水利工程基础知识

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1、 水利工程基本知识水利工程基本知识水利工程基本知识水利工程基本知识 全球总量约15亿km3，可利用的淡水总量约0.38亿km3，仅占全球总量的2.5%，其中约有0.3亿km3的淡水储藏在极地和冰山冰川之中；另外相当大的部分埋藏于地下。 对人类起着重要作用的江河湖泊地表水资源，其水量的总和约为47万亿m3。 第一节第一节 水资源与水利工程水资源与水利工程 我国年平均径流量2.7万亿m3，径流总量居世界第6位，人均则为世界平均水平的1/4，排名在110位之后。 影响水循环的因素 1、气象因素：风向 风速 温度 湿度 2、下垫面因素：地形 地质 土壤 植被 3、人类活动：水利措施特点：特点：时空分布

2、不均匀性时空分布不均匀性 水利工程水利工程水利工程水利工程: : : : 所所所所谓谓谓谓水水水水利利利利工工工工程程程程，是是是是指指指指对对对对自自自自然然然然界界界界的的的的地地地地表表表表水水水水和和和和地地地地下下下下水水水水进进进进行行行行控控控控制制制制和和和和调调调调配配配配，以以以以达达达达到到到到除除除除害兴利害兴利害兴利害兴利目的而修建的工程。目的而修建的工程。目的而修建的工程。目的而修建的工程。 1 1 1 1、工程量大、工程量大、工程量大、工程量大 2 2 2 2、投资多、投资多、投资多、投资多 3 3 3 3、工期长、工期长、工期长、工期长 4 4 4 4、工作条件

3、的复杂性、工作条件的复杂性、工作条件的复杂性、工作条件的复杂性 5 5 5 5、受自然条件制约，施工难度大、受自然条件制约，施工难度大、受自然条件制约，施工难度大、受自然条件制约，施工难度大 6 6 6 6、工程效益大对环境影响大、工程效益大对环境影响大、工程效益大对环境影响大、工程效益大对环境影响大 7 7 7 7、失事后果严重、失事后果严重、失事后果严重、失事后果严重水利工程的特点水利工程的特点水利工程分类水利工程分类水利工程分类水利工程分类防洪工程防洪工程防洪工程防洪工程农田水利工程农田水利工程农田水利工程农田水利工程水力发电工程水力发电工程水力发电工程水力发电工程供水与排水工程供水与排

4、水工程供水与排水工程供水与排水工程航道及港口工程航道及港口工程航道及港口工程航道及港口工程环境水利工程环境水利工程环境水利工程环境水利工程第二节第二节第二节第二节 水利枢纽与水工建筑物水利枢纽与水工建筑物水利枢纽与水工建筑物水利枢纽与水工建筑物 ( ( ( (一一一一) ) ) ) 水利枢纽水利枢纽水利枢纽水利枢纽为了达到防洪、获得发电、灌溉、供水为了达到防洪、获得发电、灌溉、供水等方面的效益，需要在河流的适宜地段等方面的效益，需要在河流的适宜地段修建不同类型的建筑物，用来控制和分修建不同类型的建筑物，用来控制和分配水流。这些建筑物统称为水工建筑物。配水流。这些建筑物统称为水工建筑物。而由不同

5、类型的水工建筑物组成综合体，而由不同类型的水工建筑物组成综合体，称为水利枢纽。称为水利枢纽。水利枢纽分类水利枢纽分类 水水利利枢枢纽纽按按其其所所在在地地区区的的地地貌貌形形态态可可分分为为：平平原原地地区区水水利利枢枢纽纽和和山山区区( (包包括括丘丘陵陵地地区区) )水利枢纽。水利枢纽。 也也可可按按承承受受水水头头大大小小，分分为为：高高、中中、低低水水头头水水利利枢枢纽。纽。 按按水水利利枢枢纽纽的的作作用用，可可分分为：蓄水枢纽、取水枢纽等。为：蓄水枢纽、取水枢纽等。溢流重力坝溢流重力坝 水电站水电站升船机升船机土石坝土石坝重力坝重力坝丹江口水利枢纽丹江口水利枢纽图1-2 四川省都江

