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1、第十一章水利工程设计,1 设计阶段的划分 2 设计所需的基本资料 3 水利工程对环境的影响4 水利枢纽设计的主要内容,1.设计阶段的划分,水利工程设计分为：项目建议书、可行性研究报告、初步设计、招标设计和施工图五个阶段（对重要的或技术条件复杂的大型工程，还要在初步设计与施工图之间，再增加一个技术设计阶段）近年来，我国电力工业部门结合水电建设的特点，对设计阶段作了调整，调整后的水电工程设计分为：预可行性研究报告、可行性研究报告、招标设计和施工图四个阶段，现正予以试行。,1.设计阶段的划分一、项目建议书,项目建议书的流程,1.设计阶段的划分二、可行性研究报告阶段,本阶段的主要任务：论证拟建工程在技
2、术上的可行性、经济上的合理性，以及开发顺序上的迫切性。研究报告内容包括：初拟主要水文参数，查清主要地质问题，选定工程地址；估算淹没补偿和对环境的影响；初定工程等别、建筑物级别、主要建筑物的型式、轮廓尺寸和枢纽布置方案，装机容量和机型；估算主要工程量，初拟施工导流方案、主体工程的施工方法、施工总体布置和总进度；估算工程总投资，明确工程效益，分析主要经济评价指标，评价工程的经济合理性和财务可行性。,1.设计阶段的划分三、初步设计阶段,初步设计报告包括以下内容：确定拟建工程的等别和主要建筑物的级别；选定各种特征水位；选定坝（闸）址、输水线路、主要建筑物的型式、轮廓尺寸及枢纽布置；确定装机容量，选择机
3、组型号和其他机电设备；确定施工导流方案及主体工程的施工方法、施工总体布置及总进度、对外交通和施工设施；提出建筑材料、劳动力和风、水、电的需要量；编制工程预算；论证对环境的影响及环境保护；进行国民经济评价和财务评价。,1.设计阶段的划分四、招标设计阶段,在编制招标设计文件之前，要解决好初步设计阶段未能妥善解决的问题。招标文件由合同文件和工程文件两部分组成，前者包括：投标者须知和合同条款、合同格式和投标书格式等；后者包括技术规范和图纸。要做到投标者能根据图纸、技术规范和工程量表确定投标报价。,1.设计阶段的划分五、施工图阶段,施工图一般包括：建筑物地基开挖图、地基处理图、建筑物结构图、钢筋混凝土结
4、构的钢筋图、金属结构及机电设备的安装图等。在我国，施工图由业主委托的设计单位提供给施工单位。按照国际惯例，施工图应由施工单位或业主委托的咨询公司负责。上述各个设计阶段的具体内容和深度，可根据工程的具体情况进行适当的调整和增减。,2.设计所需的基本资料,一般需要掌握的基本资料有：（1）自然地理。（2）地质（3）水文（4）气象（5）社会经济（6）用于作为设计依据的各种规程规范,3.水利工程对环境的影响,水库引起的环境变化，主要表现在如下几个方面库区：（1）淹没（2）滑波、坍岸（3）水库淤积（4）水温的变化（5）水质变化（6）气象变化（7）诱发地震（8）卫生条件水库下游：（1）河道冲刷（2）河道水量
5、变化（3）河道水温（4）河道水质 在河道上建坝（闸），一方面为航运和枢纽上游的木材浮运创造了 条件，另一方面由于河道受阻，需要设置通航、过木和过鱼建筑物（设 施）。,4.水利枢纽设计的主要内容,坝址和坝型选择枢纽布置的一般原则和设计方案的选定水利枢纽布置实例,4.水利枢纽设计的主要内容坝址和坝型选择,1.地质条件拱坝和重力坝（低的溢流重力坝除外）需要建在岩基上；土石坝对地质条件要求较低，岩基、土基均可；而水闸多是建在土基上。无论岩基或土基，一般说来，总是存在着这样或那样的缺陷，如：断层破碎带、软弱夹层、淤泥、细砂层等。在工程设计中则需通过勘探研究，将工程区的地质情况了解清楚，并作出正确评价，以
