水工建筑物-第2章

1、講課教師： 李勁草 Email: 水利工程 運用科學(xué)知識與技術(shù)手段，為滿足社會興水利除水害、 防災(zāi)減災(zāi)的需求而修建的工程。 張飛廟、石寶寨和白鶴梁是庫區(qū)三處著名的古跡，各 方面人士提出許多保護、遷建方案。我們認(rèn)為張飛廟的搬 遷以就近后靠為好，石寶寨的保護關(guān)鍵是山體和基礎(chǔ)的穩(wěn) 定，白鶴梁的保護方案應(yīng)由多部門、多學(xué)科參予全面論證 2 都江堰水利工程 3 4 魚嘴的設(shè)置極為巧妙，魚嘴的設(shè)置極為巧妙， 它利用地形、地勢，它利用地形、地勢， 巧妙地完成分流引水巧妙地完成分流引水 的任務(wù)，而且在洪、的任務(wù)，而且在洪、 枯水季節(jié)不同水位條枯水季節(jié)不同水位條 件下，起著自動調(diào)節(jié)件下，起著自動調(diào)節(jié) 水量的作用水

2、量的作用。魚。魚嘴所嘴所 分的水量有一定的比分的水量有一定的比 例。春天，岷江水流例。春天，岷江水流 量??；灌區(qū)正值春耕，量小；灌區(qū)正值春耕， 需要灌溉，這時岷江需要灌溉，這時岷江 主流直入內(nèi)江，水量主流直入內(nèi)江，水量 約占六成，外江約占約占六成，外江約占 四成，以保證灌溉用四成，以保證灌溉用 水；洪水季節(jié)，二者水；洪水季節(jié)，二者 比例又自動顛倒過來，比例又自動顛倒過來， 內(nèi)江四成，外江六成，內(nèi)江四成，外江六成， 使灌區(qū)不受水潦災(zāi)害使灌區(qū)不受水潦災(zāi)害 水利工程的特點 1 受自然條件制約，工作條件復(fù)雜多變； 2 施工難度大，對環(huán)境和自然的影響大； 3 社會、經(jīng)濟效益高，與經(jīng)濟系統(tǒng)聯(lián)系密切； 4

3、工程實施的后果嚴(yán)重。 5 水利工程的特點 生態(tài)、環(huán)境、航運、旅游、文物 6 7 如果橋上走的是船，如果橋上走的是船， 相信大多數(shù)人都會驚相信大多數(shù)人都會驚 訝，難以相信。但在訝，難以相信。但在 德國就有這樣一座橋，德國就有這樣一座橋， 橋面既可以供行人、橋面既可以供行人、 車輛通行，也可以行車輛通行，也可以行 船蕩舟。船蕩舟。 這這是一座橋中橋，或是一座橋中橋，或 者，可以稱其為渡槽。者，可以稱其為渡槽。 確切地說，這座橋中確切地說，這座橋中 間行船，兩側(cè)留出通間行船，兩側(cè)留出通 道供行人和非機動車道供行人和非機動車 通行。這就是德國通行。這就是德國馬馬 格德堡水橋也格德堡水橋也稱跨河稱跨河

4、水水道。道。 馬格德堡水橋馬格德堡水橋，20032003 年年1010月建成，全長月建成，全長 918918米，德國人花了米，德國人花了 整整一個多世紀(jì)才建整整一個多世紀(jì)才建 成這座馬格德堡水橋。成這座馬格德堡水橋。 馬格德堡馬格德堡水橋水橋 8 紅線是老路，黃線是建橋之后 的路。 易北河在馬格德堡和兩條大運 河相交，一條通柏林，一條通 萊茵。 易北河的水位比兩條運河都要 低，建橋之前，船要從易北河 繞進另一條運河，并且要通過并且要通過 兩次水閘兩次水閘。圖上可以看到兩個 轉(zhuǎn)彎都很急，易北河的水位一 低，滿載的船就過不去了。經(jīng) 常要費時費力的卸貨重裝。 9 這座奇特的橋中橋連接著德國兩條重要的