6、堰工程布置示意图内江内江外江外江鱼嘴鱼嘴宝瓶口宝瓶口金钢堤金钢堤都江堰工程都江堰工程布置示意图布置示意图 ( (二二二二) )水工建筑物的分类水工建筑物的分类水工建筑物的分类水工建筑物的分类 (1)挡水建筑物挡水建筑物用以拦截江河，形成水库或壅高水位。用以拦截江河，形成水库或壅高水位。如各种材料和类型的如各种材料和类型的坝坝和和水闸水闸，以及为防，以及为防御洪水或阻挡海潮，沿江河海岸修建的御洪水或阻挡海潮，沿江河海岸修建的堤防堤防及及海塘等。海塘等。三峡水利枢纽三峡水利枢纽(2)泄水建筑物泄水建筑物用以宣泄多余水量，排放泥沙和用以宣泄多余水量，排放泥沙和冰凌，或为人防、检修而放空水冰凌，或为人

7、防、检修而放空水库等，以保证坝和其他建筑物的库等，以保证坝和其他建筑物的安全。安全。小浪底泄水小浪底泄水(3)(3)输输输输水建筑物水建筑物水建筑物水建筑物为为灌灌溉溉、发发电电和和供供水水的的需需要要，从从上上游游向向下下游游输输水水用用的的建建筑筑物物，如如引引水水隧隧洞洞、引引水水涵涵管管、渠渠道道、渡渡槽槽、倒倒虹虹吸等。吸等。 拱式渡槽拱式渡槽(4)取取(引引)水建筑物水建筑物 是输水建筑物的首部建筑，是输水建筑物的首部建筑，如引水隧洞的进口段、灌溉渠首如引水隧洞的进口段、灌溉渠首和供水用的进水闸、扬水站等。和供水用的进水闸、扬水站等。 (5)整治建筑物整治建筑物用用以以改改善善河河

8、流流的的水水流流条条件件，调调整整水水流流对对河河床床及及河河岸岸的的作作用用，以以及及为为防防护护水水库库、湖湖泊泊中中的的波波浪浪和和水水流对岸坡的冲刷。流对岸坡的冲刷。(6)专门专门建筑物建筑物 为为灌灌溉溉、发发电电、过过坝坝需需要要而兴建的建筑物。而兴建的建筑物。 如如专专为为发发电电用用的的压压力力前前池池、调压室、电站厂房等。调压室、电站厂房等。 第三节第三节 水利枢纽分等水利枢纽分等和水工建筑物分级和水工建筑物分级 首首先先按按水水利利枢枢纽纽工工程程的的规规模模、效效益益及及其其在在国国民民经经济济中中的的作作用用进进行行分分等等，分分五五等等，然然后后再再对对各各组组成成建

9、建筑筑物物按按其其所所属属枢枢纽纽的的等等别别、建建筑筑物物在在枢枢纽纽中中所所起起的的作作用用和和重重要性进行分级，分五级。要性进行分级，分五级。第二章第二章第二章第二章 土石坝土石坝土石坝土石坝第一节第一节第一节第一节 概述概述概述概述 土石坝的特点与类型土石坝的特点与类型土石坝的特点与类型土石坝的特点与类型 小浪底土石坝枢纽坝址小浪底坝体剖面图密云水库 土石坝的优点土石坝的优点土石坝的优点土石坝的优点筑坝材料可以就地取材。筑坝材料可以就地取材。筑坝材料可以就地取材。筑坝材料可以就地取材。能适应各种不同的地形、能适应各种不同的地形、能适应各种不同的地形、能适应各种不同的地形、地质和气候条件

10、。地质和气候条件。地质和气候条件。地质和气候条件。适应大型机械化。适应大型机械化。适应大型机械化。适应大型机械化。构造简单，运用管理方便。构造简单，运用管理方便。构造简单，运用管理方便。构造简单，运用管理方便。土石坝的缺点：土石坝的缺点：土石坝的缺点：土石坝的缺点： 坝顶不能溢流。坝顶不能溢流。坝顶不能溢流。坝顶不能溢流。施工导流不方便。施工导流不方便。施工导流不方便。施工导流不方便。坝体填筑工程量大。坝体填筑工程量大。坝体填筑工程量大。坝体填筑工程量大。一、土石坝设计的基本要求一、土石坝设计的基本要求一、土石坝设计的基本要求一、土石坝设计的基本要求（1 1）具有足够的断面维持坝体的稳定）具有

