水工概论.ppt

水利事业与水利工程概述,自然界可利用的天然径流量的缺乏及其在时间、空间上分布的不均匀性，造成了枯水期面临干旱，丰水期面临洪水的局面。为防止洪水泛滥成灾、扩大灌溉面积、充分利用水能发电等，需采取各种工程措施对河流的天然径流进行控制和调节，合理使用和调配水资源。这些措施中，需修建一些工程结构物，这些工程统称水利工程。,水利事业的首要任务是消除水旱灾害，防止大江大河的洪水泛滥成灾，保障广大人民群众的生命财产安全。第二是利用河水发展灌溉，增加粮食产量，减少早涝灾害对粮食安全的影响。第三是利用水力发电、城镇供水、交通航运、旅游、生态恢复和环境保护等。,水利工程的分类,水利工程按其承担的任务可分为：防洪工程、农业水利工程、水利发电工程、供水与排水工程、航运及渔业工程、水土保持以及环境水利工程等。一项工程同时兼有几种任务时称为综合利用水利工程。,防洪工程1、防止洪水灾害的重要性2、我国历史上的洪水灾害3、建国后抗洪斗争的成就4、当前防洪存在的问题5、防洪措施,防止洪水灾害的技术措施主要有如下几类：,水库拦洪 疏通河道，提高行洪能力 蓄滞洪区分洪减流 加强水土保持，减小洪峰流量和泥沙淤积 建立洪水预报、预警系统和洪水保险制度,农业水利工程调节农田水分，为作物的稳产高产创造必要条件。为保持适于作物生长的农田水分状况，向农田输水、配水或排水称为农田水利。,1、农田水利的重要性农业是国民经济的基础，是任何社会不可缺少的生产部门。农田水利事业的目的，在于通过工程设施来调节和改变农田水分状态和地区水利条件，使之符合发展农业生产，促进农业生产的发展。2、我国农田水利成就,3、农田水利措施农田水利措施包括改变地区水情和调节农田水分状况两个方面。,水力发电,1、水力发电的优点：2、水利发电主要是解决水头问题3、水能计算的基本公式水流发电能力的基本计算公式是 N=9.81HQ式中 N水电站出力，kW H水头，即上下游水位差，m，Q流量，m3/s一水电站效率。,4、水力发电措施,水头和流量数值，直接决定着水能的大小，瀑布、河流急滩段等落差集中的地点，是建造水电站的有利地形。,城市、工业供水与排水,供水是指供给城市人民生活和工矿企业生产所需足量、优质的水；排水是指排除废水、污水及可能的暴雨积水。1、供水与人类生活生产的关系2、我国现代化建设对水的需求。3、过度开采地下水的危害4、节约用水与供排措施,航运,我国江河众多，通航里程约10.9万km，而且江河布局有利于水运，大江大河贯通东西，大小支流从南北汇入江河，构成纵横交错的天然河网布局，大多数河流流量丰沛、比降平缓、发展内河运输条件十分优越。而且，多数河流汇入大海，河运与海运可以相衔接；终年不冻，可以四季通航。并且流经物产富庶、人烟稠密地区，有利于人文经济的发展。,渔业,渔业又称水产事业，它是从海洋和淡水水域获取各种有经济价值的水生动物和植物的生产事业。海洋渔业和淡水渔业是整个水产事业的两大组成部分。淡水渔业又有二个方面：一是捕捞天然生长的鱼、贝、藻等；另一是人工培育养殖。前者称捕捞生产，后者称淡水养殖生产。,水土保持,1、水土流失现象的严重性由于地面被覆不良，水分涵养条件差，降雨时雨水大量流动，侵蚀和冲刷地表土壤，造成水分和土壤流失的现象，叫做水土流失。,2、水土流失的危害水土流失常把地表肥沃的土壤冲走，还使地面被冲刷成许多沟壑。由于水流含沙量过多，常使河床淤高，湖泊淤塞，使水库、塘堰和渠道等水利工程的效能受到影响，也常使航道和港口受到阻塞。3、防治水土流失的重要性水和土是人类赖以生存的条件，世界上最大的沙漠北非洲撒哈拉沙漠，1934年美国发生巨大的“黑风幕”，我国的水土流失以黄河中游的黄土高原地区最为严重，,4、水土保持措施，,生物措施；造林、种草；培育植被，禁止滥伐乱垦。农业措施修筑梯田，等高条播，合理耕作等。水利措施修建蓄水池、谷坊、淤地坝、沟头防护等工程,环境水利工程,四个阶段：原始水利：工程水利：资源水利：环境水利：,环境水利,既解决与水利工程有关的环境问题，也解决与环境有关的水利问题，在水资源的利用已接近水资源的承载力时，人类对水资源的影响和改造最为活跃，需加强水资源和水环境的保护，以保障社会经济发展的需水要求和水资源的可持续利用。1979年11月我国提出了从工程水利转变为环境水利、生态水利的战略思想，把水利建设的立足点放到环境水利上，以生态环境的动态评价为准则，促进当代水利科学有一个新发展。