《水利工程建筑物》课件

水利工程建筑物水利工程建筑物是人类征服和利用水资源的重要工程设施，它们承担着防洪、发电、灌溉、供水等多重功能本课程将系统介绍水利工程建筑物的基本概念与分类，深入分析各类水工建筑物的设计原理与特点，并通过丰富的工程实例展示现代水利技术的应用从古代的都江堰到现代的三峡工程，水利建筑物见证了人类文明的发展历程随着科学技术的进步，现代水工建筑物在结构设计、施工技术、运行管理等方面都取得了重大突破，为保障国家水安全和经济社会发展发挥着重要作用课程概述课程内容学习目标能力培养本课程系统介绍水利工程建筑物的基掌握水工建筑物的设计原理、施工技通过理论学习与工程实例分析，提升本理论与实践应用，涵盖挡水建筑术与管理方法，培养学生分析和解决学生的专业素养和工程实践能力物、泄水建筑物、输水建筑物等主要实际工程问题的能力类型第一部分水利工程基础知识水资源概况水利枢纽概念全面了解全球和中国水资源分布特掌握水利枢纽的基本概念和组成，点，分析水资源开发利用现状，认理解各种水工建筑物在枢纽中的作识水利工程建设的重要意义和紧迫用和相互关系性建筑物分类学习水工建筑物的分类方法和特点，为后续深入学习各类建筑物奠定基础全球与中国水资源现状全球水资源特点中国水资源现状全球水资源总量约

13.86亿立方千米，但可利用的淡水资源仅占中国水资源总量为

2.8万亿立方米，居世界第六位，但人均占有量

2.5%水资源在地球上分布极不均匀，约68%的淡水以冰川和永仅为世界平均水平的1/4水资源时空分布不均，南方水多北方水久积雪形式存在，30%为地下水，仅有不到1%的淡水可供人类直少，夏秋多冬春少，这种不均衡分布造成了严重的水资源供需矛接利用盾水资源的自然属性流动性可再生性有限性多功能性水资源具有空间流动水资源通过蒸发、降虽然水资源可以再生，水资源具有饮用、农业性，可以通过天然河道水、径流等水文循环过但在特定时间和空间范灌溉、工业用水、生态或人工渠道进行跨区域程不断再生，但这种再围内，可利用的水资源维护、航运发电等多种调配，这为解决水资源生能力受到气候变化和总量是有限的，需要合功能，需要统筹考虑各分布不均问题提供了可人类活动的影响理开发利用种用水需求能水资源面临的主要问题洪涝灾害洪涝灾害是中国最主要的自然灾害之一，严重危害人民生命财产安全，影响经济社会发展干旱缺水水资源时空分布不均导致的季节性和区域性缺水问题，影响农业生产和城市供水安全水污染工业废水、农业面源污染和生活污水排放导致水体污染，严重影响水资源的可利用性水土流失不合理的开发利用导致水土流失加剧，造成土壤退化、河道淤积和生态环境恶化水利建设的历史与发展1古代时期春秋战国时期建设的都江堰、灵渠等古代水利工程，体现了中华民族治水的智慧和创造力，至今仍在发挥作用2近现代发展新中国成立后，大规模开展水利建设，修建了一大批水库、水电站和灌区，为国家建设提供了重要支撑3现代创新改革开放以来，中国水利技术快速发展，在大坝建设、水电开发、调水工程等方面达到世界先进水平南水北调等重大调水工程西线工程中线工程规划从长江上游引水到黄河上游，主要解决东线工程从丹江口水库陶岔渠首引水，经河南、河北西北地区缺水问题，工程技术难度大，目前利用京杭大运河及其平行河道，通过13级梯至北京、天津，年调水量95亿立方米，采仍在深入论证阶段，将采用隧洞穿越分水岭级泵站提水，将长江水调至华北地区，年调用自流方式输水，线路总长1432公里，是的方式实现跨流域调水水量148亿立方米，主要解决苏北、山东、南水北调工程的关键线路河北东部和天津的缺水问题三峡工程与水电开发米185坝高三峡大坝最大坝高185米，是目前世界上最大的混凝土重力坝米2250坝长大坝轴线全长2335米，其中主体工程长度为2250米万2240装机容量装机容量2240万千瓦，年发电量约1000亿千瓦时亿393库容总库容393亿立方米，防洪库容

