水工建筑学课件

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1、*1水工建筑学 第一讲 Hydraulic Structures清华大学水利水电工程系 讲 课 教 师 ： 金 峰办公室电话:010-62794242 Email：*2教材与教学参考书n水工建筑学 张楚汉，王光纶，金峰主编，清华大学出版社n水工建筑物麦家煊 主编 清华大学出版社n水工建筑物吴媚玲 编 清华大学出版社n水工建筑物祁庆和 主编 水利电力出版社n水工建筑物 张光斗、王光纶著 水利电力出版社n水工建筑物习题集 清华大学水利系nHydraulic StructuresNovak, Moffat & Nalluri, Spon Press*3本课程的要求n上课：不迟到，关手机，鼓励提问n作

2、业：按时完成，不得抄袭，被发现抄 袭作业者作业成绩记0分(零容忍)。n考试：闭卷n成绩：考试60作业20课堂10 小论文10*4课程目的n介绍水工建筑物的知识： 重力坝、拱坝、土坝、溢洪道、隧洞、水闸 、闸门、边坡n培养工程师的基本修养n思考问题的方式：全面，实际n注重社会、经济的影响n加强对可持续发展的重视n适应不断变化的能力*5课程特点n专业课：知识点多，重视实际应用能力n工程课：理论联系实际n综合运用知识：基础课、专业基础课、其他 专业课*6教学大纲n第一章 绪论Introduction:金峰 3学时n第二章 重力坝Gravity Dam:周元德 12学时n第三章 拱坝Arch Dam:

3、金峰 6学时n第四章 土石坝Embankment Dam:刘耀儒 9学时n第五章 河岸溢洪道Chute Spillway:刘耀儒 3学时n第六章 水工隧洞Tunnel :周元德 3学时n第七章 土基上的水闸Sluice on Soil:刘耀儒 3学时n第八章 边坡Slope:周元德 3学时n专题:金峰 3学时*7第一章 绪论 Chapter 1 Introductionn1 水利工程的历史n2 水资源概况与当前的水利水电建设n3 水工建筑物的分类分级与基本要求n4 水工建筑物的设计*81 水利工程的历史n防洪n灌溉n航运n城市供水和排水n水力发电*9水利工程的历史防洪n约BC3400：古埃及尼

4、罗河左岸大堤n约BC2000：中亚美索不达米亚地区堤防n约BC2000：大禹治水（传说）n战国时期BC475BC221：堤防系统*10水利工程的历史灌溉nBC4000：古埃及用尼罗河灌溉nBC2900：尼罗河流域开始灌溉系统nBC2500：古印度开始灌溉nBC1000：秘鲁开始有灌溉系统 文字记载：n战国时期：郑国渠、白渠：60万亩n战国时期BC256：历时14年，都江堰工程，100 多万亩到现在超过1000万亩n西汉时期：引黄灌区，100多万亩郑国渠*11都江堰鱼嘴飞沙堰宝瓶口鱼嘴鱼嘴宝瓶口*12水利工程的历史航运nBC486 邗沟nBC361 鸿沟nBC216 灵渠nAD67 莱茵河默兹河

5、n隋朝 京杭大运河n现代n基尔运河：英吉利海峡波罗地海n苏伊士运河：地中海红海n巴拿马运河：大西洋太平洋灵渠京杭 大运河*13水利工程的历史城市供水nBC2900 古埃及孟菲斯城nBC2500BC1700 古印度两座城市nBC700 耶路撒冷输水隧洞nBC312AD226 古罗马n我国古代的长安(八水饶长安)，洛阳，北 京，开封(清明上河图)、杭州、南京等*14古罗马的Pont Du Gardn桥与渡槽n渡槽有衬砌(熟石灰与火山渣混合的水泥)*15水利工程的历史水力发电n1878年，法国建成世界第一座水电站n1882年，美国第一座水电站建于美国威斯康辛 州阿普尔顿的福克斯河上，由一台水车带动两

