第11章 水利工程.ppt

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1、第 11 章水利工程,本章内容,11.1 引言 11.2 作为土木工程一部分的水利工程 11.3 水文学概要 11.4 水利工程和径流调节 11.5 水利发电 11.6 灌溉、排水和防洪 11.7 给水 11.8 水利工程的其他领域,水利工程是从事水资源勘探、利用、保护、江河湖海整治和疏浚、水利电力工程、农田水利、海岸和近海工程的研究、设计、施工和维护的工程领域。 这些目标多是通过建造水工结构来实现。因此，水利工程也与建造水工结构及相关过程的管理相关,11.1 引言,水利工程有下列分支： 水上运输、水力发电、水利土壤改良 给水和排水、渔业水利等,11.1 引言,球上约有13亿Km的水，其中大部

2、分在海洋，河中水只占总水量的很少部分。然而，河中水对于目前的水利工程却是非常重要的。 多数河流中的流量随时间而显著变化；洪水期的流量要比枯水期的流量大得多。因此，需要建造水库来调节流量,11.1 引言,在这些过程中，不论是水资源利用还是水灾预防，都需要建造水工结构。 要利用储存水中的能量，就需要建造大坝来提高水位形成驱动发电机所需要的水头。 对于航运业，必须建造航道标志、码头、防波结构以及用于船只建造和维护的结构物。 河道需要疏浚和整治，并建造通航船闸等以保持正常航运功能。 水利事业的灌溉、排水和防洪等工程中，也需要建造各种各样的特种结构,11.1 引言,11.1 引言,防波堤,11.1 引言

3、,喷灌,微喷,水工结构与其他结构的根本区别在于前者是在水中起作用。 大坝通常承受巨大的水压力。因此采取措施防止水工结构的滑移和失稳，这通常可通过增大结构的重量来实现,11.1 引言,水工结构的建造和维护与水流密切相关。水利工程师感兴趣的是水位、单位时间内通过的水量、流速、冰的形成以及水中泥沙含量等现象。 对海上水中结构，还要研究水位变化和波浪作用。 因此，水利工程师必须掌握水文学的知识,11.1 引言,水利工程通常有巨大的工程量，特别是含有庞大的土石方工程量。施工条件复杂，施工作业必须在河床上进行，考虑水流、冰流和过往船只的影响。 所以说，施工对于水利工程师来说也是个重要的问题,11.1 引言

4、,古时人们尝试利用河流为其服务。 河流提供了引用和灌溉的水，并且提供了最经济的运输方法。 河流也用作御敌于外的防线,11.1.2 水利工程简史,人类很早就利用河水发展灌溉四大文明古国都出现在大河流域，以灌溉为古代文明的基础。 公元前4400年在古埃及开挖了巨大的渠道来引水灌溉尼罗河平原。 公元约4000年古埃及建造了堆石坝和土坝。 公元前40003000年间，在古巴比伦一些城市已有输水道和自流井。 印度最早的坝建于公元前1000年。欧洲第一座坝于公元前800年建于西班牙。 公元前600年开挖了一条从尼罗河到红海的运河,11.1.2 水利工程简史,约公元前250年阿基米德写了“浮体论”的论文，这

5、是历史上第一篇水力学论文。直到18世纪和19世纪初水利工程学才有了很大的发展。 在过去的百余年间，水利工程学有了很大的发展。 建造了巨型水电站、数百公里长的运河以及庞大的灌溉和排水工程,11.1.2 水利工程简史,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8,11.1.3 中国的水利工程,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

6、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,11.1.3 中国的水利工程,11.1 引言,都江堰水利工程,都江堰及其示意图,四川都江堰水利工程（公元前256年秦蜀郡守李冰修建），是全世界至今为止年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程。 都江堰没有众多水利工程所常见的雄伟大坝，只有一个酷似鱼一样的大堤纵卧江中，这条堤就被称为“金刚堤”。堤的头部就是都江堰的鱼嘴；中后部是一个低矮的斜坡，叫飞沙堰；尾部是两山之间狭窄的进水口，形似瓶口，叫宝瓶口。 这项工程

