9.1水利工程簡(jiǎn)介

水利工程是用于控制和調(diào)配自然界的地表水和地下水，達(dá)到除害興利目的而修建的工程。水是人類生產(chǎn)和生活必不可少的寶貴資源，是人類生活和生產(chǎn)活動(dòng)中必不可少的物質(zhì)，但其自然存在的狀態(tài)并不完全符合人類的需要，在人類社會(huì)的生存和發(fā)展中，需要不斷地適應(yīng)、利用、改造和保護(hù)水環(huán)境。9.1.1概述修建水利工程能控制水流，防止洪澇災(zāi)害，并進(jìn)行水量的調(diào)節(jié)和分配，以滿足人民生活和生產(chǎn)對(duì)水資源的需要。

水利活動(dòng)起源很早，文字記載可以追溯到六七千年前，水利在中國(guó)有著重要地位和悠久歷史，歷代有為的統(tǒng)治者，都把興修水利作為治國(guó)安邦的大計(jì)。如四川的都江堰、關(guān)中的鄭國(guó)渠、溝通長(zhǎng)江與珠江水系的靈渠及京杭大運(yùn)河等都是我國(guó)古代水利工程的代表。都江堰與京杭運(yùn)河淮安船閘9.1.2水利工程的特點(diǎn)

水利工程不同于其他土木工程，具有下列特點(diǎn)：

①水工建筑物受水的作用，工作條件復(fù)雜。水利工程中各種水工建筑物都是在難以確切把握的氣象、水文、地質(zhì)等自然條件下進(jìn)行施工和運(yùn)行的，承受水的推力、浮力、滲透力、沖刷力等多種荷載的作用，工作條件較其他建筑物更為復(fù)雜。靈渠水系總攬圖京杭大運(yùn)河流經(jīng)區(qū)域②施工難度大。③大型水利工程的設(shè)計(jì)各有特點(diǎn)，難以劃一。④水利工程的效益具有不確定性。根據(jù)每年水文狀況不同而效益不同，農(nóng)田水利工程還與氣象條件的變化有密切聯(lián)系⑤水利工程一般規(guī)模大，技術(shù)復(fù)雜，工期較長(zhǎng)，投資多。水利工程決堤事故9.1.3水利工程的類型及分類

蓄水工程指水庫(kù)和塘壩，不包括專為引水、提水工程修建的調(diào)節(jié)水庫(kù)。

引水工程指從河道、湖泊等地表水體自流引水的工程，不包括從蓄水、提水工程中引水的工程；

提水工程指利用揚(yáng)水泵站從河道、湖泊等地表水體提水的工程，不包括從蓄水、引水工程中提水的工程；

調(diào)水工程指水資源一級(jí)區(qū)或獨(dú)立流域之間的跨流域調(diào)水工程，蓄、引、提工程中均不包括調(diào)水工程的配套工程。

地下水源工程指利用地下水的水井工程，分為淺層地下水和深層承壓水。南水北調(diào)西線方案南水北調(diào)中線方案南水北調(diào)東線方案

水利樞紐工程是修建在同一河段或地點(diǎn)，共同完成以防治水災(zāi)、開發(fā)利用水資源為目標(biāo)的不同類型水工建筑物的綜合體，它是水利工程體系中最重要的組成部分，一般由擋水建筑物、泄水建筑物、進(jìn)水建筑物以及必要的水電站廠房、通航、過(guò)魚、過(guò)木等專門性的水工建筑物組成。向家壩水利樞紐三維模型

按承擔(dān)任務(wù)的不同，可分為防洪樞紐、灌溉(或供水)樞紐、水力發(fā)電樞紐和航運(yùn)樞紐等。多數(shù)水利樞紐承擔(dān)多項(xiàng)任務(wù)，稱為綜合性水利樞紐。葛洲壩水利樞紐桂平航運(yùn)樞紐工程等別工程規(guī)模分等指標(biāo)水庫(kù)總庫(kù)容(億立方米)防洪灌溉面積(萬(wàn)畝)水電站裝機(jī)容量(萬(wàn)千瓦)保護(hù)城鎮(zhèn)及工礦區(qū)保護(hù)農(nóng)田面積(萬(wàn)畝)一大(1)型>10特別重要城市、工礦區(qū)>500>150>75二大(2)型10~1重要城市、工礦區(qū)500~100150~5075~25三中型1~0.1中等城市、工礦區(qū)100~3050~525~2.5四小(1)型0.1~0.01一般城鎮(zhèn)、工礦區(qū)<305~0.52.5~0.05五小(2)型0.01~0.001--<0.5<0.05中國(guó)水利樞紐工程分等指標(biāo)9.1.4水利工程發(fā)展趨勢(shì)

