水利工程概论

水利工程概论任课老师：曹妙聪教学层次：专升本课程性质及要求本课程重点讲述水利工程的基本特点、作用、类型、构造和布置方式，并尽量反映水利工程设计、施工与管理等方面的新技术、新材料、新方法的应用新进展和最新的水利工程建设成就。平时作业3次，综合测试2次，考试形式，方式为开卷。从考试内容的分布看，涵盖水利工程概论的所有章节。当然有些章节的分数多一些，有些章节的分数少一些，学习中应有所侧重。第一章绪论•学习目标：1.了解水资源含义和特点2.熟悉我国水资源的分布及变化特征3.理解水利工程建设的意义4.认识我国水利建设的成就并树立现代化水利建设的概念1.1.1水资源含义•广义：自然界所有以气态、固态和液态等各种形式存在的天然水•狭义：当前可被利用或可能被利用，且有一定的数量和可用质量，并某一地区能够长期满足某种用途的并可循环再生的水1.1.2水资源的特性•（1）循环性•（2）有限性•（3）分布的不均匀性•（4）水的利、害双重性•（5)利用的多样性•（6）不可替代性1.1.3我国水资源的特点•1.水资源相对缺乏•2.水资源时空分布不均•3.水资源的分布与耕地人口的布局严重失调•4.水质污染和水土流失严重1.2我国水利工程概况•对河流的天然径流进行控制和调节，合理利用和调配水资源，为防止洪水泛滥成灾，扩大灌溉面积，充分利用水能发电而采用的各种工程，成为水利工程。•水利事业的首要任务是消除水、旱灾害，保障人们的生命财产安全；第二是利用河水灌溉，增加粮食产量；第三是利用水利发电、城镇供水、交通航运、旅游、生态恢复和环境保护。1.2.1防治洪水•1.2.1.1工程措施（1）拦蓄洪水控制泄量（2）疏通河道，提高行洪能力1.2.1.2非工程措施（1）蓄滞洪区分洪减流（2）加强水土保持，减少洪峰流量和泥沙淤积。（3）建立洪水预报、报警系统和洪水保险制度。1.2.1灌溉工程•农田水利的任务（1）通过修建水库、泵站和渠道等工程措施提高农业生产用水保障。（2）利用各种节水灌溉方法，按作物的需求规律输送和分配水量。其他水利事业任务•1.2.3水力发电•1.2.4水土保持工程•1.2.5给排水工程•1.2.6水资源保护工程•1.2.7水生态及旅游1.3现代水利进程•1.3.1新中国成立后的水利成就（1）河道治理例如：黄河、淮河、海河（2）水库建设例如：已建水库8.6万多座（3）水利发电（4）农田灌溉灌溉面积由2.4万亩增加到7亿多亩（5）河道疏通提高航运能力（6）调水工程例如：引滦入津、引黄济青、引碧入连1.3.2现代水利发展问题•1.我国大江大河的防洪问题还没有根本解决，提防和城市防洪标准还比较低。•2.我国农业生产仍很大程度上受制于自然地理和气候条件，抗自然灾害能力低。•3.水污染问题严重•4.水土流失严重，水生态失衡。•5.水资源利用率低下1.3.3现代水利工程发展理念•实现工程水利向资源水利转变•资源水利就是从宏观上、战略上实现工程水利向资源水利转变，是从水资源开发、利用、治理、配置、节约和保护等六个方面系统分析综合考虑，实现水资源的可持续利用。1.3.4现代水利工程经验•1.大水库、大水电站和高坝工程增多•2.新坝型、新材料的研究不断有成果出现。如：碾压混凝土筑坝技术的出现•3.对高速水流的研究，在体型设计、掺气减蚀方面技术日益成熟•4.地基处理和加固技术快速发展•5.高速度、大容量计算机的发展•6.大型试验设备和现场量测设备的发展第二章工程水利基础知识学习目标：1.学习水力学知识，掌握液体的特征和主要物理性质，水在运动、静止时的基本规律。2.学习工程水文学知识，了解水文循环的过程，河川、流域的概念，熟悉降水与河川径流的形成过程，掌握径流的特征值及洪峰频率的概念。3.学习工程地质基础知识，了解岩石及其工程地质性质，理解地质构造、岩石的风化、地下水、岩溶的基本规律，掌握水利水电的基本地质问题。