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1、第二章水利水电工程的基本知识,第一节水力学的基本知识第二节水利水电规划第三节水工建筑物第四节水利枢纽第五节水资源保护,第一节水力学的基本知识,一、自然界水的循环及水量平衡二、河流的水文特性三、水文统计的若干基本知识,一、自然界水的循环及水量平衡,（一）自然界的水分循环（二）自然界的水量平衡（三）水文现象及水文学,（一）自然界的水分循环,自然界的水分别存在于以下三个方面：地表地层大气,地表水,大气水,太阳辐射热作用,一定条件,蒸发,降水（降雨、降雪等）,水循环,降水到达地表后，分成三部分：,注入河道,水的大循环,另外还有水的小循环例如：降至陆地上的水，在没有回到海洋之前，又被蒸发到空中，又被凝结
2、成为降水而降至陆地上河流注入内陆湖泊而不注入海洋,（二）自然界的水量平衡,海洋的水量平衡方程式为陆地的水量平衡方程式为自然界（全地球）的水量平衡方程式为式中 分别为海洋、陆地的多年平均蒸发量 分别为海洋、陆地的多年平均降水量 汇入海洋之河川多年平均径流量,地球上总的蒸发量与降水量的多年平均值是相等的,（三）水文现象及水文学,水文现象：自然界各种水体的变化现象水文学：研究自然界各种水体的变化规律的学科海洋水文学陆地水文学河川水文学水文测量学：研究水文资料观测技术的学科,二、河流的水文特性,（一）河流的流域及水系（二）河道的纵横断面（三）河渠的流速、流量及水位（四）河渠的泥沙（五）河川的径流（六）
3、河流的洪水,流域是指河流的地表降水的集水区域分水岭是指分隔两个相邻流域的界限,干流:直接流入海洋或内陆湖泊一级支流:汇入干流二级支流:汇入一级支流,(二)河道的纵横断面,河道横断面:垂直于河道水流方向所选取出来的断面,其在河道水位以下的部分称为过水断面河道纵断面:沿河道纵向之最大水深线取一断面,并将其拉直图为理想情况下的河道,横断面为A-A断面,纵断面为B-B断面,A,A,B,B,河道,（三）河渠的流速、流量及水位,渠道:人工水道天然河道:天然水道1.流速河渠中水流各点的流速是不同的,在水力学中已经学到均匀流的概念均匀流只能在一定条件下实现:1.渠底沿程降低2.棱柱形渠道必须长而直3.渠道表面
4、的粗糙系数n沿程不变4.渠道中水流恒定,均匀流时的断面平均流速可用谢才公式计算:,流量与水位流量可以用下式来计算,一般来讲，上游河床是逐渐下切的（冲刷），而下游河床是逐渐上升的（淤积）河床冲淤对水位流量关系的影响可参见图（22）,洪水涨落时的河道水流属于变量流，这时的水位流量关系有其特殊性，参见图23,（四）河渠的泥沙,河渠中的泥沙可分为两类：悬移质和推移质单位体积水流中所含的泥沙的重量称为含沙量,万,亿,亿t,（五）河川的径流,年径流量：一年内通过河流某一断面的水量年径流量在年际之间是变化的。中水年丰水年枯水年年径流量在年内的分配是很不均匀的。我国北方河流尤甚，汛期不到4个月的径流量常占年径
5、流量的60以上。,（六）河流的洪水,当流域内下了暴雨或冰雪迅速融化时，将有大量的径流汇入河中，于是河流将发生洪水。一般的洪水过程线如图24所示。,三、水文统计的若干基本知识,（一）频率P（二）重现期T（三）常用的几个水文统计参数,（一）频率P,设观测到的某水文年（例如年径流量），由小到大排列起来为,则的频率P可用下述的数学期望（均值）公式来计算,n越大，用上式算得的P值越接近其概率值,（二）重现期T,水文中的重现期T一般是指所研究的随机变量的某值，在长时期内平均每T年出现一次（即T年一遇）。实际工程中的重现期有两个不同的含义：1、在研究暴雨及洪水时，2、在研究灌溉、发电、供水等用水部门的需要时
