水利水电工程概论课件.ppt

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1、水利水电工程概论,第一章 绪论,第一节 水资源及水能资源,1、什么是水资源,地球上（地表、地下和空气中）用于满足人类生活和生产需要的水源统称为水资源。水资源包括：海洋、湖泊、河流、泉水、地下水、积雪、冰川、土壤水、以及大气中的水蒸气等。广义上的水资源：地球上能够直接或间接使用的各种水及水中的物质，包括地球上的全部水体。狭义的水资源：能够被人类利用的水。,2、水资源的特性,资源的循环性 储量的有限性。分布的不均匀性。利用的多样性。利、害的双重性。,3、我国的水资源状况,特点一：总量并不丰富，人均占有量更低,降雨主要集中在汛期；常有连续丰水或干旱年。,特点二：年内年际分配不均，旱涝灾害频繁,特点三

2、：地区分布不均，水土资源不相匹配,4、水资源的利用和保护,水在自然界的循环过程是无限的。因此，水资源是一种无污染，能够源源不断地补给的自然资源。但是，如果水的消耗量超过循环补给量，就会破坏水量平衡。长此以往，将导致地区水环境的恶化。所以，水资源又是有限的。当前摆在我们面前的任务是：正视现实，节约使用，合理调配，保护和爱惜水资源，减少水质污染。目前，政府正在加大宣传力度和治理力度，采取一系列措施解决当前存在的突出问题。如，封山育林，退湖还田，关闭五小工业，加大污水治理，限制超采地下水，治理三江源，以及正在积极准备中的南水北调工程等。,5、我国的水能资源及开发状况,全国第五次水能资源普查查明，我国

3、的水能蕴藏量6.76亿kW，可开发装机为3.78亿kW。其中单站装机10MW以上的水电站站址有1,946处，可装机35.7万MW，平均年发电量可达19,200亿kWh。单站装机250MW以上的大型水电站站址203处，其装机容量和平均年发电量占资源总量的80%左右。2,000MW以上的特大型水电站站址33处，其装机容量和年平均发电量约占资源总量的50%。我国的地形特征为西高东低，主要河流多发源于西南高原，加上南方雨量充沛，全国约70%的水能资源集中在西南地区。截止2005年8月，全国水电总装机达到为1亿kW。,特点一：总量丰富，开发不足,可开发总量世界第一，占世界总量16.7。到2004年，开发

4、量仅占可开发量1/4，远低于发达国家60的平均水平。,特点二：地区分布不均，与经济发展不匹配,78水能资源集中于西部，东部仅6；51用电量在东部。,雅鲁藏布江,年内降雨集中在汛期；年际间江河来水量变化大。,特点三：江河来水量时间分布不均,第二节 水利事业,为了充分利用水资源，研究自然界的水资源，对河流进行控制和改造，采取工程措施，合理使用和调配水资源，以达到兴利除害的各部门从事的事业统称为水利事业。水利水电工程是以水力发电为主的水利事业。水利事业的根本任务是除水害和兴水利。除水害主要是防止洪水泛滥和旱涝成灾；兴水利则是从多方面利用水资源为人类服务。主要措施有：兴建水库，加固堤防，整治河道、增设

5、防洪道，利用洼地湖泊蓄洪，修建提水泵站、及配套的输水渠道和隧洞。水利事业的效益主要有：防洪、农田水利、水力发电、工业及生活供水、排水、航运、水产等。,1、防洪,防止洪灾的几项主要措施有：增加植被、加强水土保持；提高河槽行洪能力；提高蓄洪、滞洪能力。,2、农田水利,在全国的总用水量中，80%以上的用水量是农业用水。良好的排灌水利设施是保证农业丰收的主要措施。修建水库、堰塘、渠道、泵站等水利设施可以提高农业的生产保障，是水利事业中的重要内容。,3、水力发电,水能资源由太阳能转变而来，是以位能、压能和动能等形式存在于水体中的能量资源，亦称水力资源。广义的水能资源包括河流水能、潮汐水能、波浪水能和深海

