水利枢纽与建筑物讲义

§2水库、水利利枢纽、水水工建筑物物一、水库—reservoir1.作用调节作用：把来水按按用水要求求在时间和和数量上重重新分配。。其他作用：利用大量量的蓄水和和抬高了的的水头来满满足发电、、航运以及及水产等其其他用水部部门的需要要。按调节周期期分：日调节水库库，如葛洲洲坝、富春春江年调节水库库，如三峡峡（不完全全的）、九九甸峡（完完全）多年调节水水库，如新新安江、龙龙羊峡、丰丰满水库与径流流调节水库调节及及分类水库调节兴利调节防洪调节日（周）调节年调节多年调节调节周期：：由库空到到库满再到到库空，循循环一次所所经历的时时间。水库运用1水库控制运运用水水库库调度任务：制定合理的的水库运用用方案，对对入库天然然径流进行行控制蓄泄泄，最大限限度发挥水水资源综合合效益。依据（编方方案）：根据承担任任务、河川川径流变化化、各部门门用水要求求，保证水水库安全内容：拟定各项水水利任务的的控制运用用方式；编编制调度规规程、调度度图、当年年调度计划划；制定面面临时段（（月、旬））的水库蓄蓄泄方案；；进行水库库水量调度度运用的实实时操作等等。主要技术指指标实实时调调度依据、、原则：上级批准或或有关协议议水库泥沙淤淤积及其防防治1水库泥沙冲冲淤现象和和规律1.1库区水流形形态和输沙沙流态壅水：指因因水流受阻阻而产生的的水位升高高现象。如如在河流中中建造闸坝坝或桥墩。。库区水流形形态：壅水水流态和均均匀流态均匀流态挟挟沙数量沿沿程不变，，当来沙量量大于挟沙沙量时，发发生沿程淤淤积或冲刷刷。壅水流态下下三种输沙沙流态：1）浑水扩散散到全断面面，流速沿沿程递减，，水流挟沙沙数量沿程程递减；2）浑水沿库库底运动，，形成异重重流输沙流流态（高含含沙水流进进入库区遭遭遇清水后后，由于挟挟沙水流的的比重大于于清水而在在适当的位位置潜入水水库底部向向前运行的的现象）。。3）异重流在在坝前清水水下面滞蓄蓄。1.2水库泥沙冲冲刷溯源冲刷：：库水位下下降时，产产生的向上上游发展的的冲刷。沿程冲刷：：水沙条件件改变后，，原河床与与之不相适适应，为了了调整河床床适应变化化了的水沙沙而发生的的冲刷。壅水冲刷：：开启底孔孔闸门发生生的冲刷。。1.3库区泥沙淤淤积形态纵剖面形态态：三角洲洲淤积锥锥体淤积积带状状淤积横断面形态态：全断面面淤积主主槽淤积积沿湿湿周淤积三角洲淤积积：发生在在库容较大大，库水位位变幅较小小的水库。。挟沙水流流进入回水水末端以后后，水流流流速逐渐减减小，挟沙沙能力沿程程减小。椎体淤积：：发生在库库容较小，，库水位变变幅较大的的水库。含含沙水流将将大量泥沙沙带到坝前前。带状淤积:发生在库水水位变动较较大的河道道型水库。。1.4水库泥沙冲冲淤规律冲淤平衡趋趋向性规律律：冲淤结结果是达到到不冲不淤淤的平衡状状态（水沙沙平衡）。。淤积一大片片：挟沙浑浑水到哪，，哪里发生生淤积。冲刷一条带带：水库泄泄流较大时时，冲刷河河槽，拉出出一条深槽槽。死滩：指滩滩地不能通通过冲刷来来降低滩面面，只能淤淤不能冲刷刷。活槽：指河河槽能冲淤淤交替。2水库淤积防防止措施2.1减少泥沙入入库（加强强水土保持持）：植树树造林、种种草绿化荒荒山、耕种种梯田。2.2减少水库淤淤积引洪放淤蓄蓄清排排浑异异重流排沙沙2.3清除水库淤淤积人工排沙法法机械械清淤法虹虹吸清清淤法高高渠泄水水冲淤法水库对环境境的影响1对自然环境境影响1.1对地质的影影响水库蓄水后后，水体压压重引起地地壳应力增增加；水渗渗入断层，，导致断层层间润滑度度增加；增增加岩层中中空隙水压压力，诱发发地震。