水利水电工程概论课件.ppt
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- 水利水电工程 概论 课件
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1、水利水电工程概论水利工程学院 水利水电工程研究所主要内容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渠系及渠系建筑物(略)水工隧洞(略)水力发电建筑物(略)水利枢纽的施工导截流(略)水工建筑物健康监测与预警(略)水利工程的建设与管理(略)第一章我国水资源与水利电力建设概况 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。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。害性。 全球总量约全球总量约15亿亿km3,可利用的淡水总量约,可利
2、用的淡水总量约0.38亿亿km3,仅,仅占全球总量的占全球总量的2.5%,其中约有,其中约有0.3亿亿km3的淡水储藏在极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。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,其水量的总和约为和约为47万亿万亿m3。 中国河流年平均径流量中国河流年平均径流量2.8万亿万亿m3,居世界的六位,位于,居世界的六位,位于巴西、俄罗斯、加拿大、美国和印尼之后。巴西、俄罗斯、加拿大、美国和印尼之后。 中国水能资源:中国水能资源: 河川水能资源蕴藏量河川水能资源蕴
3、藏量6.67亿亿kW,可开发利用的约,可开发利用的约3.78亿亿kW,居世界各国之首居世界各国之首。 但分布不均,西南地区占但分布不均,西南地区占70,西北占,西北占12,中南占,中南占9.5,华北、华南、东北仅占,华北、华南、东北仅占8。 水资源的特点水资源的特点 自然属性:流动性;可再生性;有限性;时空分布不自然属性:流动性;可再生性;有限性;时空分布不均匀性;不可替代性。均匀性;不可替代性。 社会属性:社会共享性;利与害的两重性;多用途性;社会属性:社会共享性;利与害的两重性;多用途性;商品性。商品性。1.2 水利工程 水利工程:水利工程:是指对自然界的是指对自然界的“水水”进行控制和调
4、进行控制和调配,以达到配,以达到兴利除害兴利除害目的而修建的工程。目的而修建的工程。 水利工程意义:水利工程意义:人类可以利用的水资源是有限的,人类可以利用的水资源是有限的,且受气候影响,水资源在时间和空间上分布不均且受气候影响,水资源在时间和空间上分布不均匀。匀。 不同地区:内陆干旱少雨,东南沿海雨水充沛。不同地区:内陆干旱少雨,东南沿海雨水充沛。 同一地区:汛期集中了全年雨量的同一地区:汛期集中了全年雨量的60%80%。 水量偏多造成水量偏多造成洪涝;洪涝;偏少造成偏少造成干旱干旱等自然灾害。等自然灾害。 因此必须认识水资源的变化规律,根据水资源的时、空分因此必须认识水资源的变化规律,根据
5、水资源的时、空分布特点,修建必要的水利工程,使水资源得到合理开发、布特点,修建必要的水利工程,使水资源得到合理开发、利用和保护。利用和保护。 水利工程的分类水利工程的分类水利工程按其服务对象(或承担的任务)可分为:水利工程按其服务对象(或承担的任务)可分为: 防止洪水灾害的防止洪水灾害的防洪工程防洪工程;为农业生产服务的为农业生产服务的农农田水利工程田水利工程;将水能转化为电能的将水能转化为电能的水力发电工程水力发电工程;为水运服务的为水运服务的航道与港口工程航道与港口工程;为工业和生活用为工业和生活用水及排泄、处理废水和雨水服务的水及排泄、处理废水和雨水服务的城镇供水及城镇排城镇供水及城镇排
6、水工程水工程,等等。,等等。一项工程兼有几种任务的,称为一项工程兼有几种任务的,称为综合利用水利工程综合利用水利工程。很多大型水利工程,如著名的长江三峡工程,就是一很多大型水利工程,如著名的长江三峡工程,就是一座具有防洪、发电、航运、灌溉、供水等巨大综合利座具有防洪、发电、航运、灌溉、供水等巨大综合利用效益的特大型水利工程。用效益的特大型水利工程。 水利工程的特点水利工程的特点 水利工程与一般土建工程相比,除了显而易见的水利工程与一般土建工程相比,除了显而易见的工程工程量大、投资多、工期长量大、投资多、工期长这些特点,还具有如下几个特这些特点,还具有如下几个特点。点。 工作条件复杂工作条件复杂
