水利水电工程概论.ppt

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1、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

2、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,我国水资源总量丰富，约28124

3、亿m3，居世界第6位；人均占有量少，约2200 m3，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）,时空分布不均匀（我国）,降雨量：东南沿海地区：1500mm以上 华东、华北：400800mm 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：69月份 占全年降雨量：南方 5060 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

4、，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

5、）（08年底-09年初）,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

6、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,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：

7、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3040，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145195亿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

8、：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500600亿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4851292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19111946年的36年间，花园口发生1万m3/s以上的洪水8次，有7

9、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1/41/5 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50

10、00万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

11、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

12、：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，

13、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

14、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，（810）H B：坝顶有一定超高：,三、重力坝的剖面,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，m,1、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

15、180d，早期强度28d不低于7.5MPa B: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

16、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。19601961年碾压砼首次用于围堰施工，台湾石门大坝。19611980 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世纪80年代开始，进入正式筑坝阶段1981年，日本建成89m高的岛地川RCD重力坝1982年，美国建成52m高的全碾压的RCC重力坝柳溪坝我国第一座RCC坝：1986年建成的福建坑口水电站坝，H=56.8m。,世界总数：250余座 其中

17、我国45座（50m以上28座），居世界第一，日本第二。,目前建设情况：,最高坝：拱坝129m（中国）重力坝192m（龙滩RCC坝，中国）,2、特点施工速度块，采用碾压方法。设备利用率高，如卡车，推出机，震动碾 等。胶结材料用量少，以粉媒灰代替水泥。不设纵缝，减少了模板用量，提高了安全性。砼中水泥用量少，水化热小，可降低温度应力。,施工机械自卸汽车,推土机,履带式推土机,小型挖机,履带式液压挖掘机,震动碾,优缺点构造特点：防渗、分缝、材料。,七、浆砌石重力坝,3.2 拱坝,一、拱坝的工作特点壳体结构（拱梁结合）：发挥拱的作用。荷载由拱梁共同承担。拱是受压构件，坝体较薄。稳定依靠两岸基岩反力维持。

18、整体性好，抗震性能好，超载能力强。温度变化对拱坝应力和稳定影响大。,1、地形：1）对称 2）”v”形河谷2、地质：1）两岸基岩坚固、完整。2）变形小。,二拱坝对地形、地质要求,按曲率分：单曲拱坝平面是拱形，剖面呈直立。（定圆心，等外半径）适应U形河谷。双曲拱坝平面、剖面均呈拱形，V形河谷。（等中心角，变半径）或（变圆心，变半径，变中心角）,三、拱坝的形式,按坝的厚高比分：薄拱坝 T/H0.2中厚拱坝 0.2T/H 0.35厚拱坝 T/H 0.35重力拱坝 T/H一般不超过0.45,3.3 土石坝,土石坝土坝与堆石坝的总称历史悠久，5000年前古埃及建坝，公元600年前中国筑堤世界上100m以上

19、的高坝中：土石坝占65300m以上坝仅两座，均为土坝 前苏联：罗贡坝 H=325m 前苏联：努列克 H=314m,一、土石坝的工作特点优点,就地取材，钢材、水泥用量少；适应地基变形的能力强，对地质条件要求最低；构造简单，施工技术易掌握，便于机械化施工；维修、加固和扩建容易。,坝顶不能溢流，需要单独设泄洪设施；施工导流不方便；坝体填筑工程量大，筑坝质量受气候条件影响大。,缺点：,碾压式土石坝定向爆破堆石坝水力冲填坝水中填土坝,1、按施工方法分：,二、土石坝的类型,土体防渗材料坝人工防渗材料坝,2、按坝内防渗体的材料及其结构分：,均质坝心墙坝斜墙坝,混凝土沥青混凝土钢筋混凝土土工膜,均质坝,土质心

20、墙坝,土质斜墙坝,土质斜心墙坝,多种土质坝,人工材料心墙坝,人工材料斜墙坝,几种坝形的优缺点：,1、土石坝的组成坝身 维持坝体的稳定防渗体降低浸润线，防止渗透破坏排水设备 安全排出渗流水，以增强坝的稳定护坡防止风浪、雨水冲刷,三、土石坝的剖面与构造,2、土坝剖面,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，m,1）坝顶高程,满足运行、施工、构造、交通等要求。一般为：1015m，中低坝为510m。,2）坝顶宽度,上游坡缓于下游坡 粘土坡缓于砂土坡斜墙坝上游坡缓于心墙坝上游坡下一级坡缓于上一级坡坝越高，坡越缓一般：1:21:3.5,原则：,3）坝坡,1、结构稳定：在自重作用下，坝