2.1水利学基础•2.1.1水力学的应用（1）水的作用力问题如：水工建筑物承受的静水压力或动水压力，以及建筑物中的渗透水压力（2）建筑物的过水能力（3）水流流态问题（4）水流能量损失问题水流的流动性和黏滞性，以及水流流态的改变和水流能量的转变都将使水流的能量减少。2.1.2液体的特征与主要物理性质•2.1.2.1液体的特征：液体有一定的体积、无一定的形状，具有流动性，难被压缩。•2.1.2.2液体的主要物理性质（1）质量和密度单位体积内液体所具有的质量称为密度。（2）重量和容重单位体积内液体所具有的重量称为液体的容重。2.1.2.3静水压强及特征（1）静水压力水在静止状态时的压力叫静水压力。作用在整个受压面积上的压力，叫静水总压力，用P表示，，单位为N或KN.2.1.2液体的特征与主要物理性质•2.1.3.1静水压强。水压力常用单位面积上所承受的静水总压力的大小，叫静水压强。用p表示。静水压强的特性：（1）静水内部任一各点方向的压强大小相等。（2）静水压强的方向垂直并指向受压面。p=rh2.2水文学基础2.2.1水文循环水分的运动形式大致分三种（1）从海洋表面蒸发的水汽，随大气运动到大陆上空后，在一定的条件下，水汽凝结并以降水形式降落地面，其中有的雨水渗入地下，有的则沿江河流入大海，还有一部分雨水由于蒸发重返大气。（2）从海洋上蒸发的水汽，又在海洋上空成云至雨，以降水形式降落在海洋上。（3）陆地表面上蒸发的水汽，又在其上空冷凝成雨，降落到地面。水文循环的形成和途径，受着多种因素的影响，其变化错综复杂，我过主要受冷暖两种气团的影响。2.2.2河流与流域的基本概念•（1）河流河流是接纳地面径流和地下径流的天然泄水通道。江、河、溪、沟等大小不等的水道统称河流。•（2）河系由干流和其支流组成的水流系统统称为河系，又称水系或河网。水系常用干流的名称来命名，如长江水系、黄河水系。•（3）流域在一个水系的河流中，汇集了全部地面集水和地下集水的区域，称为该河流的流域。水系和流域是降水形成河川径流后输送到出口断面的通道和场所。2.2.3降水•（1）降水的成因空气的垂直运动和空气中的水汽超过饱和水汽含量是产生降雨的基本条件。•（2）降雨的四种类型锋面雨：由于冷暖两种气团的移动，使得暖气团向上移动，发生动力冷却而致雨，分为暖锋雨和冷锋雨。地形雨：指暖湿气流在运动过程中，遇到山脉、高原的阻挡，而被迫做上升运动，由于动力冷却而成云致雨。迎风坡降雨，历时短，雨区小。对流雨：在盛夏季节，局部地区被暖湿气团笼罩，地面受热、气体膨胀而上升，引起强烈的上、下对流，产生降雨。其范围小、强度大，历时短。台风雨：热带海洋面上形成的气旋即台风，其中心气压很低，气流的流动极为强烈，台风使高温、高湿气流急剧上升产生暴雨，称为台风雨。常造成特大洪水，对水利工程威胁很大。2.2.3降水（3）降雨的特征值降雨历时t：一次降雨所持续的总时间，叫降雨历时，它也可以指某一固定时段，如1min、1h、1d。降雨量H：可以是一次降雨总历时的降雨量，也可以是某一固定时段的降雨量。常用mm表示。降雨强度i：单位时间的降雨量。2.2.4河川径流河川径流：指降水到达流域表面，经地面和地下注入河槽，并向流域出口断面汇集的水流。河川径流的形成过程（1）产流阶段扣除土壤下渗、植物截留、洼地填蓄的水量，余者流入河槽，成为地面径流。地面径流、表层流和浅层地下径流是本次降水的总径流，称径流量或产流量。（2）汇流阶段降雨产生的径流，通过河网有上游到下游，从支流到干流，最后全部从流域出口断面流出，叫河网汇流。实际降雨、蒸发、下渗和汇流等各种现象总是交织在一起，相互联系。2.2.5影响径流形式的因素气候因素：1.降水2.蒸发下垫面因素：1.流域的位置和地形2.河道特征3.流域面积的大小和形状4.土壤、岩石和地质构造5.植被6.湖泊与沼泽人类活动因素：1.植树造林、水土保持。2.城市化影响3.大、中型水库的兴建。4.其他水利工程和堤内违章建筑2.2.6径流的特征值1.径流量Q。单位时间内通过某一过水断面的水量叫流量，单位为m2/s。