11、足够的断面维持坝体的稳定（2 2）设置良好的防渗和排水设施控制渗流）设置良好的防渗和排水设施控制渗流（3 3）设计合理）设计合理（4 4）泄洪建筑物具有足够的泄洪能力）泄洪建筑物具有足够的泄洪能力（5 5）采取适当的构造措施）采取适当的构造措施土石坝的工作条件土石坝的工作条件土石坝的工作条件土石坝的工作条件 渗流影响渗流影响渗流影响渗流影响 冲刷影响冲刷影响冲刷影响冲刷影响 沉陷影响沉陷影响沉陷影响沉陷影响 其他影响其他影响其他影响其他影响二、土石坝的类型二、土石坝的类型二、土石坝的类型二、土石坝的类型 按坝体高度可分为：高按坝体高度可分为：高按坝体高度可分为：高按坝体高度可分为：高坝、中坝、

12、低坝。坝、中坝、低坝。坝、中坝、低坝。坝、中坝、低坝。 按施工方法可分为：碾按施工方法可分为：碾按施工方法可分为：碾按施工方法可分为：碾压式土石坝，冲填式土石坝，压式土石坝，冲填式土石坝，压式土石坝，冲填式土石坝，压式土石坝，冲填式土石坝，水中填土坝和定向爆破堆石水中填土坝和定向爆破堆石水中填土坝和定向爆破堆石水中填土坝和定向爆破堆石坝等。坝等。坝等。坝等。 均质坝均质坝土质心墙坝土质心墙坝土质斜墙坝土质斜墙坝按土料在坝身内的配置和防渗体按土料在坝身内的配置和防渗体所用的材料又可分为：所用的材料又可分为： 土质斜心墙坝土质斜心墙坝多种土质坝多种土质坝人工材料心墙坝人工材料心墙坝人工材料斜墙坝人

13、工材料斜墙坝堆石体堆石体（1 1）垫层区）垫层区 （2 2）过渡区）过渡区 （3 3）主堆石区）主堆石区 （4 4）下游堆石区）下游堆石区 图图 面板堆石坝主要分区示意图面板堆石坝主要分区示意图1(1A)-上游铺盖区；2(1B)-盖重区；3(2A)-垫层区；4(2B)-特殊垫层区；5(3A)-过渡区；6(3B)-主堆石区；7(3C)-下游堆石区；8(3D)-下游护坡；9-可变动的主堆石区与下游堆石区与下游堆石区界面，角度依坝料特性及坝高而定；10(3E)-抛石区（或滤水坝趾区）；11(F)-混凝土面板第二节第二节第二节第二节 土石坝的基本剖面土石坝的基本剖面土石坝的基本剖面土石坝的基本剖面 土

14、石坝的坝体剖面由坝体、土石坝的坝体剖面由坝体、土石坝的坝体剖面由坝体、土石坝的坝体剖面由坝体、防渗体、排水体、护坡四部防渗体、排水体、护坡四部防渗体、排水体、护坡四部防渗体、排水体、护坡四部分组成。分组成。分组成。分组成。 坝身坝身主要用来保持坝体的稳定。主要用来保持坝体的稳定。 防渗体防渗体的作用控制渗流。的作用控制渗流。 排水体排水体的作用是引导渗流。的作用是引导渗流。 上游护坡上游护坡为了防止风浪淘刷。为了防止风浪淘刷。 排水设备排水设备 ( (常见的排水型式常见的排水型式) )棱体排水棱体排水贴坡排水贴坡排水褥垫排水褥垫排水综合式排水综合式排水第三章第三章岩基上的重力坝岩基上的重力坝

15、一、重力坝的工作原理及特点一、重力坝的工作原理及特点重力坝的工作原理重力坝的工作原理: : 主主要要依依靠靠坝坝体体自自身身重重量量在在滑滑动动面面上上产产生生的的抗抗滑滑力力来来抵抵消消坝坝前前水水压压力力以以满足稳定的要求大坝。满足稳定的要求大坝。重力坝的工作特点重力坝的工作特点: : 优点和缺点优点和缺点优点：优点：(1)结构作用明确，设计方法简便，结构作用明确，设计方法简便，安全可靠。安全可靠。 重力坝沿坝轴线用横缝分成若干坝段，各坝段独立工作 ，结构作用明确，稳定和应力计算都比较简单。(2)对地形、地质条件适应性强。对地形、地质条件适应性强。 任何形状的河谷都可以修建重力坝。因为坝体