,环境工程技术,是指人类基于对生态系统的认知，为实现生物多样性保护及可持续发展，所采取的以生态为基础，安全为导向，对生态系统损伤最小的可持续系统工程的总称。,水利枢纽及水工建筑物,为了达到防洪、灌溉、发电、供水等目的，需要修建各种不同类型的水工建筑物，以用来控制和支配水流，这些建筑物统称为水工建筑物。而由不同作用的水工建筑物组成的协同运行的工程综合群体称为水利枢纽。,水利枢纽和水工建筑物的分类,水利枢纽水利枢纽按其作用主要可分为蓄水枢纽、发电枢纽、引水枢纽等。一个水利枢纽的功能可以是单一的，但多数是兼有几种功能的，称为综合利用水利枢纽。如果水工建筑物所组成的综合体覆盖相当大的一个区域，其中不仅包括一个水利枢纽而且包括几个水利枢纽，形成一个总的系统，那么这一综合体便称为水利系统。,水工建筑物的分类,水工建筑物的种类繁多，形式各异，按其在枢纽中所起的作用可分为以下几种：挡水建筑物：泄水建筑物：输水建筑物：取水建筑物：河道整治建筑物：专门建筑物：,水工建筑物的特点,1、工作条件复杂 2、施工条件艰巨3、建筑物独特4、与周围环境相关5、对国民经济影响巨大,水利枢纽的分等和水工建筑物的分级,1、分等分级的原则：为使工程的安全可靠性与其造价的经济合理性恰当地统一起来，水利枢纽及其组成的建筑物要进行分等分级。即首先按水利枢纽工程的规模、效益及其在国民经济中的作用进行分等，然后再对各组成建筑物按其所属枢纽的等别、建筑物在枢纽中所起的作用和重要性进行分级。2、依据：根据我国水利部颁发的现行规范水利水电枢纽工程等级划分及洪水标准(SL2522000)，水利水电枢纽工程按其规模、效益和在国民经济中的重要性分为五等。枢纽中的水工建筑物按其所属枢纽工程的等别及其在工程中的作用和重要性分五级。,我国水利事业的发展前景我国水利水电建设前景人水和谐相处，高效节约用水要提高水资源的利用效率，进行水资源统一管理，促进水资源优化配置。,水利工程建设与基础学科的发展水利科学成为一门相对独立的综合性科学，在学科体系上包括基础学科：数学、物理学、地理学等，专业基础学科：水文学、河流动力学、固体力学、土力学、岩石力学等，专业学科：水资源综合利用、水工学、河工学、灌溉与排水、水力发电、航道与港口、水土保持、城镇给排水等。,水利工程建设与工程力学,工程力学的性质、任务和内容工程力学是研究工程结构的受力分析、承载能力的基本原理和方法的科学。它是工程技术人员从事结构设计和施工所必须具备的理论基础。在水利工程建设、房屋建筑和道路桥梁等各种工程的设计和施工中都要涉及到工程力学问题，为了承受一定荷载以满足各种使用要求，需要建造不同的建筑物，如水利工程中的水闸、水坝、水电站、渡槽、桥梁、隧洞等。,工程力学的研究对象是杆件结构和二维平面实体结构。任务包括：研究结构的组成规律，合理形式以及结构计算简图的合理选择。研究结构内力和变形的计算方法以便进行结构强度和刚度的验算。研究结构的稳定性。,工程力学的计算问题分为两类：一类为静定问题，只需根据平衡条件即可求解；另一类为超静定问题，必须满足以下三个基本条件，方可求解。力系的平衡条件：在一组力系作用下，结构的整体及其中任何一个部分都应满足力系的平衡条件。变形的连续条件：即几何条件连续的结构发生变形后仍是连续的材料没有重叠式缝隙，同时结构的变形和位移应满足支座和结点的约束条件。物理条件：把结构的应力和变形联系起来的条件，即物理方程式结构方程。在工程实际中，建筑物的主要作用是承受荷载和传递荷载。由于荷载的作用，组成建筑物的构件产生变形，并且存在着发生破坏的可能性。而构件本身具有一定的抵抗变形和破坏的能力叫做承载能力。构件承载能力的大小与构件的材料性质，几何形状和尺寸，受力性质，构件条件和构件情况有关。构件所受的荷载与构件本身的承载能力是矛盾的两个方面。因此，在结构设计中利用力学的知识，既要对荷载进行分析和计算，也要对构件承载能力进行分析与计算，这种计算表现为三个方面：强度，刚度，稳定性。水工建筑物构件的材料多为钢筋混凝土或混凝土，则工程结构的任务就是研究钢筋混凝土或混凝土结构构件的设计计算问题，根据各种钢筋混凝土或混凝土构件的受力特点，结合材料的特性，研究各类构件的强度，刚度，裂缝的计算及配筋和构造知识。,工程力学在水利工程建设中的发展工程力学主要解决建筑物本身的可靠性，进行稳定，强度，变形校核，以确定截面尺寸及配筋和抗裂、限裂的要求。工程力学和工程结构是在生产实践和科学实验的基础上发展起来的，我国古代劳动人民在房屋建筑、桥梁工程和水工建筑方面取得了辉煌成就。