1、第二章水利水電工程的基本知識,第一節(jié)水力學(xué)的基本知識 第二節(jié)水利水電規(guī)劃 第三節(jié)水工建筑物 第四節(jié)水利樞紐 第五節(jié)水資源保護,第一節(jié)水力學(xué)的基本知識,一、自然界水的循環(huán)及水量平衡 二、河流的水文特性 三、水文統(tǒng)計的若干基本知識,一、自然界水的循環(huán)及水量平衡,（一）自然界的水分循環(huán) （二）自然界的水量平衡 （三）水文現(xiàn)象及水文學(xué),（一）自然界的水分循環(huán),自然界的水分別存在于以下三個方面： 地表 地層 大氣,地表水,大氣水,太陽輻射熱作用,一定條件,蒸發(fā),降水（降雨、降雪等）,水循環(huán),降水到達地表后，分成三部分：,注入河道,水的大循環(huán),另外還有水的小循環(huán) 例如： 降至陸地上的水，在沒有回到海洋之前

2、，又被蒸發(fā)到空中，又被凝結(jié)成為降水而降至陸地上 河流注入內(nèi)陸湖泊而不注入海洋,（二）自然界的水量平衡,海洋的水量平衡方程式為 陸地的水量平衡方程式為 自然界（全地球）的水量平衡方程式為 式中 分別為海洋、陸地的多年平均蒸發(fā)量 分別為海洋、陸地的多年平均降水量 匯入海洋之河川多年平均徑流量,地球上 總的蒸發(fā)量與降水量的多年平均值是相等的,（三）水文現(xiàn)象及水文學(xué),水文現(xiàn)象：自然界各種水體的變化現(xiàn)象 水文學(xué)：研究自然界各種水體的變化規(guī)律的學(xué)科 海洋水文學(xué) 陸地水文學(xué) 河川水文學(xué) 水文測量學(xué)：研究水文資料觀測技術(shù)的學(xué)科,二、河流的水文特性,（一）河流的流域及水系 （二）河道的縱橫斷面 （三）河渠的流速

3、、流量及水位 （四）河渠的泥沙 （五）河川的徑流 （六）河流的洪水,流域是指河流的地表降水的集水區(qū)域 分水嶺是指分隔兩個相鄰流域的界限,干流:直接流入海洋或內(nèi)陸湖泊 一級支流:匯入干流 二級支流:匯入一級支流 ,(二)河道的縱橫斷面,河道橫斷面:垂直于河道水流方向所選取出來的斷面,其在河道水位以下的部分稱為過水?dāng)嗝?河道縱斷面:沿河道縱向之最大水深線取一斷面,并將其拉直 圖為理想情況下的河道,橫斷面為A-A斷面,縱斷面為B-B斷面,A,A,B,B,河道,（三）河渠的流速、流量及水位,渠道:人工水道 天然河道:天然水道 1.流速 河渠中水流各點的流速是不同的,在水力學(xué)中已經(jīng)學(xué)到均勻流的概念 均勻

4、流只能在一定條件下實現(xiàn): 1.渠底沿程降低 2.棱柱形渠道必須長而直 3.渠道表面的粗糙系數(shù)n沿程不變 4.渠道中水流恒定,均勻流時的斷面平均流速可用謝才公式計算:,流量與水位 流量可以用下式來計算,一般來講，上游河床是逐漸下切的（沖刷），而下游河床是逐漸上升的（淤積） 河床沖淤對水位流量關(guān)系的影響可參見圖 （22）,洪水漲落時的河道水流屬于變量流，這時的水位流量關(guān)系有其特殊性，參見圖23,（四）河渠的泥沙,河渠中的泥沙可分為兩類：懸移質(zhì)和推移質(zhì) 單位體積水流中所含的泥沙的重量稱為含沙量,萬,億,億t,（五）河川的徑流,年徑流量：一年內(nèi)通過河流某一斷面的水量 年徑流量在年際之間是變化的。 中水