水库蓄水后后水位升高高，岸坡土土体抗剪强强度降低，，易发生山山体滑坡。。水库蓄水后后，库区周周围地下水水位上升，，引起低洼洼地带沼泽泽化、土壤壤盐碱化、、建筑物地地基沉陷。。1.2对土壤的影影响浸浸没沼沼泽化化潜育育化盐盐碱化潜育化：指指土壤长期期滞水，严严重缺氧。。2.特征水位—characteristicwaterlevel(1)正常高水位位—normalhighwaterlevel(2)设计洪水位位—designfloodlevel(3)校核洪水位位—checkfloodlevel(4)汛前限制水水位—prefloodlimitw.l.(5)死水位—deadw.l.正常蓄水位位是水库和和水电站最最重要的设设计参数之之一，是确确定拦河坝坝高度、水水库容积、、利用水头头和发电能能力的基本本依据；对对水工建筑筑物的工程程量、水库库调节性能能和水头的的利用,关系极大;对水库和水水电站的建建设工期、、投资、动动能经济效效益以及水水库淹没损损失等均有有重要影响响。水位的设定定依据当水电站除除发电外，，尚有其他他综合利用用任务时，，则正常蓄蓄水位选择择应统筹考考虑水力发电、防洪、灌灌溉、航运运、供水等等综合用水水部门的要要求，进行行多方案比比较。一般般应研究如如下方面：：①地区国民民经济发展展对电力需需求的增长长情况；②综合用水水部门对水水资源开发发利用的要要求；③坝址及水水库区地形形地质条件件的限制和和河流年径径流量的大大小及分布布；④水库区淹淹没移民的的许可程度度，特别应应注意重要要城镇、铁铁路、公路路及贵重矿矿藏资源提提出的高程程限制，其其他如粮棉棉基地、旅旅游风景区区以及重要要名胜古迹迹等也应予予考虑；⑤在各种边边界河流上上修建的水水库和水电电站，应对对上下游、、左右岸的的要求进行行协调，使使确定的正正常蓄水位位能为各方方面接受。。在选择正常常蓄水位时时应根据各各方面要求求先确定其其上限和下下限，在此此范围内再再拟定若干干方案，进进行水利、、动能和经经济方面的的计算分析析，然后作作政治、技技术经济综综合比较，，并进行环环境影响的的评价，择择优选定。。在确定梯梯级水电站站和水电站站群正常蓄蓄水位时，，还应考虑虑其上下游游水位间的的合理联接接和相互补补偿调节的的需要。(1)正常高水位位—normalhighwaterlevel水库在正常常运用情况况下，允许许经常保持持的最高水水位。为保保证各兴利利部门枯水水期正常用用水，水库库在丰水期期末需要达达到的水位位。它是确定水水工建筑物物尺寸、投投资、淹没没、电站出出力等指标标的最重要要的参数。。(2)设计洪水位位—designfloodlevel水库在正常常运用情况况下，当发发生设计洪洪水时，水水库达到的的最高水位位。水工建筑物物必须按这这种水位进进行设计。。(3)校核洪水位位—checkfloodlevel水库在非常常运用情况况下，当发发生校核洪洪水时，水水库达到的的最高水位位。水工建筑物物必须按这这种水位进进行校核。。(4)汛前限制水水位—prefloodlimitw.l.在汛期来临临之前，预预先把水库库放空一部部分，以腾腾出库容多多蓄洪水，，这时消落落下来的水水位。也称称为汛期限限制水位或或防洪限制制水位。