河海大水利水电工程概论讲义02水库、水利枢纽、水工建筑物

第二章水库、水利枢纽、水工建筑物水库控制运用水库调度任务：制定合理的水库运用方案，对入库天然径流进行控制蓄泄，最大限度发挥水资源综合效益。依据（编方案）：根据承担任务、河川径流变化、各部门用水要求，保证水库安全内容：拟定各项水利任务的控制运用方式；编制调度规程、调度图、当年调度计划；制定面临时段（月、旬）的水库蓄泄方案；进行水库水量调度运用的实时操作等。主要技术指标实时调度依据、原则：上级批准或有关协议水库泥沙淤积及其防治1水库泥沙冲淤现象和规律1.1库区水流形态和输沙流态壅水：指因水流受阻而产生的水位升高现象。如在河流中建造闸坝或桥墩。库区水流形态：壅水流态和均匀流态均匀流态挟沙数量沿程不变，当来沙量大于挟沙量时，发生沿程淤积或冲刷。壅水流态下三种输沙流态：1）浑水扩散到全断面，流速沿程递减，水流挟沙数量沿程递减；2）浑水沿库底运动，形成异重流输沙流态（高含沙水流进入库区遭遇清水后，由于挟沙水流的比重大于清水而在适当的位置潜入水库底部向前运行的现象）。3）异重流在坝前清水下面滞蓄。1.2水库泥沙冲刷溯源冲刷：库水位下降时，产生的向上游发展的冲刷。沿程冲刷：水沙条件改变后，原河床与之不相适应，为了调整河床适应变化了的水沙而发生的冲刷。壅水冲刷：开启底孔闸门发生的冲刷。1.3库区泥沙淤积形态纵剖面形态：三角洲淤积锥体淤积带状淤积横断面形态：全断面淤积主槽淤积沿湿周淤积三角洲淤积：发生在库容较大，库水位变幅较小的水库。挟沙水流进入回水末端以后，水流流速逐渐减小，挟沙能力沿程减小。椎体淤积：发生在库容较小，库水位变幅较大的水库。含沙水流将大量泥沙带到坝前。带状淤积:发生在库水位变动较大的河道型水库。1.4水库泥沙冲淤规律冲淤平衡趋向性规律：冲淤结果是达到不冲不淤的平衡状态（水沙平衡）。淤积一大片：挟沙浑水到哪，哪里发生淤积。冲刷一条带：水库泄流较大时，冲刷河槽，拉出一条深槽。死滩：指滩地不能通过冲刷来降低滩面，只能淤不能冲刷。活槽：指河槽能冲淤交替。2水库淤积防止措施2.1减少泥沙入库（加强水土保持）：植树造林、种草绿化荒山、耕种梯田。2.2减少水库淤积引洪放淤蓄清排浑异重流排沙2.3清除水库淤积人工排沙法机械清淤法虹吸清淤法高渠泄水冲淤法正常蓄水位是水库和水电站最重要的设计参数之一，是确定拦河坝高度、水库容积、利用水头和发电能力的基本依据；对水工建筑物的工程量、水库调节性能和水头的利用,关系极大;对水库和水电站的建设工期、投资、动能经济效益以及水库淹没损失等均有重要影响。水位的设定依据当水电站除发电外，尚有其他综合利用任务时，则正常蓄水位选择应统筹考虑水力发电、防洪、灌溉、航运、供水等综合用水部门的要求，进行多方案比较。一般应研究如下方面：①地区国民经济发展对电力需求的增长情况；②综合用水部门对水资源开发利用的要求；③坝址及水库区地形地质条件的限制和河流年径流量的大小及分布；④水库区淹没移民的许可程度，特别应注意重要城镇、铁路、公路及贵重矿藏资源提出的高程限制，其他如粮棉基地、旅游风景区以及重要名胜古迹等也应予考虑；⑤在各种边界河流上修建的水库和水电站，应对上下游、左右岸的要求进行协调，使确定的正常蓄水位能为各方面接受。在选择正常蓄水位时应根据各方面要求先确定其上限和下限，在此范围内再拟定若干方案，进行水利、动能和经济方面的计算分析，然后作政治、技术经济综合比较，并进行环境影响的评价，择优选定。在确定梯级水电站和水电站群正常蓄水位时，还应考虑其上下游水位间的合理联接和相互补偿调节的需要。幻灯片8(2)设计洪水位—designfloodlevel水库在正常运用情况下，当发生设计洪水时，水库达到的最高水位。水工建筑物必须按这种水位进行设计。什么情况下正常蓄水位比设计洪水位高?设计洪水位比正常蓄水位低，是不是会影响水电站经济效益？设计洪水位是在泄洪设施全开时通过设计洪水流量情况下的水位。电站运行时可通过闸门控制水位满足发电需要。

