水利水电工程概论

水利水电工程概论李宗坤教授目录我国的水资源和水利电力建设概况水利枢纽和水工建筑物挡水建筑物泄水建筑物水利枢纽的施工导流渠系及渠系建筑物水力发电水利工程的建设与管理水工隧洞水工建筑物管理第一章我国的水资源和水利电力建设概况水与水资源水资源面临的问题节水与调水我国的水利建设1.1水与水资源水是人类生活和生产劳动所必须的，能够补给的自然资源。它具有循环性和有限性，时空分布不均匀性，有利性和有害性。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。一、水资源储量中国水资源储量：河流年平均径流量28000亿m3，居世界的六位，位于巴西、俄罗斯、加拿大、美国和印尼之后。中国水能资源河川水能资源蕴藏量6.67亿kw，可开发利用的约3.78亿kw，居世界各国之首。但分布不均，西南地区占70％，西北占12％，中南占9.5％，华北、华南、东北仅占8％。1、水资源的自然属性：二、水资源的特点流动性可再生性是指水资源在水量上的损失（如蒸发、流失、取用等）后和（或）水体被污染后，通过大气降水和水体自净（或其他途径）可以得到恢复和更新的一种自我调节能力。有限性0200000400000600000800000100000012000001400000海洋水冰川与永久积雪地下水永冻层中冰湖泊水土壤水大气水沼泽水河流水生物水我国水资源总量丰富，约28124亿m3，居世界第6位；人均占有量少，约2200m3，相当于世界人均占有量的1/4，被联合国列为13个贫水国之一。时空分布不均匀（世界）050010001500200025003000亚洲非洲北美洲南美洲南极洲欧洲澳大利亚大洋洲（各岛）降水径流时空分布不均匀（我国）长江37%淮河3%黄河2%松花江5%西北诸河5%西南诸河21%珠江18%东南诸河7%海河1%辽河1%降雨量：东南沿海地区：1500mm以上华东、华北：400～800mm西北：400mm以下地面径流：长江多年平均径流量10000亿m3，黄河多年平均径流量560亿m3黄河经常断流，92年断流70d，95年断流122d，2000年断流180d时间分布不均集中在汛期：6～9月份占全年降雨量：南方50％～60％北方70%~80%通过水利工程来兴利除害。不可替代性有的自然资源，是可以替代的或者说可以部分替代。例如，石油、煤炭缺乏的国家，可以多发展核电，以替代石化能源。木材缺乏，可以用塑料、钢铁替代。但是，水对于人类生活，对于工农业生产，是一种须臾不可缺少的自然资源，是无法替代的。水是生命的摇篮，是一切生物的命脉。水在维持人类生存和生态环境方面是不可代替的，是比石油、天然气、煤更加宝贵的自然资源。因此，保护水资源、节约用水是一项事关子孙后的极端重要的事情。2、水资源的社会属性：社会共享性利与害的两重性多用途性商品性一、洪涝灾害（水多）1.2水资源面临的问题1、原因：水资源时空分布不均全球气候变化与人类活动影响加剧城市化发展迅速江河防洪标准偏低2、形式：河流洪水、突发洪水、城市洪涝灾害等二、干旱缺水（水少）（08年底-09年初）缺水类型产生原因资源型缺水降水分布不均、自然地理差异工程型缺水供水工程缺乏或老化失修严重增长型缺水人口和经济发展快速增长水质型缺水污水未达标排放我国水资源短缺主要表现在：农业缺水、城市缺水和生态缺水。1.农业缺水：我国全部耕地中只有40%能够确保灌溉，全国正常年份农业缺水量达300亿立方米(全国总缺水量为近400亿立方米)。有关资料显示，每年农业因缺水造成的损失超过1500亿元。原因：水资源分布与耕地分布不匹配2.城市缺水：全国600多个城市中，有400多个城市存在供水不足，其中比较严重的缺水城市达110个，全国城市缺水总量为60亿立方米。在32个百万人口以上的特大城市中，有30个城市长期受缺水困扰。