5、航運運河：易 北哈維爾運河（Elbe-HavelCanal）和馬格德堡（Magd eburg）附近的米德蘭運河（Mittellandkanal），并直通 德國工業(yè)重鎮(zhèn)魯爾山谷（Ruhr Valley）的中心地區(qū)。 現(xiàn)在的馬格德堡水橋于1997年正式開工建造，歷經(jīng)6 年、花費5億歐元，于2003年10月開通并投入使用。大橋 于2003年開通，橫跨易北河，連接易北河-哈維爾運河 （Elbe-Havel Canal）和馬格德堡近的米德蘭運河 （Mittellandkanal），溝通了德國東西部的水路交通。 10 福爾柯克輪福爾柯克輪 福爾柯克輪是世界上第一個，也是到 目前為止唯一的一個旋轉(zhuǎn)升船機，位

6、 于蘇格蘭中部福爾柯克鎮(zhèn)Falkirk附近。 建于1773年的福斯和克萊德運河 （Canal Forth and Clyde ），在 Grangemouth港和福爾柯克鎮(zhèn)之間，連 接著格拉斯哥與蘇格蘭西海岸。建于 1822年的聯(lián)盟運河（Canal Union）位 于福爾柯克與愛丁堡之間，由于地理位 置的困難，二條運河之間有79英尺的高 度落差。 11 作為千禧年計劃之一， 英國政府投入了約 8500萬英鎊用于疏通 聯(lián)合運河以及福斯和 克萊德運河附件的水 道，并耗資1400萬英 鎊修建了福爾柯克輪 （Falkirk Wheel）。 福爾柯克輪是世界上 第一個，也是到目前 為止惟一的一個旋轉(zhuǎn) 升船

7、機，它位于蘇格 蘭中部福爾柯克鎮(zhèn)附 近。旋轉(zhuǎn)升船機連接 福斯和克萊德運河以 及聯(lián)盟運河，使蘇格 蘭中部連接大西洋和 北海的水道變?yōu)闀惩?12 福爾柯克輪福爾柯克輪Falkirk WheelFalkirk Wheel 其實就是一個大轉(zhuǎn)輪，兩邊其實就是一個大轉(zhuǎn)輪，兩邊 各有一個對稱的可封閉水槽。各有一個對稱的可封閉水槽。 當(dāng)船要由高水位開到低水位當(dāng)船要由高水位開到低水位 的運河時，它就由高架水道的運河時，它就由高架水道 開入水槽內(nèi)，然后把水槽封開入水槽內(nèi)，然后把水槽封 閉，接著大轉(zhuǎn)輪就可以轉(zhuǎn)半閉，接著大轉(zhuǎn)輪就可以轉(zhuǎn)半 圈，把船運到低水位的運河。圈，把船運到低水位的運河。 旋轉(zhuǎn)吊橋的巨大起重機配備旋

8、轉(zhuǎn)吊橋的巨大起重機配備 有有1010個水壓的水泵，能在個水壓的水泵，能在1515 分鐘內(nèi)，將分鐘內(nèi)，將4 4艘船艘船( (包括水包括水) ) 起吊到起吊到3535米的高度。與此同米的高度。與此同 時，另一只吊臂將時，另一只吊臂將4 4艘船放艘船放 下。而整個裝置由于兩邊的下。而整個裝置由于兩邊的 水槽是對稱的，所以船開進水槽是對稱的，所以船開進 去后，兩邊水槽的重量是接去后，兩邊水槽的重量是接 近一樣的。因此整個裝置運近一樣的。因此整個裝置運 作起來所需要的能量并不大。作起來所需要的能量并不大。 福爾柯克輪大大減少了船只福爾柯克輪大大減少了船只 要渡過有高度差運河時的時要渡過有高度差運河時的時

