第11章 水利工程

第11章

水利工程本章內(nèi)容11.1引言11.2作為土木工程一部分的水利工程11.3水文學(xué)概要11.4水利工程和徑流調(diào)節(jié)11.5水利發(fā)電11.6灌溉、排水和防洪11.7給水11.8水利工程的其他領(lǐng)域水利工程是從事水資源勘探、利用、保護(hù)、江河湖海整治和疏浚、水利電力工程、農(nóng)田水利、海岸和近海工程的研究、設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)的工程領(lǐng)域。這些目標(biāo)多是通過(guò)建造水工結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，水利工程也與建造水工結(jié)構(gòu)及相關(guān)過(guò)程的管理相關(guān)。11.1引言水利工程有下列分支：水上運(yùn)輸、水力發(fā)電、水利土壤改良給水和排水、漁業(yè)水利等11.1引言球上約有13億Km3的水，其中大部分在海洋，河中水只占總水量的很少部分。然而，河中水對(duì)于目前的水利工程卻是非常重要的。多數(shù)河流中的流量隨時(shí)間而顯著變化；洪水期的流量要比枯水期的流量大得多。因此，需要建造水庫(kù)來(lái)調(diào)節(jié)流量。11.1引言在這些過(guò)程中，不論是水資源利用還是水災(zāi)預(yù)防，都需要建造水工結(jié)構(gòu)。要利用儲(chǔ)存水中的能量，就需要建造大壩來(lái)提高水位形成驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)所需要的水頭。對(duì)于航運(yùn)業(yè)，必須建造航道標(biāo)志、碼頭、防波結(jié)構(gòu)以及用于船只建造和維護(hù)的結(jié)構(gòu)物。河道需要疏浚和整治，并建造通航船閘等以保持正常航運(yùn)功能。水利事業(yè)的灌溉、排水和防洪等工程中，也需要建造各種各樣的特種結(jié)構(gòu)。11.1引言11.1引言防波堤11.1引言噴灌微噴

水工結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)的根本區(qū)別在于前者是在水中起作用。大壩通常承受巨大的水壓力。因此采取措施防止水工結(jié)構(gòu)的滑移和失穩(wěn)，這通?？赏ㄟ^(guò)增大結(jié)構(gòu)的重量來(lái)實(shí)現(xiàn)。11.1引言水工結(jié)構(gòu)的建造和維護(hù)與水流密切相關(guān)。水利工程師感興趣的是水位、單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的水量、流速、冰的形成以及水中泥沙含量等現(xiàn)象。對(duì)海上水中結(jié)構(gòu)，還要研究水位變化和波浪作用。因此，水利工程師必須掌握水文學(xué)的知識(shí)。11.1引言水利工程通常有巨大的工程量，特別是含有龐大的土石方工程量。施工條件復(fù)雜，施工作業(yè)必須在河床上進(jìn)行，考慮水流、冰流和過(guò)往船只的影響。所以說(shuō)，施工對(duì)于水利工程師來(lái)說(shuō)也是個(gè)重要的問(wèn)題。11.1引言古時(shí)人們嘗試?yán)煤恿鳛槠浞?wù)。河流提供了引用和灌溉的水，并且提供了最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方法。河流也用作御敵于外的防線(xiàn)。11.1.2水利工程簡(jiǎn)史人類(lèi)很早就利用河水發(fā)展灌溉四大文明古國(guó)都出現(xiàn)在大河流域，以灌溉為古代文明的基礎(chǔ)。公元前4400年在古埃及開(kāi)挖了巨大的渠道來(lái)引水灌溉尼羅河平原。公元約4000年古埃及建造了堆石壩和土壩。公元前4000~3000年間，在古巴比倫一些城市已有輸水道和自流井。印度最早的壩建于公元前1000年。歐洲第一座壩于公元前800年建于西班牙。公元前600年開(kāi)挖了一條從尼羅河到紅海的運(yùn)河。