6、温差能源。狭义的水能资源指河流水能资源。水力发电不消耗水量，没有污染，清洁，运行成本低，是优先考虑发展的能源。,4、给水和排水,工业和民用供水需要供水质量好，供水保证率高。修建水库等储水供水设施可提高供水保证率和供水质量。生活和工业污水排放是城市市政建设和工业设施的一部分。当前，污水排放是江河污染的源头，采用一定的污水处理措施是必要的。积水排渍工程是城市防洪工程的一部分。,5、航运和养殖,一方面，水利水电工程修建了拦河大坝等建筑物后，阻隔了江河水流的天然通道，隔挡了船只的航行。需要在水利水电枢纽工程中修建船闸、升船机等通航建筑物，帮助船只克服上游水位抬升造成的落差。另一方面，某些河段的天然情况

7、或是落差大、水流急，或是水深浅、河滩多。在这些河流中，有些只能作季节性通航，有些却根本无法通航。高坝大库可以彻底解决深山狭谷的船只通航问题。同样需要用通航建筑物使船只逐级通过这些建筑物。修建水利工程为库区养鱼提供广阔的水域条件。同时也阻碍了回游鱼类的生存环境，需要用一定措施来帮助鱼类生存，如水利水电工程中鱼道、鱼闸等。,6、旅游及其它,大型水库宽阔的水域将库内一些山体包围成岛屿，形成有山有水的美丽风景，是旅游的理想去处。甚至工程自身也能成为旅游热点。如，浙江省新安江水库的千岛湖，湖北长江三峡水利枢纽。大型水利水电枢纽的建设往往可以刺激当地经济的发展，成为当地经济的支柱产业。如：湖北宜昌市、丹江

8、口市，河南三门峡市。,第三节 我国水利事业的发展,我国在水利建设方面有两个繁荣时期：春秋战国时期和新中国成立以后。,（一）春秋时期的水利建设,春秋时期著名工程有：四川的都江堰、广西的灵渠、陕西的郑国渠、安徽的芍陂(quebei)、河北的引漳十二渠、江苏的邗(hn)沟和河南的鸿沟等。在其后近两千年的过程中，尚有汉代的鸿隙陂、南北朝的浮山堰、唐代的它山堰、隋代的南北大运河、宋代的高家堰等工程。但是，由于长期封建制度的束缚作用，中国的水利事业发展极为缓慢。,1、都江堰中国最古老的灌溉工程,公元前256年，秦昭襄王任李冰为蜀郡守。据传，李冰是一个能知天文地理的水利专家、他在任期间，秉承先贤治水之余绪，

9、亲自实地踏勘，访察水脉，审时度势，因地制宜，组织蜀地民众 于大江之上修筑分水堤，布设溢洪坝，开凿宝瓶口。同时，又穿二江引水行舟溉田，分供减灾；立 石人，以观测水势变化；从而创建了都江堰这座举世瞩目，造福千秋的水利工程。,都江堰灌区自然地理概况,都江堰 灌区位于四川盆地西部，地跨岷、涪、沱三江，东临涪江。总体规划面积为2.86 万km2，现灌区幅员面积2.32万km2，受益范围包括成都、德阳、绵阳、乐山、眉山、遂宁、资阳7市37个县（市、区），总体规划灌溉面积1500万亩，目前实际灌溉面积1007万亩。都江堰灌区主要由成都平原区、岷江、涪江、沱江流域部分丘陵区及龙泉山低山区组成。,都江堰渠首工程

10、与灌区,岷江流至都江堰，地势由高山峡谷突变为平原，河床陡然开阔，水势趋缓，为都江堰渠首工程的建设提供了得天独厚的地形条件。此处位于呈扇形伸展的成都平原的顶部，海拔739m，是整个都江堰灌区的制高点，良好的地理位置，使都江堰既可扼制住刚出峡谷的岷江水势，使其不能直泻成都平原，又可因地势高而控灌整个都江堰灌区，是设置渠首枢纽的最佳位置。,都江堰渠首工程由鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口三大主体工程和人字堤、外江闸等附属工程组成。其中，三大主体工程充分利用了周围的地形环境和岷江河床弯道环流的水流规律，相辅相成，布局合理，配合巧妙，协调运行，在整个渠首工程中起主导作用，很好地完成了引水、泄洪、排沙等任务，使都江堰