如隋代的赵州桥、清代的都江堰水利工程等。由于国际上岩土力学、混凝土力学、流体力学以及有关数值方法的发展，水工结构学科的力学基础有了很大的进步，为更深入地了解水工建筑物（如大坝）工作性态和破坏机理提供了研究手段。尽管我国在以往的工程实践和研究中积累了大量的理论成果和丰富的实践经验，许多技术处于世界领先水平，但我国水工结构学科的基础研究仍有待提高。,水利工程建设与水力学水力学的性质、任务和内容水力学是研究以水为代表的平衡和机械运动的规律及其应用的一门学科，是力学的一个分支，属于应用力学的范畴。针对不同的专门问题，水力学学科又形成了工程水力学，计算水力学，生态环境水力学，冰水力学等。水力学所研究的基本规律；水静力学是研究液体在平衡或静止状态下的力学规律；水动力学是研究液体在运动状态下的力学规律。,水利工程中的水力学问题,1、水对水工建筑物的作用力问题：2、水工建筑物的过水能力问题：3、水流流动形态问题：4、水能利用和水能消耗问题：5、水工建筑物中渗流问题：,渗流又可分为有压渗流和无压渗流两类。,有压渗流：在透水地基上修建闸，坝，河岸溢洪道等水工建筑物后，上游水位抬高，在上下游水位差的作用下建筑物透水地基中产生渗流，这种渗流因受建筑物基础的限制，一般无自由表面，故称为有压渗流。无压渗流：在很多情况下，渗流是无压的，如土坝坝身的渗流，水井的渗流等，这种渗流像地面明渠水流一样，水面可自由升高和降落，有一自由表面，水面各点的压强就是大气压强，无压渗流的计算问题时确定浸润线。,在实际中所遇到的水力学问题不止上述内容，需要解决的问题还很多，如掺气与气蚀，冲击波与冲击力以及江、河、湖、海水面的波浪运动以及力学模型试验等等。此外，水利工程中还会遇到某些特殊水力学问题，如空蚀问题，掺气问题，挟沙水流问题以及污染扩散，冰压力等问题。,水力学在水工建设中的发展1、水利事业的发展带动了水力学学科的发展，水力学理论的研究和发展在水利水电工程建设中发挥着重要的作用。古代劳动人民兴建了都江堰，郑国渠等著名的水利工程，都是正确运用水流运动规律的结果。2、水工建设中水工设计，规划，施工，管理都离不开水力学问题。消能防冲技术不断发展，我国在消能防冲方向相继创造的宽尾墩消能工窄缝式消能工，高低坝大差动消能结构，高坝水垫塘消能，掺气分流墩等，在泄洪消能问题中发挥了很大作用。施工截流：如我国的三峡，小浪底等工程中在截流块体计算中，采用了运动流速的概念，这是截流水力学研究的一个很大进步。还有发电站水力学，船闸水力学等方向也有了新发展。,水利工程建设与土力学,土力学的性质、任务和内容土力学是以力学为基础，结合土工试验来研究土的强度和变形及其规律的一门技术科学，主要任务是正确反映和预测土的力学性质，确定各类工程的土体在各种复杂环境下的变形和强度稳定性的需要。由于土是一种复杂的多相体系，研究时要考虑各种因素对变形和稳定的影响。例如土体饱和程度的变化，物理状态的变化，渗流和孔隙压力的存在，土与结构的相互作用，温度，时间，湿度等。这就引出了土力学学科与土体的强度理论，固结理论，土压力理论，边坡理论和地基承载力理论等等的关系。土力学在不同的工程领域中都有应用。如水利，交通，建筑，水运，石油，采矿，环境等。随着科学的发展，土力学的研究领域也在不断扩大，如冻土力学，岩土工程中的水文地质灾害成因，预报和防治等。它将在工程建设中解决复杂的工程问题。,土力学是利用力学知识和土工试验技术来研究土的强度，变形及规律性的一门学科。一般认为，土力学是力学的一个分支，但由于它研究的对象土，是以矿物颗粒组成骨架的松散颗粒集合体，其力学性质与一般刚性或弹性固体，以及流体等都有所不同。因此，一般连续体的力学规律，在土力学中应结合土的特殊情况作具体应用。此外，还要用专门的土工试验技术来研究土的物理力学性质。,土力学的研究内容，主要有如下几个方面:,1、土的物理力学性质,土工试验的基本原理和操作方法。主要包括土的物理性质及指标，力学性质及指标以及土的工程分类。土的力学性质主要是指土的抗剪强度，土的渗透性，土的压缩性及土的压实性。2、土体在承受荷载和自重作用下的应力计算和应力分布，以及对周围环境的影响，土体的变形和稳定性。3、建筑物设计中有关土力学内容的计算方法，包括地基承载力，土坡的稳定性，挡土结构土压力，基础设计等。,土力学在水工建设中的发展,在工程建设中，特别是在水利工程建设中，土坡广泛用做各种建筑物的地基，材料和周围介质。当在土层上修建房屋，堤坝，涵闸，渡槽，桥梁等建筑物时，土被用做地基。