7、:水文条件各不相同;地质条件复杂;:水文条件各不相同;地质条件复杂;荷载条件复杂荷载条件复杂 施工难度大施工难度大: 解决施工导流;工程进度紧迫;施工技解决施工导流;工程进度紧迫;施工技术复杂,如大体积混凝土温控;地下、水下工程多;术复杂,如大体积混凝土温控;地下、水下工程多;交通运输困难,如高山峡谷地区交通运输困难,如高山峡谷地区 效益大,对环境影响也大效益大,对环境影响也大: 防洪、发电、养殖、美化防洪、发电、养殖、美化环境;需要移民和迁建;对生态平衡产生影响;可能环境;需要移民和迁建;对生态平衡产生影响;可能诱发地震诱发地震 失事后果严重失事后果严重:1975年年板桥、石漫板桥、石漫滩两
8、座水库垮坝,滩两座水库垮坝,京广铁路中断,死亡达京广铁路中断,死亡达9万人;万人;1993年青海年青海沟后水库沟后水库垮垮坝,死亡坝,死亡320余人。余人。1.3 水利水电工程建设概况 水利工程建设水利工程建设 中国是中国是最早最早修建水利工程的国家之一修建水利工程的国家之一 4000年前的年前的大禹治水大禹治水,至今仍在使用的长达,至今仍在使用的长达1800km的黄河大堤的黄河大堤 公元前公元前250年,四川灌县修建的年,四川灌县修建的都江堰防洪灌溉都江堰防洪灌溉工程工程 京杭大运河京杭大运河700多年前(公元多年前(公元4851292年)全线通年)全线通航,纵贯祖国南北,长达航,纵贯祖国南
9、北,长达1794km都江堰水利工程都江堰水利工程鱼嘴分洪、飞沙堰泄洪排沙、宝瓶口引水鱼嘴分洪、飞沙堰泄洪排沙、宝瓶口引水 是世界上现存历史最长的无坝引水工程,至今仍有巨大的效是世界上现存历史最长的无坝引水工程,至今仍有巨大的效益,被誉为益,被誉为“世界水利文化的鼻祖世界水利文化的鼻祖”。 解放后:水利建设迅速发展解放后:水利建设迅速发展 初步控制了一般性的洪涝灾害初步控制了一般性的洪涝灾害,如:黄河从,如:黄河从19111946年的年的36年间,花园口发生年间,花园口发生1万万m3/s以上的洪水以上的洪水8次,有次,有7次决口泛滥成灾,而在建国后次决口泛滥成灾,而在建国后50年间发生年间发生1
10、万万m3/s以上的洪水以上的洪水15次,却没有一次决口(建小浪次,却没有一次决口(建小浪底后,黄河下游泥沙淤积变化)。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初步建立一个综合性的防洪体系,如:修建水库近,如:修建水库近9万座;修筑土堤万座;修筑土堤1000亿亿m3 (折合成(折合成1m3土堤,可绕土堤,可绕地球地球2500圈)。圈)。 农田灌溉和城市供水得到较大的发展农田灌溉和城市供水得到较大的发展。名称名称坝型坝型坝高坝高/m/m地点地点三峡三峡混凝土重力坝混凝土重力坝185185湖北宜昌长江湖北宜昌长江小湾小湾混凝土双曲拱坝混凝土双曲拱坝292292云南省澜沧江中游云南
11、省澜沧江中游锦屏一级锦屏一级混凝土双曲拱坝混凝土双曲拱坝305305四川省雅砻江下游四川省雅砻江下游糯扎渡糯扎渡心墙堆石坝心墙堆石坝265265澜沧江下游思茅市澜沧江下游思茅市两河口两河口心墙堆石坝心墙堆石坝293293四川省雅砻江干流上四川省雅砻江干流上水布垭水布垭面板堆石坝面板堆石坝233233湖北清江湖北清江 水力发电工程建设水力发电工程建设 水力发电优点水力发电优点 利用循环资源利用循环资源 不污染资源不污染资源 成本低成本低 水电开发情况水电开发情况 水电装机总容量约占电力的水电装机总容量约占电力的1/41/5 水能资源的开发利用率水能资源的开发利用率8 以每年以每年500万万kW的