9、 間。所以，福爾柯克輪被稱間。所以，福爾柯克輪被稱 為二十一世紀(jì)工程的一大奇為二十一世紀(jì)工程的一大奇 觀。觀。 13 由RMJM建筑設(shè)計事務(wù)所負責(zé)設(shè)計的福爾柯克輪于2002年5月開始運營，她被譽為二十一世 紀(jì)工程設(shè)計的一大奇觀，堪稱是世界水利工程界一個將異想天開化為實際應(yīng)用的絕佳案例。 Lower Lower canalcanalEntrance to lower canalEntrance to lower canal 14 白鶴梁 位于長江三峽庫區(qū)上游涪陵城北的長江中，是一塊長約1600 米，寬16米的天然巨型石梁。白鶴梁景觀是三峽文物景觀中唯一 的全國重點文物保護單位，每年12月到次年3

10、月長江水枯的時候， 才露出水面。相傳唐朝時朱真人在此修煉，后得道，乘鶴仙去， 故名“白鶴梁”。聯(lián)合國教科文組織將其譽為“保存完好的世界 唯一古代水文站”。 15 16 全世界唯一的一處全世界唯一的一處 以刻石魚為以刻石魚為“水水 標(biāo)標(biāo)”，并觀測記錄，并觀測記錄 水文的古代水文的古代水文。水文。 三峽大壩蓄水三峽大壩蓄水175175 米后，白鶴梁題刻米后，白鶴梁題刻 將永遠淹沒于近將永遠淹沒于近4040 米的江米的江底。底。 20022002年國家采用了年國家采用了 工程院院士葛修潤工程院院士葛修潤 提出以提出以“無壓容器無壓容器” 的保護方式，創(chuàng)造的保護方式，創(chuàng)造 性地修建了世界上性地修建了世

11、界上 唯一在水深唯一在水深4040米處米處 的白鶴梁水下的白鶴梁水下博物博物 館館. . 17 水利技術(shù)工作 勘測、規(guī)劃、工程設(shè)計、工程施工、工程管理、 科技開發(fā)。 18 水利工程設(shè)計 技術(shù)預(yù)測、信息分析、科學(xué)類比、系統(tǒng)分析、 方案設(shè)計、功能分析、安全分析、施工方案、經(jīng) 濟分析、綜合評價。 19 設(shè)計工作水平 1 開發(fā)型設(shè)計 2 更新型設(shè)計 3 適配型設(shè)計 設(shè)計方法的特點 20 水工建筑物設(shè)計 （圖2-1 水利工程建設(shè)系統(tǒng)） 設(shè)計階段的工作步驟 21 水利水電工程分等和水工建筑物分級 水庫 五級 主要建筑物 次要建筑物 22 失事情況統(tǒng)計 滲漏 16% 失穩(wěn) 15% 漫頂 12% 安全儲備 2

12、3 極限狀態(tài) 承載能力極限狀態(tài) 正常使用極限狀態(tài) Z=R-S R-結(jié)構(gòu)抗力 S-作用對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用效應(yīng) 24 可靠指標(biāo) 可靠性：安全性、適用性、耐久性 可靠性的尺度：1 可靠度（可靠概率ps） 2 不可靠度(失效概率pf) ps+pf=1 3 安全指標(biāo) (數(shù)值指標(biāo)) 25 描述結(jié)構(gòu)狀態(tài)的功能函數(shù)為Z=g(X1,X2,Xn,c) 當(dāng)g(.)0時，結(jié)構(gòu)安全； 當(dāng)g(.)0時，結(jié)構(gòu)失效； 當(dāng)g(.)=0時，極限狀態(tài)；因此，極限狀態(tài)方程 Z=g(.)=0是描述結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)時的數(shù)學(xué)模型。 結(jié)構(gòu)在給定條件和基準(zhǔn)期內(nèi)完成預(yù)定功能的概率， 就是可靠度。 26 27 ps=Pg(.)0=PZ0=1-FZ(

13、0) Z為安全裕量，F(xiàn)Z(z)為Z的概率分布函數(shù)。 失效概率為pf=Pg(.)=PZ0=FZ(0) 1 單一安全系數(shù)法 K=R/S (只是定性，沒有定量) 2 分項系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計法 (1) 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)0 (2) 作用分項系數(shù)F 28 (3) 材料性能分項系數(shù)f (4) 設(shè)計狀況系數(shù) (5) 結(jié)構(gòu)系數(shù)d 29 震級 指地震的大小，是表征地震強弱的量度，是以地震儀 測定的每次地震活動釋放的能量多少來確定的。震級通常 用字母M表示。我國目前使用的震級標(biāo)準(zhǔn)，是國際上通用 的里氏分級表，共分9個等級。 通常把小于2.5級的地震叫小地震小地震，2.5-4.7級地震叫 有感地震有感地震，大于4.7級地