水利工程的水工建筑物向高水頭、大容量、新材料、新結(jié)構(gòu)等方面發(fā)展。隨著施工技術(shù)不斷提高和大型、高效施工機(jī)械及高速、大容量電子計(jì)算機(jī)的采用，高拱壩、高土石壩、碾壓混凝土壩、深埋隧洞及大型地下建筑物等的設(shè)計(jì)和研究將會(huì)有較快的進(jìn)展。排名國(guó)名電站名稱所在河流裝機(jī)容量(萬(wàn)kw)年發(fā)電量(億kw·h)開始發(fā)電年份1中國(guó)三峽長(zhǎng)江182084720032巴西、巴拉圭伊泰普巴拉那河126071019843美國(guó)大古力哥倫比亞河108320319424委內(nèi)瑞拉古里卡羅尼河103051019685巴西圖庫(kù)魯伊托坎廷斯河80032419846加拿大拉格蘭德二級(jí)拉格蘭德河73335819797俄羅斯薩揚(yáng)舒申斯克葉尼塞河64023719788俄羅斯克拉斯諾雅爾斯克葉尼塞河60020419689加拿大丘吉爾瀑布丘吉爾河5233451971全球大型水電站排行表

溪洛渡水電站有高拱壩、高水頭、高地震帶和大型洞室群的開挖等特點(diǎn)，技術(shù)上非常有挑戰(zhàn)性，既是國(guó)家實(shí)施西部大開發(fā)戰(zhàn)略的重大舉措，同時(shí)又緩解我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展中日益突出的電力緊張問(wèn)題，對(duì)有效改善國(guó)家電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)東、中、西部?jī)?yōu)勢(shì)互補(bǔ)、協(xié)調(diào)發(fā)展等方面具有十分重大的意義。正在建設(shè)的溪洛渡水電站是我國(guó)僅次于三峽工程的世界級(jí)巨型水電站，大壩采用混凝土雙曲拱壩，壩高276米，系世界最高大壩之一，建成后期裝機(jī)容量和年平均發(fā)電量的規(guī)模將排世界第三。9.1.5水電站開發(fā)方式和主要類型

可以分為河床式、壩后式、溢流式、混合式四種。河床式水電站

只建有低壩，水庫(kù)容量和調(diào)節(jié)能力均較小，主要靠河流的天然流量發(fā)電。水能利用受到限制，綜合效益相對(duì)較小，但淹沒損失和移民安置困難也小。適宜于平原或丘陵地區(qū)。1.壩式水電站河床式水電站實(shí)例葛洲壩水利樞紐廣西西津水電站寧夏青銅峽水電站壩后式水電站

廠房結(jié)構(gòu)不受水頭所限，水頭取決于壩高。三峽水電站溢流式水電站

當(dāng)河谷狹窄、泄洪量大、機(jī)組臺(tái)數(shù)多、地質(zhì)條件較差、不能采用地下式廠房而又要求保證有一定寬度的溢流段時(shí)，將廠房布置在溢流坎下面，廠房頂就是溢流面，稱為溢流式廠房。

三峽水電站新安江水電站自河流坡降較陡、落差比較集中的河段，以及河灣或相鄰兩河河床高程相差較大的地方，利用坡降平緩的引水道引水而與天然水面形成符合要求的落差(水頭)發(fā)電的水電站。適合于山區(qū)應(yīng)用。

引水式水電站示意2.引水式水電站首部式地下廠房廠房位于電站引水系統(tǒng)的首部。這種布置方式的特點(diǎn)是有壓引水隧洞較短，尾水隧洞較長(zhǎng)，而尾水隧洞承壓較小或?yàn)闊o(wú)壓隧洞，造價(jià)相對(duì)便宜，并省去了造價(jià)較高的上游調(diào)壓室。壓力管道以單元供水方式向水輪機(jī)供水，可不設(shè)下端閥門，因而可以降低造價(jià)。但這種地下廠房靠近水庫(kù)，需注意處理水庫(kù)滲水對(duì)廠房的影響。尾部式地下廠房

