土木工程概論(2)市公開課一等獎(jiǎng)省賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件

第9章土木工程概論(2)第1頁9.1水利工程介紹

水利工程是用于控制和調(diào)配自然界地表水和地下水，到達(dá)除害興利目標(biāo)而修建工程。水是人類生產(chǎn)和生活必不可少寶貴資源，是人類生活和生產(chǎn)活動(dòng)中必不可少物質(zhì)，但其自然存在狀態(tài)并不完全符合人類需要，在人類社會(huì)生存和發(fā)展中，需要不停地適應(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，預(yù)防洪澇災(zāi)害，并進(jìn)行水量調(diào)整和分配，以滿足人民生活和生產(chǎn)對水資源需要。土木工程概論(2)第2頁土木工程概論(2)第3頁水利活動(dòng)起源很早，文字記載能夠追溯到六七千年前，水利在中國有著主要地位和悠久歷史，歷代有為統(tǒng)治者，都把興修水利作為治國安邦大計(jì)。如四川都江堰、關(guān)中鄭國渠、溝通長江與珠江水系靈渠及京杭大運(yùn)河等都是我國古代水利工程代表。都江堰與京杭運(yùn)河淮安船閘土木工程概論(2)第4頁9.1.2水利工程特點(diǎn)水利工程不一樣于其它土木工程，含有以下特點(diǎn)：

①水工建筑物受水作用，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氣象、水文、地質(zhì)等自然條件下進(jìn)行施工和運(yùn)行，承受水推力、浮力、滲透力、沖刷力等各種荷載作用，工作條件較其它建筑物更為復(fù)雜。靈渠水系總攬圖京杭大運(yùn)河流經(jīng)區(qū)域土木工程概論(2)第5頁②施工難度大。③大型水利工程設(shè)計(jì)各有特點(diǎn)，難以劃一。④水利工程效益含有不確定性。依據(jù)每年水文情況不一樣而效益不一樣，農(nóng)田水利工程還與氣象條件改變有親密聯(lián)絡(luò)⑤水利工程普通規(guī)模大，技術(shù)復(fù)雜，工期較長，投資多。水利工程決堤事故土木工程概論(2)第6頁9.1.3水利工程類型及分類

蓄水工程指水庫和塘壩，不包含專為引水、提水工程修建調(diào)整水庫。

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

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

調(diào)水工程指水資源一級區(qū)或獨(dú)立流域之間跨流域調(diào)水工程，蓄、引、提工程中均不包含調(diào)水工程配套工程。

地下水源工程指利用地下水水井工程，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)東線方案土木工程概論(2)第7頁土木工程概論(2)第8頁

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)不一樣類型水工建筑物綜合體，它是水利工程體系中最主要組成部分，普通由擋水建筑物、泄水建筑物、進(jìn)水建筑物以及必要水電站廠房、通航、過魚、過木等專門性水工建筑物組成。向家壩水利樞紐三維模型土木工程概論(2)第9頁按負(fù)擔(dān)任務(wù)不一樣，可分為防洪樞紐、澆灌(或供水)樞紐、水力發(fā)電樞紐和航運(yùn)樞紐等。多數(shù)水利樞紐負(fù)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)樞紐土木工程概論(2)第10頁工程等別工程規(guī)模分等指標(biāo)水庫總庫容(億立方米)防洪澆灌面積(萬畝)水電站裝機(jī)容量(萬千瓦)保護(hù)城鎮(zhèn)及工礦區(qū)保護(hù)農(nóng)田面積(萬畝)一大(1)型>10尤其主要城市、工礦區(qū)>500>150>75二大(2)型10~1主要城市、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普通城鎮(zhèn)、工礦區(qū)<305~0.52.5~0.05五小(2)型0.01~0.001--<0.5<0.05中國水利樞紐工程分等指標(biāo)土木工程概論(2)第11頁9.1.4水利工程發(fā)展趨勢水利工程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。伴隨施工技術(shù)不停提升和大型、高效施工機(jī)械及高速、大容量電子計(jì)算機(jī)采取，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設(shè)計(jì)和研究將會(huì)有較快進(jìn)展。排名國名電站名稱所在河流裝機(jī)容量(萬kw)年發(fā)電量(億kw·h)開始發(fā)電年份1中國三峽長江18208472巴西、巴拉圭伊泰普巴拉那河126071019843美國大古力哥倫比亞河108320319424委內(nèi)瑞拉古里卡羅尼河103051019685巴西圖庫魯伊托坎廷斯河80032419846加拿大拉格蘭德二級拉格蘭德河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土木工程概論(2)第12頁