当修建土坝，土堤和路基等土木建筑物时，土还用做填筑材料（土料）。当在土层中修建涵洞及渠道时，土又成为建筑物的周围介质。,在工程建设中，无论是勘测，设计，施工都和土有联系，自然就离不开土力学的基本知识。,1、勘测阶段：该阶段要为设计收集资料，因此首先必须根据土多样性，复杂性的特点，了解土的物理力学性质，重视土的工程地质勘探，取样和土工试验工作，充分研究土的类别，性质和状态，针对具体工程进行分析，区别利用。有许多工程在此阶段对地基或填土的基本资料分析研究得不够，而造成浪费或工程事故。2、设计阶段：水工建筑物设计的基本理论，有许多基于土力学的知识，如设计土坝，需要选择土料和坝型，土坝的断面形式尺寸是否合适，坝坡能否产生滑动，土坝的坝基及下游是否产生渗透变形。又如水闸的地基是否稳定，沉降量是否过大，挡土结构在土压力作用下是否失去稳定等等。总之，在水工稳定性分析及结构设计中都离不开土力学所提出的基本理论和方法。只有根据这些理论和方法，才能确定经济安全的建筑物合理形式和断面尺寸。3、施工，管理运用阶段：在土坝的施工中要用碾压方法压实填土，而碾压质量控制和施工要求都与土的压实性有关。又如在施工中运用时要充分了解和掌握土的易变性特点，即土的性质易随外界的温度，湿度，压力等的影响而发生变化。所以要加强观测，及时采取有利措施以保证建筑物的安全。土力学是一门即古老，又新兴的学科，由于生产的发展和生活上的需要，人类很早就已懂得广泛利用土进行工程建设。近四十年来，由于生产建设的发展和需要，土力学的领域又有了明显的扩大，如土动力学，冻土力学，海洋土力学，环境土力学，地基加固的方法与理论等,水利工程建设与工程水文学,工程水文学的性质、任务和内容水文学和水资源学是水资源可持续利用的科学基础。是水利类专业技术基础课。它为水利工程设计和管理提供基本水文知识和水利计算方法。水文学是研究地球上水的时空分布与运动规律并应用于水资源开发利用与保护的科学，水资源学是水文学在水文循环领域的延伸。水文学的学习是要求学生了解水文测验的一般方法，能收集水文计算与径流调节所需的基本资料；初步掌握水文计算与径流调节的基本原理和主要方法；能从事中小型水利水电工程规划设计的水文计算及以灌溉为主的水库径流调节计算和一般调洪计算。为进行方案比较，进一步确定工程规模和运行管理，提供所需的水文依据。地球上的降水与蒸发、水位与流量、含沙量等水文要素，在年际及年内不同时期，因受气候、下垫面、人类经济活动等因素的影响，其变化是很复杂的，这些变化的现象称为水文现象。不重复性是指水文现象无论什么时候都不会完全重复出现。地区性是表示水文现象随地区而异，每个地区都有各自的特殊性。周期性是指水文现象具有周期地循环变化的性质。,工程水文学包括水文计算、水利计算和水文预报等内容。,水文计算的任务是在工程规划设计阶段确定工程的规模。规模过大，造成工程投资上的浪费；过小，又使水资源不能充分利用。在工程施工阶段，需要提供一定时期的水文预报。而在管理运营阶段，工程水文学的主要任务是建成的工程充分发挥作用，因此需要一定时期的水文情况，以便确定最经济合理的调度方案。,工程水文学在水工建设中的的发展水文学经历了由萌芽到成熟、由定性到定量、由经验到理论的发展过程。我国的水文知识在古代是居于世界领先地位的。如宋秦九韶在数书九章记有当时全国都有天池盆测雨量及测雪量的计算方法。吕氏春秋最先提出水文循环，至今尚为世界学术界所称道。进入20世纪，城市建设、动力开发、交通运输、工农业用水和防洪等水利工程建设的发展，促进了水文科学的迅速发展。水文站网不断扩大，实测资料积累丰富，为水文分析研究提供了前所未有的条件，应用水文学取得了许多新的进展。进入20世纪50年代后，随着电子计算技术的发展，出现了水文数学模型，为水文科学的进一步发展开创了新途径。蓄水枢纽概述蓄水枢纽的特点人类在实践中创造了许多除水害、兴水利措施，径流调节就是其中一种。所谓径流调节即按人们的需要，利用水库控制径流和重新分配径流。当河流天然流量及水位在各年间及一年内均有较大变化而不能满足用水要求时，需在河道上修建拦河坝以形成水库并抬高上游水位，利用水库的库容调节来水流量，达到防止水害、兴办水利的各项目的。水库作为蓄水的工具，对水量和时程的调节作用是十分显著的。如图3-1所示，实线表示某地河流一个水利年(从汛期开始，到下一个汛期前结束)里的来水过程，虚线表示某地一年里逐月的需水量的计划过程。