水工概论.ppt
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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,193
6、4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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、,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
14、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
15、: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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、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
21、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,
22、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
23、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
24、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
25、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
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