溪洛渡水電站有高拱壩、高水頭、高地震帶和大型洞室群開挖等特點(diǎn)，技術(shù)上非常有挑戰(zhàn)性，既是國家實(shí)施西部大開發(fā)戰(zhàn)略重大舉措，同時(shí)又緩解我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展中日益突出電力擔(dān)心問題，對有效改進(jìn)國家電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)東、中、西部優(yōu)勢互補(bǔ)、協(xié)調(diào)發(fā)展等方面含有十分重大意義。正在建設(shè)溪洛渡水電站是我國僅次于三峽工程世界級巨型水電站，大壩采取混凝土雙曲拱壩，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)電量規(guī)模將排世界第三。土木工程概論(2)第13頁9.1.5水電站開發(fā)方式和主要類型

能夠分為河床式、壩后式、溢流式、混合式四種。河床式水電站

只建有低壩，水庫容量和調(diào)整能力均較小，主要靠河流天然流量發(fā)電。水能利用受到限制，綜合效益相對較小，但淹沒損失和移民安置困難也小。適宜于平原或丘陵地域。1.壩式水電站土木工程概論(2)第14頁河床式水電站實(shí)例葛洲壩水利樞紐廣西西津水電站寧夏青銅峽水電站土木工程概論(2)第15頁壩后式水電站

廠房結(jié)構(gòu)不受水頭所限，水頭取決于壩高。三峽水電站土木工程概論(2)第16頁溢流式水電站

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、不能采取地下式廠房而又要求確保有一定寬度溢流段時(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土木工程概論(2)第17頁自河流坡降較陡、落差比較集中河段，以及河灣或相鄰兩河河床高程相差較大地方，利用坡降平緩引水道引水而與天然水面形成符合要求落差(水頭)發(fā)電水電站。適合于山區(qū)應(yīng)用。

引水式水電站示意2.引水式水電站土木工程概論(2)第18頁首部式地下廠房廠房位于電站引水系統(tǒng)首部。這種布置方式特點(diǎn)是有壓引水隧洞較短，尾水隧洞較長，而尾水隧洞承壓較小或?yàn)闊o壓隧洞，造價(jià)相對廉價(jià)，并省去了造價(jià)較高上游調(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，因而能夠降低造價(jià)。但這種地下廠房靠近水庫，需注意處理水庫滲水對廠房影響。土木工程概論(2)第19頁尾部式地下廠房

廠房位于引水系統(tǒng)尾部，含有較長引水隧洞和較短尾水隧洞，普通均設(shè)有上游調(diào)壓室。尾部廠房靠近地表，尾水洞短，廠房交通、出線及通風(fēng)等輔助洞室布置及施工運(yùn)行比較方便，因而采取較多。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，當(dāng)前高水頭電站多采取尾部布置方式，我國已建成地下水電站尾部式占70%以上。土木工程概論(2)第20頁中部式地下廠房

廠房位于引水系統(tǒng)中部，同時(shí)含有較長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)中部地質(zhì)地形條件適宜，對外聯(lián)絡(luò)如運(yùn)輸、出線以及施工場地布置方便時(shí)，可采取中部式地下廠房。土木工程概論(2)第21頁抽水蓄能電站廠房內(nèi)機(jī)組含有水泵和水輪發(fā)電機(jī)。它是利用電網(wǎng)中在夜間負(fù)荷低谷時(shí)電力輸送給抽水蓄能電站，驅(qū)動(dòng)水泵，將低處下水庫水抽到高處上水庫存蓄；當(dāng)高峰負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)，放水到下水庫，沖動(dòng)水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

