水利水电工程的基础知识.ppt

第2章水利水电工程的基本知识 基本要求 复习水文学的基础知识 熟悉河流的水文特性 掌握水库的特征水位及其库容 了解河流规划内容 熟悉水工建筑物的类型及特点 理解水库对周围环境的影响 熟悉水利水电工程的等级划分 了解水质污染物的类型及防治措施 1 69 2 1水文学的基本知识 2 1 1自然界水的循环及水量平衡 自然界的水 分别存在于以下三个方面 1 地球表面 地表水 如海洋 河流 湖泊 冰川等 2 地表以下 地下水 如暗河 暗湖 土壤岩石空隙中的水等 2 69 2 1水文学的基本知识 3 大气中 地表的水 由于受到太阳辐射热的作用 会蒸发上升到大气中 与大气中的水分一起 在一定的条件下 又凝结成降水 含降雨 降雪等 回到地表 含陆地 海洋 河流等 回到地表的水 一部分又蒸发 另一部分则经各级沟涧江河汇人海洋 这种周而复始地运行过程 称为水循环 3 69 2 1水文学的基本知识 4 69 2 1水文学的基本知识 5 69 1 自然界的水分循环 水的大循环 水的小循环 降雨到达地表后 一部分雨水沿地表坡面流动 汇注入河道成为地面径流 另一部分雨水渗入地下 它除增加土壤含水量外 还可能有一部分水以渗流方式补给河道 形成地下径流 地面径流与地下径流之和称河川径流 第三部分水又蒸发上升到大气中 2 1水文学的基本知识 6 69 3 凝结与降水过程 4 地表径流 水的下渗及地下径流 水循环的过程 1 水的蒸发作用 2 水汽流动 2 1水文学的基本知识 7 69 2 1水文学的基本知识 从海洋蒸发的水分中 一部分随大气运行到陆地上空 凝结成为降水而降至陆地 降至陆地的水中 一部分在陆地上蒸发上升入大气中 另一部分则如前所述形成径流 并最后又重返回至海洋 这个过程称为水的大循环 局部性的水的小循环 例如 降至陆地上的水 在没回到海洋之前 又被蒸发到空中 重又凝结成为降水而降至陆地上 陆地上有一部分地区 陆上的河流并不汇人海洋 而是汇人内陆湖泊 如青海湖水系 罗布泊水系等 8 69 2 1水文学的基本知识 2 迁移交换作用 3 平衡更新作用 4 影响塑造作用 水循环的意义 1 联系调节作用 9 69 2 1水文学的基本知识 2 自然界的水量平衡 海洋的水量平衡方程式为 陆地的水量平衡方程式为 地球上总的蒸发量与总的降水量的多年平均值是相等的 自然界 全地球 的水量平衡方程式 海洋 陆地的多年平均蒸发量 海洋 陆地的多年平均降水量 汇人海洋之河川多年平均径流量 10 69 2 1水文学的基本知识 3 水文现象及水文学 自然界各种水体的变化现象称为水文现象 研究自然界各种水体的变化规律的学科叫水文学 海洋水文学 陆地水文学 河川水文学 工程水文学 水文测验学 水文地质学 11 69 2 1 2河流的水文特性 2 1水文学的基本知识 1 河流的流域及水系 流域的气象条件 地形及地质条件 土壤植被条件 流域的几何特征等 对河流的水文特性有着重大的影响 12 69 2 1水文学的基本知识 2 河道的纵横断面 河道横断面是指垂直于河道水流方向所切取出来的断面 其在河道水位以下的部分称为过水断面 沿河道纵向之最大水深线切取一断面 并将其拉直即得河道纵断面 河段首尾的水面高差称落差 此落差与其河段长的比值称河段的纵比降 13 69 2 1水文学的基本知识 3 河渠的流速 流量及水位 在水利水电工程上 常把人工水道称为渠道 而把一般的天然水道称之为天然河道 流速的一般分布规律是 近河底和河岸处较小 近河心主流处 即河渠的中泓线处 较大 1 流速 14 69 2 