一般来说设计洪水位小于正常蓄水位是可减少工程投资和减少洪水淹没损失的。如果设计洪水位高于正常蓄水位，那么校核洪水位将更高，挡水建筑将加高，淹没也会加大，不经济。

尤其是城市景观河道，为了蓄水形成景观水面，通常会出现正常蓄水位高于设计洪水位，蓄水高取决于挡水建筑物的拦蓄水位坝址、坝型的选择和水利枢纽布置是水利枢纽设计的重要内容，二者相互联系，不同的坝址可选用不同的坝型和枢纽布置。例如：当河谷狭窄、地形条件良好时，适合修建拱坝；河谷宽阔，地质条件较好，可以修建重力坝；河谷宽阔，河床覆盖层深厚，地质条件较差又有适宜土石料时，可以选用土石坝。不同的坝址选择不同的建筑物形式以及相应的枢纽布置方案，在选择坝址、坝型和布置时，不仅要考虑枢纽附近的自然条件，还需考虑枢纽的施工条件、运行条件、综合效益、投资指标以及长远规划等。地质条件是坝址、坝型选择的重要条件。拱坝和重力坝（低的溢流坝重力坝除外），需要建在岩基上；土石坝对地质要求较低，岩基、土基均可；二水闸多是建在土基上。但天然地基总是存在这样或那样的缺陷。如：断层破碎带、软弱地基、淤泥、细沙层等。在工程设计中应通过勘测研究，了解地质情况，采取不同的地基处理方法，使其满足要求。不同的坝型对地形的要求不一样。在高山峡谷地区不住水利枢纽，尽量减少高边坡开挖。坝址选在峡谷地段，坝轴线短，坝体工程量小，但对布置泄水、发电等建筑物以及施工导流均有困难。选用土石坝坝型时，应注意库区内有无天然垭口或天然冲沟可布置岸边溢洪道，上下游是否便于布置施工场地。因此，经济与否由枢纽的总造价、总工期来衡量。对于多泥沙及有漂木要求的河道，还应注意河流的流态，在坝址选择时，要注意坝址的位置是否对取水防沙及漂木有利。对有通航要求的水利枢纽还应注意上下游河道与船闸、伐道等过坝建筑物的连接。此外还希望坝轴线上游山谷开阔，在淹没没有损失尽可能小的情况下，能获得较大的库容。坝址附近应有足够数量符合要求的建筑材料。采用混凝土坝时，要求有可作骨料用的沙卵石或碎石场。采用土石坝时，应在距坝址不远处有足够数量的土石料场。对于料场分布、储量、埋深、开采运输及施工期淹没等问题均应认真考虑。要便于施工导流，坝址附近应有开阔的地形，便于布置施工场地；距交通干线较近，便于交通运输。在同一坝区范围内，施工条件往往是决定坝址的重要因素，但施工的困难是暂时的，工程运输管理方便则是长久的。应从长远利益出发，正确对待施工条件的问题。对不同的坝址就是合理的安排枢纽中各种建筑物的相应位置。在布置时应从设计、施工运用、管理、技术经济等方面进行综合比较，选定最优方案。枢纽布置就是合理安排枢纽中各建筑物的相互位置。在布置时应从设计、施工、应用、管理、技术经济等方面进行综合比较，选定最优方案。（1）枢纽布置应保证各建筑物在任何情况下都能正常工作。（2）在满足建筑物的强度和稳定的条件下，使枢纽总造价和年运费降低。尽量采用当地材料，节约钢材、木材、水泥等基建用料。采用新技术、新材料等设备是降低工程造价的主要措施。（3）枢纽布置应考虑施工导流、施工方法和施工进度等，应使施工方便、工期短、造价低。（4）枢纽中各建筑布置紧凑，尽量将统一工种布置在一起；尽量使一个建筑物发挥多种用途，充分发挥枢纽的综合效益。（5）尽可能使枢纽中的部分建筑物早日投产，提前受益。（6）考虑枢纽的远景规划，应对远期扩大装机容量、大坝加高、扩建等留有余地。（7）枢纽的外观与周围环境要协调，在可能情况下尽量美观。在遵循枢纽布置一般原则的前提下，从若干个具有代表性的枢纽布置方案中选择一个技术可行、经济合理、运用安全、施工期短、管理维修方便的最优方案是一个反复优化的过程。需要对各方案进行具体分析、全面论证、综合比较而定。进行方案比较时，通常对以下项目进行比较：（1）主要工程量。如钢筋混凝土和混凝土、土石方、金属结构、机电安装、帷幕灌浆、砌石等各项工程量。（2）主要建筑物材料用量。如钢筋、钢材、水泥、木材、沙石、沥青、炸药等材料的用量。（3）施工条件。主要是包括施工期、发电日期、机械化程度、劳动力状况、物资供应、料场位置、交通运输条件。（4）运用管理条件。发电、通航、泄洪、灌溉是否相互干扰，建筑物和设备的检查、维修和操作运用、对外交通是否方便，人防条件是否具备等（5）建筑物位置与自然界的适应情况。如地基是否可靠，河床抗冲能力与下游的消能方式是否适应，地形是否便于泄水建筑物的进、出口的布置和取水建筑物进口的布置等。（6）经济指标。主要比较总投资、总造价、年运费、淹没损失、电站单位千瓦投资、电能成本、灌溉单位面积投资以及能力航运。（2）设计独特性自然地形、地质条件千差万别，因此，设计只能按各自的特征进行。除非规模很小，一般不能采用定型设计。但某些部件可以标准化，如：水工闸门。（4）意义重大，失事后果严重瓦依昂（意大利）、提堂（美国）、马尔帕塞（法国）板桥和石漫滩等（中国75.8）至今中国已垮坝3000多座，最多一年垮坝500余座。一、水利枢纽分等水利部《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》规定，水利水电枢纽工程分为五等。山区、丘陵区部分划分依据为（1）总库容：校核洪水位以下库容（2）防洪：保护城镇及工矿区，保护农田面积（3）灌溉面积（设计）（4）水电站装机平原、滨海地区划分依据为（1）总库容：校核洪水位以下库容（2）防洪：保护城镇及工矿区，保护农