11.1.2水利工程簡(jiǎn)史約公元前250年阿基米德寫(xiě)了“浮體論”的論文，這是歷史上第一篇水力學(xué)論文。直到18世紀(jì)和19世紀(jì)初水利工程學(xué)才有了很大的發(fā)展。在過(guò)去的百余年間，水利工程學(xué)有了很大的發(fā)展。建造了巨型水電站、數(shù)百公里長(zhǎng)的運(yùn)河以及龐大的灌溉和排水工程。11.1.2水利工程簡(jiǎn)史中國(guó)水資源儲(chǔ)量：河流年平均徑流量28000億m3，居世界的六位，位于巴西、俄羅斯、加拿大、美國(guó)和印尼之后。中國(guó)水能資源河川水能資源蘊(yùn)藏量6.67億kw，可開(kāi)發(fā)利用的約3.78億kw，居世界各國(guó)之首。但分布不均，西南地區(qū)占70％，西北占12％，中南占9.5％，華北、華南、東北僅占8％。11.1.3中國(guó)的水利工程幾千年前：人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到水利工程的重要性4000年前的大禹治水，至今仍在使用的長(zhǎng)達(dá)1800km的黃河大堤。700年前（公元前485～1292年）全線(xiàn)通航，縱貫祖國(guó)南北，長(zhǎng)達(dá)1794km的京杭大運(yùn)河。公元前250年，四川灌縣修建的都江堰防洪灌溉工程。11.1.3中國(guó)的水利工程11.1引言都江堰水利工程

都江堰及其示意圖四川都江堰水利工程（公元前256年秦蜀郡守李冰修建），是全世界至今為止年代最久、唯一留存、以無(wú)壩引水為特征的宏大水利工程。都江堰沒(méi)有眾多水利工程所常見(jiàn)的雄偉大壩，只有一個(gè)酷似魚(yú)一樣的大堤縱臥江中，這條堤就被稱(chēng)為“金剛堤”。堤的頭部就是都江堰的魚(yú)嘴；中后部是一個(gè)低矮的斜坡，叫飛沙堰；尾部是兩山之間狹窄的進(jìn)水口，形似瓶口，叫寶瓶口。這項(xiàng)工程主要由魚(yú)嘴分水堤、飛沙堰溢洪道、寶瓶口進(jìn)水口三大部分構(gòu)成，科學(xué)地解決了江水自動(dòng)分流、自動(dòng)排沙、控制進(jìn)水流量等問(wèn)題，消除了水患，使川西平原成為“水旱從人”的“天府之國(guó)”。目前灌溉面積已達(dá)40余縣、超過(guò)一千萬(wàn)畝農(nóng)田。11.1引言11.1引言都江堰及其示意圖從古到今人類(lèi)為了生存和發(fā)展的需要，采取各種措施，對(duì)自然界的水和水域進(jìn)行調(diào)控，以防治水旱災(zāi)害，開(kāi)發(fā)利用和保護(hù)水資源。用于調(diào)控自然界的地表水和地下水，以達(dá)到除害興利目的而興建的工程稱(chēng)為水利工程。我國(guó)江河眾多，全國(guó)大小河流總長(zhǎng)達(dá)42萬(wàn)公里，河川徑流總量為2.8×1012m3，流域面積在1000km2以上的河流約1500條。11.1引言中國(guó)七大江河

引言項(xiàng)目長(zhǎng)江黃河松花江珠江遼河海河淮河流域面積（萬(wàn)km2）180.95.255.744.422.926.426.9河長(zhǎng)（km）6300546423082214139010901000年均降水深（mm）10704755271469473559889年均徑流量（億m3）9513658623338148228622注入東海渤海黑龍江南海渤海長(zhǎng)江渤海典型工程三峽都江堰南水北調(diào)11.2作為土木工程一部分的水利工程11.2.1作用在水工結(jié)構(gòu)上的力水的靜壓力總是與結(jié)構(gòu)與水的接觸面相垂直，其值等于該點(diǎn)處水柱的重量。設(shè)水柱的高度為H，重度為r，則靜水壓可表示為：

11.2作為土木工程一部分的水利工程除了靜水壓外：動(dòng)水壓浮力冰壓力土壓力風(fēng)壓力地震力自重等。。。。。。。11.2作為土木工程一部分的水利工程11.2.2水工結(jié)構(gòu)的承載力和穩(wěn)定性水工結(jié)構(gòu)物必須足夠的強(qiáng)壯和穩(wěn)定。也就是，它必須滿(mǎn)足承載力和穩(wěn)定性的要求。

如果一個(gè)結(jié)構(gòu)或其部分在某種橫向作用下（通常是土壓或水壓）產(chǎn)生橫移，則稱(chēng)該結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定（失穩(wěn)）

所以，抵抗滑移的力T必須足夠大，以抵抗橫向作用W并具有足夠的安全系數(shù)。此要求可表示為：11.2作為土木工程一部分的水利工程11.2.3水工結(jié)構(gòu)的地基和地基條件結(jié)構(gòu)所處的場(chǎng)地和地基必須可靠與堅(jiān)固，因此，須仔細(xì)研究相關(guān)地質(zhì)條件。