1水文学的基本知识 均匀流 均匀流时的断面平均流速 可用以下的谢才公式来计算 C常用下述的曼宁公式计算 C 谢才系数 河渠的水面比降 水力半径 河渠的过水断面积 m2 湿周 即河渠横断面中与水接触的周界长度 m 糙率 亦称糙率系数 式中 15 69 2 1水文学的基本知识 16 69 2 1水文学的基本知识 2 流量及水位 单位时间内流过某过水断面的水的体积称为流量 常用单位为米3 秒 m3 s 流量 m3 s 17 69 2 1水文学的基本知识 18 69 2 1水文学的基本知识 4 河渠的泥沙 河渠中的泥沙由于在不停的随水流下移 因此 河渠存在一个固体径流问题 河渠中的泥沙常被分为两类 悬浮于水中者称浮沙或悬移质 沿河底滚动者称底沙或推移质 19 69 2 1水文学的基本知识 5 河川的径流 河川径流是指在河川中流动的水流 年径流量是指一年内通过河流某一横断面的水量 年径流量接近多年平均年径流量的年份称平水年 径流量较大和较小的年份 分别称丰水年和枯水年 丰水年的径流量可达平水年的2 3倍 枯水年的径流量可小至平水年的0 1 0 2倍 20 69 2 1水文学的基本知识 6 河流的洪水 一次洪水的流量最大值称为洪峰流量 确定河川各种设计洪水的方法 是水文学的主要内容之一 21 69 2 1水文学的基本知识 2 1 3水文统计的若干基本知识 1 频率 2 重现期 研究暴雨及洪水时 研究灌溉 发电 供水 22 69 2 1水文学的基本知识 3 常用的几个水文统计参数 1 算术平均值 2 加权平均值 3 均方差 4 变差系数 5 偏差系数 23 69 2 2水利水电规划 2 2 1河川径流调节 河流的来水是极为不均匀的 所以河川径流存在着一个径流调节的问题 即按人们的需要 利用水库来控制径流并重新分配径流的问题 1 河川径流调节的类型 1 年调节 年调节就是将洪水时期 平常称汛期 用不完的多余水量存蓄在水库中 待枯水期用 年内全部来水量完全按用水要求重新分配而不发生弃水的径流调节 称为完全年调节 发生弃水的年调节称为不完全年调节或季调节 24 69 2 2水利水电规划 2 多年调节 3 日调节 多年调节是把丰水年的多余水量存蓄于水库中 待枯水年时用的一种调节 多年调节由于要求的库容巨大 效益也相对较小 所以比较少见 日调节是在一昼夜内把来水按需要进行重新分配的一种调节 例如 水力发电的用水量是随其发电量的大小而变的 因此其用水量是不断变化的 晚上12时以前是高峰 后半夜则是其低谷 对水力发电来讲进行日调节常常是非常必要的 25 69 2 2水利水电规划 2 水库的特征水位及其库容 26 69 2 2水利水电规划 1 水库正常运用情况下 允许库水消落的最低水位称死水位 死水位以下的库容称死库容 死库容不参与径流调节 其中的蓄水一般不动用 2 水库正常运用情况下 在设计枯水年 为满足兴利要求开始供水时 水库应蓄到的水位称正常蓄水位 又称正常挡水位或设计兴利水位 该水位至死水位间的水库深度称消落深度或工作深度 水库正常蓄水位与死水位间的库容称兴利库容或调节库容 与多年平均年径流量之比称库容系数 一般可进行年调节的水库 其值约为0 08 0 30 27 69 2 2水利水电规划 3 水库在汛期 允许兴利蓄水的上限水位 称防洪限制水位 对汛期的不同时期 可以根据洪水特性和防洪要求的不同 规定出不同的防洪限制水位 对于有防洪要求的水库 一般防洪限制水位低于正常蓄水位 其间的库容是兼作兴利和防洪用的共用库容 4 遇水库下游防洪对象的设计洪水时 水库应拦蓄洪水以减小下泄流量 