6、 台直流发电机组成，装机容量25kW。n1885年，欧洲第一座商业性水电站是意大利的 特沃意水电站建成，装机容量65KW。n1895年，尼亚加拉瀑布处建造了一座大型水轮 机驱动的3750kW水电站。 *16中国第一座水电站 石龙坝水电站n1912年，昆明石龙坝：德国西门子发电机，2台共480 千瓦，耀龙电灯股份有限公司，25万银元n1923年，2台240千瓦发电机组，于1926年投产发电， 不久，又增加一台448千瓦机组。1931年，公司又向德 国西门子公司再次购得一台720千瓦机组，替换了那两 台240千瓦机组，解放前夕，总装机容量达2920千瓦。n1950年8月扩建四机房，同年向瑞士购买3

7、000千瓦发电 机组一台，于1954年12月31日投产发电。1957年又添 置一台3000千瓦国产机组，1958年6月30日投产发电。 石龙坝电站装机容量曾扩大到7040千瓦。 *17中国古代著名坝工n芍陂：BC598591，草、土坝n都江堰：BC276251，竹笼、干砌卵石n天平坝：BC219，砌石坝n马仁陂：BC34，16m高土坝*18世界八大水电站 国家名称装机(万千瓦 )年发电量(亿度 ) 中国三峡1820846.8 巴西/巴 拉圭伊泰普1260750美国大古力1083203 委内瑞拉古里1030510 巴西图库鲁伊800324 加拿大 拉格兰德二级732.6358 俄罗斯萨扬舒申斯克

8、640237 俄罗斯克拉斯诺雅斯克600204*192 水资源概况 与当前的水利水电建设n全球水量：1.3861019m3n淡水资源约：411万亿m3n可以利用的水资源：50万亿m3n我国约2.8万亿m3 ：水资源短缺n我国北方水少：空间分布不均n我国洪涝干旱灾害严重：时间分布不均n我国水体污染严重：*20全国水资源分区图*21多年平均降水量图*22我国的河流 概况长江年平均径流量：9800 亿 m3 长江流域已建坝：4万多座 总库容：1500亿 m3 已建电站装机容量：2500万千瓦*23我国的河流 概况黄河年平均径流量：580 亿 m3 黄河流域已建坝：3000多座 总库容：500亿 m3

9、 已建电站装机容量：949.6万千瓦*24洪灾与旱灾严重*25中国水资源污染状况 全国主要城镇污染分布图*26中国水电基地分布*27西电东送与高坝建设*28南水北调*29东线工程最大可调水量 145亿m3供水范围：天津，安徽，山东，河北等沿线工业发达 ，污染严重*30中线工程最大可调水量 145亿m3供水范围：北京,天津,河北,河南,山西交叉水工建筑物多可调水量减少*31西线工程最大可调水量 200亿m3供水范围:青海,甘肃,宁夏,陕西内蒙古,山西*32中国的高坝建设的实例n小浪底高心墙土石坝n三峡混凝土重力坝n二滩、溪洛渡、小湾混凝土拱坝n石门子碾压混凝土拱坝n龙滩碾压混凝土重力坝n天生桥、

10、水布垭混凝土面板堆石坝*33小浪底 高心墙土石坝已建坝高大于100m的心 墙堆石坝: 4座 石头河、碧口、鲁布革、 小浪底*34混凝土重力坝：三峡工程世界上最大的实体重力坝：三峡大坝高： 181m长：2335m砼：2715万m3*35混凝土拱坝：二滩拱坝98年底，已建成的30m以上的拱坝521座 100m以上的拱坝10座 其中，二滩拱坝坝高240m*36混凝土拱坝：溪洛渡(在建)坝高：278m*37混凝土拱坝：小湾(在建)坝高：292m*38碾压混凝土坝部分已建超过100m的碾压混凝土坝： 广西岩滩 湖南江垭 新疆石门子 在建： 云南大朝山、云南棉花滩、四川沙牌溪柄拱坝石门子拱坝*39碾压混凝

11、土坝：龙滩电站红水河龙滩一期工程坝高：192m，世界最高*40混凝土面板堆石坝:天生桥一级天生桥一级 178m已建最高面板堆石坝*41混凝土面板堆石坝:水布垭在建，坝高232m，世界最高*423 水工建筑物的 分类分级与基本要求n水工建筑物的特点n水工建筑物的分类n水工建筑物的分级n水工建筑物的基本要求*43水工建筑物的特点n工作条件复杂性：由于水的作用造成：静水压 、扬水压、渗水作用、泄水冲刷等。n设计选型独特性：按当地地形、地质条件设计 ，因此找不到两个完全相同的坝。n施工建造的艰巨性：除自然环境条件外，尚有 水的作用，要解决导流问题，施工进度与洪水 “赛跑”问题。n失事后果的严重性：失事