7、主要由鱼嘴分水堤、飞沙堰溢洪道、宝瓶口进水口三大部分构成，科学地解决了江水自动分流、自动排沙、控制进水流量等问题，消除了水患，使川西平原成为“水旱从人”的“天府之国”。目前灌溉面积已达40余县、超过一千万亩农田,11.1 引言,11.1 引言,都江堰及其示意图,从古到今人类为了生存和发展的需要，采取各种措施，对自然界的水和水域进行调控，以防治水旱灾害，开发利用和保护水资源。 用于调控自然界的地表水和地下水，以达到除害兴利目的而兴建的工程称为水利工程。 我国江河众多，全国大小河流总长达42万公里，河川径流总量为2.81 012 m3，流域面积在1000 km2以上的河流约1500条,11.1 引

8、言,中国七大江河,引言,典型工程,三峡 都江堰 南水北调,11.2 作为土木工程一部分的水利工程,11.2.1 作用在水工结构上的力 水的静压力总是与结构与水的接触面相垂直，其值等于该点处水柱的重量。 设水柱的高度为H，重度为r，则静水压可表示为,11.2 作为土木工程一部分的水利工程,除了静水压外： 动水压 浮力 冰压力 土压力 风压力 地震力 自重 等,11.2 作为土木工程一部分的水利工程,11.2.2 水工结构的承载力和稳定性 水工结构物必须足够的强壮和稳定。也就是，它必须满足承载力和稳定性的要求。 如果一个结构或其部分在某种横向作用下（通常是土压或水压）产生横移，则称该结构失去稳定（

9、失稳） 所以，抵抗滑移的力T必须足够大，以抵抗横向作用W并具有足够的安全系数 。此要求可表示为,11.2 作为土木工程一部分的水利工程,11.2.3 水工结构的地基和地基条件 结构所处的场地和地基必须可靠与坚固，因此，须仔细研究相关地质条件。 确定地基有何种岩层：喷出岩、沉积岩、变质岩,11.2 作为土木工程一部分的水利工程,11.2.4 水工结构所用的材料 可用于水工结构的材料包括钢、生铁、木、石料、粘结材料、混凝土、钢筋混凝土等等。 例如坝的建造，如果当地土质合适则可用于造坝，这就是很经济的设计。但如果该坝要求较高并且具有较小截面，则用混凝土造坝可能是更好的选择,11.3 水文学概要,水文

10、学是研究自然界中水的运动的科学。水文学作为一门科学是在20世纪形成的。自然界的水以各种形式存在于空气中、地球表面和地球内部。 所以水文学通常分为三个分支： 水文气象学、地表水文学、水文地质学,11.3 水文学概要,地表水分布在海洋、河流、湖泊、沼泽等不同水体中。 从海洋蒸发的水的总量 ，加上从陆地蒸发的水的总量 ，必须等于海洋的降水量 与陆地的降水量 之和,11.3 水文学概要,水位： 河流中给定点的水位随时间变化。水位与时间的关系曲线对于确定水工结构的高度是重要的，一个水工结构的顶部必须始终在水面之上。 流速： 在河断面的不同点流速是不同的。在河的横向。流速在河中间取最大值，并随着趋近于岸边

11、而逐渐减小。在垂直方向，最大流速发生在水的表面，随深度的增加流速逐渐减少。 流量： 年径流量,11.3 水文学概要,研究一条河流的水位、流速、流量、年径流量的变化规律、径流年内分布特性、最大供水流量和最小枯水流量是陆地水文学的重要内容，这直接关系到水利工程项目的规划和设计,11.4 水工结构和径流调节,各水工结构并非各自孤立。他们通常互相并联而形成一个水利综合体来实现多重的目标。这样的综合体为水利枢纽。 由坝的作用而产生的水位差称为水头。根据水头的大小，水利枢纽可分为低、中、高水头枢纽,11.4 水工结构和径流调节,水利工程中的水库可在洪水期储存多余的水以减少下泄量。洪水期过后水库里的水就可以