21、坡是否滑动；滑动面形式:圆弧滑动，折线滑动，复式滑动。2、渗流稳定：在渗流力作用下，坝体是否会产生 渗透破坏（管涌，流土等）。,四、土坝的稳定,五、砼面板堆石坝,水布垭工程位于湖北省恩施州巴东县境内的长江支流清江上游，是清江干流上继隔河岩、高坝洲电站之后的第三个大型水利水电枢纽工程，也是清江水电梯级滚动开发的龙头工程。水布垭电站设计总装机容量万千瓦，年平均发电量亿千瓦时，水库总库容亿立方米。其拦河大坝为混凝土面板堆石坝，坝高米，是当今世界上同类坝型中唯一一座坝高超过米的大坝。,坝顶可以过水，克服了土坝不能溢流的缺点利用大型振动碾碾压，断面减少就地取材,一、特点,二、发展概况,第一阶段：（185

22、01940年）为期90年特点：堆石采用抛填式施工，块石抛落高度高达50m，利用落石动力获得一定的堆石密实度。防渗体为刚性：砼、刚面板、木板。堆石区与面板之间设干砌石过渡区（35m）高度：25m发展到100m堆石体密度小，后期变形大，面板裂缝现象普遍。,第二阶段：（19401960年）土力学理论发展（太沙基理论）特点：土料作为防渗体 适应堆石体变形的能力好 如：A:因兰德（Inland）斜墙堆石坝 B:斯蒂文斯（stevens）心墙堆石坝缺点：坝址附近必须有优质量大的粘性土 坝坡较缓，坝体工程量大 粘性土的填筑碾压受气候影响大,第三节阶段：（1960年以后）振动碾的问世特点：堆石体的密实度和变形

23、模量大大增加裂缝、漏水现象减少应力应变非线性有限元分析方法创立面板浇注中滑模技术采用该坝型发展迅速工程量减少，工期短，造价低,如：1966年美国建成的新埃克斯奇格（new exchegner）坝，H=100m 1971年澳大利亚建成的塞萨纳（Cechana）坝1980年巴西建成的阿利亚河口坝（H=160m）1981年中国建成湖北西北口坝（H95m）,西北口面板堆石坝，坝高95m,施工机械振动碾,坝面碾压,坝面碾压,第四章 泄水建筑物,泄水建筑物的作用和分类 溢洪道 泄水孔 水闸,4.1 泄水建筑物的作用和分类,一、作用1、宣泄水库容纳不下的洪水，以保证大坝的安全。2、放空水库，便于检修。3、冲

24、淤排沙4、施工期导流,1、泄洪建筑物：如溢洪道、泄洪隧洞等。2、泄水孔：放空水库，冲沙，泄洪。3、施工导流孔（或洞）。,二、分类（按功能分）,4.2 溢洪道,一、作用 宣泄水库不能容纳的多余洪水，以保大坝安全。二、分类 河床式溢流坝 岸坡式布置在河岸上,特点既挡水又泄水；既要满足稳定和强度 要求，又要满足泄水要求。,三、河床式溢洪道,1、溢流坝堰顶高程与前缘长度L：1）堰顶高程：A:堰顶不设闸门堰顶高正常水位 优点：结构简单，管理方便 缺点：淹没损失大，非溢流坝增高B:堰顶设闸门闸门顶高程正常水位超高坝顶高程可降低。优点：可调节库水位和下泄流量，减少淹没损失缺点：运行管理费用高，用于大型工程。

25、,2）前缘长度L：洪水设计标准下游防洪要求上游水位雍高限制,消能设施形式：A：挑流消能B：底流消能C：面流消能D：消力戽消能,2、溢流坝的下游联接,多用于土石坝1、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,四、河岸式溢洪道,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,1、作用：水文资料不足，宣泄超过设计洪水标准的洪水。2、形式:漫顶自溃式引冲自溃式爆破引溃式,五、非常溢洪道,4.3 泄水孔,一般由砼坝身开孔形成。深孔，高水头。一、作用:1、放空水库2、冲淤排沙3、辅助泄洪4、兼作前期导流,二、形式(按水流条件分)1、有压2、无压三、组成1、进口段2、洞