12、速度递增的速度递增 水电开发前景广阔水电开发前景广阔 如三峡工程,装机如三峡工程,装机1820万万kW,年发电量,年发电量846.8亿亿kWh,相当于,相当于10座装机座装机200万万kW的大型火电站和一的大型火电站和一座年产座年产5000万万t原煤的特大型煤矿。原煤的特大型煤矿。第二章水利枢纽与水工建筑物2.1 定 义 水工建筑物:水工建筑物:为了满足防洪、发电、灌溉、供水为了满足防洪、发电、灌溉、供水等方面的效益,需要在河流的适宜地段修建不同等方面的效益,需要在河流的适宜地段修建不同类型的建筑物,这些建筑物统称水工建筑物。类型的建筑物,这些建筑物统称水工建筑物。 水利枢纽:水利枢纽:由不同
13、的由不同的水工建筑物组成的综合体水工建筑物组成的综合体称称为水利枢纽。为水利枢纽。2.2 水工建筑物的分类 水工建筑物按其作用可以分为水工建筑物按其作用可以分为六类六类。 挡水建筑物挡水建筑物 用以拦截江河,形成水库或壅高水位,如:各种坝用以拦截江河,形成水库或壅高水位,如:各种坝和水闸和水闸 为抗御洪水或挡潮,沿江河、海岸修建的堤防、海为抗御洪水或挡潮,沿江河、海岸修建的堤防、海塘等塘等 泄水建筑物泄水建筑物。用以宣泄多余水量、排放泥沙和冰凌或为用以宣泄多余水量、排放泥沙和冰凌或为人防、检修而放空水库、渠道等,以保证坝和其它建筑物人防、检修而放空水库、渠道等,以保证坝和其它建筑物的安全。水利
14、枢纽中的泄水建筑物可以与坝体结合在一起,的安全。水利枢纽中的泄水建筑物可以与坝体结合在一起,如:各种溢流坝、坝身泄水孔;也可设在坝体以外,如:如:各种溢流坝、坝身泄水孔;也可设在坝体以外,如:各式岸边溢洪道和泄水隧洞等。各式岸边溢洪道和泄水隧洞等。 输(引)水建筑物输(引)水建筑物。为发电、灌溉和供水的需要从上。为发电、灌溉和供水的需要从上游向下游输(引)水用的建筑物,如:引水隧洞、引水渠游向下游输(引)水用的建筑物,如:引水隧洞、引水渠道、引水涵管、渡槽和倒虹吸等。道、引水涵管、渡槽和倒虹吸等。 取水建筑物取水建筑物。是。是输水建筑物的首部建筑输水建筑物的首部建筑,即引水隧洞,即引水隧洞等的
15、进水口段。如:各种用水部门的进水塔,水电站的坝等的进水口段。如:各种用水部门的进水塔,水电站的坝上进水口、灌溉渠首和城市供水用的进水闸、进水井和扬上进水口、灌溉渠首和城市供水用的进水闸、进水井和扬水站等。水站等。 整治建筑物整治建筑物。用以改善河道的水流条件,调整水流对。用以改善河道的水流条件,调整水流对河床及河岸的作用;同时,也为水库、湖泊中的波浪和水河床及河岸的作用;同时,也为水库、湖泊中的波浪和水流对岸坡的冲刷而修建的建筑物。如:丁坝、顺坝、导流流对岸坡的冲刷而修建的建筑物。如:丁坝、顺坝、导流堤、护底和护岸等。堤、护底和护岸等。 专门建筑物专门建筑物。为发电、灌溉、过坝需要而兴建的建筑
16、。为发电、灌溉、过坝需要而兴建的建筑物,如:专为发电用的沉沙池、压力前池、调压室、电站物,如:专为发电用的沉沙池、压力前池、调压室、电站厂房;专为灌溉用的冲沙闸;以及为过坝用的通航船闸、厂房;专为灌溉用的冲沙闸;以及为过坝用的通航船闸、升船机、鱼道和过木道等建筑物。升船机、鱼道和过木道等建筑物。第三章挡水建筑物挡水建筑物是水利枢纽中最重要的水工建筑挡水建筑物是水利枢纽中最重要的水工建筑物。各种坝的类型较多,下图为几种坝的类物。各种坝的类型较多,下图为几种坝的类型示意图。型示意图。坝的类型示意图坝的类型示意图(a a)重力坝重力坝(b b)拱坝拱坝(c c)支墩坝)支墩坝(d d)预应力锚固坝)
17、预应力锚固坝(e e)桩基锚固坝)桩基锚固坝(f f)橡胶坝)橡胶坝(g g)土石坝土石坝 1 1预应力锚索预应力锚索 2 2桩桩 3 3橡胶袋橡胶袋3.1 重力坝主要依靠自身重量抵抗外力,用以保持稳定的混主要依靠自身重量抵抗外力,用以保持稳定的混凝土坝或砌石坝。常用的实体重力坝如下图所示凝土坝或砌石坝。常用的实体重力坝如下图所示重力坝示意图重力坝示意图1 1非溢流重力坝;非溢流重力坝;2 2溢流重力坝;溢流重力坝;3 3横缝;横缝;4 4导墙;导墙;5 5闸门;闸门;6 6坝体排水管;坝体排水管;7 7交通、检查和坝体排水廊道;交通、检查和坝体排水廊道;8 8坝基灌浆、排水廊道;坝基灌浆、排