原因：人口增加、城镇化和经济社会发展加快。3.生态缺水：原因：经济用水挤占生态用水生态补水工程：扎龙湿地补水、白洋淀补水等。三、水环境污染（水脏）原因：人类活动排放的污水、废水量日益增加危害:（1）危害人体健康和生产用水；（2）加剧水资源短缺危机2008年我国河流水质情况Ⅰ类,3.50%Ⅱ类,31.80%Ⅲ类,25.90%Ⅳ类,11.40%Ⅴ类,6.80%劣Ⅴ类,20.60%西南诸河区、西北诸河区、长江区、珠江区和东南诸河区水质较好，符合和优于Ⅲ类水的河长占95%～64%；海河区、黄河区、淮河区、辽河区和松花江区水质较差，符合和优于Ⅲ类水的河长占35%～47%。四、水土流失严重水土流失原因：森林覆盖率低，只有12％，居世界120位。水土流失面积：约367万km2，占国土面积38％。水土流失总量：50亿t/年。仅黄土高原每年因水土流失带走的氮、磷、钾就有4000万t，相当于我国全年生产化肥的总量。水土流失带来的后果：生态环境恶化河床抬高（黄河开封段）水库淤积（三门峡，小浪底）1.3节水和调水一、节水我国农业用水占全国用水量的80％，每年约需水量4000亿m3，但利用率仅有30～40％，必须采取节水灌溉措施。如：渠道硬化、管道输水，喷灌、滴灌新技术。提高工业用水重复率，北京、天津已达到70％。（高用水量行业定量，超出部分提高水价）二、调水从根本上解决北方地区的缺水问题，必须跨流域调水。南水北调工程经过40年的酝酿论证已经成熟。西线：拟在长江上游通天河和大渡河上游筑坝建库，将水引入黄河，每年调水145～195亿m3。中线：从长江中游、汉江支流丹江口水库引水，自流进入北京、天津。干线长达1200km。东线：从长江下游扬州附近抽水，利用扩建的京杭大运河（700年前建成）逐级提水北送，拟建13个提及泵站，水位差40m,干线长1150km。三条线每年可调水500～600亿m3。1.4我国的水利建设一、水利工程建设几千年前：人们已经认识到水利工程的重要性4000年前的大禹治水，至今仍在使用的长达1800km的黄河大堤。700年前（公元前485～1292年）全线通航，纵贯祖国南北，长达1794km的京杭大运河。公元前250年，四川灌县修建的都江堰防洪灌溉工程。解放后：水利建设迅速发展初步控制了一般性的洪涝灾害如：黄河从1911～1946年的36年间，花园口发生1万m3/s以上的洪水8次，有7次决口泛滥成灾，而在建国后50年间发生1万m3/s以上的洪水15次，却没有一次决口（建小浪底后，黄河下游泥沙淤积变化）。初步建立一个综合性的防洪体系如：修建水库近9万座；修筑土堤1000亿m3（折合成1m3土堤，可绕地球2500圈）。农田灌溉和城市供水得到较大的发展汪恕成部长提出“水利信息化管理时代”1、水力发电优点利用循环资源不污染资源成本低2、水电开发情况水电装机总容量约占电力的1/4～1/5水资源的开发利用率8％以每年500万kw的速度递增二、我国的水电建设如三峡工程，装机1820万kw，年发电量846.8亿kw.h，相当于10座装机200万kw的大型火电站和一座年产5000万t原煤的特大型煤矿。（节能源，少污染）三、水电开发前景广阔第二章水利枢纽和水工建筑物水库水利枢纽和水工建筑物1、正常蓄水位—正常运用情况下允许经常保持的最高水位。2、设计洪水位和校核洪水位发生设计频率洪水时，水库达到的最高水位称设计洪水位。发生校核频率洪水时，水库达到的最高水位称校核洪水位。二、水库的特征水位和库容3、汛前限制水位（防洪限制水位）在汛期到来之前，预先把水库放空一部分，以便腾出库容，在洪水到来时多蓄洪水，从而削减更大的洪峰，这个削落下来的水位称汛前限制水位。4、死水位，正常运用情况下允许削落的最低水位。库容死库容――不能起水量的调节作用，可淤积泥沙。兴利库容――发挥效益、发电、供水、灌溉。调洪库容――调节来水和泄水的比例，以削减洪峰。