14、震稱為破壞性地震破壞性地震。震級每相差 1.0級，能量相差大約30倍;每相差2.0級，能量相差約900 倍。比如說，一個6級地震釋放的能量相當(dāng)于美國投擲在 日本廣島的原子彈所具有的能量。 30 烈度 地震烈度就是為了衡量地震的破壞程度。同樣 大小的地震，造成的破壞不一定相同;同一次地震， 在不同的地方造成的破壞也不一樣。在中國地震烈 度表上，對人的感覺、一般房屋震害程度和其他現(xiàn) 象作了描述，可以作為確定烈度的基本依據(jù)。 影響烈度的因素有震級、震源深度、距震源的 遠近、地面狀況和地層構(gòu)造等。 31 基本烈度 不是某一次地震影響所致的烈度，而是用統(tǒng)計學(xué) 方法計算得來的綜合烈度，即在今后若干年，這

15、一地區(qū)可能遭遇到的最大危險烈度。冠以“基本” 二字是為了與一般使用的烈度意義有別。 32 33 34 “5.12”汶川大地震發(fā)生后，位于汶川縣境內(nèi)的福堂、福堂、 太平驛、映秀灣太平驛、映秀灣水電站水電站停運停運，大壩泄洪設(shè)施不能及時打開 而出現(xiàn)江水漫溢險情。為防止?jié)挝＜跋掠稳嗣袢罕姷纳?命和財產(chǎn)安全以及救援部隊利用水道搶險的安全，5月19 日，中央領(lǐng)導(dǎo)同志作出重要批示，要求對福堂、太平驛和 映秀灣大壩出現(xiàn)的險情盡快核實情況，研擬排險方案，立 即采取措施排除險情。 5.12汶川地震 35 太平驛水電站 36 太平驛電站位于汶川映 秀鎮(zhèn)上游9公里，5月15 日，電站水庫有崩塌危 險的消息傳出時，

16、大批 救援隊伍正在趕往下面 的映秀進行救援。太平 驛庫容僅90萬立方，但 是“若潰決依然能在瞬 間產(chǎn)生很高的水頭，對 沿江鄉(xiāng)鎮(zhèn)造成威脅?！?37 紫坪鋪水電站 38 5.12地震讓岷江流域的水電 站大壩有不同程度的損壞， 國家電監(jiān)會5月20日的報告 稱，這些大壩庫容均較小， 壩高較低(最高的31.5米)。 即使這些大壩潰決，其下游 有紫坪鋪水庫(庫容11.26億 方)容納。因此，不會對紫 坪鋪下游造成次生災(zāi)害。 39 圖1：記者航拍到的德陽西北的一座山間水電站，由于地震的作 用而滾落的碎石將其損壞嚴(yán)重，隨時將被洪水沖毀。 40 圖2：紫坪鋪水電站被損壞的建筑。 41 圖：紫坪鋪水電站因地震影響，大壩多處開裂，工作人員正在大 壩上進行仔細檢測勘查。 42 “大壩尚好，只是千瘡百孔大壩尚好，只是千瘡百孔” 紫坪鋪水電站 43 然而，這次大災(zāi)難還是令一些地質(zhì)專家，對地處斷裂帶上大規(guī)模修建水利水電工程再次提 出疑問，而紫坪鋪只是岷江流域上百座大小水電站其中的一個。據(jù)水利部統(tǒng)計，目前四川 省因地震出現(xiàn)險情的水庫有391座。 “我們需要反思?！钡刭|(zhì)學(xué)者楊勇說，這對防范次生災(zāi)害和災(zāi)后重建有益無害。 “我們應(yīng)該對受地震影響的電站、水庫進行認(rèn)真評估，應(yīng)對可能發(fā)生的地