221.5亿立方米水利枢纽的概念与分类平原枢纽按水头分类平原地区枢纽地形平坦，坝身较长，低水头枢纽＜30米、中水头枢纽30-库区面积大100米、高水头枢纽＞100米•施工条件较好•影响坝型选择按地形分类按功能分类•淹没面积较大•决定机组类型山区枢纽利用天然峡谷建设，坝高较综合利用枢纽具有防洪、发电、灌溉•移民安置量大•确定布置方案大，库容集中等多种功能•地形条件优越•功能多样化•工程量相对较小•效益显著•淹没损失较少•管理复杂水库的特征水位与库容水库效益与影响主要效益可能影响水库建设能够产生显著的综合效益防洪效益通过调节洪水减少下水库建设也会带来一些负面影响，需要采取相应的减缓和补偿措游灾害损失，发电效益提供清洁可再生能源，灌溉效益保障农业生施移民安置涉及大量人口搬迁，生态影响包括鱼类洄游阻断、水产用水，供水效益满足城乡生活和工业用水需求温变化等，地质影响可能诱发地震或滑坡•防洪减灾保护人民生命财产•库区移民安置问题•发电提供清洁能源•生态环境变化•灌溉保障粮食安全•泥沙淤积影响•供水支撑经济发展•地质环境影响•航运改善交通条件•下游河道冲刷水工建筑物的功能与特点安全性要求关系国计民生安全工作条件复杂承受多种力的作用水环境影响长期受水流冲刷侵蚀多功能需求满足防洪发电等需求基础工程为国民经济发展提供基础保障水工建筑物作为重要的基础设施，具有功能多样、工作环境复杂、安全要求高等特点它们不仅要满足防洪、发电、灌溉等基本功能需求，还要在复杂的水力条件下长期安全运行，对设计、施工和管理都提出了很高的技术要求水工建筑物的分等分级工程等别工程规模主要建筑物级别次要建筑物级别Ⅰ等大1型1级3级Ⅱ等大2型2级4级Ⅲ等中型3级4级Ⅳ等小1型4级5级Ⅴ等小2型5级5级水工建筑物的分等分级是工程设计和建设管理的基础，等别主要根据工程规模、效益和在国民经济中的重要性确定，级别则根据建筑物的重要性和失事后果确定不同等级的建筑物在设计标准、材料要求、施工质量等方面都有不同的规定第二部分挡水建筑物坝型选择根据地形地质条件确定结构设计满足强度和稳定要求施工技术保证工程质量和进度挡水建筑物是水利枢纽的核心组成部分，主要功能是拦蓄水流、抬高水位、形成水库根据结构形式和工作原理的不同，挡水建筑物可分为重力坝、拱坝、土石坝等主要类型坝型选择需要综合考虑地形地质条件、材料来源、施工条件、经济性等多种因素重力坝工作原理结构特点依靠坝体自重抵抗水平推力，保持稳定断面呈三角形或梯形，厚度较大材料要求适用条件需要大量优质混凝土或块石材料要求基岩坚固，河谷不宜过窄重力坝是目前应用最广泛的坝型之一，具有结构简单、适应性强、运行安全可靠等优点坝体主要承受静水压力、自重、扬压力等荷载，通过合理的断面设计确保坝体在各种工况下都能保持稳定拱坝拱作用原理通过拱的作用将水压力传递给两岸结构优势坝体厚度小，节省混凝土用量地形要求适用于狭窄峡谷，两岸岩石坚硬技术难度设计计算复杂，施工精度要求高土石坝土石坝是以土、砂、石等天然材料为主要建筑材料的挡水建筑物，具有就地取材、适应性强、造价相对较低等优点根据防渗体的不同，可分为均质土坝、心墙土石坝、斜墙土石坝、面板坝等类型设计时需要重点考虑防渗、排水、稳定等问题碾压混凝土坝材料特点采用低坍落度或干硬性混凝土，水泥用量较少，掺加大量粉煤灰等掺合料，改善混凝土的工作性能和力学性能施工工艺采用分层摊铺、碾压密实的施工方法，类似于土石坝的施工工艺，施工速度快，能够快速形成坝体技术优势施工简便、速度快、造价低，水化热较低，温度应力小，适用于高坝和大体积混凝土工程坝体荷载与作用力静水压力浮力与渗透温度荷载压力上游水体对坝面环境温度变化和产生的水平压坝基和坝体内的水化热引起的温力，是坝体承受渗流产生的浮力度应力，可能导的主要荷载，压和渗透压力，会致坝体开裂，需力大小与水深成降低坝体的有效要采取相应的温正比重量和抗滑稳