实线与横坐标轴所包围的面积是该年的来水总量，虚线与横坐标轴所包围的面积是该年的需水总量，数量二者相等，说明水量是够用的。只是在611月上半月，来水满足各月用水之后尚有富余，富余水量为所示；在以后的月份里，来水不能满足各月用水需要，缺水量为所示；根据原有条件，和一前一后，尽管形状不同，数量是一样的。这就需要修建一座能蓄前所代表的多余水量，待到后之时使用。这就是水库年调节的道理和设计水库容积的一般概念。水库如果修得再大，就可以把多水年份多余的水，蓄积起来供枯水年份使用，进行多年调节。径流调节根据径流在时间上进行重分配的周期长短分为年调节、多年调节、月调节、日调节等。径流调节还可以根据它的特殊作用来划分补偿调节，再调节和洪水调节等。综合利用的水库，需具有防洪和几种兴利作用的多目的的调节作用。一座水库，除必须有拦河坝外，为了保证工程安全，还需修建溢洪道等，以宣泄多余洪水；并修建水工遂洞，坝下涵管和坝身引水孔、管等引水建筑物，用来从水库引水以满足各项用水要求。水库工程中的挡水建筑物、泄水建筑物和引水建筑物组成一个综合体，称为蓄水枢纽。蓄水枢纽除一般性建筑物外，根据开发目标的不同，还要设置专门性建筑物，如水电站和通航船闸等。一个蓄水枢纽除了挡水，泄水、引水和专门性建筑物外，还可能有放空、导流等其他建筑物。坝是蓄水枢纽中的主要建筑物，根据不同的筑坝材料与坝型，可将坝分为：用当地土、石料修建的土坝和堆石坝；用浆砌石、混凝土修建的重力坝和拱坝；用浆砌石、混凝土以及钢筋混凝土修建的大头坝和轻型支墩坝等。在我国已建成的8.6万余座大、中、小型水库中，拦河坝采用土石坝是最多的，其次砌石及混凝土重力坝和拱坝、堆石坝，其他坝型采用得较少。泄水建筑物分河岸式与河床式两类。前者位置远离挡水建筑物，泄流时对坝体安全影响较小，后者枢纽建筑物布置紧凑，运行管理较方便。水工隧洞除在蓄水枢纽中作泄水及引水建筑物外，也可在渠道系统中用作输水；渠道系统中的无压输水隧洞与蓄水枢纽中的无压隧洞洞身在型式和设计等方面基本上是相同的。水库特征水位及其相应库容库容大小决定着水库调节径流的能力和它所能提供的效益。因此，确定水库特征水位及其相应库容是水利工程规划、设计的主要任务之一。图3-2标出了长期调节水库具有专门含义的各种特征水位及其相应的库容。1、死水位和死库容水库在正常运行情况下，允许水库消落的最低水位，称为死水位，该水位以下的库容即为死库容。除遇特殊情况，死库容不参与调节径流，即其中的蓄水量一般不动用。2、正常蓄水位和兴利库容水库在正常运用情况下，为满足设计的兴利要求，在设计枯水年（或枯水段）开始供水时应蓄到的水位，称正常蓄水位，又称正常高水位或设计兴利水位。该水位与死水位间的库容即为兴利库容（或调节库容）。正常蓄水位到死水位间的水库深度称消落深度（或工作深度）。3、防洪限制水位水库在汛期允许兴利蓄水的上限水位，称防洪限制水位，可根据洪水特性和防洪要求，对汛期不同时期分段拟定。把防洪限制水位定在正常蓄水位以下时，则防洪库容与兴利库容将有所结合，从而减小专用防洪库容。该结合的库容称共用库容或重叠库容，在汛期它是防洪库容的一部分，而在讯后则为兴利库容的一部分。4、防洪高水位和防洪库容遇下游防护对象的设计洪水时，水库为控制下泄流量而拦蓄洪水，这时在坝前达到的最高水位称为防洪水位。该水位与防洪限制水位间的库容称为防洪库容。5、设计洪水位和拦洪库容遇大坝设计洪水时，水库在坝前达到的最高水位，称设计洪水位。该水位与防洪限制水位间的库容，称为拦洪库容。6、校核洪水位和调洪库容遇大坝校核洪水时，水库在坝前达到的最高水位，称校核洪水位。该水位与防洪限制水位间的库容，称为调洪库容。7、总库容和有效库容校核洪水位以下的全部静库容称总库容，死水位以上的静库容称有效库容。显然，在设计洪水位或校核洪水位以上，考虑风浪影响并按设计规划另加相应的安全超高，即定出大坝的坝顶高程。水库特征水位和特征库容的确定称为水库规划。水库规划与河流的水情，国民经济各部门的要求和建设投资等条件有关，枢纽正常运行中各部门之间对水的要求有所不同；如防洪部门希望汛前降低水位加大防洪库容，而兴利部门则希望扩大兴利库容而不愿汛前过多降低水位；水力发电只是利用水的能量而不消耗水量，发电后的水仍可用于农业灌溉或工业供水，但发电、灌溉和供水的用水时间不一定一致。因此在进行水利枢纽设计时，应使上述矛盾能得到合理解决，以做到降低工程造价，满足国民经济各部门的需要。