6、，,（三）常用的几个水文统计参数,1.算术平均值2.加权平均值3.均方差4.变差系数(离势系数)5.偏差系数(偏态系数),第二节水利水电规划,一、河川径流调节二、河流规划,（一）河川调节的类型,1.年调节:将洪水时期用不完的多余水量存蓄在水库中,待枯水期用2.多年调节:把丰水年的多余水量存蓄在水库中,待枯水年用3.日调节:在一昼夜内把来水按需要进行重新分配,(二)水库的特征水位及其库容,(三)水库的动库容,静库容是假定库水面为水平时的库容一般水库都是按静库容进行调节计算的实际上,水库水面由坝址起沿流上溯呈回水曲线,越向上游水面越上翘,直至与河道天然水面平顺相切交为止,参见图2-5,二、河流规划
7、,（一）开发治理方针和任务的确定前提：调查研究，查明自然情况和社会经济情况，以摸清流域特点和开发治理该河流的要求根据具体情况可以分成四类，分别治理1、水土流失严重的干旱地区的中小河流2、山低坡缓、耕地连片、土地潜力大，但水源缺乏的丘陵山区的河流3、山高坡陡、河谷狭窄、耕地稀少、落差集中的上游河段4、平原地区的河流,（二）制定综合利用规划方案这种规划方案，从范围来看，包括全流域各部位，各阶段除害兴利的工程措施规划，从专业来看，包括防洪、治涝、灌溉、水土保持、水力发电、供水、航运、渔业、环境保护等的规划；从时间来看，包括近期和远景规划。因此综合利用规划涉及的内容是广泛而复杂的，一般在制定规划时应注
8、意遵循下述原则。,(1)对流域的治理和开发，一定要综合利用、综合治理、综合平衡。力求做到水利、动能和土地资源的综合利用，而且还要力求使每一项工程措施也要综合利用；综合治理是指治山、治水、治沙、治碱等的统一考虑，合理解决，此外还应注意上中下游统一考虑，大中小工程相结合的问题；综合平衡是指力争做到建筑材料、资金、设备和劳动力的需要与可能之间的综合平衡，以求达到耗费小、效益大、经济效果好。(2)妥善协调各部门的不同要求。这是规划中的棘手问题。要求各有关部门要有全局观念，规划要明确轻重缓急，以力求使国民经济总的效益最大为原则。,(3)在拟定规划时，要有发展的观点。不仅要看到目前的经济形势，还应预计到将
9、来经济发展的需要。此外，还应看到邻近其它流域国民经济发展的要求。(4)在流域规划中，一般应以小型工程为基础，大中型工程为骨干。在河流上中下游及其主要支流上，一般应因地制宜地安排若干大中型工程作为控制性的工程，综合解决防洪、发电、灌溉、航运、供水等方面的问题。,第三节水工建筑物,一、水工建筑物的类型水工建筑物作用：,挡水、泄水、输水、排沙等,防洪、灌溉、发电、供水、航运等,二、水工建筑物的特点水工建筑物有着不同于其他建筑物的特点：(1)较高的挡水建筑物承受着巨大的水平推力和向上作用的扬压力的作用。因此，要求这类水工建筑物应具有相应的抗推能力和抗浮能力。(2)由于建筑物上下游或内外有水位差，所以在
10、地基和建筑物内部，将产生渗透水流，并因此而产生渗透压力和渗透变形(包括溶蚀、管涌、流土等)。 (3)通过水工建筑物的水流，具有巨大的能量。(4)必须要进行施工导流(即让河水临时改道)才能进行河道水下部分的施工。在较大河流上进行施工导流是有相当难度的。,(5)水工建筑物的基础很多都是位于地下水位以下的，因此其基坑开挖常常是比较困难的，特别是需要开挖地下水位以下的均匀砂层时。(6)水工建筑物的工程量大都比较浩大。(7)水工建筑物的型式、尺寸和工作条件，与建筑物所在地区的地形，地质、水文和运用条件等有着密切的关系。而这些条件的综合是绝少重复的，所以，每一水工建筑物都有其独特性，特别是挡水建筑物。(8
11、)由于水工建筑物，特别是大中型的挡水建筑物，施加给地基以巨大的荷载(水库的水压力甚至大到可以诱发地震)，而且还伴有水的不利作用(渗透等)，所以一般都要求进行大量的地质勘探工作。,(9)水工建筑物大多是空间块体结构(而不是内力比较易于确定的杆件结构系统)，不仅荷载巨大，而且水力及结构工作条件复杂，因之往往需要进行大量的科学研究工作。(10)混凝土和浆砌石的水工建筑物，由于水泥水化发热等将引起温度应力。因此常常需要把水工建筑物进行分缝分块并控制其温度变化，以防止产生温度裂缝。(11)水工建筑物大多工程量大、工期长，在施工过程中，由于施工缝的设置和分期分批合拢，所以建筑物的应力会随着施工的过程而变化