廠房位于引水系統(tǒng)的尾部，具有較長(zhǎng)的引水隧洞和較短的尾水隧洞，一般均設(shè)有上游調(diào)壓室。尾部廠房靠近地表，尾水洞短，廠房的交通、出線及通風(fēng)等輔助洞室的布置及施工運(yùn)行比較方便，因而采用較多。尾部式地下水電站適用水頭范圍較大，最高水頭達(dá)1000m以上，目前高水頭電站多采用尾部布置方式，我國(guó)已建成的地下水電站尾部式占70%以上。中部式地下廠房

廠房位于引水系統(tǒng)的中部，同時(shí)具有較長(zhǎng)的上游引水道和下游尾水道，當(dāng)引水道和尾水道均為有壓時(shí)需要同時(shí)建引水調(diào)壓室及尾水調(diào)壓室。當(dāng)水電站引水系統(tǒng)中部的地質(zhì)地形條件適宜，對(duì)外聯(lián)系如運(yùn)輸、出線以及施工場(chǎng)地布置方便時(shí)，可采用中部式地下廠房。抽水蓄能電站廠房?jī)?nèi)的機(jī)組具有水泵和水輪發(fā)電機(jī)。它是利用電網(wǎng)中在夜間負(fù)荷低谷時(shí)的電力輸送給抽水蓄能電站，驅(qū)動(dòng)水泵，將低處下水庫(kù)的水抽到高處上水庫(kù)存蓄；當(dāng)高峰負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)，放水到下水庫(kù)，沖動(dòng)水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

3.抽水蓄能電站利用海水漲落形成的潮汐能發(fā)電的電站稱為潮汐電站。潮汐電站廠房基本上與河床式廠房相同。

4.潮汐電站9.2主要水工建筑物

水利工程的基本組成是各種水工建筑物，包括擋水建筑物、泄水建筑物、進(jìn)水建筑物、輸水建筑物、河道整治建筑物、水電站建筑物、渠系建筑物、過(guò)壩設(shè)施等。9.2.1擋水建筑物

擋水建筑物是具有阻擋或攔束水流、擁高或調(diào)節(jié)上游水位的建筑物，一般橫跨河道者稱為壩，沿水流方向在河道兩側(cè)修筑者稱為堤，壩是形成水庫(kù)的關(guān)鍵性工程。壩的類型根據(jù)壩址的自然條件、建筑材料、施工場(chǎng)地、導(dǎo)流、工期、造價(jià)等綜合比較選定。擋水建筑物現(xiàn)場(chǎng)照片

壩是主要的擋水建筑物之一，它的主要荷載有壩面水壓力、壩體自重、泥沙壓力、冰壓力、溫度荷載以及地震荷載等。壩的設(shè)計(jì)中要解決的主要問(wèn)題是壩體抵抗滑動(dòng)或傾覆的穩(wěn)定性、防止壩體自身的破裂和滲漏。

(1)土石壩土石壩包括土壩、堆石壩、土石混合壩等，又統(tǒng)稱為當(dāng)?shù)夭牧蠅巍Ｍ潦瘔蔚膬?yōu)點(diǎn)有：筑壩材料可以就地取材，可節(jié)省大量鋼材和水泥，節(jié)省進(jìn)場(chǎng)公路；能適應(yīng)地基變形，對(duì)地基的要求比混凝土壩要低；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，便于維修和加高、擴(kuò)建；施工技術(shù)簡(jiǎn)單，工序少，便于組織機(jī)械化施工。不足之處是壩頂不能過(guò)流，必須另開溢洪道，施工導(dǎo)流不如混凝土壩便利，對(duì)防滲要求高；加之剖面大，填筑量大而且施工容易受季節(jié)影響。

(2)混凝土壩混凝土壩可分為重力壩、拱壩和支墩壩三種類型，重力壩依靠壩體自重與基礎(chǔ)間產(chǎn)生的摩擦力來(lái)承受水的推力而維持穩(wěn)定。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工較容易，耐久性好，適宜于在巖基上進(jìn)行高壩建筑，便于設(shè)置泄水建筑物。