16、作用于地基面上的压应力不高，甚至在土基上也可以修建高度不大的重力坝。(3)枢纽泄洪问题容易解决。枢纽泄洪问题容易解决。重力坝可以做成溢流的，也可以在坝身不同高度设置世水孔，一般不需另设溢洪道或世水隧洞，枢纽布置紧凄。(4)便于施工导流。便于施工导流。 在施工期可以利用坝体导流，一般不需要另设导流隧洞。(5)施工方便。施工方便。大体积混凝土可以采用机械化施工，在放样、立模和1昆凝土浇筑方面都比较简单，井且补强、修复、维护或扩建也比较方便。缺点缺点:(1)坝体剖面尺寸大，材料用量多。(2) 坝体应力较低，材料强度不能充分发挥。(3) 坝体与地基接触面积大，相应坝底扬压力大，对稳定不利。(4) 坝体

17、体积大，由于施工期混凝土的水化热和硬化收缩，将产生不利的温度应力和收缩应力，因此，在提筑混凝士时，需要有较严格的温度控制措施。重力坝的类型重力坝的类型 按按坝坝的的高高度度分分类类为为：高高坝坝、中中坝坝、低坝三类。低坝三类。 按按筑筑坝坝材材料料分分类类可可分分为为：混混凝凝土土重力坝和浆砌石重力坝。重力坝和浆砌石重力坝。 按按坝坝体体的的结结构构型型式式分分类类可可分分为为：实实体体重重力力坝坝、宽宽缝缝重重力力坝坝、空空腹腹重重力力坝坝 。朱庄浆砌石重力坝朱庄浆砌石重力坝宽缝重力坝宽缝重力坝工程量比实体重力坝要省工程量比实体重力坝要省10%10%20%20%潘家口宽缝重力坝潘家口宽缝重力

18、坝广东枫树坝空腹重力坝广东枫树坝空腹重力坝佛佛子子岭岭连连拱拱坝坝梅山连拱坝梅山连拱坝佛佛子子岭岭连连拱拱坝坝湖南镇梯形支墩坝湖南镇梯形支墩坝宽缝重力坝宽缝重力坝二二二二 泄水重力坝泄水重力坝泄水重力坝泄水重力坝溢流坝的工作特点溢流坝的工作特点 溢流坝既是挡水建筑物溢流坝既是挡水建筑物又是泄水建筑物，除应满足又是泄水建筑物，除应满足稳定和强度要求外，还需要稳定和强度要求外，还需要满足泄水的要求满足泄水的要求。(1)(1)坝顶溢流式坝顶溢流式(2)大孔口溢流式大孔口溢流式三峡工程三峡工程三三 闸门与类型闸门与类型水工闸门按其功用可水工闸门按其功用可分为工作闸门、事故闸门分为工作闸门、事故闸门和检

19、修闸门。和检修闸门。四四 消能工的形式消能工的形式4.4.4.4.消力戽消能消力戽消能消力戽消能消力戽消能2.2.2.2.底流式消能底流式消能底流式消能底流式消能3.3.3.3.面流消能面流消能面流消能面流消能5.5.联合消能联合消能1.1.挑流消能挑流消能图片名称：猫跳河红岩水电站图片名称：猫跳河红岩水电站电站地点：贵州修文电站地点：贵州修文所在河流：猫跳河所在河流：猫跳河所在水系：长江水系所在水系：长江水系主要坝型：双曲拱坝主要坝型：双曲拱坝坝顶高程：坝顶高程：890890米米最大坝高：最大坝高：6060米米猫跳河红岩水电站猫跳河红岩水电站二滩双曲拱坝二滩双曲拱坝图片名称：二滩水电站图片名