12、。,(12)其它几个特点：1)水工建筑物受有风浪和冰的作用；2)地震时水工建筑物将受到地震水荷载和地震土荷载及地震惯性力等的作用；3)渗水会溶滤混凝土中的游离石灰质及地基岩体中的可溶盐，导致降低它们的力学性能和抗渗抗冻性能； 4)混凝土和岩石会遭到冻融循环的作用，而降低强度或遭受破坏；5)水对金属和木材有腐蚀作用，有些水对混凝土也有破坏作用。,第四节水利枢纽,一、水利枢纽及其特性二、水库对周围环境的影响三、水利水电枢纽工程的分等和水工建筑物的分级,一、水利枢纽及其特性,为了综合利用水资源，把几种不同的类型的水工建筑物修建在一起，协同工作，用来控制水流（兼收经济及施工和管理之便），这些水工建筑物
13、的综合体称为水利枢纽,二、水库对周围环境的影响,（一）库岸的崩落和滑塌（二）水库的淤积（三）水库对上游的其它影响（四）水库对下游的其它影响（五）其它,（一）库岸的崩落和滑塌,水库蓄水后，水位相应升高，使原本不接触水的库岸长期处于水的浸泡当中，于是常常会发生库岸的崩落和滑塌现象。危害：库岸的崩落和滑塌一方面毁坏了两岸的农田及建筑物，另一方面岩土滑落在水库内也减少了库容,（二）水库的淤积,河川水流流入水库后，流速逐渐减少，水流挟带的泥沙便由粗到细地逐渐沉积于库中高蓄水位时，形成回水曲线，之后在库首附近形成“拦门沙”拦门槛会逐渐抬高、逐渐向上扩展，形成如下形状：,多沙河流上，水库的淤积速度是很快的。
14、不能采用常规的“蓄拦洪水”运用方式，而应采用“蓄清排混”的水沙调节运用方式，要点如下：（1）避开沙峰期拦蓄洪水（2）利用异重流排沙（3）高渠泄水拉淤,（三）水库对上游的其它影响,有利：大型水库就是一座人工湖。蓄水后，可以改善周围地区的航运、灌溉、渔业、供水等条件，还可以美化环境，调节气候，促使其发展成旅游圣地和鱼米之乡不利：蓄水后将会淹没库区内的农田、矿藏、森林、村镇、道路、输电通讯线路等,修建水库可以显著地抬高该处的河床水位及地下水位。地下水位的抬高将可能引起森林死亡、农作物受涝、农田发生沼泽化或盐碱化，形成塌岸，影响已有建筑物的沉陷，使矿井积水、破坏古迹等。水库沿岸以及回水边缘地带，如果有
15、可能形成广阔的15m水深以下的浅水区和死水区时，则将恶化那里的卫生防疫条件。,（四）水库对下游的其它影响,有利：水库建成后，下游可以减小洪水、改善航运、发展灌溉、增加供水供电减轻凌汛的危害不利：在电力系统中，担负峰荷的大型水电站，其下泄流量变化较大，危及下游航运水库下泄水流有可能存在折冲水流现象，这将会危及下游河岸的安全建库后一旦垮坝，下泄的溃坝流量将是很大的，其灾害也是惊人的,（五）其它,水库在开始蓄水前，除牢做好迁出移民、厂矿企业及预定的文物古迹等外，尚应做好下列清理工作：清理会污染库水的物质，例如可溶盐矿，屠宰场，患炭疽病的牲畜埋葬场、化工厂和医院的一些物质等清理妨碍下网捕鱼的船舶航行的
16、障碍物，例如树木，电线杆等,三、水利水电枢纽工程的分等和水工建筑物的分级,（一）等级的划分标准（二）分等分级的意义,（一）等级的划分标准,一般按表23和表24来划分枢纽的等别和建筑物的级别,在确定建筑物级别中，遇下列情况时，对二至五等工程，经过论证，可以提高其主要建筑物的级别综合利用的枢纽工程，如按库容和不同用途的分等指标，其中有两项接近同一等别的上限时，共用的主要建筑物可提高一级水库的拦河坝，其坝高超过表2-5中所列的指标者可提高一级，但洪水标准不应提高,当建筑物的工程地质条件特别复杂或采用实践经验较少的新坝型，新型结构时，可提高一级，但洪水标准不应提高对于临时性建筑物，当失事将使下游工矿企业，城镇或其他国民经济部门造成严重灾害或严重影响工程施工时，视其重要性和影响程度，可提高一级或二级在确定建筑物的级别时，对于那些水头较低、其它条件较好、失事后不致造成重大损失的建筑物，则可适当降低其级别,