(5)死水位—deadwaterlevel水库在正常常运用情况况下，允许许消落的最最低水位。。为满足淤淤沙或灌溉溉、发电、、航运、供供水、养殖殖、旅游等等需要，水水库必须保保持的最低低水位。。通常由发电电最小水头头和灌溉最最低水位决决定。三峡三峡水电站站的限制洪水水位145米，145米以下都应应该是死水位。设计蓄水水位175米，正常蓄水位位175米，校核蓄蓄水位加10%。什么情况下下正常蓄水水位比设计计洪水位高高?设计洪水位位比正常蓄蓄水位低，，是不是会会影响水电电站经济效效益？设计洪水位位是在泄洪设施全开时时通过设计洪水流量情况下下的水位。。电站运行行时可通过过闸门控制制水位满足足发电需要要。一般来说设计洪水位小于正常蓄水位是可减少工程程投资和减少少洪水淹没损损失的。如果果设计洪水位高于正常蓄水位，那么校核洪水位将更高，挡水水建筑将加高高，淹没也会会加大，不经经济。尤其是城市景观河道，为了蓄蓄水形成景观观水面，通常常会出现正常蓄水位高于设计洪水位，蓄水高取决决于挡水建筑筑物的拦蓄水水位3.特征库容—characteristicreservoircapacity(1)死库容—死水位以下的的水库库容，，不能用于水水量调节，可可用于泥沙淤淤积(2)兴利库容—死水位与正常常高水位之间间的水库库容容(3)设计调洪库容容—设计洪水位与与汛前限制水水位之间的水水库库容(4)校核调洪库容容—校核洪水位与与汛前限制水水位之间的水水库库容(5)共用库容—正常高水位与与汛前限制水水位之间的水水库库容，兴兴利和调洪公公用的库容特征水位与特特征库容兴利库容—死水位与正常常高水位之间间的水库库容容共用库容—正常高水位与与汛前限制水水位之间的水水库库容，兴兴利和调洪公公用的库容二、水利枢纽纽—waterproject一个水利工程程究竟要包括括哪些组成建建筑物，由河河流综合利用用规划中提出出的任务来确确定。例如：：为满足防洪、、发电及灌溉溉的要求，需需要在河流适适宜地点修建建拦河坝，用以抬高水水位形成水库库，调节河道道的天然流量量，把河道丰丰水期的水储储蓄在水库中中，供枯水期期引用。即把把洪水期河道道不能容纳的的部分洪水，，存蓄在水库库里，以便削削减河道的洪洪水流量，防防止洪水灾害害的发生。另另外，在运行行过程中还可可能会遇到水水库容纳不下下的洪水，这这就需要建造造一个宣泄洪洪水的通道，，叫做溢洪道或泄洪洪隧洞，当用拦河坝坝的一段兼作作溢洪道时称称为溢流坝。。为了引用库库中蓄水以供供农田灌溉和和城市供水或或进行水力发发电等，还要要建造通过坝坝身的引水管道或穿过岸边山山体的引水隧洞，为了发电、、供电，还要要建水电站、开关关站等等。水利枢纽分为为：高水头—大多修建在山山区峡谷河流流上低水头—大多修建在平平原河流上三峡水利枢纽纽工程平面布布置图（实体体重力坝）新安江水电站站平面布置图图（宽缝重力力坝）二滩水电站枢枢纽平面布置置图（拱坝））小浪底水利枢枢纽工程平面面布置图（土土坝）葛洲坝水利枢枢纽长江在该处原原有两个江心心洲（葛洲坝坝和西坝），，分江流为三三，从右到左左依次称大江江、二江、三三江，枢纽横横跨长江及其其两洲，施工工比较方便，，这是一座低低水头大流量量的水利枢纽纽。