水利工程第2章

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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：雨水地面径流 土壤含水大气水一部分渗入地下蒸发上升注入河道水的大循环从海洋蒸发的水分陆地降水大气中形成径流重返海洋另外

2、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

3、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）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AABB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

4、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河流测站测站以上流域 面积平均年 径流平均年输 沙量最大断面含 沙量 黄河陕县6

5、8.7942615.7590长江宜昌100.5545105.1410.5渭河华县10.65914.25735泾河张家 山4.32162.841430无定河 白家川2.97141.821520永定河 官厅4.25130.81436汉江碾盘 山145441.316.9西江梧州32.9722060.724.1万亿亿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

6、 是河流将发 生洪水。一 般的洪水过 程线如图2 4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，（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

7、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（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

8、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意遵循下 述原则。(1)对流域的治理和开发，一定要综

9、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，还应预计到将来经济 发展的需要。此外，还

10、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、航运等水工建筑物一般性水工建筑物专门性水工建筑物挡水建筑物整治建筑物取水建筑物输水建筑物泄水建筑物坝水闸堤二、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

11、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

12、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)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

13、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)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

14、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）， 这些水工建筑物的综合体称为水利枢纽水利枢纽蓄水枢纽取水枢纽按 主 要 功 能水利枢纽发电枢纽灌溉枢纽综合利用水利枢纽按 主 要 服 务 部 门水利枢纽蓄水枢纽取水枢纽按 拦 河 建 筑 材 料水利枢纽高水头水利枢纽中水头水利枢纽低水头水利枢纽按 水 头 大 小二、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

15、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。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

16、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、