水利枢纽布置实例中低水头水利枢纽修建在河流中，下游的丘陵、盆地或平原地区的水利枢纽一般是位于河床坡度平缓、河谷宽阔的河段上，枢纽中的主要建筑物是较低的拦河闸或坝，由于雍水不高，可称作中、低水头水利枢纽。其库容较小，调节能力不大，电站多为径流式。挡水建筑物可建在岩基或软基上。由于地形开阔，这类枢纽比较容易布置。通常的布置形式是过坝建筑物、泄水建筑物和电站厂房一字摆开。枢纽布置的关键问题是选好过坝建筑物的位置，妥善处理好泄洪消能及防淤排沙问题。实例：图3-3及彩图4为长江葛洲坝水利枢纽布置图。它是我国在长江干流上修建的第一座大坝，位于三峡工程坝址下游40km处，下距宜昌市约6km。枢纽主要任务是对正在兴建的三峡电站进行反调节，解决未来三峡电站日调节不稳定流对下游航道及宜昌港的不利影响及发电作用。主体建筑物有泄水闸、船闸、电站厂房、冲沙闸及挡水建筑物等。枢纽总库容15.8亿m3。最大闸坝高47m，大坝全长2595m。电站总装机容量271.5万kW。1、2号大型船闸可通过万吨级货驳船及客轮。图3-3长江葛洲坝水利枢纽工程布置图单位：m1土石坝；23号船闸；3三江冲沙闸；4三江混凝土坝；52号船闸；6混凝土坝；7二江电站；8左导墙；9泄水闸；10右导墙（纵堰）；11大江电站；121号船闸；13大江冲沙闸；14右岸土石坝；15、16开关站；17、18防淤堤；19、20导沙坎葛洲坝工程坝址处河宽2200m。江中有葛洲坝和西坝两座小岛自右向左将长江分为大江、二江和三江。大江是主河糟，二、三江枯水期断流。其坝址地形和水文条件的主要问题是，长江出南津关后自东转向南流，南津关以上峡谷河宽约300m，到坝址处急剧展宽至2200m，水流流速减缓，向下至宜昌市江面又缩至800m。坝址又位于河流弯道，泥沙较多，如枢纽布置不当，将淤塞航道和影响发电。因而，在枢纽布置时，首先应适应长江河势，妥善安排好主流位置，以利于通航、发电、排沙和泄洪。经过多种方案比较和水工、泥沙模型试验，最后确定枢纽布置如下：挖掉江中葛洲坝，将枢纽中的关键建筑物一27孔二江泄水闸居中布置在正对主流的深槽位置，以利于泄洪、排沙和满足河势要求。在上游，左右各设置一道防淤堤，既可束窄主流河道，有利于拉沙、稳定主槽和消除回流淤积，又能在两侧形成与主流分开的三江和大江两条独立的人工航道（大江下游并设导航墙）。在大江航道中设有1号大型船闸；三江航道中设有2号和3号大、中型船闸各一座。为防止上游航道淤积，在大江航道1号船闸右侧布置9孔泄洪冲沙闸一座；在三江航道2、3号船闸之间布置6孔泄洪冲沙闸一座，在需要时可开闸拉沙、冲沙。为提前发挥发电效益，将枢纽电站分设在大江、二江两处，二江电站装机容量2X17万kW5xl2.5万kW，大江电站装机14xl2.5万kW。第一期工程建二江电站，使提前投产。为防止厂前泥沙淤积和减少粗砂通过水轮机，在两座厂房进水口上游均布置了导沙坎，进水口下部设置排沙底孔。在西坝和大江右岸，分别布置220kv和500kv开关站。葛洲坝工程坝址的主要工程地质问题是坝基存在着粘土岩类软弱夹层，其抗剪强度低，且产状和倾角对抗滑和抗渗透均不利。经多种方案分析比较，并对泥化夹层进行了野外大型抗力体试验，最后采用防渗板、混凝土齿墙、尾岩抗力（部分抗力体还加设钢筋混凝土加固桩）和加强防渗排水等综合性阻滑措施。虽然葛洲坝工程坝址的地形、水文和地质条件比较复杂，并有重大地质缺陷，但由于能用相应的优化设计方案去适应，最后取得了枢纽布置设计的成功。高水头水利枢纽高水头水利枢纽一般修建在河流上游的高山狭谷之中，其特点是坝高，河谷狭窄，洪水流量大。枢纽主要用于发电，发电厂房和泄洪建筑物都要求有较大的长度。因此，泄洪建筑物的型式和布置，是影响枢纽布置的重要因素。当枢纽兼有防洪、发电和通航等多项综合任务时，尤其是洪峰高、装机规模大和过船设施吨位大的情况，枢纽布置设计必须妥善处理好泄洪、发电、导流和通航等建筑物之间的相互关系，以免互相干扰。泄洪和发电建筑物的布置通常有两者分散布置和两者重叠布置两大类。一般说，分散布置可能更有利于施工和运行，但重叠布置使枢纽布置紧凑并可能节省投资。如在峡谷高边坡下修建地面厂房，需持慎重态度，高边坡稳定处理任务往往十分艰巨。实例：乌江渡水电站位于贵州省乌江中游，是我国在岩溶地区兴建的第一个大型水电站，见图3-4及彩图5。图3-4乌江渡水电站平面布置图坝址处河谷狭窄，岸坡陡峭，枯水期水面宽仅70m。大坝座落在石灰岩地层上，两岸岩溶及暗河发育，断裂密集，坝址下游50m处有厚约80m的页岩层横穿河谷，地质构造复杂，附近无可供利用的天然建筑材料。