20、称：二滩水电站 电站地点：四川省攀枝花市电站地点：四川省攀枝花市所在河流：雅砻江所在河流：雅砻江所在水系：长江水系所在水系：长江水系主要坝型：混凝土拱坝主要坝型：混凝土拱坝坝高：坝高：240 240 米米石石门门拱拱坝坝图片名称：石门水库图片名称：石门水库电站地点：陕西汉中电站地点：陕西汉中所在河流：褒河所在河流：褒河所在水系：黄河水系所在水系：黄河水系主要坝型：混凝土拱坝主要坝型：混凝土拱坝坝顶高程：坝顶高程：620.0620.0米米最大坝高：最大坝高：8888米米图片名称：佛子岭水电站图片名称：佛子岭水电站 大坝全景大坝全景电站地点：安徽霍山电站地点：安徽霍山所在河流：淠河所在河流：淠河所

21、在水系：淮河水系所在水系：淮河水系主要坝型：连拱坝主要坝型：连拱坝坝顶高程：坝顶高程：128.46128.46米米最大坝高：最大坝高：75.975.9米米 第四章第四章第四章第四章 拱拱拱拱 坝坝坝坝一、拱坝的特点一、拱坝的特点一、拱坝的特点一、拱坝的特点拱坝的结构拱坝的结构拱坝的结构拱坝的结构拱坝是固接在基岩上拱坝是固接在基岩上拱坝是固接在基岩上拱坝是固接在基岩上的空间壳体结构（高次超的空间壳体结构（高次超的空间壳体结构（高次超的空间壳体结构（高次超静定结构）静定结构）静定结构）静定结构） 拱坝的受力拱坝的受力拱坝的受力拱坝的受力拱坝所承受的水平荷拱坝所承受的水平荷拱坝所承受的水平荷拱坝所承

22、受的水平荷载一部分通过拱的作用压载一部分通过拱的作用压载一部分通过拱的作用压载一部分通过拱的作用压向两岸岩体，另一部分通向两岸岩体，另一部分通向两岸岩体，另一部分通向两岸岩体，另一部分通过竖直梁的作用传到坝底过竖直梁的作用传到坝底过竖直梁的作用传到坝底过竖直梁的作用传到坝底基岩。基岩。基岩。基岩。 拱坝的稳定拱坝的稳定坝体的稳定主要依靠坝体的稳定主要依靠两岸拱端的反力作用，并不两岸拱端的反力作用，并不全靠坝体自重来维持。全靠坝体自重来维持。1 1 1 1、用拱结构特点，充分利用、用拱结构特点，充分利用、用拱结构特点，充分利用、用拱结构特点，充分利用 材料强度。材料强度。材料强度。材料强度。2

23、2 2 2、稳定依靠两岸拱端的反力、稳定依靠两岸拱端的反力、稳定依靠两岸拱端的反力、稳定依靠两岸拱端的反力来维持。来维持。来维持。来维持。3 3 3 3、超载能力强，安全度高。、超载能力强，安全度高。、超载能力强，安全度高。、超载能力强，安全度高。 4 4 4 4、抗震性能好。、抗震性能好。、抗震性能好。、抗震性能好。5 5 5 5、坝身泄流布置复杂。、坝身泄流布置复杂。、坝身泄流布置复杂。、坝身泄流布置复杂。二、拱坝坝址的地形二、拱坝坝址的地形二、拱坝坝址的地形二、拱坝坝址的地形 和地质条件和地质条件和地质条件和地质条件 用坝顶高程处的河谷用坝顶高程处的河谷用坝顶高程处的河谷用坝顶高程处的河

24、谷宽度和坝高之比（称为宽度和坝高之比（称为宽度和坝高之比（称为宽度和坝高之比（称为宽宽宽宽高比高比高比高比L/HL/HL/HL/H）来描述河谷形状。）来描述河谷形状。）来描述河谷形状。）来描述河谷形状。 用坝底最大厚度和用坝底最大厚度和用坝底最大厚度和用坝底最大厚度和坝坝坝坝高之高之高之高之比（称为厚高比比（称为厚高比比（称为厚高比比（称为厚高比T/HT/HT/HT/H）来描述拱坝的薄厚程度。来描述拱坝的薄厚程度。来描述拱坝的薄厚程度。来描述拱坝的薄厚程度。（一）地形条件（一）地形条件 宽高比宽高比宽高比宽高比 厚高比厚高比厚高比厚高比当当当当L/H1.5L/H1.5L/H1.5L/H1.5时