这时水库中的最高蓄水位 称为防洪高水位 该水位与防洪限制水位间的库容称为防洪库容V防洪 28 69 2 2水利水电规划 5 遇拦河坝的设计洪水和校核洪水时 水库中的相应最高蓄水位 称为设计洪水位 5 和校核洪水位 6 它们与防洪限制水位间的库容 分别称为拦洪库容V拦 和调洪库容V调洪 6 校核洪水位以下的全部静库容称为总库容V总 总库容是确定工程重要性及工程规模等级的重要指标 总库容与死库容之差称有效库容V效 29 69 2 2水利水电规划 30 69 2 2水利水电规划 3 水库的动库容 静库容是假定库水面为水平时所算得的库容 水库水面由坝址起沿流上溯呈回水曲线 越向上游水面越上翘 直至与河道天然水面平顺相切交为止 某一坝前水位所相应的库容 即动库容 为上述静库容与相应附加容积之和 对于较小的山谷水库 较大洪水时 由于回水所形成的这种附加容积将是很显著的 31 69 2 2水利水电规划 2 2 2河流规划 1 开发治理方针和任务的确定 欲确定拟规划河流的开发治理方针和任务 首先应通过广泛地调查研究 查明流域的自然情况和社会经济情况 以摸清流域特点和国民经济各部门对开发治理该河流的要求 然后才能提出并研究确定编制河流流域规划的方针和任务 1 对水土流失严重的干旱地区 例如黄土高原 的中小河流 应以水土保持和发展灌溉为重点 兼顾防洪 发电 渔业 供水 同时对治涝防碱 航运等也应结合给以考虑 32 69 2 2水利水电规划 2 对山低坡缓 耕地连片 土地潜力大 但水源缺乏的丘陵山区的河流 应以灌溉为主进行开发 兴建水库蓄水 塘库连串 以充分利用当地径流 或兼由邻近流域引水以补充本流域水源不足的问题 此外 还应因地制宜地开展机电提灌 以解决地势较高区农田的用水问题 3 对山高坡陡 河谷窄狭 耕地稀少 落差集中的上游河段 应以发电为主 一方面利用天然落差大的优势 多建引水式中小型水电站 另一方面要选择合宜地点建库发电 以同时收到加大水库以下各引水式电站发电量和解决水库下游的防洪 灌溉 航运 供水等问题的效益 4 对于平原地区的河流 应以防洪 治涝防碱 航运为重点 兼顾灌溉 供水 渔业等方面的要求 33 69 2 2水利水电规划 2 制定综合利用规划方案这种规划方案 从范围来看 包括全流域各部位 各阶段除害兴利的工程措施规划 从专业来看 包括防洪 治涝 灌溉 水土保持 水力发电 供水 航运 渔业 环境保护等的规划 从时间来看 包括近期和远景规划 因此综合利用规划涉及的内容是广泛而复杂的 一般在制定规划时应注意遵循下述原则 1 对流域的治理和开发 一定要综合利用 综合治理 综合平衡 力求做到水利 动能和土地资源的综合利用 而且还要力求使每一项工程措施也要综合利用 综合治理是指治山 治水 治沙 治碱等的统一考虑 合理解决 此外还应注意上中下游统一考虑 大中小工程相结合的问题 综合平衡是指力争做到建筑材料 资金 设备和劳动力的需要与可能之间的综合平衡 以求达到耗费小 效益大 经济效果好 34 69 2 2水利水电规划 2 妥善协调各部门的不同要求 这是规划中的棘手问题 要求各有关部门要有全局观念 规划要明确轻重缓急 以力求使国民经济总的效益最大为原则 3 在拟定规划时 要有发展的观点 不仅要看到目前的经济形势 还应预计到将来经济发展的需要 此外 还应看到邻近其它流域国民经济发展的要求 4 在流域规划中 一般应以小型工程为基础 大中型工程为骨干 在河流上中下游及其主要支流上 一般应因地制宜地安排若干大中型工程作为控制性的工程 综合解决防洪 发电 灌溉 航运 供水等方面的问题 