26、身段3、出口消能段,4.4 水闸,建在土基上的一种低水头挡水、泄水建筑物一、水闸类型(按功能分)节制闸(拦河闸)枯水期挡水以抬高上游水位，以利灌溉、航运。进水闸（取水闸）枯水期开闸引水，汛期下闸挡水。分洪闸当河道水位超过防汛限制水位，有可能引起决堤时，开闸分洪，以消减洪峰流量。排水闸排除江河两岸低洼地区渍水挡潮闸防止海水倒灌。,各种闸门示意图,上游连接段 用以引导水流平顺地进入闸室闸室段 用来挡水和控制过闸流量。下游连接段 消除过闸水流的剩余能量，防止过闸水流对下游 的冲刷。,二、水闸的组成部分及其作用,水闸组成部分示意图,1、沉降量大，易引起不均匀沉降2、抗冲能力低3、易引起闸基渗透变形（管

27、涌，流土）,三、水闸的工作特点（建在土基上）,1、作用：调节水流。2、按工作性质分类：工作门 检修门 事故门,四、水工闸门,五、闸室结构形式六、水闸的防渗排水（构造）七、消能防冲八、闸室布置（底板，闸墩，工作桥）九、水闸与两岸连接（作用，形式）,第五章 水利枢纽的施工导流,一、施工导流的任务 就是对原河流各个时期的水流采取导、截、拦 蓄、泄等施工措施，为建筑物施工创造必要的条件，并尽可能小的影响国民经济各部门对用水的需要。,拦（截）为了在河流上建造水利枢纽的各种水工建筑物，首先要对建筑物的基础进行处理，而大面积的基础处理和水工建筑物的施工很难在流水中进行，因此需要形成基坑，把水抽干。方法：用临

28、时挡水建筑物围堰将基坑全部和部分从河床中隔离开，然后将水抽干。,导（泄）给河水一条通道。如隧洞、明渠、部分河床等。蓄蓄水高度。主要考虑围堰高度（洪水标准）上游航运，下游给水。,是确定施工导流设计流量的依据，我国采用频率法，将洪水作为随机事件，以概率形式预估可能发生的情势，然后根据主要的永久性建筑物的级别，选定某一洪水重现期作为导流标准导流标准的高低，直接影响导流建筑物的工程量、造价和工期。经论证可以适当提高或降低。,二、施工导流的设计标准,根据水利工程的修建过程、工程规模及工期要求可分为：一次断流（全段围堰，河床外导流）分期导流（分段围堰法，河床内导流）,三、施工导流方式,是在河床上修筑围堰将

29、河流一次截断，利用河床之外的泄水建筑物宣泄施工流量。优点：主体工程，工作面大缺点：需修建临时泄水建筑物土坝施工采用较多，施工结束后，导流建筑物可作为永久性泄水建筑物，如小浪底，盘石头等。,一次断流,分期导流将河床建筑物分期分段建造，水流通过缩窄后的河床宣泄。一期先建造泄水建筑物（底孔）和能发挥效益的建筑物（如电站，船闸，灌溉取水系统等）。二期利用底孔泄流，不需要修临时泄水建筑物多用于砼坝施工，如丹江口，三门峡，葛洲坝，三峡等。,分期导流,按材料分：土石围堰：类似土坝草土围堰砼围堰钢板桩按方向分：横向围堰垂直于河流方向纵向围堰平行于河流方向,四、导流建筑物型式,按是否过水：过水围堰不过水围堰按结

30、构型式分：隧洞明渠涵管或底孔,主要用于山区，两岸陡峻，河床狭窄的工程。特点：投资大，施工烦。结合泄洪，输水等，一洞多用。,隧 洞,主要用于河道开阔平坦，两岸为土质。特点：投资省，施工速度快。涵管或底孔用于导流流量较小时，涵管与土坝接触处易漏水。,明 渠,五、截流工程,在河流一侧或两侧向河床中填筑截流戗堤（进占）,形成流速较大的龙口（封堵龙口合龙）,戗堤全线设置防渗设施（闭气）,戗堤加高增厚，修成围堰,龙口范围加固,1.过程,2.截流方法：立堵法应用广泛平堵法3.截流材料：砼：六面体、四面体、四脚体钢砼：构架,第六章 渠系及渠系建筑物,一灌区的灌溉和排水系统1输水、配水系统 干渠、支渠、斗渠、农

31、渠、毛渠2排水系统 干沟、支沟、斗沟、农沟、毛沟,1.分四大类控制建筑物控制水流，如节制闸，分水闸量水建筑物计量收费。如量水堰，测流仪交叉建筑物主要解决渠道与河流，山丘，道路等交叉问题。如渡槽，倒虹吸。落差建筑物当渠道经过陡坡地段水位急剧下降时，所修建的连接建筑物。如陡坡，跌水。,二、渠系建筑物,渡槽架空输水的过水桥。倒虹吸当渠道横跨山谷、河流、道路时，为连接渠道而设置的压力管道，其形状如倒置的虹吸管。涵管当渠道与道路相交而又低于路面时可设置输水用的涵洞。跌水当渠道通过地面坡度教陡的地段或天然跌坎，在落差集中处可建跌水。根据落差大小，跌水可做成单级或多级，单级跌水的落差较小，一般不超过1.5m