12、用来补充天然流量的不足。这种用人工方法对天然流量的调节称为径流调节,11.4 水工结构和径流调节,水库的有效容积是其下泄口最高点以上的容积。该点以下的容积称为死容积。两者之间的分界水位称为死水位。 正常蓄水时的最高水位称为正常挡水位。正常挡水位与死水位之间的高差称为水库的工作深度,11.4 水工结构和径流调节,水利枢纽所包含的主要水工结构有：坝、泄洪结构、输水结构、取水结构和整治结构,11.4 水工结构和径流调节,11.4 水工结构和径流调节,水电站建筑物的布置 （1）河床式水电站建筑物的布置适用于较低水头，一般在3040 m以下，多修建在河流的中下游河床坡降较平缓的地段或灌溉渠道上。如长江葛

13、洲坝水电站。 （2）当水头较高，一般超过3040 m时，由于压力大，厂房本身的重量不足以维持其稳定时，采用坝后式水电站建筑物的布置。 （3）由于地形、地质条件，坝后不能布置电站或无坝引水，则采用引水式水电站建筑物的布置,11.4 水工结构和径流调节,11.5 水力发电,与火力发电相比，水力发电具有许多优点。 控制洪水泛滥、提供灌溉用水、改善河流航运，有关工程同时改善该地区的电力供应和经济，特别可以发展旅游业及水产养殖,11.5 水力发电,缺点： 1 建厂期间长，建造费用高。 2 因设于天然河川或湖沼地带易受风水之灾害，影响其他水利事业。电力输出易受天候旱雨之影响。 . 3 建厂后不易增加容量。

14、 4生态破坏：大坝以下水流侵蚀加剧，河流的变化及对动植物的影响等。 5需筑坝移民等，基础建设投资大。 6下游肥沃的冲积土因冲刷而减少,11.5 水力发电,典型的水力发电站由下列组成： 水库：提供了驱动水轮机所需的水头和水流 厂房 厂房中连接到发电机的水轮机 其他机电设备,11.5 水力发电,从高处而下的水流驱动水轮机做功，从而带动发电机发电。所做功的量主要由水头乘以水量来决定。因此，发电厂的发电能力（容量）N可表示为： g为重力加速度；Q是流量（单位时间的水量）；H是水头； 是效率系数,11.5 水力发电,可用坝来直接形成所需的水头，称为坝式水电站。把水导入渠道或管道来形成所需水头，称为引水水

15、电站。 一般根据具体条件来选择用哪种形式： 当河流位于平原时常用前者；当不适合造坝时常用后者,11.5 水力发电,11.6 灌溉、排水和防洪,11.6.1 灌溉 在农业生产中，如果自然界不能给土壤提供足够的水，则需人工向农作物供水（也即灌溉）以保证农作物的正常生长。 灌溉的形式有三种： 1.地面灌水法，即使水直接流入被灌溉的田地； 2.人工降雨法，大范围可用人工降雨技术，小范围可用降雨模拟器； 3.地下灌水法，在地下埋管道使水直接被土吸收,11.6 灌溉、排水和防洪,11.6 灌溉、排水和防洪,灌溉系统包括以下几部分： （1）水源 （2）取水结构 （3）引水和配水的渠道或水管 （4）农庄内部的

16、渠道网或水管网 （5）渠道网上的建筑物 （6）被灌溉的田地 （7）排除多余水的渠道（泄水渠,11.6 灌溉、排水和防洪,其他灌溉法： 漓漫灌溉法是指筑堤来挡雨水或雪水以浸润土壤 洗土灌溉法为清除土壤中的有害盐分,11.6 灌溉、排水和防洪,11.6.2 排水 人工去除田地和土壤中多余的水称为排水。多余的水对农作物有害，并可能形成沼泽。 排水技术： （1）采用造堤挡水、挖沟阻水等措施以减少进水量； （2）用排水沟排除地表水和地下水。 排水沟可为明沟或埋于地下的暗沟,11.6 灌溉、排水和防洪,利用地下沟（管）排除田间土壤多余水分的排水技术措施。土壤中的多余水分可 以从暗管接头处或管壁滤水微孔渗入