隨著世界筑壩技術(shù)的提高，壩的高度逐漸提高，壩的規(guī)模亦隨之加大。目前世界最高的壩是俄羅斯335m高的羅貢土石壩，最高的混凝土壩是瑞士的大迪克桑斯壩，壩高為285m。體積最大的土石壩是巴基斯坦塔貝拉水電站的土石壩，體積達(dá)1.2億立方米；體積最大的混凝土壩是俄羅斯的薩揚(yáng)舒申斯克重力拱壩，體積為850萬(wàn)立方米；若計(jì)入尾礦壩則為美國(guó)新科尼利亞尾礦壩，體積為2.1億立方米。俄羅斯羅貢壩瑞士的大迪克桑斯壩

(3)其他類型的壩其他材料建成的壩如橡膠壩、鋼壩、木壩及草土壩(堰)等使用較少，一般只適用于低水頭。橡膠壩壩高一般在7m以下，最大達(dá)15m，建于河道及渠道上便于調(diào)節(jié)水位。鋼壩常為鋼板樁格體壩，最大壩高約30m，常用于海港碼頭以及施工期的縱向圍堰中。木壩及草土壩是傳統(tǒng)水工建筑物，近代常用于臨時(shí)建筑物中。橡膠壩

堤是沿河、渠、湖、海岸邊或行洪區(qū)、分洪區(qū)、圍墾區(qū)邊緣修筑的擋水建筑物。其作用為：防御洪水泛濫，保護(hù)居民、農(nóng)田及其各種設(shè)施；限制分洪區(qū)(蓄洪區(qū))、行洪區(qū)的淹沒范圍；圍墾洪泛區(qū)或海灘，增加土地開發(fā)利用的面積；抵擋風(fēng)浪或抗御海潮；約束河道水流，控制流勢(shì)，加大流速，利于泄洪排沙。9.2.2泄水建筑物

泄水建筑物是用以排放多余水量、泥沙和冰凌等的水工建筑物。主要有：泄水孔、泄水隧洞、溢洪道、溢流壩等。此外，與壩結(jié)合在一起的稱壩體泄水建筑物；設(shè)在壩身以外的常統(tǒng)稱為岸邊泄水建筑物。

泄水建筑物示意圖

泄水建筑物是水利樞紐的重要組成部分，其造價(jià)常占工程總造價(jià)的很大部分，合理選擇形式，確定其尺寸十分重要。泄水建筑物按其進(jìn)口高程可布置成表孔、中孔、深孔或底孔。表孔泄流與進(jìn)口淹沒在水下的孔口泄流，在同樣水頭時(shí)，前者具有較大的泄流能力，是溢洪道及溢流壩的主要形式。葛洲壩水利樞紐二江泄水閘(1)溢洪道溢洪道是水庫(kù)等水利建筑物的防洪設(shè)備，多筑在水壩的一側(cè)，象一個(gè)大槽，當(dāng)水庫(kù)里水位超過(guò)安全限度時(shí)，水就從溢洪道向下游流出，防止水壩被毀壞。包括：進(jìn)水渠控制段瀉槽出水渠。

溢洪道的分類標(biāo)準(zhǔn)溢洪道的類型目的與作用泄洪標(biāo)準(zhǔn)及運(yùn)用情況正常溢洪道用以宣泄設(shè)計(jì)洪水。非常溢洪道用以宣泄非常洪水。所在位置河床式溢洪道經(jīng)由壩身用以宣泄洪水。岸邊溢洪道正槽溢洪道泄槽與溢流堰正交，過(guò)堰水流與泄槽軸線方向一致。側(cè)槽溢洪道溢流堰設(shè)在泄槽一側(cè)，溢流堰軸線與泄槽大致平行。井式溢洪道進(jìn)水口在平面為一環(huán)形溢流堰，水流過(guò)堰后，經(jīng)豎井和隧洞流向下游。虹吸溢洪道利用虹吸作用泄水，水流出虹吸管后，經(jīng)泄槽流向下游，可建在岸邊，也可建在壩內(nèi)。溢洪道的類型溢洪道現(xiàn)場(chǎng)照片