共用库容――兴利和调洪共用的库容。总库容――2.2水利枢纽和水工建筑物一、定义水工建筑物――为满足防洪、发电、灌溉、供水等要求，需要修建的各种不同类型的建筑物，用来控制和支配水流，这些建筑物统称为水工建筑物。水利枢纽――各种不同类型的水工建筑物组成的综合体。按其在枢纽中所起的作用分：1挡水建筑物2泄水建筑物3输水建筑物4取水建筑物5整治建筑物6专门建筑物二、水工建筑物的类别1、工作条件复杂A、水工建筑物的作用：静、动水压力，扬压力高速水流引起空蚀、掺气、振动对下游河道的冲刷泥沙问题B、地形、地质条件复杂：个别性三、水工建筑物的特点2、施工难度大施工导流截流、渡汛施工技术复杂：大体积砼：温控难地基处理复杂地下、水下工程多（开挖、定模、排水）交通、通讯、用电不便3、效益大，对附近地区影响大效益：三峡仅发电一项每年的直接经济效益170亿元，另有防洪、通航等效益。影响：地下水位抬高，库区淹没。生态平衡破坏，诱发地震4、失事后果严重1、目的――将工程造价和工程安全合理地统一起来。2、分等分级原则A：分等――水利枢纽按规模、效益及其在国民经济中的重要性，分为五等。B：分级－－按建筑物在枢纽中的作用和重要性，可分五级。四、水利枢纽分等和水工建筑物分级永久性建筑物――指工程运行期间使用的建筑物，如大坝，电站等。临时性建筑物――指工程施工期间使用的建筑物，如施工围堰，导流建筑物。主要建筑物――指失事后将造成下游灾害或严重影响工程效益的建筑物；如大坝、水闸、电站厂房等次要建筑物――指失事后不致造成下游灾害或对工程效益影响不大，且易于修复，如挡土墙、导流墙、护岸等。3、名词解释：第三章挡水建造物重力坝拱坝土石坝碾压砼坝砼面板堆石坝拦河坝砼坝（重力坝，砼拱坝）土石坝（土坝，堆石坝，土石混合坝）浆砌坝（重力坝，拱坝）3.1重力坝一、重力坝的特点1、在水压力作用下，主要依靠自重的作用来维护坝体稳定2、坝顶可以溢流，坝身可以开孔，因此，泄洪和导流易解决。3、剖面大，水泥用量大，坝基扬压力大。4、材料不能充分发挥其作用。5、结构简单，安全可靠。6、机械化施工方便（大体积砼）自重：建筑物和附属设备的重量水压力：静水压力、动水压力、浪压力、扬压力冰压力：静冰压力，动冰压力土压力地震力：地震惯性力，地震动水压力温度荷载二、重力坝的荷载1、基本剖面：三角形（因水压呈三角形分布）2、实用剖面：满足运用和交通要求A：坝顶有一定宽度，（8～10）％HB：坝顶有一定超高：三、重力坝的剖面adheA超高：ah－－波浪在坝坡上的爬高（m）－－风浪引起在坝前水位雍高（m）－－安全加高，meA1、材料1）砼：A:强度：C10,C15,C20,C25,C30,C40,C50,C60随着龄期的增长而增强，设计龄期一般为90d或180d，早期强度28d不低于7.5MPaB:耐久性：抗渗、抗冻、抗磨、抗侵蚀等。抗冻――经冻融循环而不破坏。2）砌石四、重力坝的材料及构造1）分缝为满足温度、地基不均匀沉陷、施工等要求，将坝体适当分缝。分为：横缝和纵缝两种。2）止水挡水坝必须从地基到坝顶组成一个完整的防渗阻水系统，以起到挡水作用。因此，横缝内须要设止水。3）廊道系统为满足施工和运用要求，如灌浆、排水、观测、检查和交通等需要，相互联通，构成廊道系统。2、坝体构造坝体各部分的工作条件不同，对砼强度、抗渗、抗冻、抗冲刷、抗裂等性能的要求也不同。为了节约与合理使用水泥，通常将坝体按不同部位和不同工作条件分区，采用不同标号的砼。3、坝体砼分区防渗帷幕开挖与清理固结灌浆坝基排水五、地基处理六、碾压砼重力坝1、建设状况20世纪20年代末，碾压砼经常用于高速公路路基和机场路面，当时被称为贫砼，干贫砼。1941年首次建议将碾压砼用于大坝施工。1960～1961年碾压砼首次用于围堰施工，台湾石门大坝。1961～1980理论上不断发展，大量室内试验对碾压砼材料进行了全面研究。20