17、管内排走，起到控制地下水位、调节土壤水分、 改善土壤理化性状的作用。暗管排水有便于田间机械化作业，节省用地和提高土地利 用率的优点。但一次性投资较大，施工技术要求较高，如防沙滤层未处理好，使用过 程中易淤堵失效,11.6 灌溉、排水和防洪,11.6.3 水土保持 土壤被风和水所粉碎并迁移的现象称为土壤侵蚀。它会带走田地表面的沃土，增加河渠中水流的含沙量，使渠道淤塞、河流荒废、并且，土壤侵蚀使地面的雨水不易吸收，更容易发生水旱灾害,风力侵蚀（哈密魔鬼城,水力侵蚀（黄土高原,冻融侵蚀,中国水土流失主要特点 分布范围广、面积大； 侵蚀形式多样，类型复杂； 土壤流失严重，中国每年土壤流失总量约为50亿

18、t,11.6 灌溉、排水和防洪,水土流失的危害 耕地减少，土地退化严重； 泥沙淤积，加剧洪涝灾害； 影响水资源的有效利用，加剧了干旱的发展； 破坏交通运输、生态环境，危及人民生命财产安全,11.6 灌溉、排水和防洪,11.6 灌溉、排水和防洪,为防止这些灾害，应增加地表的吸水能力，减小雨水的径流量，同时设法减低径流的速度，并增强土壤抵抗雨水侵蚀的能力,11.6 灌溉、排水和防洪,农林中防止土壤侵蚀的措施： 增加土中有机物含量、作物轮换、改善耕作方法、陡坡上植树种草、等高种植和条植以及造林等,11.6 灌溉、排水和防洪,水利工程上防止土壤侵蚀的重要措施就是变坡地为阶地,11.6 灌溉、排水和防洪

19、,11.6.4 洪水防止 可以建造堤坝防止河水泛滥。但是在多数情况下，仅靠堤是不能解决问题的。随着淤积沉淀过程的发展，河床将逐渐升高。所以除了造堤之外，洪水防治还有两个重要方面。 （1）增大河流的排水能力，这可以通过河道疏浚来实现。 （2）在上游拦截和储存洪水，这可通过在上游造坝以调节径流来实现,11.6 灌溉、排水和防洪,除了水库之外，天然湖泊也有蓄洪功能。甚至有些低洼地带也可以作临时蓄洪区。 水土保持对控制洪水是根本性的措施，因为它可以显著减小径流量,11.7 给水,水的供给应满足数量和质量的要求。首先应估计所需水量，然后确定水源并分析其水质。 地表水通常质量较差，河水一般较浑浊，含有很多

20、有机质和细菌，含矿盐较少。湖水较清而细菌特别多。所以说地表水主要适用于工业使用。 地下水一般不浑浊，几乎不含细菌，但往往具有很高的硬度。因此，地下水通常适合作为引用给水系统的水源,11.7 给水,水处理的主要方法包括： 澄清（沉淀和过滤） 消毒 软化 在某些情况下也可能要进行除铁、蒸馏或消除气体等处理,11.8 水利工程的其他领域,11.8.1 水上运输 水道必须有足够的深度以利船只的通过。不同的船有不同的深度要求。水道应设置航道标志,11.8 水利工程的其他领域,河床也需要治理。 借助于某些整治结构利用水流的力量作用于河流，使浅槽冲深,11.8 水利工程的其他领域,船闸过船。 升船机,11.8 水利工程的其他领域,11.8.2 海港工程 海港工程通常包括以下部分： 1. 防护结构,11.8 水利工程的其他领域,2.码头结构,船坞,船台,11.8 水利工程的其他领域,3.护岸结构,11.8 水利工程的其他领域,4.灯塔