2.径流总量W。某一时段T内通过某一断面的总水量称为该时段的径流总量，单位为m3、万m3。同一时段T内径流总量W与时段平均流量Q之间的关系：W=QT径流深度R。计算时段的径流总量平均铺在流域面积上所得的水层深度，称为该时段的径流深度。FQTFWR100010002.2.7洪水的频率和重现期•重现期是指某一随机变量在很长时间内平均多少年出现一次。•1.洪水或暴雨，重现期指在很长时期T年内，出现大于某水文变量XP事件的平均重现间隔期。P﹤50%时，•2.枯水问题，重现期指在很长时期T年内，出现小于某水文变量XP事件的平均重现间隔期。P﹥50%时PN1PN112.3工程地质基础主要内容：1.岩石的工程地质性质包括岩石的矿物组成、结构构造以及主要的物理学性质。2.地质构造与地质特征注意与水工建筑物密切相关的断层、节理、破碎带及软弱夹层的力学特性和分布规律3.水流的地质作用了解地下水和地表水对水利工程的影响4.岩体结构的工程地质特性5.岩体的稳定和渗漏问题2.3.1岩石的形成及工程地质性质•地质作用：能使地壳的物质成分、内部构造和地表形态发生变化的各种作用。如火山爆发、岩浆活动、地壳运动、风化作用、搬运沉积和固结成岩。•岩石是由矿物组成的，矿物是由具有一定的化学成分和物理性质的自然化合物或自然元素。根据岩石的成因分为岩浆岩、沉积岩、变质岩三大类。主要研究岩石的物理性质、力学性质和风化特征。深成岩如花岗岩、辉长岩、正长岩等岩浆岩浅成岩如辉绿玢岩、正长斑岩、闪长玢岩喷出岩流纹岩、玄武岩、辉绿岩、安山岩碎屑岩砂岩、砾岩、角砾岩、粉沙岩岩石沉积岩黏土岩泥岩、页岩化学岩和生物化学岩石灰岩、白云岩接触变质岩变质岩动力变质岩破碎岩、糜棱岩区域变质岩岩石的分类2.3.2地质构造基本概念：1.岩层：被两个平行或近似平行的界面所限制，由同一岩性组成的层状岩石。2.层面：岩石的上下界面3.地层：在一定地质时期内所形成的一套岩层（包括沉积岩、变质岩和岩浆岩）4.构造：地层在遭受个各种应力作用后所留下的变形和破坏痕迹。其中，变形所留下的痕迹被称为褶皱，破坏所留下的痕迹被称为断裂。2.3.3构造运动•地壳在地球内部动力地质作用下不断地运动、发展和变化，称为地壳运动，也叫构造运动。地壳运动改变了地壳上岩层的原始形态而形成的地壳构造称为地质构造。•地壳运动分为上下运动和水平运动。垂直运动使地壳上拱下拗，引起海陆变迁；水平运动产生褶皱和断裂。2.3.4褶皱构造•原始水平岩层在构造应力作用下，形成一系列高低起伏的波状弯曲，称为褶皱构造。有向斜和背斜两种基本形态。•在褶皱的中心位置，应力集中，裂隙发育，岩层破碎，风化较深，渗透较强，不易在此上建坝、闸、电站。•背斜2.3.5断裂构造和地震节理和断层断裂后两边的岩层无明显的位移叫节理；产生位移的叫断层断层和破碎带岩层发生位移的错动面称为断层面；破碎带是指因断层错动而破裂和搓碎的岩石碎块、碎屑部分。断层使坝基容易沿断裂结构面产生滑动，节理和破碎带对水工建筑物的基础稳定性和渗漏影响很大。地震是地壳运动引起地壳瞬时震动的一种地质现象，强烈的地震对地面建筑物造成巨大的破坏2.3.6岩石的风化•长期暴露在空气中的岩石在日晒、风吹、雨淋及生物等作用下，岩石结构逐渐崩解、破碎、疏松，矿物成分和构造发生变化，称为风化。•岩石风化的结果，其内部的矿物成分、结构和构造、物理力学性质已经彻底改变，孔隙率增大，承载力减低，严重风化的岩层是不能满足工程建设的需要的。2.3.7地下水•地下水是埋藏在地表以下的各种状态的水，是地球上水体的重要组成部分。根据埋藏条件可以分为：包气带水:它是地面以下，潜水位以上未被水饱和的岩土层中的水。具有自由水面的重力水。潜水:它是埋藏在地面以下、第一个稳定隔水层之上具有自由水面的重力水。潜水在土壤中由高处向低处流动，称为渗流。水工建筑物不应该建在潜水埋深很浅的地方。承压水：它是充满于上下两个稳定隔水层之间的含水层中，具有静水压力的重