，大量室内试验对碾压砼材料进行了全面研究。,20世纪80年代开始，进入正式筑坝阶段 1981年，日本建成89m高的岛地川RCD重力坝 1982年，美国建成52m高的全碾压的RCC重力坝柳溪坝 我国第一座RCC坝：1986年建成的福建坑口水电站坝，H=56.8m。,世界总数：250余座 其中我国45座（50m以上28座），居世界第一，日本第二。,目前建设情况：,最高坝：拱坝129m （中国） 重力坝192m （龙滩R