12、后，水头急泄、人民 财产损坏严重。 *44水工建筑物的分类n功能分类n建筑材料的分类n构造特点的分类*45水工建筑物的功能分类n挡水建筑物：坝、闸、堤n泄水建筑物：溢洪道、溢洪洞n输水建筑物：引水隧洞、渠道、涵洞n取水建筑物：进水闸、扬水站n整治建筑物：丁坝、顺坝、导流堤n专门建筑物：电站、船闸、升船机仅供参考，并无标准答案！*46按建筑材料分类n混凝土结构n钢筋混凝土结构n土石结构n浆砌石结构n木结构n钢结构*47按构造特点分类n坝：n重力坝n拱坝n支墩坝n大头坝n连拱坝n土石坝*48水利枢纽n为了综合运用水利资源，达到防洪、灌 溉、发电、给水、航运等目的，需要修 建几种不同类型的水工建筑物

13、，例如， 挡水、泄水、输水或其他专门的水工建 筑物，以控制和支配水流，满足国民经 济的需要，这些建筑物称为水工建筑物 ，水工建筑物的综合体叫做水利枢纽*49水利枢纽工程的分等n水利水电枢纽工程等级划分及设计标准 （山区、丘陵区部分）SDJ12-78强制标准*50水利水电工程等级划分 及洪水标准SL252-2000强制标准工程 等别工程 规模总库 容 (108m 3)防洪治涝灌溉供水发电重要 性农田 (104 亩)面积 (104 亩)面积 (104 亩)重要 性装机 (104k W) I大(1) 型10特别 重要500200150特别 重要120大(2) 型10 1.0重要500 100200

14、60150 50重要120 30 中型1.0 0.10中等100 3060 15505中等305IV小(1) 型0.10 0.01一般30515350.5一般51V小(2) 型0.01 0.001530.51*51水工建筑物的分级n建筑物的级别决定于工程的级别n永久建筑物：指枢纽工程运行期间使用的建筑物n主要建筑物：系指失事后将造成下游灾害或严重影响工程效 益的建筑物n次要建筑物：指失事后不致造成下游灾害或工程效益影响不 大并易于修复的建筑物n临时性建筑物：指枢纽工程施工期间所使用的建筑物强制标准*52重要水工建筑物的要求n抗御洪水标准n强度、稳定性要求n建筑材料的耐久性n运行可靠性n意外情况

15、的考虑n分级：安全度定性：现代定量方法*53水利工程对环境的影响n社会环境n淹没土地：移民n航运、渔业、农业、自来水n自然环境n径流变化、地下水位n泥沙淤积与冲刷n库岸和河岸崩塌、促发地震n气候n水质n生物和生态*544 水工建筑物的设计n设计阶段的划分n设计方法*55水利工程规划设计阶段n流域规划n项目建议书/预可行性研究n可行性研究/初步设计n招标设计n施工详图设计*56设计方法n传统的安全系数法n基于可靠度的设计方法n设计需要考虑足够的 安全储备n传统的设计方法设置 安全系数进行设计 例如允许应力： 钢 混凝土抗拉*57可靠度的概念n考虑结构的尺寸、材料特性、荷载特性等 都是符合一定概率

16、分布的变量n根据结构的极限状态，计算结构失效概率n确定结构的可靠度，以满足要求的可靠度n全面实施有很多困难：分项系数法*58极限状态n当整个结构(含基础)或者结构的一部分超 过某一特定状态，结构就不能满足设计 规定的某种功能要求，则这一特定状态 就是该功能要求的极限状态n水工结构设计极限状态n承载能力极限状态n正常使用极限状态*59承载能力极限状态n结构失去刚体平衡或者成为机动体系n结构的强度破坏或者塑性变形过大，使 得结构不适于继续承载n结构丧失弹性稳定n结构的基础或围岩失稳*60正常使用极限状态n影响结构正常使用或外观的变形n产生对运行人员、设备等有不良影响的 振动n影响结构外形、耐久性或抗渗能力等的 局部损坏等*61功能函数*62极限状态分项系数结构重要性系数设计状况系数荷载分项系数荷载标准值结构尺寸标