5、年 豐水年 枯水年 年徑流量在年內(nèi)的分配是很不均勻的。我國北方河流尤甚，汛期不到4個月的徑流量常占年徑流量的60以上。,（六）河流的洪水,當(dāng)流域內(nèi)下了暴雨或冰雪迅速融化時，將有大量的徑流匯入河中，于是河流將發(fā)生洪水。一般的洪水過程線如圖24所示。,三、水文統(tǒng)計的若干基本知識,（一）頻率P （二）重現(xiàn)期T （三）常用的幾個水文統(tǒng)計參數(shù),（一）頻率P,設(shè)觀測到的某水文年（例如年徑流量），由小到大排列起來為,則的頻率P可用下述的數(shù)學(xué)期望（均值）公式來計算,n越大，用上式算得的P值越接近其概率值,（二）重現(xiàn)期T,水文中的重現(xiàn)期T一般是指所研究的隨機變量的某值，在長時期內(nèi)平均每T年出現(xiàn)一次（即T年一遇）

6、。實際工程中的重現(xiàn)期有兩個不同的含義： 1、在研究暴雨及洪水時， 2、在研究灌溉、發(fā)電、供水等用水部門的需要時，,（三）常用的幾個水文統(tǒng)計參數(shù),1.算術(shù)平均值 2.加權(quán)平均值 3.均方差 4.變差系數(shù)(離勢系數(shù)) 5.偏差系數(shù)(偏態(tài)系數(shù)),第二節(jié)水利水電規(guī)劃,一、河川徑流調(diào)節(jié) 二、河流規(guī)劃,（一）河川調(diào)節(jié)的類型,1.年調(diào)節(jié):將洪水時期用不完的多余水量存蓄在水庫中,待枯水期用 2.多年調(diào)節(jié):把豐水年的多余水量存蓄在水庫中,待枯水年用 3.日調(diào)節(jié):在一晝夜內(nèi)把來水按需要進行重新分配,(二)水庫的特征水位及其庫容,(三)水庫的動庫容,靜庫容是假定庫水面為水平時的庫容 一般水庫都是按靜庫容進行調(diào)節(jié)計算

7、的 實際上,水庫水面由壩址起沿流上溯呈回水曲線,越向上游水面越上翹,直至與河道天然水面平順相切交為止,參見圖2-5,二、河流規(guī)劃,（一）開發(fā)治理方針和任務(wù)的確定 前提：調(diào)查研究，查明自然情況和社會經(jīng)濟情況，以摸清流域特點和開發(fā)治理該河流的要求 根據(jù)具體情況可以分成四類，分別治理 1、水土流失嚴(yán)重的干旱地區(qū)的中小河流 2、山低坡緩、耕地連片、土地潛力大，但水源缺乏的丘陵山區(qū)的河流 3、山高坡陡、河谷狹窄、耕地稀少、落差集中的上游河段 4、平原地區(qū)的河流,（二）制定綜合利用規(guī)劃方案 這種規(guī)劃方案，從范圍來看，包括全流域各部位，各階段除害興利的工程措施規(guī)劃，從專業(yè)來看，包括防洪、治澇、灌溉、水土保持

8、、水力發(fā)電、供水、航運、漁業(yè)、環(huán)境保護等的規(guī)劃；從時間來看，包括近期和遠景規(guī)劃。因此綜合利用規(guī)劃涉及的內(nèi)容是廣泛而復(fù)雜的，一般在制定規(guī)劃時應(yīng)注意遵循下述原則。,(1)對流域的治理和開發(fā)，一定要綜合利用、綜合治理、綜合平衡。力求做到水利、動能和土地資源的綜合利用，而且還要力求使每一項工程措施也要綜合利用；綜合治理是指治山、治水、治沙、治堿等的統(tǒng)一考慮，合理解決，此外還應(yīng)注意上中下游統(tǒng)一考慮，大中小工程相結(jié)合的問題；綜合平衡是指力爭做到建筑材料、資金、設(shè)備和勞動力的需要與可能之間的綜合平衡，以求達到耗費小、效益大、經(jīng)濟效果好。 (2)妥善協(xié)調(diào)各部門的不同要求。這是規(guī)劃中的棘手問題。要求各有關(guān)部門要