1—左岸土石坝；；2—3号船闸；3—三江冲沙闸；；4—三江混凝土坝坝段；5—2号船闸；6—黄草坝混凝土土坝段；7—二江电站；8—左导墙；9—二江泄水闸；；10—右导墙；11—大江电站；12—1号船闸13—大江冲沙闸；；14—右岸土石坝；；15—220kV开关站；16—500kV开关站；17—三江防淤堤；；18—大江防淤堤；；19、20—导沙坝富春江水电站站枢纽布置图图淮河入海水道道漫水闸枢纽纽工程淮河入海道淮淮安枢纽工程程水利枢纽布置置一坝址和和坝型的选择择坝址、坝型的的选择和水利利枢纽布置是是水利枢纽设设计的重要内内容，二者相相互联系，不不同的坝址可可选用不同的的坝型和枢纽纽布置。例如如：当河谷狭狭窄、地形条条件良好时，，适合修建拱拱坝；河谷宽宽阔，地质条条件较好，可可以修建重力力坝；河谷宽宽阔，河床覆覆盖层深厚，，地质条件较较差又有适宜宜土石料时，，可以选用土土石坝。不同同的坝址选择择不同的建筑筑物形式以及及相应的枢纽纽布置方案，，在选择坝址址、坝型和和布置时，不不仅要考虑枢枢纽附近的自自然条件，还还需考虑枢纽纽的施工条件件、运行条件件、综合效益益、投资指标标以及长远规规划等。（一）地地质条件地质条件是坝坝址、坝型选选择的重要条条件。拱坝和和重力坝（低低的溢流坝重重力坝除外）），需要建在在岩基上；土土石坝对地质质要求较低，，岩基、土基基均可；二水水闸多是建在在土基上。但但天然地基总总是存在这样样或那样的缺缺陷。如：断断层破碎带、、软弱地基、、淤泥、细沙沙层等。在工工程设计中应应通过勘测研研究，了解地地质情况，采采取不同的地地基处理方法法，使其满足足要求。（二）地地形条件不同的坝型对对地形的要求求不一样。在在高山峡谷地地区不住水利利枢纽，尽量量减少高边坡坡开挖。坝址址选在峡谷地地段，坝轴线线短，坝体工工程量小，但但对布置泄水水、发电等建建筑物以及施施工导流均有有困难。选用用土石坝坝型型时，应注意意库区内有无无天然垭口或或天然冲沟可可布置岸边溢溢洪道，上下下游是否便于于布置施工场场地。因此，，经济与否由由枢纽的总造造价、总工期期来衡量。对对于多泥沙及及有漂木要求求的河道，还还应注意河流流的流态，在在坝址选择时时，要注意坝坝址的位置是是否对取水防防沙及漂木有有利。对有通通航要求的水水利枢纽还应应注意上下游游河道与船闸闸、伐道等过过坝建筑物的的连接。此外外还希望坝轴轴线上游山谷谷开阔，在淹淹没没有损失失尽可能小的的情况下，能能获得较大的的库容。（三）建建筑材料坝址附近应有有足够数量符符合要求的建建筑材料。采采用混凝土坝坝时，要求有有可作骨料用用的沙卵石或或碎石场。采采用土石坝时时，应在距坝坝址不远处有有足够数量的的土石料场。。对于料场分分布、储量、、埋深、开采采运输及施工工期淹没等问问题均应认真真考虑。（四）施施工条件要便于施工导导流，坝址附附近应有开阔阔的地形，便便于布置施工工场地；距交交通干线较近近，便于交通通运输。在同同一坝区范围围内，施工条条件往往是决决定坝址的重重要因素，但但施工的困难难是暂时的，，工程运输管管理方便则是是长久的。应应从长远利益益出发，正确确对待施工条条件的问题。。（五）综综合效益对不同的坝址址就是合理的的安排枢纽中中各种建筑物物的相应位置置。在布置时时应从设计、、施工运用、、管理、技术术经济等方面面进行综合比比较，选定最最优方案。二水利枢枢纽布置枢纽布置就是是合理安排枢枢纽中各建筑筑物的相互位位置。在布置置时应从设计计、施工、应应用、管理、、技术经济等等方面进行综综合比较，选选定最优方案案。