3.抽水蓄能電站土木工程概論(2)第22頁利用海水漲落形成潮汐能發(fā)電電站稱為潮汐電站。潮汐電站廠房基本上與河床式廠房相同。

4.潮汐電站土木工程概論(2)第23頁9.2主要水工建筑物水利工程基本組成是各種水工建筑物，包含擋水建筑物、泄水建筑物、進(jìn)水建筑物、輸水建筑物、河道整改建筑物、水電站建筑物、渠系建筑物、過壩設(shè)施等。土木工程概論(2)第24頁9.2.1擋水建筑物擋水建筑物是含有阻擋或攔束水流、擁高或調(diào)整上游水位建筑物，普通橫跨河道者稱為壩，沿水流方向在河道兩側(cè)修筑者稱為堤，壩是形成水庫關(guān)鍵性工程。壩類型依據(jù)壩址自然條件、建筑材料、施工場地、導(dǎo)流、工期、造價(jià)等綜合比較選定。擋水建筑物現(xiàn)場照片土木工程概論(2)第25頁壩是主要擋水建筑物之一，它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。壩設(shè)計(jì)中要處理主要問題是壩體抵抗滑動(dòng)或傾覆穩(wěn)定性、預(yù)防壩體本身破裂和滲漏。

(1)土石壩土石壩包含土壩、堆石壩、土石混合壩等，又統(tǒng)稱為當(dāng)?shù)夭牧蠅?。土石壩?yōu)點(diǎn)有：筑壩材料能夠就地取材，可節(jié)約大量鋼材和水泥，節(jié)約進(jìn)場公路；能適應(yīng)地基變形，對地基要求比混凝土壩要低；結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，便于維修和加高、擴(kuò)建；施工技術(shù)簡單，工序少，便于組織機(jī)械化施工。不足之處是壩頂不能過流，必須另開溢洪道，施工導(dǎo)流不如混凝土壩便利，對防滲要求高；加之剖面大，填筑量大而且施工輕易受季節(jié)影響。土木工程概論(2)第26頁

(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)生摩擦力來承受水推力而維持穩(wěn)定。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，施工較輕易，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。土木工程概論(2)第27頁伴隨世界筑壩技術(shù)提升，壩高度逐步提升，壩規(guī)模亦隨之加大。當(dāng)前世界最高壩是俄羅斯335m高羅貢土石壩，最高混凝土壩是瑞士大迪克桑斯壩，壩高為285m。體積最大土石壩是巴基斯坦塔貝拉水電站土石壩，體積達(dá)1.2億立方米；體積最大混凝土壩是俄羅斯薩揚(yáng)舒申斯克重力拱壩，體積為850萬立方米；若計(jì)入尾礦壩則為美國新科尼利亞尾礦壩，體積為2.1億立方米。俄羅斯羅貢壩瑞士大迪克桑斯壩土木工程概論(2)第28頁

(3)其它類型壩其它材料建成壩如橡膠壩、鋼壩、木壩及草土壩(堰)等使用較少，普通只適合用于低水頭。橡膠壩壩高普通在7m以下，最大達(dá)15m，建于河道及渠道上便于調(diào)整水位。鋼壩常為鋼板樁格體壩，最大壩高約30m，慣用于海港碼頭以及施工期縱向圍堰中。木壩及草土壩是傳統(tǒng)水工建筑物，近代慣用于暫時(shí)建筑物中。橡膠壩土木工程概論(2)第29頁

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)淹沒范圍；圍墾洪泛區(qū)或海灘，增加土地開發(fā)利用面積；抵擋風(fēng)浪或抗御海潮；約束河道水流，控制流勢，加大流速，利于泄洪排沙。土木工程概論(2)第30頁9.2.2泄水建筑物泄水建筑物是用以排放多出水量、泥沙和冰凌等水工建筑物。主要有：泄水孔、泄水隧洞、溢洪道、溢流壩等。另外，與壩結(jié)合在一起稱壩體泄水建筑物；設(shè)在壩身以外常統(tǒng)稱為岸邊泄水建筑物。泄水建筑物示意圖土木工程概論(2)第31頁

泄水建筑物是水利樞紐主要組成部分，其造價(jià)常占工程總造價(jià)很大部分，合理選擇形式，確定其尺寸十分主要。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)口淹沒在水下孔口泄流，在一樣水頭時(shí)，前者含有較大泄流能力，是溢洪道及溢流壩主要形式。葛洲壩水利樞紐二江泄水閘土木工程概論(2)第32頁(1)溢洪道溢洪道是水庫等水利建筑物防洪設(shè)備，多筑在水壩一側(cè)，象一個(gè)大槽，當(dāng)水庫里水位超出安全程度時(shí)，水就從溢洪道向下游流出，預(yù)防水壩被毀壞。包含：進(jìn)水渠控制段瀉槽出水渠。