9、有全局觀念，規(guī)劃要明確輕重緩急，以力求使國民經(jīng)濟總的效益最大為原則。,(3)在擬定規(guī)劃時，要有發(fā)展的觀點。不僅要看到目前的經(jīng)濟形勢，還應(yīng)預(yù)計到將來經(jīng)濟發(fā)展的需要。此外，還應(yīng)看到鄰近其它流域國民經(jīng)濟發(fā)展的要求。 (4)在流域規(guī)劃中，一般應(yīng)以小型工程為基礎(chǔ)，大中型工程為骨干。在河流上中下游及其主要支流上，一般應(yīng)因地制宜地安排若干大中型工程作為控制性的工程，綜合解決防洪、發(fā)電、灌溉、航運、供水等方面的問題。,第三節(jié)水工建筑物,一、水工建筑物的類型 水工建筑物作用：,擋水、泄水、輸水、排沙等,防洪、灌溉、發(fā)電、供水、航運等,二、水工建筑物的特點 水工建筑物有著不同于其他建筑物的特點： (1)較高的擋水

10、建筑物承受著巨大的水平推力和向上作用的揚壓力的作用。因此，要求這類水工建筑物應(yīng)具有相應(yīng)的抗推能力和抗浮能力。 (2)由于建筑物上下游或內(nèi)外有水位差，所以在地基和建筑物內(nèi)部，將產(chǎn)生滲透水流，并因此而產(chǎn)生滲透壓力和滲透變形(包括溶蝕、管涌、流土等)。 (3)通過水工建筑物的水流，具有巨大的能量。 (4)必須要進行施工導(dǎo)流(即讓河水臨時改道)才能進行河道水下部分的施工。在較大河流上進行施工導(dǎo)流是有相當(dāng)難度的。,(5)水工建筑物的基礎(chǔ)很多都是位于地下水位以下的，因此其基坑開挖常常是比較困難的，特別是需要開挖地下水位以下的均勻砂層時。 (6)水工建筑物的工程量大都比較浩大。 (7)水工建筑物的型式、尺寸

11、和工作條件，與建筑物所在地區(qū)的地形，地質(zhì)、水文和運用條件等有著密切的關(guān)系。而這些條件的綜合是絕少重復(fù)的，所以，每一水工建筑物都有其獨特性，特別是擋水建筑物。 (8)由于水工建筑物，特別是大中型的擋水建筑物，施加給地基以巨大的荷載(水庫的水壓力甚至大到可以誘發(fā)地震)，而且還伴有水的不利作用(滲透等)，所以一般都要求進行大量的地質(zhì)勘探工作。,(9)水工建筑物大多是空間塊體結(jié)構(gòu)(而不是內(nèi)力比較易于確定的桿件結(jié)構(gòu)系統(tǒng))，不僅荷載巨大，而且水力及結(jié)構(gòu)工作條件復(fù)雜，因之往往需要進行大量的科學(xué)研究工作。 (10)混凝土和漿砌石的水工建筑物，由于水泥水化發(fā)熱等將引起溫度應(yīng)力。因此常常需要把水工建筑物進行分縫分

12、塊并控制其溫度變化，以防止產(chǎn)生溫度裂縫。 (11)水工建筑物大多工程量大、工期長，在施工過程中，由于施工縫的設(shè)置和分期分批合攏，所以建筑物的應(yīng)力會隨著施工的過程而變化。,(12)其它幾個特點： 1)水工建筑物受有風(fēng)浪和冰的作用； 2)地震時水工建筑物將受到地震水荷載和地震土荷載及地震慣性力等的作用； 3)滲水會溶濾混凝土中的游離石灰質(zhì)及地基巖體中的可溶鹽，導(dǎo)致降低它們的力學(xué)性能和抗?jié)B抗凍性能； 4)混凝土和巖石會遭到凍融循環(huán)的作用，而降低強度或遭受破壞； 5)水對金屬和木材有腐蝕作用，有些水對混凝土也有破壞作用。,第四節(jié)水利樞紐,一、水利樞紐及其特性 二、水庫對周圍環(huán)境的影響 三、水利水電樞紐