定控措施性地震力地震时产生的惯性力和动水压力，对坝体稳定性和安全性产生重要影响，需要进行抗震设计坝体应力分析正常运行工况特殊工况分析正常蓄水位下，坝体主要承受静水压力、自重和扬压力上游面受校核洪水位、地震工况等特殊情况下，坝体应力状态会发生显著变压应力，下游面可能出现拉应力坝踵和坝趾是应力集中区域，需化需要验算坝体在这些极端工况下的稳定性和强度要重点关注应力集中区域需要采取局部加强措施，如设置齿槽、增加配筋等，通过有限元分析可以得到坝体内部的应力分布，确保各部位应力都确保坝体在各种工况下都能安全运行在材料允许范围内，保证坝体安全坝基处理技术防渗处理加固处理排水措施通过帷幕灌浆、混凝土防渗墙、高压采用固结灌浆、预应力锚索、钢筋混设置排水孔、排水廊道等排水系统，喷射灌浆等技术，在坝基内形成连续凝土加固等方法，提高坝基岩体的整降低坝基内的渗透压力，提高坝体抗的防渗屏障，减少渗流量和渗透压力体性和承载能力滑稳定性第三部分泄水建筑物泄水孔水闸深孔泄流设施，25%泄流比例调节控制设施，20%调节功能•表孔泄洪•节制闸溢洪道消能设施•中孔泄流•分水闸正常泄洪通道，30%泄流比例•底孔排沙•排水闸能量消散装置，25%消能效果•开敞式溢洪道•水跃消能•有控溢洪道•挑流消能•竖井式溢洪道•底流消能溢洪道类型与特点开敞式溢洪道结构简单，泄洪能力大，适用于各种坝型由进口段、控制段、泄槽段和消能段组成，水流自由溢流，运行可靠性高进口段采用标准溢流曲线，减少水头损失，泄槽段坡度根据地形确定有控溢洪道设置闸门控制，可以根据来水情况和下游安全要求调节泄流量，具有较强的调节能力闸门型式包括平面闸门、弧形闸门等，需要配套启闭设备和控制系统，操作灵活但维护要求较高竖井式溢洪道适用于山区狭窄河谷，占地面积小，泄流能力受限由竖井进水口、竖井段、弯道段和出口段组成，水流经竖井垂直下降后转为水平流动，结构复杂但节省地面空间泄水孔与底孔进口段设置拦污栅和闸门，防止漂浮物堵塞，控制泄流量洞身段承担输水功能，断面形式多为圆形或城门洞形出口段消能防冲，保护下游河床和岸坡安全控制设备闸门和启闭机系统，实现流量精确控制消能防冲设施水跃消能利用水跃现象在消力池内消散能量，适用于中低水头工程，消能效率高达80-90%挑流消能通过挑流鼻坎将高速水流抛射到空中，在下游深潭中消能，适用于高水头工程底流消能水流贴着消力池底板流动，通过摩擦和紊动消散能量，适用于低水头工程水闸的类型与功能节制闸调节上下游水位和流量，保证灌溉和供水需求通过闸门启闭控制过闸流量，维持上游适宜水位，保证取水口正常取水分水闸将主河道水流按比例分配到不同的支渠或用水区域设计时需要考虑各分水口的流量分配比例和水位协调进水闸控制渠道系统的进水流量，通常设在渠首或重要分水点配备拦污栅和冲沙闸，保证进水水质排水闸排除多余水量，防止内涝灾害在暴雨或洪水期间开启，将积水快速排出，保护农田和城区安全闸门类型与选择第四部分输水建筑物输水隧洞山区长距离输水首选渡槽工程跨越河流沟谷的架空输水倒虹吸管穿越低洼地带的管道输水输水渠道明渠输水的基本形式基础设施5水资源配置的重要载体引水渠道设计断面设计原理衬砌与防渗渠道断面设计需要满足水力学和结构力学要求常用断面形式包括渠道衬砌可以减少渗漏、防止冲刷、提高输水效率衬砌材料包括梯形、矩形、U形等，其中梯形断面应用最广断面尺寸根据设计混凝土、浆砌石、塑料薄膜等选择时需考虑当地材料供应、施工流量、允许流速、边坡稳定等条件确定条件、运行维护和经济性•水力半径最优化•现浇混凝土衬砌•边坡稳定性验算•预制混凝土板衬砌•最小断面面积原则•复合土工膜防渗•经济断面选择•土料防渗处理水工隧洞的类型按水流条件分类有压隧洞全断面过流，无压隧洞重力流按功能分类引水、泄洪、施工导流等专用隧洞按施工方法分类明挖、暗挖、盾构等不同施工工艺水工隧洞是重要的输水建筑物，特别适用于山区工程按水流条