溢洪道分類標(biāo)準(zhǔn)溢洪道類型目標(biāo)與作用泄洪標(biāo)準(zhǔn)及利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)。溢洪道類型土木工程概論(2)第33頁溢洪道現(xiàn)場照片土木工程概論(2)第34頁

(2)溢流壩溢流壩(又稱滾水壩)普通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壩內(nèi)式廠房溢流壩、廠房頂溢流和挑越廠房頂泄流廠壩聯(lián)合泄洪方式，可用在高山狹谷地域，當(dāng)宣泄大流量時(shí)，是處理溢洪道和電站廠房布置位置不足一個(gè)路徑。壩頂溢流壩面溢流大孔口壩面溢流土木工程概論(2)第35頁(3)過壩設(shè)施過壩設(shè)施是在水利樞紐中為船只、木材、魚類過壩(閘)而建設(shè)施總稱。按過壩目標(biāo)分為過船設(shè)施、過木設(shè)施和過魚設(shè)施；按過壩方式又可分水力過壩和機(jī)械過壩兩類。其中過船設(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)輸承船廂過壩，依據(jù)承船廂內(nèi)有沒有水分為濕式和干式。過船設(shè)施形式選擇與布置，要依據(jù)過壩運(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)條件和樞紐建筑物形式及其布置，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較確定。土木工程概論(2)第36頁9.3三峽工程介紹

三峽工程是中國、也是世界上最大水利樞紐，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工程前列，是治理和開發(fā)長江關(guān)鍵性骨干工程。三峽河段全長約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。壩址位于西陵峽中三斗坪鎮(zhèn)。三峽工程大壩壩址土木工程概論(2)第37頁長江三峽水利樞紐靜態(tài)總投資需要900.9億元，總工期。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，以及修建左岸暫時(shí)船閘，并開始修建左岸永久船閘、升爬機(jī)及左岸部分石壩段施工。二期工程6年（1998-），工程主要任務(wù)是修筑二期圍堰，左岸大壩電站設(shè)施建設(shè)及機(jī)組安裝，同時(shí)繼續(xù)進(jìn)行并完成永久特級船閘，升船機(jī)施工。三期工程6年（2003一年），本期進(jìn)行右岸大壩和電站施工，并繼續(xù)完成全部機(jī)組安裝。土木工程概論(2)第38頁長江三峽水利樞紐工程位于長江西陵峽中段，壩址控刪流域面積l00萬平方公里，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，總庫容393億立方米，其中防洪庫容221.5億立方米。它含有防洪、發(fā)電、航運(yùn)等巨大綜合效益。三峽水利工程全景照片土木工程概論(2)第39頁①防洪興建三峽工程首要目標(biāo)是防洪，二十世紀(jì)以來長江流域洪災(zāi)情況參見表，三峽水庫全長600余公里，平均寬度1.1km；水庫面積1084km2，可削減洪峰流量達(dá)每秒2.7萬-3.3萬立方米，將對長江中下游防洪形勢起決定性作用，可使荊江河段防洪標(biāo)準(zhǔn)由現(xiàn)在約十年一遇提升到百年一遇。年份長江洪災(zāi)1931年受災(zāi)面積達(dá)13萬km2，淹沒農(nóng)田5089萬畝，被淹房屋180萬間，受災(zāi)民眾2855萬人，被淹死亡者達(dá)14.5萬人，預(yù)計(jì)損失銀元13.45億元。1935年1935年洪災(zāi)，長江中下游洪水災(zāi)區(qū)8.9萬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2263萬畝，受災(zāi)人口1000萬，淹死14.2萬人，預(yù)計(jì)損失3.55億銀元。1949年1949年洪災(zāi)，長江中下游地域受災(zāi)農(nóng)田1.8萬km2，受災(zāi)人口810萬人，淹死5699人。`1954年1954年災(zāi)情，長江中下游共淹農(nóng)田3.2萬km2，受災(zāi)人口1888.4萬人，被淹房屋427.66萬間，淹死33169人，受災(zāi)縣市123個(gè)，京廣鐵路不能通車達(dá)100天。1998年19