11、成为世界上著名的无坝引水枢纽。,工程作用,都江堰工程包括宝瓶口、飞沙堰、分水鱼嘴、金刚堤、人字堤等建筑物。整个工程顺地势修建而成，既能将岷江水引于成都平原用于灌溉，又能节制引水量。都江堰工程借助于宝瓶口、飞沙堰、分水鱼嘴能够对岷江做到“三七分流”。洪水期，狭窄的宝瓶口只允许30%的水进入内江，将70%的水量通过飞沙堰等溢漫分流到外江；枯水期深窄的宝瓶口和较高飞沙堰迫使70%的水量进入成都灌区。,宝瓶口,宝瓶口依山开凿而成，是整个灌溉渠的进水口，不仅能够在枯水期大量引水，还能够在洪水期约束控制进渠水量。,分水鱼嘴,分水鱼嘴建在岷江的江心洲滩最前端，在枢纽中起着导水作用，低水位时分水入渠。,飞沙堰

12、,飞沙堰长150200m，高2m。内金刚堤长约650m，外金刚堤长约900m。飞沙堰的作用主要是当内江的水量超过宝瓶口流量上限时，多余的水便从飞沙堰自行溢出；如遇特大洪水的非常情况，它还会自行溃堤，让大量江水回归岷江正流。另一作用是“飞沙”，飞沙堰将岷江上游带来的泥沙和卵石，甚至重达千斤的巨石，从这里抛入外江（主要是巧妙地利用离心力作用），确保内江通畅。,2、灵渠世界上最古老的运河,公元前 221 年秦统一六国之后，随即发动了统一百越的战争。50 万秦军兵分五路，向百越发起进攻，因岭南交通不便，粮饷运输困难，严重影响战争的进行。为了尽快统一岭南，秦始皇下令“凿渠而通粮道”，派监郡尉史名禄的来主

13、持灵渠工程。公元前 217 年，禄受命在今兴安县境内湘江支流双女井溪和漓江支流始安水相距最近处筑坝拦水，开凿了沟通湘、漓两水，连接长江、珠江水系的运河灵渠。公元前 214 年建成。灵渠建成的第二年，秦始皇就统一了岭南。这条运河，把中原和岭南联系在一起，使各族人民的交往更加密切，岭南广大地区得到了迅速开发，促进了强大的、统一的中国的最终形成。禄成为灵渠的开创者。此后，历代王朝都很重视灵渠，不断地进行加固修葺，东汉伏波将军马援大规模疏通渠道，加大航运量；唐代地方官李渤和鱼孟威在前代基础上加固堤防，增置船闸，完善了灵渠的通航设施。沿南渠走不远，有一座明清风格的建筑四贤祠，它因纪念四位在灵渠修建和维修

14、过程中的杰出先贤而得名。还有一座三将墓，是后人为了纪念秦时兴修灵渠的刘、张、李三将军的功德而建的。灵渠自 1937 年铁路、公路通车后不再用作交通，但仍灌溉着两岸的农田。现在，灵渠的流水依然清澈，大部分河段保存良好。它的濯濯清流仍浇灌着两岸的 4 万余亩农田，并供应着城乡居民的生产生活用水。灵渠至今已有 2200 多年的历史。,灵渠工程布置图,灵渠工程在今广西兴安县境内，距桂林市约60km。灵渠是一条运河，它把湘江水引入漓江，全长34公里。分为南渠和北渠，其中南渠长 30km，大部分利用的是天然河道，人工只开挖了 5km；北渠的长度虽然只有 4km，但它却是连通湘江和漓江的航道。湘江发源于桂林