（一）枢纽纽布置的一般般原则（1）枢纽布置应应保证各建筑筑物在任何情情况下都能正正常工作。（2）在满足建筑筑物的强度和和稳定的条件件下，使枢纽纽总造价和年年运费降低。。尽量采用当当地材料，节节约钢材、木木材、水泥等等基建用料。。采用新技术术、新材料等等设备是降低低工程造价的的主要措施。。（3）枢纽布置应应考虑施工导导流、施工方方法和施工进进度等，应使使施工方便、、工期短、造造价低。（4）枢纽中各建建筑布置紧凑凑，尽量将统统一工种布置置在一起；尽尽量使一个建建筑物发挥多多种用途，充充分发挥枢纽纽的综合效益益。（5）尽可能使枢枢纽中的部分分建筑物早日日投产，提前前受益。（6）考虑枢纽的的远景规划，，应对远期扩扩大装机容量量、大坝加高高、扩建等留留有余地。（7）枢纽的外观观与周围环境境要协调，在在可能情况下下尽量美观。。（二）枢枢纽布置方案案的选择在遵循枢纽布布置一般原则则的前提下，，从若干个具具有代表性的的枢纽布置方方案中选择一一个技术可行行、经济合理理、运用安全全、施工期短短、管理维修修方便的最优优方案是一个个反复优化的的过程。需要要对各方案进进行具体分析析、全面论证证、综合比较较而定。进行方案比较较时，通常对对以下项目进进行比较：（1）主要工程量量。如钢筋混混凝土和混凝凝土、土石方、金属属结构、机电电安装、帷幕幕灌浆、砌石石等各项工程程量。（2）主要建筑物物材料用量。。如钢筋、钢钢材、水泥、、木材、沙石石、沥青、炸炸药等材料的的用量。（3）施工条件。。主要是包括括施工期、发发电日期、机机械化程度、、劳动力状况况、物资供应应、料场位置置、交通运输输条件。（4）运用管理条条件。发电、、通航、泄洪洪、灌溉是否否相互干扰，，建筑物和设设备的检查、、维修和操作作运用、对外外交通是否方方便，人防条条件是否具备备等（5）建筑物位置置与自然界的的适应情况。。如地基是否否可靠，河床床抗冲能力与与下游的消能能方式是否适适应，地形是是否便于泄水水建筑物的进进、出口的布布置和取水建建筑物进口的的布置等。（6）经济指标。。主要比较总总投资、总造造价、年运费费、淹没损失失、电站单位位千瓦投资、、电能成本、、灌溉单位面面积投资以及及能力航运。。鲁布革枢纽布布置三、水工建建筑物—hydraulicstructure(1)挡水建筑物—waterretainingstructure(2)泄水建筑物—waterreleasestructure(3)引水建筑物—waterdiversionstructure(4)整治建筑物—regulatingstructure(5)专门建筑物—specialhydraulicstructure引水建筑物包包括取水建筑筑物和输水建建筑物。1.分类(1)挡水建筑物—waterretainingstructure用以拦截河流流，形成水库库或雍高水位位。如坝、闸闸、堤等。(2)泄水建筑物—waterreleasestructure用以宣泄水库库（或渠道））在洪水期间间或其他情况况下的多余水水量，以保证证坝（或渠））的安全。如如溢流坝、河河岸溢洪道、、泄洪隧洞和和泄水涵洞等等。(3)引水建筑物—waterdiversionstructure用以从水库（（或河道）向向库外（或下下游）引水，，以满足灌溉溉、发电、供供水等要求。。如引水隧洞洞、引水涵管管、渠道等。。