13、工程的分等 和水工建筑物的分級,一、水利樞紐及其特性,為了綜合利用水資源，把幾種不同的類型的水工建筑物修建在一起，協(xié)同工作，用來控制水流（兼收經(jīng)濟及施工和管理之便），這些水工建筑物的綜合體稱為水利樞紐,二、水庫對周圍環(huán)境的影響,（一）庫岸的崩落和滑塌 （二）水庫的淤積 （三）水庫對上游的其它影響 （四）水庫對下游的其它影響 （五）其它,（一）庫岸的崩落和滑塌,水庫蓄水后，水位相應(yīng)升高，使原本不接觸水的庫岸長期處于水的浸泡當(dāng)中，于是常常會發(fā)生庫岸的崩落和滑塌現(xiàn)象。 危害：庫岸的崩落和滑塌一方面毀壞了兩岸的農(nóng)田及建筑物，另一方面巖土滑落在水庫內(nèi)也減少了庫容,（二）水庫的淤積,河川水流流入水庫后，流

14、速逐漸減少，水流挾帶的泥沙便由粗到細地逐漸沉積于庫中 高蓄水位時，形成回水曲線，之后在庫首附近形成“攔門沙” 攔門檻會逐漸抬高、逐漸向上擴展，形成如下形狀：,多沙河流上，水庫的淤積速度是很快的。不能采用常規(guī)的“蓄攔洪水”運用方式，而應(yīng)采用“蓄清排混”的水沙調(diào)節(jié)運用方式，要點如下： （1）避開沙峰期攔蓄洪水 （2）利用異重流排沙 （3）高渠泄水拉淤,（三）水庫對上游的其它影響,有利： 大型水庫就是一座人工湖。蓄水后，可以改善周圍地區(qū)的航運、灌溉、漁業(yè)、供水等條件，還可以美化環(huán)境，調(diào)節(jié)氣候，促使其發(fā)展成旅游圣地和魚米之鄉(xiāng) 不利： 蓄水后將會淹沒庫區(qū)內(nèi)的農(nóng)田、礦藏、森林、村鎮(zhèn)、道路、輸電通訊線路等,

15、修建水庫可以顯著地抬高該處的河床水位及地下水位。地下水位的抬高將可能引起森林死亡、農(nóng)作物受澇、農(nóng)田發(fā)生沼澤化或鹽堿化，形成塌岸，影響已有建筑物的沉陷，使礦井積水、破壞古跡等。 水庫沿岸以及回水邊緣地帶，如果有可能形成廣闊的15m水深以下的淺水區(qū)和死水區(qū)時，則將惡化那里的衛(wèi)生防疫條件。,（四）水庫對下游的其它影響,有利： 水庫建成后，下游可以減小洪水、改善航運、發(fā)展灌溉、增加供水供電 減輕凌汛的危害 不利： 在電力系統(tǒng)中，擔(dān)負峰荷的大型水電站，其下泄流量變化較大，危及下游航運 水庫下泄水流有可能存在折沖水流現(xiàn)象，這將會危及下游河岸的安全 建庫后一旦垮壩，下泄的潰壩流量將是很大的，其災(zāi)害也是驚人的

16、,（五）其它,水庫在開始蓄水前，除牢做好遷出移民、廠礦企業(yè)及預(yù)定的文物古跡等外，尚應(yīng)做好下列清理工作： 清理會污染庫水的物質(zhì)，例如可溶鹽礦，屠宰場，患炭疽病的牲畜埋葬場、化工廠和醫(yī)院的一些物質(zhì)等 清理妨礙下網(wǎng)捕魚的船舶航行的障礙物，例如樹木，電線桿等,三、水利水電樞紐工程的分等和水工建筑物的分級,（一）等級的劃分標(biāo)準(zhǔn) （二）分等分級的意義,（一）等級的劃分標(biāo)準(zhǔn),一般按表23和表24來劃分樞紐的等別和建筑物的級別,在確定建筑物級別中，遇下列情況時，對二至五等工程，經(jīng)過論證，可以提高其主要建筑物的級別 綜合利用的樞紐工程，如按庫容和不同用途的分等指標(biāo)，其中有兩項接近同一等別的上限時，共用的主要建筑