35 69 2 3水工建筑物 2 3 1水工建筑物的类型 水利水电工程中 通常需要修建一些建筑物 用来挡水 泄水 输水 排沙等 以便达到防洪 灌溉 发电 供水 航运等的目的 这些建筑物称为水工建筑物 水工建筑物依其作用的不同 可以分为 一般性的水工建筑物 这是指服务于水利事业若干个部门的一类建筑物 专门性的水工建筑物 这是指服务于水利事业少数一两个部门的一类建筑物 例如专为发电用的调压井等 36 69 2 3水工建筑物 1 档水建筑物 1 坝 坝是一种垂直于水流方向拦挡水流的建筑物 因此亦常称为拦河坝 它是水利水电工程中用的较多 造价也较高的一种建筑物 坝又常分为以下几类 37 69 2 3水工建筑物 1 按筑坝材料来分有 当地材料坝 包括土坝 堆石坝 干砌石坝 土石混合坝等 非当地材料坝 包括混凝土坝 钢筋混凝土坝 浆砌石坝 橡胶坝等 2 按坝的构造特征来分有 重力坝 这是靠自重来维持稳定的一种坝 拱坝 这是靠拱形的坝身 把巨大的水平水压力传至河谷两岸的一种坝 支墩坝 这是把水压力经过挡水面板传至支墩 而后再传至地基的一种坝 如平板坝 连拱坝 大头坝等 混合结构坝 属于这一种的有拱形重力坝等 38 69 2 3水工建筑物 39 69 2 3水工建筑物 图片名称 猫跳河红岩水电站电站地点 贵州修文所在河流 猫跳河所在水系 长江水系主要坝型 双曲拱坝坝顶高程 890米最大坝高 60米 猫跳河红岩水电站 40 69 2 3水工建筑物 3 按坝顶是否过水来分有 溢流坝 又称滚水坝 非溢流坝 4 按坝的任务来分有 蓄水坝 其主要任务是形成水库以便拦蓄径流 引水坝 亦常称为壅水坝 其主要任务是抬高水位以便引取河水 或改善航道 41 69 2 3水工建筑物 4 按坝的任务来分有 蓄水坝 其主要任务是形成水库以便拦蓄径流 引水坝 亦常称为壅水坝 其主要任务是抬高水位以便引取河水 或改善航道 42 69 2 3水工建筑物 2 水闸水闸是一种主要靠其闸门来挡水的建筑物 常简称为闸 也有称之为活动坝的 水闸又常分为以下几种类型 1 按泄水条件来分有 单向泄水闸 可逆泄水闸 2 按闸的任务来分有 蓄水闸 引水闸 进水闸 分洪闸 节制闸 排水闸 退水闸 挡潮闸等 3 堤堤是指平行于水流方向挡水的一种建筑物 修建在湖边防止湖水漫溢的叫湖堤 修建在海边和河口两岸防止土地被潮水淹没的叫海塘 43 69 2 3水工建筑物 2 泄水建筑物 泄水建筑物是用来宣泄水库 渠道 前池等中之多余水量 以保证其安全的一类建筑物 例如河岸式溢洪道 泄洪隧洞等 小浪底泄水 44 69 2 3水工建筑物 3 输水建筑物输水建筑物是用以把水从一处输引到另一处的一类建筑物 例如引水隧洞 放水涵管 渠道及渠系建筑物等 拱式渡槽 45 69 2 3水工建筑物 4 取水建筑物 取水建筑物亦常称引水建筑物 因其常位于渠道的首部 故也常称渠首建筑物或进水口 它是一种把水库 河渠 湖泊等与输水建筑物联系起来的一类建筑物 例如取水塔 渠首进水闸及冲沙闸等 5 整治建筑物 整治建筑物是用以改善水流条件 保护岸坡及其他建筑物安全的一类建筑物 例如顺坝 丁坝 护底等 46 69 2 3水工建筑物 有些水工建筑物所起的作用并不是单一的 例如 溢流坝既是挡水建筑物又是泄水建筑物 水闸既可以挡水又可以泄水还可以用作取水 2 3 2水工建筑物的特点 1 较高的挡水建筑物承受着巨大的水平推力和向上作用的扬压力的作用 因此 要求这类水工建筑物应具有相应的抗推能力和抗浮能力 2 由于建筑物上下游或内外有水位差 所以在地基和建筑物内部 将产生渗透水流 