15、东面的海洋山，向北流入湖南，注入长江；漓江发源于兴安南部，向南流入珠江。灵渠修成后，把长江珠江两个水系联接起来，乘船可以从中国中部直达南部。,灵渠的作用,分水的工程是“铧嘴”、“大天平”、“小天平”和三个“泄水天平”。“铧嘴”把湘水分流，通过“大天平”、“小天平”两道石堤的调节，使七分水通过北渠注入湘江，三分水通过南渠注入漓江。洪水时坝上越过，流入湘江故道，使南、北渠既保持水位、又不致让洪水漫堤，所以得到“天平”的美称。灵渠的天平由两部分构成，迎水面，用约 4m长的大青石。石块与石块的中间灌浇铁汁，冷却后将巨石连成一体；而背水坡采用薄青石相连竖砌，用松木作桩固定，这些石块就像鱼鳞般紧紧地挤在一

16、起。当水流带着碎石、泥沙越过前边的方块巨石，顺坡而下，一碰到这层层鱼鳞石，就冲进石缝之中，泥沙填得越多，鱼鳞石就挤得越紧。年复一年，块块竖石也就浑然一体，坚不可摧了。,铧嘴和大小天平,“铧嘴”是用巨石在湘江中叠成的一个前端尖锐如犁铧的石坎，它突出在大小天平坝的顶端，因为它的形状前锐后钝，像农田里用的犁铧，所以叫“铧嘴”。当年长 186m，现在仅存 86 m。大小天平的设计非常精巧。“大天平”是北渠的一段堤坎，长约 380m，“小天平”是靠南的一段堤坎，长约 124m；它们组成人字形，以避免湘江水流垂直相交，减缓冲力。它们既可以引水分流，提高水位以利通航，又可以排洪防涝。,灵渠是我国最早的船闸式

17、运河,由于两江水位高差太大，超出正常航行的20倍，船只根本无法航驰。为解决这一困难，我们的祖先便想出了各段修筑船闸，以提高或降低水位来调节水位高差的办法，终于解决了这一难题。使水爬坡的工程是南北渠上的许多陡门（即船闸），当时建有 18 道，唐代后增为 36 道。工匠们在渠道沿途水浅流急坡度大的地方砌成两个相对的半圆形平台，每当枯水季节，用竹木结构的组合装置在设有平台的地方安置水闸，起到抬高水位、蓄水通航的作用。船进入陡门后把闸门关上，使水位升高，船就能一级一级往上爬，安然翻山越岭，南来北往。在灵渠两千多年的通航史中，陡门的作用不可低估。专家们认为：陡门是历史上最早的船闸，它是现代电动闸门的鼻祖

18、。据有关资料载；在世界上到14世纪才使用船闸的办法，比我国晚了约1600年。,在我国，广西灵渠与陕西郑国渠、四川都江堰并称为“中国古代三大水利工程”，也是世界最古老的运河之一。我国著名诗人、历史学家郭沫若在 1963 年写下这样的评价：“2000 余年前有此，诚足与长城南北相响应，同为世界之奇观。”灵渠设计科学、结构灵巧、工艺精湛，堪称为我国水利工程的杰作。古人言：“治水之巧妙，莫如灵渠者。”,3、郑国渠,战国后期，秦国任用韩国人郑国，在关中兴建著名的水利设施“郑国渠”。郑国渠全长300余里，以仲山(今泾阳西北)为起点，把泾水引导至洛水为止，灌溉农田約280万亩。关中农产量因此大为提高，亩产量

19、达到约180斤。经济效益昭著的郑国渠，为秦国最后统一六国，奠定了强固的经济基础。,（二）新中国成为以后的水电建设,整治大江大河，提高防洪能力修建了一大批大中型水电工程修建了一大批农田水利工程对全国水资源进行普查及保护设计、施工水平不断提高,新中国建设的代表性工程,50年代有浙江新安江水电站、湖南资水柘溪水电站、甘肃黄河盐锅峡水电站、广东新丰江水电站、安徽梅山水电站等；60年代有甘肃黄河刘家峡水电站、湖北汉江丹江口水电站、河南黄河三门峡水电站等；70年代有湖北长江葛洲坝水电站、贵州乌江乌江渡水电站、四川大渡河龚嘴水电站、湖南酉水凤滩水电站、甘肃白龙江碧口水电站等；80年代有青海黄河龙羊峡水电站、