32、。陡坡：适用于落差1.5m3.0m；大于3m时，采用多级跌水或陡坡。,2.建筑物,梁式渡槽槽身直接支撑在槽墩或槽架上。拱式渡槽下部支撑结构为拱形；可分为：板拱式和肋拱式按槽身断面形状分：“U”形和“V”形根据受力情况可分为：上承式中承式下承式,渡槽型式,第七章 水力发电,水电开发及水能利用水能开发方式与水电站的主要类型水电站的主要建筑物,7.1 水电开发及水能利用,、水力发电的基本原理1.水流过程上游水流引水管水轮机尾水管下游2.能量转换过程水能 机械能 电能,冲击水轮机,带动发电机转动,物理学：单位时间内所做的功称为功率；电站则称功率为出力。,3.水电的实际出力N,水流出力：,式中：,水电站

33、的实际出力要小，因此水轮机变水能为机械能，发电机变机械能为电能，以及在水轮机与发电机的传动过程中，均要有能量损失。水能自上游到下游也有水头损失。,原理：不考虑水头损失及机械效率的情况下，将 河流分段，分别计算各段的水力资源蕴藏 量，然后叠加。,二、水能资源的估算,一、水能开发方式按调节流量方式分蓄水式（坝式）建坝成库形成水头 抽水畜能径流式（引水式）利用天然径流，无库 无径流调节性能混合式,7.2 水能开发方式与水电站的主要类型,1.坝堤式水电站（蓄水式）集中水头坝后式紧靠坝体下游布置 特点:建坝成库，形成集中落差，进行水量调节河床式 特点：厂房是挡水建筑物的一部分，电站没有专门的引水管道，水

34、流直接由厂房上游侧的进水口进入水轮机；适用于低水头电站。,二、水电站的主要类型,定义利用渠道、隧洞等引水建筑物在引水的过程中集中落差形成水头。一般建在河道落差较大（底坡较陡）河段。分类：无压引水式电站用明流的方式引水以集中落差的水电站有压引水式电站在水闸（低坝）壅水之后，采用有压引水建筑物（压力隧洞、压力水管）来集中落差。,2.引水式电站,定义既利用坝抬高水位，又利用引水渠集中水头。,3混合式水电站,7.3 水电站的主要建筑物,一、进水建筑物坝式进水口设在坝上游侧岸式进水口设在山坡上前池进水口,渠道隧洞调压室压力管道,二、引水建筑物,主厂房水轮机和发电机副厂房机电控制设备变电站 变压器场和开关

35、站,三、水电站厂房枢纽,第八章 水工隧洞,一、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）,1.水流特点引水隧洞:洞身流速低 要求:洞壁光滑，减少水头损失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,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

36、（开挖、支护、衬砌、灌浆等）,2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,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,1作用1）承受荷载2）加固围岩3）减小糙率4）保护围岩（受水流，温度，湿度影响）5）防止渗漏,六、洞身衬砌,1）平整衬砌：不承受荷载，只起减少糙率、防止 渗漏、抵抗冲蚀和防止岩石风化等作用。2）砼，钢筋砼衬砌3）组合式衬砌,2衬砌类型,1山岩压力（围岩压力）

37、隧洞开挖后破坏了岩 体的自然平衡状态，从而引起围岩变形或塌落面 作用在支护（或衬砌）上的压力。2围岩的弹性抗力在荷载作用下，衬砌向外变 形时受到围岩的抵抗，时被动力。,七、作用在衬砌上的荷载,第九章 水工建筑物管理,一、水工建筑物技术管理工作内容1检查与观测1）检查：管理人员现场观察，观察建筑物是否有异常现象发生。如裂缝、渗漏等。以便及时采取正确措施。（进一步通过仪器测验，找出原因，诊断病情，采取加固处理措施）,变形观测渗流观测应力观测温度观测（砼）抗震观测,2）观测,资料整编与分析,合理安排除害与兴利的关系（即工程安全与工程效益的关系）要求：准确的水文气象预报及时快捷的数据信息传递快捷准确的