防洪标准按500年一遇19200m3/s设计，5000年一遇24400m3/s校核。受河谷狭窄，泄洪量大，无天然垭口可供布置岸边溢洪道等条件限制，不宜选用土石坝。在混凝土坝中曾比较过拱坝和重力坝，从两岸地基处理、深层抗滑稳定、岸坡坝段稳定、施工难度和工程量等方面考虑，最终选用了半整体式拱形重力坝方案，最大坝高165m，坝顶以下65m，由于两岸地质条件较差，横缝不灌浆，各坝段为独立的悬臂梁结构，再向下直达坝基横缝灌浆，形成拱形整体结构，以便将部分水荷截传递到两岸，减轻河床部位的基岩负担。对电站厂房曾比较过地下式、坝后溢流式和坝后挑越式，从工程量、施工难度、运行维护和高速水流引起结构振动等方面考虑，决定主机段厂房采用坝后挑越式，两侧副厂房采用滑雪道式，由于洪水期下游水位可超过厂房顶，厂房采用全封闭形式。根据水头、下游水深，地质、地形等条件，泄洪消能采用挑流式，在坝中部设四个溢流表孔，两侧各有一个滑雪道式岸边溢洪道，泄洪中孔和泄洪洞，另外还有一个结合导流的放空洞。各个泄水建筑物出口错开布置，鼻坎高低不一，使挑射水舌越过页岩段并沿河流纵向扩散，以利于消能防冲。升船机布置在左岸。水电站从第一台机组发电运行至今，工作正常。实例：三峡水利枢纽是开发和治理长江的关键性骨干工程。图3-5彩图6为三峡枢纽平面布置图，大坝坝址距长江源头4500公里，距长江入海口1700公里，位于闻名于世的瞿塘峡，巫峡和西陵峡三大峡谷的最后一个峡谷西陵峡谷河段内。三峡水利枢纽是具有防洪，发电，航运等巨大综合效益的大型工程。在防洪上，使荆江地区的防洪标准由目前的10年一遇提高到100年一遇，遇1000年一遇洪水时加用长江中游分洪区，仍可保证荆江大堤安全。保护了长江两岸湘鄂平原和武汉等城市。在发电上，装机1820万kW，年发电847亿kw.h，供电华东，华中为主，可成为全国电网中心。在航运上，通过永久船闸，每年半年以上时间万吨级船队可直达重庆，单向年通航量5000万t，3000t客轮快速通过升船机，便利了西部到长江口的航运。在供水上，增加了下游可用水量。它是中国，也是世界最大的水利枢纽工程。枢纽主要建筑物由大坝，水电站，通航建筑物三大部分组成。泄洪坝段位于河床中部，既原主河槽部位，两侧为电站坝段和非溢流坝段。水电站厂房位于两侧电站坝段坝后，另在右岸留有后期扩机的地下厂房位置。永久通航建筑物均布置于左岸。拦河大坝为混凝土重力坝，大坝轴线全长2309.5m，最大坝高181m。泄洪坝段居河床中部，前沿总长483m，设有23个深孔和22个表孔。深孔尺寸7m9m，进口孔底高90m；表孔净宽8m，溢流堰顶高程158m。下游采用鼻坎挑流方式消能。电站坝段位于泄洪坝段两侧，电站进水孔底高程108.5m。压力管道内直径为12.4m，采用钢衬钢筋混凝土联合受力的结构型式。枢纽最大泄洪能力可达12.06万m3/s，可宣泄可能最大洪水。水电站采用坝后式厂房，设有左、右两组厂房。共安装26台水轮发电机组。左岸厂房全长643.7m，安装14台套水轮发电机组；右岸厂房全长584.2m，安装12台套水轮发电机组。单机额定容量70万kW。三峡工程通航建筑物包括永久船闸和升船机，均位于左岸山体内。永久船闸为双线五级连续梯级船闸。升船机为单线一级垂直提升。枢纽建筑物基础为坚硬的花岗岩体，岩体抗压强度约100MPa。岩体内断层、裂隙不发育，且大多胶结良好，岩体透水性微弱，具有修建混凝土高坝的优良地质条件。坝址上下游15km范围内，无大的不良地质构造。坝址区及水库区地震活动强度小、频率低，属弱地震环境。水库正常蓄水位175m时总库容393亿m3，其中防洪库容221.5亿m3，兴利库容165亿m3，死水位145m以下库容为171.5亿m3。为排泄库内漂污物及泥沙，在两侧导墙与非溢流坝内设置三个排漂孔，在安装场底部共设7个排沙底孔。水库的形成，将使其周围环境发生明显的改变。在为发展水电、灌溉、供水、养殖、旅游等水利事业和解除洪涝灾害创造有利条件的同时，也会给人们带来一定的不利影响。水库引起的环境变化的主要表现见环境水利工程一章。环境影响评价是水利工程建设前期工作的一项重要内容，既重要又复杂。现在的科学技术水平很难准确预计。因此在设计中要对可能产生的影响，进行试验，研究分析，从而作出正确的判断。充分利用有利条件，避免或减轻不利影响，这是水利工作者在进行水利规划中必须认真研究和加以解决的问题。挡水建筑物挡水建筑物的作用是拦截河川径流，抬高水位或形成水库。