20、河北滦河潘家口工程、吉林松花江白山水电站等；90年代有湖南沅水五强溪水电站、广西红水河岩滩水电站、湖北清江隔河岩水电站、青海黄河李家峡水电站、福建闽江水口水电站、云南澜沧江漫湾水电站、贵州乌江东风水电站、四川雅砻江二滩水电站、广西和贵州南盘江天生桥一级水电站等；世纪之交有三峡水电站、小浪底水电站、大朝山水电站、棉花滩水电站等。截止1999年底，全国已建、在建的大中型水电站220座，100万kW以上的大型水电站20座。,三峡水利工程,三峡工程全景,三峡工程的效益,三峡水利枢纽是具有防洪、发电、航运等巨大综合利用效益的大型工程。水库正常蓄水位175.0m，总库容393亿m3，防洪库容221.5亿m

21、3，可使荆江大堤的防洪能力由十年一遇提高到百年一遇。总装机容量18,200MW。年发电847亿kWh，主要供电华中、华东地区，部分送到重庆市。通航建筑物年单向通过能力5,000万t。工程建成后可改善航道约660km。经水库调蓄后，宜昌下游枯水期最小流量从3,000m3/s提高到5,000m3/s。洪水期万吨级船队可由汉口直达重庆。水库移民涉及湖北省和重庆市的19个县市，淹没区人口84.41万人，淹没耕地和柑桔地2.45万公顷。,三峡枢纽的组成和主要技术指标,主要由拦河大坝、水电站厂房、通航建筑物等三大部分组成。,拦河大坝为混凝土实体重力坝。大坝轴线长度2,309.47m，坝顶高程185.0m，

22、最大坝高181m。,泄水建筑物为22个表孔、23个深孔、3个泄洪排漂孔和7个排沙孔，最大泄流量102,500m3/s。下图为深孔泄洪状态。表孔尚未建成投入运行。,电站为坝后式厂房，分置于溢洪坝段两侧坝后。左侧厂房安装14台水轮发电机组，厂房全长643.6m；右侧厂房安装12台机组，厂房全长584.2m。26台机组的单机容量均为700MW。在右岸还留有为后期6台扩机（4,200MW）的地下厂房位置。下图为水电站进水口及发电机转子。,永久通航建筑物设于左岸，包括双线5级连续梯级船闸及单线单级垂直升船机。船闸每级船闸闸室的有效尺寸为280m34m5m，可通过万吨级船队。垂直升船机的承船厢有效尺寸为1

23、20m18m3.5m，一次可通过3000t级船舶。下图为永久船闸。升船机尚未建成。,三峡枢纽布置,三峡工程的施工,三峡工程采用二段三期施工导流方案。,第一期围右岸。在中堡岛左侧及后河上下游修筑一期土石围堰，形成一期基坑。在基坑内扩宽后河修建导流明渠，混凝土纵向围堰，预建三期碾压混凝土围堰基础部分的混凝土。水流和船只仍从主河床通过。一期围堰束窄河床约30%。,第二期围主河床和左岸。二期上下游土石围堰将长江主河床截断，与混凝土纵向围堰共同形成二期基坑。在基坑内修建泄洪坝段、左岸厂房坝段及电站厂房等主体建筑物。江水从导流明渠通过，船舶从导流明渠和左岸的临时船闸通航。,第三期再围右岸。在明渠内修建上下游土石围堰与混凝土围堰形成三期基坑。在基坑内修建右岸厂房坝段的右岸电站厂房。江水从导流底孔通过，船舶从临时船闸通过。右岸坝体上升到一定高程后下闸蓄水。,