并因此而产生渗透压力和渗透变形 包括溶蚀 管涌 流土等 47 69 5 水工建筑物的基础很多都是位于地下水位以下的 因此其基坑开挖常常是比较困难的 特别是需要开挖地下水位以下的均匀砂层时 6 水工建筑物的工程量大都比较浩大 4 必须要进行施工导流 即让河水临时改道 才能进行河道水下部分的施工 3 通过水工建筑物的水流 具有巨大的能量 例如 水位差50m 2 3水工建筑物 48 69 7 水工建筑物的型式 尺寸和工作条件 与建筑物所在地区的地形 地质 水文和运用条件等有着密切的关系 8 由于水工建筑物 特别是大中型的挡水建筑物 施加给地基以巨大的荷载 水库的水压力甚至大到可以诱发地震 而且还伴有水的不利作用 渗透等 所以一般都要求进行大量的地质勘探工作 9 水工建筑物大多是空间块体结构 10 混凝土和浆砌石的水工建筑物 由于水泥水化发热等将引起温度应力 11 水工建筑物大多工程量大 工期长 2 3水工建筑物 49 69 2 4水工建筑物 12 其它几个特点 1 水工建筑物受有风浪和冰的作用 2 地震时水工建筑物将受到地震水荷载和地震土荷载及地震惯性力等的作用 3 渗水会溶滤混凝土中的游离石灰质及地基岩体中的可溶盐 导致降低它们的力学性能和抗渗抗冻性能 4 混凝土和岩石会遭到冻融循环的作用 而降低强度或遭受破坏 5 水对金属和木材有腐蚀作用 有些水对混凝土也有破坏作用 50 69 2 5水利枢纽 2 5 1水利枢纽及其特性 水利枢纽依其主要功用来分 有蓄水枢纽 取水枢纽等 依其主要服务部门来分 有发电枢纽 灌溉取水枢纽 综合利用水利枢纽 依其拦河坝建筑材料的不同来分 有当地材料坝枢纽和非当地材料坝枢纽 依其水头的大小来分 有高 中 低水头水利枢纽 为了综合利用水利资源 常常需要把几种不同类型的水工建筑物修建在一起 协同工作 用来控制水流 兼收经济及施工和管理之便 这些水工建筑物的综合体称为水利枢纽 51 69 2 5水利枢纽 2 5 2水库对周围环境的影响 1 库岸的崩落和滑塌 水库蓄水后 抬高了河道水位和地下水位 易使库岸充水饱和 特别是若又时逢连阴雨或库水位骤然较大幅度降落时 常会发生库岸崩落和滑塌现象 这一方面毁坏了两岸农田及建筑物 另一方面岩土滑落在水库内也减小了库容 52 69 2 5水利枢纽 意大利1961年建成了一座坝高262m的瓦依昂拱坝 库容1 69亿m3 1963年时 由于库岸发生大滑坡 致在不到一分钟内有近3亿m3的土石方涌人库内 使大量库水挤出漫坝 倾泻而下的水体 以约150米的浪高冲向下游 致使下游的几个小市镇在七分钟内遭到了毁灭性的破坏 2 水库的淤积 河川水流流入水库后 流速逐渐减小 水流挟带的泥沙便由粗到细地逐渐沉积于库中 库首沉积的为较粗的泥沙 黄河三门峡水库 建成蓄水运用不几年 潼关处的河床便被淤积抬高了5 5m 使陕西关中受到了很大的危害 并波及了西安市 53 69 2 5水利枢纽 多沙河流上 水库的淤积速度是很快的 对于这类水库 不能采用常规的 拦蓄洪水 运用方式 应该采用 蓄清排浑 的水沙调节运用方式 其要点是 1 利用河流来水过程线与来沙过程线不一致的特性 采用避开沙峰期来拦蓄洪水的运用方式 2 利用异重流排沙 这是在水库已蓄水情况下 河道来洪水时的一种排沙方法 3 高渠泄水拉淤 54 69 2 5水利枢纽 1 大型水库就是一座人工湖 可以改善周围地区的航运 灌溉 渔业 供水等条件 还可以美化周围的环境 调节当地的气候条件 促使其发展为旅游胜地和鱼米之乡 3 水库对上游的其它影响 2 水库蓄水后 将会直接淹没位于库区内的农田 