其种类繁多，如各种材料和类型的坝、各种用途和结构的水闸，堤防、海塘等。本节主要介绍混凝土重力坝、拱坝、土石坝。重力坝重力坝是主要依靠坝体自重所产生的抗滑力来满足稳定要求的挡水建筑物。在世界坝工史上是最古老，也是采用最多的坝型之一。世界上最高的重力坝是瑞士的大狄克桑斯坝，坝高285米。见彩图7我国已建的重力坝：刘家峡148m，新安江105m，三门峡106m，丹江口110m，丰满、潘家口等，高坝有20余座。其中三峡混凝土重力坝和龙滩碾压混凝土重力坝分别高达175米和216.5米。重力坝坝轴线一般为直线，垂直坝轴线方向设横缝，将坝体分成若干个独立工作的坝段，以免因坝基发生不均匀沉陷和温度变化而引起坝体开裂。为了防止漏水，在缝内设多道止水。垂直坝轴线的横剖面基本上是呈三角形的，结构受力形式为固接于坝基上的悬臂梁。坝基要求布置防渗排水设施。如图3-6所示重力坝的特点及分类与拱坝和土石坝相比，重力坝有如下优点：1）、工作安全，运行可靠。重力坝剖面尺寸大，坝内应力较小，筑坝材料强度较高，耐久性好。因此，抵抗洪水漫顶、渗漏、侵蚀、地震和战争等破坏的能力都比较强。据统计，在各种坝型中，重力坝失事率相对较低。2）、对地形、地质条件适应性强。任何形状的河谷都可以修建重力坝。对地质条件要求相对较低，一般修建在岩基上，当坝高不大时，也可修建在土基上。3）、泄洪方便，导流容易。可采用坝顶溢流，也可在坝内设泄水孔，不需设置溢洪道和泄水隧洞，枢纽布置紧凑。在施工期可以利用坝体导流，不需另设导流隧洞。4）、施工方便，维护简单。大体积混凝土，可以采用机械化施工，在放样、立模和混凝土浇筑等环节都比较方便。在后期维护，扩建，补强，修复等方面也比较简单。5）、受力明确，结构简单。重力坝沿坝轴线用横缝分成若干坝段，各坝段独立工作，结构简单，受力明确，稳定和应力计算都比较简单。但也存在一些缺陷：1）坝体剖面尺寸大，材料用量多，材料的强度不能得到充分发挥。2）坝体与坝基接触面积大，坝底扬压力大，对坝体稳定不利。3）坝体体积大，混凝土在凝结过程中产生大量水化热和硬化收缩，将引起不利的温度应力和收缩应力。因此，在浇筑混凝土时，需要有较严格的温度控制措施。重力坝的类型；按坝的高度分类；坝高低于30m的为低坝，高于70m的为高坝，介于30m70m之间的为中坝。坝高是指坝基最低面（不含局部有深槽或井、洞部位）至坝顶路面的高度。按泄水条件分类；有溢流重力坝和非溢流重力坝。溢流坝段和坝内设有泄水孔的坝段统称为泄水坝段，非溢流坝段也叫挡水坝段。见图3-7图3-7重力坝的荷载分布图按筑坝材料分类；有混凝土重力坝和浆砌石重力坝。按坝体结构型式分类；实体重力坝；宽缝重力坝；空腹（腹孔）重力坝；预应力锚固重力坝；装配式重力坝；支墩坝（大头坝、连拱坝、平板坝等）。按施工方法分类；有浇筑混凝土重力坝和碾压混凝土重力坝。重力坝的荷载及稳定分析1、重力坝的荷载及其组合重力坝上的主要荷载有坝体自重、上下游坝面上的水压力、扬压力、浪压力或冰压力、泥沙压力以及地震荷载等。荷载分布见图，按其性质可分为基本荷载和特殊荷载两种；基本荷载包括：坝体及其上永久设备的自重；正常蓄水位或设计洪水位时的静水压力；相应于正常蓄水位或设计洪水位时的扬压力；泥沙压力；相应于正常蓄水位或设计洪水位时的浪压力；冰压力；土压力；相应于设计洪水位时的动水压力；其他出现机会较多的荷载。特殊荷载包括：校核洪水位时的静水压力；相应于校核洪水位时的扬压力；相应于校核洪水位时的浪压力；相应于校核洪水位时的动水压力(13)；地震荷载；其他出现机会很少的荷载。作用在重力坝上的各种荷载，除坝体自重外，都有一定的变化范围。例如，在正常运行、放空水库、设计或校核洪水等情况下，其上下游水位就不相同。当水位发生变化时，相应的水压力、扬压力亦随之变化。又如，在短期宣泄最大洪水时，就不一定会同时发生强烈地震。再如，当水库水面封冻，坝面受静冰压力作用时，波浪压力就不存在。因此，在进行坝的设计时，应该把各种荷载根据它们同时出现的概率，合理地组合成不同的设计情况，然后用不同的安全系数进行核算，以妥善解决安全和经济的矛盾。设计重力坝时应根据具体的运用条件确定各种荷载及其数值，并选择不同的荷载组合，用以验算坝体的稳定和强度。荷载组合情况分为两大类：一类是基本组合，指水库处于正常运用情况下可能发生的荷载组合，又称设计情况，由基本荷载组成；另一类是特殊组合，指水库处于非常运用情况下的荷载组合，又称校核情况，由基本荷载和一种或几种特