38、分析判断区域或流域的统一调度,2调度运用,必须采用自动化管理系统（包括：信息采集自动化，资料分析与安全性评价自动化，信息传递自动化，反馈决策信息自动化）,调度运用结果,对水工建筑物、机电设备、管理设施以及其他附属工程进行经常性养护十分必要。,3养护修理,1.检测内容质量检测（空洞、强度、裂缝、密实度等）隐患检测（地下埋设物、空洞、浅部岩溶、堤（坝）松散或软弱层隐患，不均匀性等）,二、水工建筑物安全检测,1）地质雷达无损检测技术应用于地基调查、管线探测、坝体质量检测等。原理：地质雷达（GP）方法，是一种用于确定地下介质分布的光谱电磁法，为20世纪70年代发展起来的一种电磁探测技术。目前已成为浅部

39、地球物理勘探最主要工具之一。,2.检测方法,地质雷达方法是利用高频电磁波以脉冲形式通过发射电磁波定向地送入地下。雷达波在地下介质中传播时，当遇到存在电性差异的地下介质或目标体时，电磁波便发生反射，返回地面后由接收天线所接收，在接收到的雷达波进行分析和处理的基础上，根据所接收的雷达波波形、强度、电性及几何形态，从而达到对地下地层目标体的探测。,从下面公式可以求出出目标体深度Z。目前地质雷达所能控制的深度在50m以内，分辨率可达几个mm，但随着深度增加，分辨率有较大下降。,主要用于大面积填程工程碾压后的密实度和含水量的现场检测，如：堤防、土坝、渠道回填、公路、桥梁、市政排水管线及工民建的土方工程。

40、特点：轻便（2.53.5kg）灵活（可随意移动）快速（一次试验仅用20min）探测深度（30150cm）常规测试填土干密度：环刀法常规试验。一次试验需要8小时，往往等到测试结果出来后，现场填方早已覆盖两三层了，发现问题已很难处理，失去了指导意义。,2）普氏贯入仪,主要用于检验道路基础、坝基、桥基、隧道、涵洞及工民建的基础承载力、压缩模量和液性指数。A：电子微型贯入仪 主要侧重于深层钻探，将土样取出后在现场做式样。仪器自重0.2kg，体积和手机大小相仿。B：电子智能30cm便携式 特点是不需要取土，可就地直接验槽，现场原位测验，无扰动，探测深度为30150cm，仪器自重3.5kg。,3）便携贯入

41、仪,原理：土体本身构成特定的物理场，不同的土体结构其鼓励场参数存在一定的差异，利用物探方法就是利用仪器探测到存在于土体内部的各种物理参数，并据此分析各种参数变化与土体结构的关系常用的土体填筑质量物探验测方法有：电法（电磁波）地震法（声波）主要用于：已建土坝（堤防）内部质量隐患探测。如裂缝、孔洞、疏松软弱带等。,4）物探验测,三、大坝安全自动化监控,作用：能从观测数据及时察觉观测系统或大坝性态的异常,便于及时采取措施加以处理,比人工识别事故远为快捷。观测成果准确可靠，系统具有自校、检验和误差修正功能，对超值测值可以剔除并报警。这样保证了观测成果的可靠性，且在测量和数据处理过程中人工干预极少。因此

42、，人为误差基本不存在。能够大量节省用于观测、绘图、计算、维护所需要的人工费用。,在线监控系统由安装或埋设在大坝上的观测传感器、遥测集线箱和自动监控微型电子计算机（微机）系统组成。,离线监控系统：通常设置在观测资料分析中心或有关的管理机构内，用以实现对几座或几十座大坝的观测数据进行集中管理，由一定容量的电子计算机、相应的外部设备和专用的数据管理软件组成。,发展简史：20世纪60年代以前，大坝的观测和安全控制以人工为主。6070年代的20年中，为了加强大坝安全监测，许多国家研究改进观测系统，实现了观测数据采集的自动化，日本、西班牙、意大利、法国、美国、苏联等国家有很多大坝安装了自动数据采集系统；同时在资料计算方面应用了计算机，加快了观测成果的反馈速度。70年代后期，意大利致力于利用微机实现在线安全监控的研究，80年代中期已在十几座坝上应用，同时建立了集中的离线处理中心，使大坝安全监控达到了新的水平。,中国在大坝安全监控自动化方面的研究工作是20世纪70年代后期开始的，到80年代中期已经实现了差动电阻式仪器的数据采集和处理自动化，在湖南省东江水电站的拱坝上建立了第一套实用系统大坝安全监控方面总的发展趋向是研制更为准确可靠的自动化系统，研究应力、渗流等观测物理量的监控模型，研究更具智能性的数据处理专家系统等，使大坝安全监控更为有效。,