6、便决定取舍或定出妥善的处理措施。,4.水利枢纽设计的主要内容坝址和坝型选择,2.地形条件在高山峡谷地区布置水利枢纽，应尽量减少高边坡开挖。坝址选在峡谷地段，坝轴线短，坝体工程量小，但不利于泄水建筑物等的布置，因此，需要综合考虑，权衡利弊。选用土石坝时，应注意库区有无垭口可供布置岸边溢洪道，上、下游有无开阔地区，可供布置施工场地。对于多泥沙及有漂木要求的河道，还应注意河流的水流流态，在选择坝址时，应当考虑如何防止泥沙和漂木进入取水建筑物。对于有通航要求的枢纽，还应注意通航建筑物与河道的连接,4.水利枢纽设计的主要内容坝址和坝型选择,3.施工条件要便于施工导流，坝址附近特别是其下游应有较开阔的地形
7、，以便布置施工场地；距交通干线较近，便于施工运输；可与永久电网连接，解决施工用电问题。4.建筑材料坝址附近应有足够数量符合质量要求的天然建筑材料。对于料场分布、储量、埋置深度、开采条件以及施工期淹没等问题均应认真考虑。5.综合效益对不同坝址要综合考虑防洪、灌溉、发电、航运、旅游等各部门的经济效益。,4.水利枢纽设计的主要内容坝址和坝型选择,6.其他在选择坝址和坝型时，还应考虑利用主体建筑物开挖料直接上坝的可能性与合理性。例如：国外有的工程，尽管基岩坚硬、完整，适于修建拱坝或重力坝，但经论证比较，最终选用了混凝土面板堆石坝，理由是，后者利用主体建筑物开挖料直接上坝，可以缩短工期，降低造价。这种经
8、验值得借鉴。,4.水利枢纽设计的主要内容枢纽布置的一般原则和设计方案的选定,1.枢纽布置的一般原则：(1)坝址、坝及其他主要建筑物的型式选择和枢纽布置要做到：施工方便，工期短，造价低。(2)应满足各个建筑物在布置上的要求，保证其在任何工作条件下都能正常工作。(3)在满足建筑物强度和稳定的条件下，降低枢纽总造价和年运转费用。(4)枢纽中各建筑物布置紧凑，尽量将同一工种的建筑物布置在一起，以减少联结建筑，也便于管理。(5)尽量使一个建筑物发挥多种用途或临时建筑物和永久建筑物相结合，充分发挥综合效益。(6)尽可能使枢纽中的部分建筑物早期投产，提前发挥效益（如提前蓄水，早期发电或灌溉）。(7)枢纽的外
9、观应与周围环境相协调，在可能条件下注意美观。,4.水利枢纽设计的主要内容枢纽布置的一般原则和设计方案的选定,2.水利枢纽设计方案的选定水利枢纽设计需要通过论证比较，选出最优方案。所谓最优方案，应当是技术上先进和可能，投资少，工期短，运行可靠，管理方便。分析比较的内容有：（1）主要工程量。（2）主要建筑材料用量。（3）施工条件。（4）运行管理条件。（5）经济指标。上述各项，有些是可以定量计算的，有些则是无法定量的，因此，水利枢纽设计方案的选定是一项复杂而细致的工作，必须在充分掌握可靠资料的基础上，全面论证，具体分析，综合比较。,4.水利枢纽设计的主要内容水利枢纽布置实例,水利枢纽按其所处地区的地
10、貌形态，可分为平原地区水利枢纽和山区、丘陵区水利枢纽；按承受水头的大小，可分为低、中、高水头水利枢纽。低水头水利枢纽多建在河道下游的平原地区或河道开阔地段。由于河床坡度平缓，地形开阔，枢纽中的挡水建筑物多为较低的拦河闸或溢流坝，因而壅水不高，库容较小，调蓄能力不大，在岩基或软基上均可兴建。高、中水头水利枢纽位于山区和丘陵区，通常是坝高、洪水流量大，地基多为岩基。从地形上看，高水头水利枢纽大多河谷狭窄，岸坡陡峭，泄洪消能和枢纽布置是设计关键；中水头水利枢纽一般河谷比较开阔，岸坡较平缓，易于进行枢纽布置。,4.水利枢纽设计的主要内容水利枢纽布置实例,韶山灌区洋潭引水枢纽,图111 韶山灌区洋潭引水