(2)溢流壩溢流壩(又稱滾水壩)一般由混凝土或漿砌石筑成。與廠房結(jié)合在一起作為泄洪建筑物的壩內(nèi)式廠房溢流壩、廠房頂溢流和挑越廠房頂泄流的廠壩聯(lián)合泄洪方式，可用在高山狹谷地區(qū)，當(dāng)宣泄大流量時(shí)，是解決溢洪道和電站廠房布置位置不足的一種途徑。壩頂溢流壩面溢流大孔口壩面溢流(3)過(guò)壩設(shè)施過(guò)壩設(shè)施是在水利樞紐中為船只、木材、魚類過(guò)壩(閘)而建的設(shè)施的總稱。按過(guò)壩的目的分為過(guò)船設(shè)施、過(guò)木設(shè)施和過(guò)魚設(shè)施；按過(guò)壩方式又可分水力過(guò)壩和機(jī)械過(guò)壩兩類。其中過(guò)船設(shè)施又常稱為通航設(shè)施，分為船閘與升船機(jī)兩種基本類型。升船機(jī)是將船開進(jìn)承船廂，利用水力或機(jī)械運(yùn)送承船廂過(guò)壩，根據(jù)承船廂內(nèi)有無(wú)水分為濕式和干式。過(guò)船設(shè)施形式的選擇與布置，要根據(jù)過(guò)壩運(yùn)輸量、船型、船隊(duì)、上下游水位差及其變幅、水文地形地質(zhì)條件和樞紐建筑物的形式及其布置，經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較確定。9.3三峽工程簡(jiǎn)介

三峽工程是中國(guó)、也是世界上最大的水利樞紐，在工程規(guī)模、科學(xué)技術(shù)和綜合利用效益等許多方面都堪稱世界超級(jí)工程的前列，是治理和開發(fā)長(zhǎng)江的關(guān)鍵性骨干工程。三峽河段全長(zhǎng)約200km，上起四川奉節(jié)白帝城，下迄湖北宜昌南律關(guān)，由翟塘峽、巫峽、西陵峽組成。壩址位于西陵峽中的三斗坪鎮(zhèn)。三峽工程大壩壩址長(zhǎng)江三峽水利樞紐靜態(tài)總投資需要900.9億元，總工期18年。一期5年（1992一1997年），主要工程除準(zhǔn)備工程外，主要進(jìn)行一期圍堰填筑，導(dǎo)流明渠開挖。修筑混凝土縱向圍堰，以及修建左岸臨時(shí)船閘，并開始修建左岸永久船閘、升爬機(jī)及左岸部分石壩段的施工。二期工程6年（1998-2003年），工程主要任務(wù)是修筑二期圍堰，左岸大壩的電站設(shè)施建設(shè)及機(jī)組安裝，同時(shí)繼續(xù)進(jìn)行并完成永久特級(jí)船閘，升船機(jī)的施工。三期工程6年（2003一2009年），本期進(jìn)行的右岸大壩和電站的施工，并繼續(xù)完成全部機(jī)組安裝。

長(zhǎng)江三峽水利樞紐工程位于長(zhǎng)江西陵峽中段，壩址控刪流域面積l00萬(wàn)平方公里，多年平均年徑流量45l0億立方米，多年平均年輸沙量5.3億噸。設(shè)計(jì)正常蓄水位l75m，總庫(kù)容393億立方米，其中防洪庫(kù)容221.5億立方米。它具有防洪、發(fā)電、航運(yùn)等巨大的綜合效益。三峽水利工程全景照片①防洪

興建三峽工程的首要目標(biāo)是防洪，二十世紀(jì)以來(lái)長(zhǎng)江流域的洪災(zāi)情況參見表，三峽水庫(kù)全長(zhǎng)600余公里，平均寬度1.1km；水庫(kù)面積1084km2，可削減洪峰流量達(dá)每秒2.7萬(wàn)-3.3萬(wàn)立方米，將對(duì)長(zhǎng)江中下游的防洪形勢(shì)起決定性作用，可使荊江河段防洪標(biāo)準(zhǔn)由現(xiàn)在的約十年一遇提高到百年一遇。年份長(zhǎng)江洪災(zāi)1931年受災(zāi)面積達(dá)13萬(wàn)km2，淹沒農(nóng)田5089萬(wàn)畝，被淹房屋180萬(wàn)間，受災(zāi)民眾2855萬(wàn)人，被淹死亡者達(dá)14.5萬(wàn)人，估計(jì)損失銀元13.45億元。1935年1935年洪災(zāi)，長(zhǎng)江中下游洪水災(zāi)區(qū)8.9萬(wàn)km2，湖北、湖南、江西、安徽、江蘇、浙江六省份均受災(zāi)，淹沒農(nóng)田2263萬(wàn)畝，受災(zāi)人口1000萬(wàn)，淹死14.2萬(wàn)人，估計(jì)損失3.55億銀元。1949年1949年洪災(zāi)，