18、水廊道;9 9防渗帷幕;防渗帷幕;1010坝基排水孔幕坝基排水孔幕1.1.重力坝的重力坝的工作特性和分类工作特性和分类 重力坝在水平水压力及其他荷载作用下,主要重力坝在水平水压力及其他荷载作用下,主要依靠坝体自重产生的抗滑力来依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求满足稳定要求;同时;同时依靠坝体自重产生的压应力来抵消由于水压力作用依靠坝体自重产生的压应力来抵消由于水压力作用在坝底层面上所产生的拉应力,以在坝底层面上所产生的拉应力,以满足强度要求满足强度要求。 重力坝重力坝按横剖面形式按横剖面形式,可分为实体重力坝、宽,可分为实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝和腹拱重力坝;缝重力坝、空腹重力坝和
19、腹拱重力坝;按是否溢流按是否溢流分为溢流重力坝和非溢流重力坝,前者常布置在河分为溢流重力坝和非溢流重力坝,前者常布置在河道中心河床较深处;道中心河床较深处;按筑坝材料按筑坝材料分为混凝土重力坝分为混凝土重力坝和浆砌石重力坝。和浆砌石重力坝。(a)宽缝重力坝(单位:m) 1坝体;2宽缝;3坝身排水孔; 4坝基灌浆廊道;5防渗帷幕;6坝基排水孔幕;7止水片 (b)枫树坝(空腹重力坝) 剖面示意图 (c)石泉腹拱重力坝1腹孔;2消力库;3戽端灌浆孔;4坝基排水孔幕;5防渗帷幕;6闸门;7工作桥重力坝类型重力坝的基本剖面是重力坝的基本剖面是三角形三角形常用的实用剖面形态。常用的实用剖面形态。 根据工程
20、经验:根据工程经验:l一般上游坝坡坡率一般上游坝坡坡率n=00.2,常做成铅直或上部铅直下部,常做成铅直或上部铅直下部倾向上游的;倾向上游的;l下游坝坡坡率下游坝坡坡率m=0.60.8;l底宽约为坝高的底宽约为坝高的0.70.9倍。倍。 除了满足强度和稳定要求,溢流重力坝还涉及到孔口尺寸、除了满足强度和稳定要求,溢流重力坝还涉及到孔口尺寸、溢流堰形态和消能方式的合理选择。装设闸门的溢流坝,溢流堰形态和消能方式的合理选择。装设闸门的溢流坝,需用闸墩将溢流坝段分割成若干个等宽的孔口。溢流堰顶需用闸墩将溢流坝段分割成若干个等宽的孔口。溢流堰顶部曲线多采用部曲线多采用WESWES型。型。消能防冲形式(
21、消能工)消能防冲形式(消能工):底流消能底流消能通过水跃,消通过水跃,消除多余动能的消能方式;除多余动能的消能方式;挑流消能挑流消能利用泄水建筑物出口处的挑流鼻坎,利用泄水建筑物出口处的挑流鼻坎,将下泄的急流抛向空中,然后落入离建筑物较远的将下泄的急流抛向空中,然后落入离建筑物较远的河床。河床。另外还有另外还有面流消能面流消能、消力戽消能消力戽消能和多种消能工联合和多种消能工联合消能。消能。(1 1)坝顶构造。坝顶构造。一般用实体结构,顶面按路面设计,在一般用实体结构,顶面按路面设计,在坝顶上布置排水系统和栏杆或防浪墙等以及照明设备。也坝顶上布置排水系统和栏杆或防浪墙等以及照明设备。也可采用轻
22、型结构。可采用轻型结构。 设置在重力坝体内的各种通道简称廊道。设置在重力坝体内的各种通道简称廊道。 按其按其用途用途可分为坝基灌浆廊道、排水廊道、观测检查可分为坝基灌浆廊道、排水廊道、观测检查廊道、交通廊道以及其他用于闸门操作、电缆敷设的专用廊道、交通廊道以及其他用于闸门操作、电缆敷设的专用廊道等。廊道等。 按其按其布置布置可分为纵向廊道(廊道轴线与坝轴线平行)可分为纵向廊道(廊道轴线与坝轴线平行)和横向廊道(廊道轴线与坝轴线垂直)。纵、横廊道及竖和横向廊道(廊道轴线与坝轴线垂直)。纵、横廊道及竖井互相连通形成廊道系统,由进出口与坝外相通,见图。井互相连通形成廊道系统,由进出口与坝外相通,见图
23、。(1)坝基开挖与清理)坝基开挖与清理 坝基开挖与清理的目的是:使坝体能座落在稳定、坚坝基开挖与清理的目的是:使坝体能座落在稳定、坚固的地基上。固的地基上。(2)坝基的固结灌浆)坝基的固结灌浆 固结灌浆的目的是:提高基岩的整体性和强度、弹性固结灌浆的目的是:提高基岩的整体性和强度、弹性模量,降低地基的透水性。模量,降低地基的透水性。(3)帷幕灌浆)帷幕灌浆 帷幕灌浆的目的是:降低坝底渗透压力,减少坝基渗帷幕灌浆的目的是:降低坝底渗透压力,减少坝基渗流量,防止坝基内产生机械或化学管涌。灌浆材料最常用流量,防止坝基内产生机械或化学管涌。灌浆材料最常用的是水泥浆。的是水泥浆。 防渗帷幕示意图如图所示
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