11、枢纽平面布置图（单位：m）1导航堤；2机房；3斜面升航机；4重力坝；5泄洪闸；6溢流坝；7水电站；8土坝；9洋潭支渠进水口；10进水闸,4.水利枢纽设计的主要内容水利枢纽布置实例,三峡水利枢纽,图112 三峡水利枢纽平面布置图,4.水利枢纽设计的主要内容水利枢纽布置实例,二滩水电站枢纽,图113 二滩水电站枢纽平面布置图（单位：m）,4.水利枢纽设计的主要内容水利枢纽布置实例,小浪底水利枢纽,图114 小浪底水利枢纽平面布置图（单位：m）,4.水利枢纽设计的主要内容水利枢纽布置实例,十三陵抽水蓄能电站,.5,图115 十三陵抽水蓄能电站枢纽布置图（单位：m）,雨水发电及利用,设计背景：,在首届
12、全国大学生水利创新设计竞赛作为设计创新平台下，我们构思设计了这套雨水发电及利用系统，由蓄水发电到应用完全利用当地自然资源，且不产生任何污染，并能改善当地水生态平衡，是对水的综合应用。国外一些发达国家已经。设计作品体现了“绿色水利”的主题思想，主要利用自然资源，运用于人们的日常生活。,设计创新理念：,对于雨水的利用，如今国内国外的屋顶降雨收集储存回用系统技术已经很成熟，有大量的例子已经应用于人们的日常生活。在参考已有雨水利用技术时，特别是利用屋顶降雨，我们发现，屋顶降雨的雨水均是直接收集到地面或者地下蓄水池中进行处理回用，在收集过程忽略了雨水的势能。所以在收集回用的基础上，我们结合本专业所学知识
13、将屋顶雨水势能利用起来，用于发电照明，发电照明后的雨水将继续收集利用，这样集发电、收集、储存、利用技术于一个系统，来全方位的利用降雨资源。总的来说，我们的创新突破点就是利用雨水发电。,设计可行性的理论基础：,经过大量资料的查阅，了解到雨水收集、储存及利用技术在德国和日本等国已得到广泛应用，国内技术也已成熟。对于屋顶降雨的发电部分，我们也通过大量资料查阅及计算得知，如今有家庭用微型水轮机（双击式水轮机），它的结构简单，制造方便，价格便宜，运行范围比混流式水轮机大。此水轮机在流量（出力）时，效率已可达以上，并且所需水头（H）：5100 m，流量（Q）：0.01 m3/s 0.5 m3/s，出力（N
14、）：100W100kW，这些数据显示雨水发电技术可行。,雨水发电部分设计及计算：,雨水利用系统包括收集、发电、储存、处理和利用几个部分。1.系统基本设计简图：2.系统设计概述：3.系统设计的有关假设：4.设计有关的简单计算过程：5.设计模型及动画演示（正在制作）,1.系统基本设计简图：,2.系统设计概述：,由图中所示，将屋顶降雨通过雨水集水管汇集至屋顶集雨池内，蓄水池出口连接管道，管道内的水具有势能和动能，冲击管内安装的微型水轮机转动，继而水轮机带动微型发电机发电，产生的电能可以通过一个蓄电池贮存起来；去能后的雨水经过管道收集于地下或地面的贮水池，蓄水池中储存的水再后续利用。,3.系统设计的有
15、关假设：,假设某建筑屋顶面积为300 m2；某地区雨季月平均降雨量为260mm；小型水轮机所需水的流量Q=0.035 m3/s；水头H=10m。,4.发电过程的可行性计算：,屋顶面积、一年里月平均降雨量（根据资料）、水轮机所需最小水量、水头H为假设量：假设屋顶面积为300 m2，雨季月平均降雨量为260mm，雨季月降雨总量W=O.9530026010-3=74.1m3对于小型水轮机所需水的流量Q为0.03 m3/s0.04 m3/s。假设Q=0.035 m3/s，则用此水轮机在W雨量条件下能带动发电机发电的时间为：T=W/Q=74.1/0.035=2117s=0.59h水轮发电机发电功率 N=