17、物可提高一級 水庫的攔河壩，其壩高超過表2-5中所列的指標(biāo)者可提高一級，但洪水標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)提高,當(dāng)建筑物的工程地質(zhì)條件特別復(fù)雜或采用實踐經(jīng)驗較少的新壩型，新型結(jié)構(gòu)時，可提高一級，但洪水標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)提高 對于臨時性建筑物，當(dāng)失事將使下游工礦企業(yè)，城鎮(zhèn)或其他國民經(jīng)濟部門造成嚴(yán)重災(zāi)害或嚴(yán)重影響工程施工時，視其重要性和影響程度，可提高一級或二級 在確定建筑物的級別時，對于那些水頭較低、其它條件較好、失事后不致造成重大損失的建筑物，則可適當(dāng)降低其級別,（二）分等分級的意義,顯然，對于不同等級的樞紐和建筑物，采用不同的標(biāo)準(zhǔn)來進行勘測、規(guī)劃、設(shè)計和施工，才能便于達到既安全又經(jīng)濟的目的。不同等級的建筑物，主要在以下幾

18、個方面有不同的標(biāo)準(zhǔn)和要求。 （1）勘測、調(diào)查原始資料的深廣度不同，各規(guī)劃設(shè)計階段的工作內(nèi)容和要求不同 （2）防御洪水的標(biāo)準(zhǔn)不同，參見表26 （3）建筑物各部分尺寸裕度大小不同，對建筑物剛度、強度和穩(wěn)定性的要求不同,（4）對計算方法的完善，精確性的要求不同，對模型實驗的要求也不同 （5）對選用建筑材料的要求不同，對施工質(zhì)量的要求不同，對運用的靈活可靠性要 求不同，對管理和觀測的要求亦不同等,第五節(jié)水資源保護,一、水資源保護的重要意義 二、水質(zhì)污染物 三、水資源污染的防治,一、水資源保護的重要意義,人口增長，工業(yè)發(fā)展，廢物和污水迅猛增長 近年來，我國的水資源受污染的問題也變得日益嚴(yán)重了。,二、水質(zhì)

19、污染物,（一）漂浮的油脂類物質(zhì) 主要來自油船、煉油廠和其它工業(yè)廢水。 在水表面形成難看的薄膜，影響水的通氣性和水生植物的光合作用，以致使水發(fā)臭，而且危及魚類、海鳥和其它生物,（二）耗氧性有機物 包括蛋白質(zhì)、木質(zhì)素及其它各種碳水化合物等 消耗水中的溶解氧，影響魚類和水生生物的生長。在嫌氧條件下進行分解會產(chǎn)生有毒的甲烷、氨、硫化氫等，而使水變黑變臭,（三）工業(yè)廢熱水 工業(yè)企業(yè)用于冷卻的廢水，主要來自發(fā)電廠、焦化廠、鋼鐵廠等 使水溫升高，除了直接影響魚類和水生植物的生長外，還可導(dǎo)致溶解氧減少，有機物分解加快、細菌活動性增高,（四）致病微生物 屠宰場、洗毛廠、制革廠、生物制品廠、醫(yī)療單位及生活污水常含

20、有各種病毒、細菌及原生動物,（五）有毒化學(xué)品 農(nóng)藥施用于農(nóng)田后，經(jīng)雨水的淋洗作用等可使其匯集雨水體集中而污染水源 其它的有毒化學(xué)品可通過洗刷容器、保管運輸不善等而造成水體污染,（六）重金屬 貢、銅、鉛、鋅、鎘等比重達到4以上的金屬 有積累濃縮于人體、動植物體內(nèi)的傾向，積累至一定程度后，就會危害動植物,（七）可溶性鹽類及酸、堿 含鹽量大的水俗稱為硬水，硬水不適于工農(nóng)業(yè)使用。例如影響紡織工業(yè)的染色，啤酒的釀造，洗滌的效果 水的酸堿含量會影響魚類的生存、金屬船艙及管道的銹蝕、食品的質(zhì)量、農(nóng)作物的生長發(fā)育等 （八）其它 例如放射物質(zhì)，產(chǎn)生放射性污染,三、水資源污染的防治,國外： 日本制定了水污染防治法，規(guī)定“污染負荷稅金”并逐年提高 西德制定了有害物質(zhì)排放法、滴滴涕控制法等102個法律，條例和管理章程 萊茵河沿岸五國共同簽定了萊茵河化學(xué)物協(xié)定氯化物條約等，各有關(guān)成員國均規(guī)定凡向內(nèi)陸水、海洋水排污者，都應(yīng)事先申請，取得許可證后方可排放,我國： 國務(wù)院規(guī)定水利部為全國水資源的管理機構(gòu)，并制定了一系列的法律，標(biāo)準(zhǔn)和條例等。例如：水