件可分为有压隧洞和无压隧洞，有压隧洞断面完全充满水流，水头损失主要为沿程损失；无压隧洞为重力流，有自由水面，水深小于洞高隧洞设计需要考虑水力特性、结构稳定、施工工艺等多种因素水工隧洞的组成部分进口段采用渐变断面，减少水头损失，防止气体卷入，设置拦污栅和闸门洞身段承担输水主要功能，断面形式和尺寸保持基本不变，需要进行衬砌处理出口段消能防冲，平稳泄流，保护下游河床和建筑物安全隧洞断面形式与衬砌圆形断面马蹄形断面混凝土衬砌受力条件最好，适用于开挖量小，受力条件良提高洞壁稳定性，减少高内水压力条件，施工好，广泛应用于中小型渗漏，改善水力条件，相对简单，但开挖量较隧洞工程延长使用寿命大喷锚支护适用于岩质较好的隧洞，施工速度快，能及时支护不稳定岩体渡槽与倒虹吸渡槽工程特点倒虹吸原理渡槽是跨越河流、沟谷、道路等障碍物的架空输水建筑物结构形倒虹吸利用连通器原理，使渠道水流在压力作用下穿越低洼地带或式包括梁式、拱式、斜拉式等，需要考虑跨度、荷载、地基条件等障碍物由进口段、管身段和出口段组成，管身埋设在地下或水因素下设计时要保证结构安全、水流平顺，同时考虑施工难度和经济性设计要点包括进出口水位差、管径选择、管材确定、基础处理等大跨度渡槽还需要考虑风荷载、地震荷载等特殊作用需要防止管内产生负压和气穴现象，保证输水安全第五部分水力发电建筑物水能资源水轮机组利用水位差产生的势能发电，清洁可再生将水能转换为机械能的核心设备输电系统发电机组将电能安全高效地传输给用户将机械能转换为电能输送到电网水力发电的基本原理势能转换高位水体具有重力势能，通过管道或渠道引导到低位时，势能转换为动能水流速度和压力的大小取决于水头高度，水头越高，可获得的能量越大机械转换高速水流冲击水轮机叶片，推动水轮机旋转，将水的动能转换为机械能水轮机的效率通常可达90%以上，是能量转换效率很高的机械设备电能输出水轮机带动发电机旋转，通过电磁感应原理将机械能转换为电能整个水力发电过程的综合效率可达85-90%，是最高效的发电方式之一水电站开发方式水坝式开发引水式开发直接在河道上修建拦河坝，利通过拦河闸或低坝引水，经引用坝前后水位差发电适用于水系统将水流引至厂房发电河道落差集中的地区，工程相适用于河道坡降较缓的山区，对简单，但需要较大的淹没面可以人工集中落差，减少淹没积损失混合式开发结合水坝式和引水式的优点，既有一定的蓄水能力，又通过引水系统增加发电水头，是目前最常采用的开发方式水电站主要建筑物进水建筑物包括拦河坝、进水口、拦污栅等，负责拦蓄水流、控制进水流量、阻挡漂浮物引水系统由引水渠道、压力管道、调压井等组成，将水流平稳高效地输送到水轮机厂房枢纽布置水轮发电机组、控制设备、变压器等主要机电设备的核心建筑物4尾水系统包括尾水管、尾水渠等，将发电后的水流安全排回河道水轮机类型与选择第六部分施工导流与施工技术导流任务导流方式为主体工程创造干地施工条件，确根据河流特点和工程条件选择明槽保施工期间的防洪安全，合理安排导流、涵洞导流、隧洞导流等不同施工程序，控制工程投资和工期方式，实现施工期水流安全通过技术要求满足施工导流标准，保证围堰和导流建筑物安全，协调好导流与主体工程施工的关系施工导流的任务与方式创造施工条件通过围堰和导流建筑物，将施工区与河道分离，为基础开挖、混凝土浇筑等工作创造干地条件控制施工风险根据施工期洪水标准设计导流工程，确保施工期间的防洪安全，避免洪水对施工造成损失优化施工程序合理安排导流时机和主体工程施工顺序，缩短工期，降低工程造价减少环境影响最小化施工对河道生态环境的影响，保证下游用水和生态需求围堰设计与截流技术围堰是施工期临时挡水建筑物，根据材料和结构形式可分为土石围堰、钢板桩围堰、混凝土围堰等设计时需要考虑渗透稳定、抗滑稳定、抗倾稳定等要求截流是围堰施工的关键环节，通过抛投块石、混凝土块等材料逐步缩窄河道过流断面，最终实现全河道封堵。