16、9.81QHtg取t=0.86（水轮机效率），g=0.95（发电机效率）假设水头H=15m，则：N=9.81QHtg=9.810.035150.860.95=4.208KW,综述：受雨面积为300 m2，月平均降雨量为260mm，水轮机水流量Q为0.035 m3/s，t=0.86，g=0.95，水头H=15m的条件下，本月总降雨量能使水轮机发电0.41 h，而此水轮机能带动4.208KW的用电负荷，即能产生0.594.208=2.5度电。若按2只10W节能灯计算每个月能够供应2个10W的使用125 h,平均每天提供照明3.8h,基本可以满足一般居民晚上照明用电。,改变参数。能够改变的参数为：屋
17、顶集雨面积（主要是农村和城市的差别，城市的楼顶面积较大）、水头H、每月的月平均降雨量（根据资料，大部分降雨比较多的地区最少降雨量在60mm左右，最多400mm）;若增加水头H至10倍时，产生电量增至10倍，及30.58度电。,雨水利用部分设计说明：,包括集水设施、储存设施、处理设施、雨水供水设施。1.集水2.储存3.处理4.供水,1.集水集水方法,集水地点：屋顶，可能会有树叶、鸟毛、鸟粪和沙尘等，所以要进行定期的清扫；在山区地区，可以利用地形地势优势，汇集更多的雨水，不断地补充用于发电的雨水，间接增大集雨面积，因为山区多高地势和山坡，更易于山体体表产汇流。初期雨水的排除：屋顶污染程度低时，初期
18、收集雨水能保证较好的水质；若屋顶污染可能性高时，必须研究初期雨水排除装置。排除了初期雨水，收集水量就会减少，此减少量需要试算（若无资料时，屋面初雨弃流可采用23mm径流厚度）。排除初期雨水的装置，在房屋上面设置降雨计，达到一定水量的时候电动阀切换到很多的集水容器。设置与集水面积对应排水量的排水井，有进行集水的装置，储存后一次性向下水道排出。,集水口大样,对于用来发电的水质，周边环境会导致水质各异，管理好从屋顶和房上集水，就能得到良好的水质。而用于储存和回用的水质，用集水口集水后进行雨水处理，去除SS主要设置自然沉淀、碎石过滤、微型过滤器等处理装置。再就是制定初期雨水排除对策（见上面）。集水口与
19、雨水集水量：雨水集水量=集水面积*降雨量*径流系数*0.001（其中径流系数=0.85-0.95）,集水配管的设计,屋面雨水斗：主要用来截留集水面的垃圾且不会产生滞留水，设置于便于清扫的地方，只能单向收集（如说明书上图雨水斗）。集水管路：雨水集水管管径的确定布置管路如说明书上图管路系统的实例。,2.储存 雨水储存池的设置场所,设置于房屋上面设置于地下在暴雨时储存池里满水时，此两种类型都能够从储存池溢流，自流到下水道排除。,雨水储存池的容积,雨水储存池容积计算的注意事项：对于屋顶储存池，根据雨水的收集水量和冲击水轮机的水流量，考虑适当的利用率，就能确定储存池的大小了；对于地下雨水储存池，根据雨水
20、收集量和使用量来无确定雨水储存池的大小。当条件受限时，生活用水完全取决于降雨，地下储存池则最好能够储存全部降水。,雨水储存池的构造,雨水储存：雨水储存池是储存不定期流入的雨水，提高雨水利用率，就能进一步改善因滞留沉淀而产生的水质效果。雨水储存池的材质：材料可采用混凝土（已完成防水工艺）、定做的钢板，还有合成树脂制成品，能够防止外部灰尘和其他系统排水浸入的构造。雨水水池构造：欲提高水池内的沉淀效果、不产生死水区域，就要考虑与流入管和连通管的连接、连通管管径的确定以及水泵的设置（如说明书上图潜水泵设置示意）。,雨水储存池的控制,雨水储存池的水位控制：是靠储存槽的水位水平仪的探测进行控制的。满水时的