水利枢纽“三大件”：挡水建筑物、、泄水建筑物物、引水建筑筑物(4)整治建筑物—regulatingstructure用以改善河流流的水流条件件，调整水流流对河床及河河岸的作用，，防止水库、、湖泊中的波波浪和水流对对岸坡的冲刷刷。如丁坝、、顺坝、导流流堤、护岸、、护底等。(5)专门建筑物—specialhydraulicstructure为实现某一水水利事业而修修建的建筑物物。如水电站站厂房、船闸闸、升船机、、鱼道、鱼闸闸、过木筏道道、过竹筏道道等。2.水工建筑物的的特点（1）由于水的作作用，建筑物物的工作条件件复杂（2）设计独特性性自然地形、地地质条件千差差万别，因此此，设计只能能按各自的特特征进行。除除非规模很小小，一般不能能采用定型设设计。但某些部件可可以标准化，，如：水工闸闸门。（3）施工条件复复杂解决施工导流流问题；气温、雨季的的影响，如：：浇筑混凝土土、填筑土坝坝；洪水威胁，要要求在汛期前前填筑到足够够高程；工程量大，工工期长，要求求施工机械先先进、管理科科学现状（3）Teton分区土石坝（（美國，1976）Teton坝位于美国Idaho州的Teton河上，是一座座防洪、发电电、旅游、灌灌溉等综合利利用工程。大大坝为土质肥肥心墙坝。最最大坝高93m(至心墙齿槽底底126.5m)。坝顶高程1625m，坝顶长945m。土基坝段坝坝上游坡：上上部为1:2.5，下部为1:3.5。坝下游坡：：上部为：1:2.0，下部为1:3.0。左岸为发电电厂房，装机机16MW。右岸布置有有3孔槽式溢洪道道。该坝于1972年2月动工兴建，，1975年建成。节理流纹岩地地基上的大坝坝典型剖面§3河川水利枢纽纽对环境的影影响一、物理影响响1.淤积和和冲刷刷上游：：流速速降低低，泥泥沙淤淤积下游：：清水水下泄泄，加加大冲冲刷2.气候变变化、、诱发发地震震、边边坡失失稳雾天增增多高坝：：坝高高超过过100m，库容容超过过10××108m3，达17%二、生生态影影响1.水库养养鱼，，但阻阻碍回回游2.调蓄水水量，，但水水温不不一定定适应应作物物生长长3.增加了了传播播疾病病有利利条件件（钉钉螺、、疟蚊蚊）4.库水化化学成成分改改变，，影响响生物物5.大库影影响气气候变变化6.大量淹淹没生态问问题涉涉及范范围很很广，，需研研究。。如：：为了正正确处处理水水利工工程安安全和和经济济之间间的矛矛盾，，必须须把水水利工工程及及其水水工建建筑物物按其其在国国民经经济中中的重要性性、工工程规规模、、效益益划分成成不同同的等等级，，以此此确定定（1）勘测测工作作的精精度和和广度度（2）工程程的设设计标标准（3）结构构计算算中采采用的的强度度和稳稳定安安全系系数（4）挡水水建筑筑物应应有的的超高高（5）应采采用的的建筑筑材料料水利工工程等等级指指标和和水工工建筑筑物级级别，，是根根据国国家的的方针、、政策策和水水利科科学技技术的的发展展水平平制定的的。§4.水利枢枢纽分分等和和水工工建筑筑物分分级一、水水利枢枢纽分分等水利部部《水利水水电枢枢纽工工程等等级划划分及及设计计标准准》规定，，水利利水电电枢纽纽工程程分为为五等等。山区、、丘陵陵区部部分划分依依据为为（1）总库库容：：校核核洪水水位以以下库库容（2）防洪洪：保保护城城镇及及工矿矿区，，保护护农田田面积积（3）灌溉溉面积积（设设计））（4）水电电站装装机平原、、滨海海地区区划分依依据为为（1）总库库容：：校核核洪水水位以以下库库容（2）防洪洪：保保护城城镇及及工矿矿