25、，薄拱坝；时，薄拱坝；时，薄拱坝；时，薄拱坝； T/H 0.2T/H 0.2T/H 0.2T/H 0.35T/H0.35T/H0.35T/H0.35L/H4.5L/H4.5L/H4.5L/H4.5时，不宜修建拱坝。时，不宜修建拱坝。时，不宜修建拱坝。时，不宜修建拱坝。 （二）地质条件（二）地质条件（二）地质条件（二）地质条件 基岩比较均匀，坚固完基岩比较均匀，坚固完基岩比较均匀，坚固完基岩比较均匀，坚固完整，有足够的强度，透水性整，有足够的强度，透水性整，有足够的强度，透水性整，有足够的强度，透水性小，能抵抗水的侵蚀、耐风小，能抵抗水的侵蚀、耐风小，能抵抗水的侵蚀、耐风小，能抵抗水的侵蚀、耐风

26、化、岸坡稳定、没有大断裂化、岸坡稳定、没有大断裂化、岸坡稳定、没有大断裂化、岸坡稳定、没有大断裂等。等。等。等。 三、拱坝的形式三、拱坝的形式三、拱坝的形式三、拱坝的形式 按其厚高比特征可分按其厚高比特征可分按其厚高比特征可分按其厚高比特征可分为薄拱坝、中厚拱坝、厚为薄拱坝、中厚拱坝、厚为薄拱坝、中厚拱坝、厚为薄拱坝、中厚拱坝、厚拱坝拱坝拱坝拱坝( ( ( (或称重力拱坝或称重力拱坝或称重力拱坝或称重力拱坝) ) ) )。 按其坝体形态的特征可按其坝体形态的特征可按其坝体形态的特征可按其坝体形态的特征可分为定圆心等半径拱坝分为定圆心等半径拱坝分为定圆心等半径拱坝分为定圆心等半径拱坝( ( (

27、(或或或或称单曲拱坝称单曲拱坝称单曲拱坝称单曲拱坝) ) ) )；等中心角变；等中心角变；等中心角变；等中心角变半径拱坝；变圆心变半径半径拱坝；变圆心变半径半径拱坝；变圆心变半径半径拱坝；变圆心变半径（双曲拱坝）。（双曲拱坝）。（双曲拱坝）。（双曲拱坝）。四四 拱坝的坝身泄水拱坝的坝身泄水第五章 溢洪道 一、作用一、作用宣泄水库不能容纳的多余洪水，以保大坝安全。二二、型式型式正槽式过堰水流与泄槽轴线大致平行侧槽式竖井式虹吸式 正槽溢洪道平面布置图l引水渠; 2溢流堰; 3泄槽; 4一出口消能段;5一尾水渠侧槽式溢洪道竖井式溢洪道引水渠控制段（溢流堰和两侧连接建筑物）泄槽出口消能段尾水渠2、组成

28、、组成第六章 水工隧洞一、水工隧洞的作用一、水工隧洞的作用辅助泄洪引水、输水排沙防空水库施工导流1.有压洞洞内始终处于满流有压状态；工作闸门一般设在洞出口处。2.无压流洞内始终处于明流无压状态；工作闸门一般设在洞进口段。二、分类（按水流条件分）二、分类（按水流条件分） 1.1.水流特点水流特点A.引水隧洞:洞身流速低要求:洞壁光滑，减少水头损失B.泄水隧洞:洞内流速较高，易发生空蚀破坏.要求：1)：顺直（避免弯道）2)：洞壁平稳（多采用弧型闸门）3)：材料防蚀，抗磨性能好。三、水工隧洞的工作特点三、水工隧洞的工作特点地下结构，施工条件差（受地质条件影响大，塌洞现象时有发生）环境条件差（通风、排尘、供氧）工期长（工作面小、干扰大、出渣难）工序多（开挖、支护、衬砌、灌浆等）2施工特点施工特点进口段位于隧洞进口部位，用以控制水流。包括：拦污栅，进水喇叭口，闸门室和渐变段。洞身段用以输送水流，需要衬砌。出口段用以连接消能设施。无压泄水隧洞的出口仅设有门框；压力泄水隧洞的出口要设渐变段和工作闸门室。四、水工隧洞的组成部分四、水工隧洞的组成部分有压洞一般为圆形无压洞一般为门洞形、马蹄形或蛋形五、洞身断面形式五、洞身断面形式