21、措施：主要是针对于地下雨水储存池，雨水储存池设在下水管道下面时，雨水储存池一旦满水，就会启动与液位计联动的雨水排水泵，向下水道强制排水。,（5）关于房屋承受荷载问题,基于在屋顶上面增加了可变荷载，对房屋的承载力要求需要提高，这在设计方面需进一步进行考虑,3.处理处理方法及原理,纱网材料和过滤沉淀：沉砂池和沉淀池消毒：注入定量的次氯酸钠溶液；通过紫外线杀菌；定量添加臭氧等,设计流量,处理装置的细部构造,滤网：要求拦截粗大垃圾；采用置地式格栅形式。沉砂池：要考虑过快的水平流速会冲刷沉淀粒子。雨水储存室：用来存储处理后的雨水。粗滤器：沉砂后的雨水可以考先进行粗滤。消毒装置：防腐措施：用pH计进行监测
22、，投加防腐剂等。,处理系统单元化,对于建筑物不大，集水条件较好的时候，除了构筑物以外的机械设备都能实现一体化。如下图为雨水处理单元流程图。这个单元，在储存池内，单元间循环的处理水要送至杂用水池等后部的水泵处。,4.供水 供水方式和用途,雨水利用的用途，大多数用于冲洗厕所。其他用途大致有：空调用冷却水；列车、汽车等洗车用水；树木、庭院浇洒用水；消防用水；水池、水景的补给水。,供水水泵一般常用高位水箱方式的提升泵。配管设计 雨水利用中的配管管材，最好与自来水系统一致。从防误饮的观点出发，外观上有必要选择能够与自来水系统区分开的材料。一般采用内衬硬质氯化乙烯钢管、内衬聚乙烯粉粒钢管和不锈钢管等。卫生
23、器具 雨水利用场合的卫生器具，必须考虑器具的抗污性，附属金属设备的耐蚀性以及堵塞等情况下的应对措施。,具体构件设计细节：1.集雨池：,材料：池壁采用钢筋混凝土，特点是；在池底与房顶之间可铺设一层新型土工织物用来防渗结构：在圆柱池壁上向外斜伸出一个外延，目的在于加大集雨面积;其他用处：集雨池在不用时可以把外延收回，这样房顶上面就形成一个隔断，可以减少阳光对房屋的热传递，有助于降低夏天室内温度。阀门A：集雨箱出水口采用可控阀门，用来控制流量，以保证管道中水流速度基本均匀，阀门之前有一个网状的拦污栅，用来去除树叶等较大的杂物,集雨池，建于房屋顶上,2.发电部分,假设水流以速度V流入发电管道，水流推动
24、微型水轮机转动，从而带动微型发电机发电,3.后期雨水处理及利用：,贮水池：初步沉淀净化，池壁要隔水性好，分到不同的管道进行不同方面的利用：例如冲厕方面,水贮雨池,发过电的水,系统设计意义及推广价值：,1.系统使用地点（具备条件）：偏远不能通电；雨季时间较长；主要用于雨季照明，非雨季采用太阳能替代。2.优点：一次性投资，长期发挥效益，利于国家新农村建设发展的政策。3.生态效益：铺设有透水砖的土与植被，有效补给地下水，维护了自然界原有的水循环环境；减少对地下水的开采，节约用水；与排水系统综合调节径流量，防洪防涝，利于雨洪调节。4.综合利用：降雨发电、蓄水多级利用；系统中设有蓄水池、沼气池、湿地以及管道系统，可利用于景观、绿化、灌溉、洗车、部分生活用水或净化后饮用。,涉及知识：,1、微型水利发电2、蓄电池3、管道布设及电线布设4、蓄水装置5、水质净化6、产汇流计算,后续工作,3D效果模拟雨水发电及利用过程模型制作及演练微型水轮机和发电机的具体选用屋顶集雨池的具体尺寸，要根据发电量设计数学模型，编程序进行计算；地下集雨池根据用户用水量进行编程计算。,