矿藏 森林 3 修建水库可以显著地抬高该处的河床水位及地下水位 地下水位的抬高将可能引起森林死亡 农作物受涝 农田发生沼泽化或盐碱化 形成塌岸 影响已有建筑物的沉陷 使矿井积水 破坏古迹等 4 水库沿岸以及回水边缘地带 如果有可能形成广阔的1 5m水深以下的浅水区和死水区时 则将恶化那里的卫生防疫条件 55 69 2 5水利枢纽 5 水库对下游的其它影响 1 水库建成后 下游可以收到减小洪水 改善航运 发展灌溉 2 在电力系统中 担负峰荷的大型水电站 其下泄流量变化较大 3 水库下泄水流有可能存在折冲水流现象 这将会危及下游河岸的安全 4 由南向北流的那些我国北方的河段 可能形成冰坝或冰塞 阻碍河水下泄 抬高河床水位造成凌汛 5 建库后一旦垮坝 下泄的溃坝流量将是很大 56 69 2 5水利枢纽 5 其它水库在开始蓄水前 除应做好迁出移民 厂矿企业及预定的文物古迹等外 尚应做好下列清理工作 1 清理会污染库水的物质 例如可溶盐矿 屠宰场 患炭疽病的牲畜埋葬场 化工厂和医院的一些物质等 2 清理妨碍下网捕鱼的船舶航行的障碍物 例如树木 电线杆等 57 69 2 5水利枢纽 2 5 3水利水电枢纽工程的分等和水工建筑物的分级 1 等级的划分标准 2 分等分级的意义 对于不同等级的枢纽和建筑物 采用不同的标准来进行勘测 规划 设计和施工 才能便于达到既安全又经济的目的 58 69 2 5水利枢纽 59 69 不同级别的建筑物 主要在以下几方面有不同的标准和要求 1 勘测 调查原始资料的深广度不同 各规划设计阶段的工作内容和要求不同 2 防御洪水的标准不同 参见表2 6 3 建筑物各部分尺寸裕度大小不同 对建筑物刚度 强度和稳定性的要求不同 4 对计算方法的完善 精确性的要求不同 对模型实验的要求也不同 5 对选用建筑材料的要求不同 对施工质量的要求不同 对运用的灵活可靠性要求不同 对管理和观测的要求亦不同等 2 5水利枢纽 60 69 2 6水资源保护 2 6 1水资源保护的重要意义 随着人口的增长和工业的发展 废物和污水迅猛地增长起来 由于乱排污物的简便性 使得环境和水资源遭受污染的问题日益变得严重起来 近年来 我国水资源受污染的问题也变得日益严重起来 在受污染水资源的 报复 下 人们开始认识到水资源保护的重要性 水资源保护问题不仅迫切 而且只要重视和认真防治也是可以取得显著效果的 61 69 2 6水资源保护 2 6 2水质污染物 可造成水质污染的物质很多 可以把其分为物理的 化学的和生物的 也可以按污染物的性质把其分为以下几类 1 漂浮的油脂类物质这类物质主要来自油船 炼油厂及其它工业废水 据估计每年进人海洋的石油就有几百万吨 油脂举物质在水表面产牛难看的薄膜 使水产生难嗅的气味 而且危害鱼类 海鸟和其他生物 油膜影响水的通气性和水生植物的光合作用 62 69 2 6水资源保护 2 耗氧性有机物这类物质包括蛋白质 木质素及其它各种碳水化合物等 这类物质在氧化分解时会消耗水中的溶解氧 因而会影响鱼类和水生生物的生长 当溶解氧被耗尽时 水生生物将无法生存 而且这类物质在嫌氧条件下进行分解 将产生有毒的甲烷 氨 硫化氢等 而使水变黑变臭 有机物质分解所产生的养分 可使水体形成富营养化 其结果是藻类水草大量生长 严重时将导致河湖的淤塞 63 69 3 工业废热水废热水是工业企业用于冷却的废水 主要来自发电厂 焦化厂 钢铁厂等 废热水会使水体水温升高 这将影响鱼类及水生生物的生长 此外 水体水温升高将导致一方面溶解氧减少 另一方面使有机物分解加快 细菌活动性增高