確定地基有何種巖層：噴出巖、沉積巖、變質(zhì)巖。

11.2作為土木工程一部分的水利工程11.2.4水工結(jié)構(gòu)所用的材料可用于水工結(jié)構(gòu)的材料包括鋼、生鐵、木、石料、粘結(jié)材料、混凝土、鋼筋混凝土等等。例如壩的建造，如果當(dāng)?shù)赝临|(zhì)合適則可用于造壩，這就是很經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)。但如果該壩要求較高并且具有較小截面，則用混凝土造壩可能是更好的選擇。11.3水文學(xué)概要水文學(xué)是研究自然界中水的運(yùn)動(dòng)的科學(xué)。水文學(xué)作為一門(mén)科學(xué)是在20世紀(jì)形成的。自然界的水以各種形式存在于空氣中、地球表面和地球內(nèi)部。所以水文學(xué)通常分為三個(gè)分支：水文氣象學(xué)、地表水文學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)。11.3水文學(xué)概要地表水分布在海洋、河流、湖泊、沼澤等不同水體中。從海洋蒸發(fā)的水的總量，加上從陸地蒸發(fā)的水的總量，必須等于海洋的降水量與陸地的降水量之和。11.3水文學(xué)概要水位：河流中給定點(diǎn)的水位隨時(shí)間變化。水位與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)對(duì)于確定水工結(jié)構(gòu)的高度是重要的，一個(gè)水工結(jié)構(gòu)的頂部必須始終在水面之上。流速：在河斷面的不同點(diǎn)流速是不同的。在河的橫向。流速在河中間取最大值，并隨著趨近于岸邊而逐漸減小。在垂直方向，最大流速發(fā)生在水的表面，隨深度的增加流速逐漸減少。流量：年徑流量：11.3水文學(xué)概要研究一條河流的水位、流速、流量、年徑流量的變化規(guī)律、徑流年內(nèi)分布特性、最大供水流量和最小枯水流量是陸地水文學(xué)的重要內(nèi)容，這直接關(guān)系到水利工程項(xiàng)目的規(guī)劃和設(shè)計(jì)。11.4水工結(jié)構(gòu)和徑流調(diào)節(jié)各水工結(jié)構(gòu)并非各自孤立。他們通?；ハ嗖⒙?lián)而形成一個(gè)水利綜合體來(lái)實(shí)現(xiàn)多重的目標(biāo)。這樣的綜合體為水利樞紐。由壩的作用而產(chǎn)生的水位差稱(chēng)為水頭。根據(jù)水頭的大小，水利樞紐可分為低、中、高水頭樞紐。11.4水工結(jié)構(gòu)和徑流調(diào)節(jié)水利工程中的水庫(kù)可在洪水期儲(chǔ)存多余的水以減少下泄量。洪水期過(guò)后水庫(kù)里的水就可以用來(lái)補(bǔ)充天然流量的不足。這種用人工方法對(duì)天然流量的調(diào)節(jié)稱(chēng)為徑流調(diào)節(jié)。11.4水工結(jié)構(gòu)和徑流調(diào)節(jié)水庫(kù)的有效容積是其下泄口最高點(diǎn)以上的容積。該點(diǎn)以下的容積稱(chēng)為死容積。兩者之間的分界水位稱(chēng)為死水位。正常蓄水時(shí)的最高水位稱(chēng)為正常擋水位。正常擋水位與死水位之間的高差稱(chēng)為水庫(kù)的工作深度。11.4水工結(jié)構(gòu)和徑流調(diào)節(jié)水利樞紐所包含的主要水工結(jié)構(gòu)有：壩、泄洪結(jié)構(gòu)、輸水結(jié)構(gòu)、取水結(jié)構(gòu)和整治結(jié)構(gòu)。11.4水工結(jié)構(gòu)和徑流調(diào)節(jié)11.4水工結(jié)構(gòu)和徑流調(diào)節(jié)水電站建筑物的布置（1）河床式水電站建筑物的布置適用于較低水頭，一般在30～40m以下，多修建在河流的中下游河床坡降較平緩的地段或灌溉渠道上。如長(zhǎng)江葛洲壩水電站。（2）當(dāng)水頭較高，一般超過(guò)30～40m時(shí)，由于壓力大，廠(chǎng)房本身的重量不足以維持其穩(wěn)定時(shí)，采用壩后式水電站建筑物的布置。（3）由于地形、地質(zhì)條件，壩后不能布置電站或無(wú)壩引水，則采用引水式水電站建筑物的布置。11.4水工結(jié)構(gòu)和徑流調(diào)節(jié)11.5水力發(fā)電與火力發(fā)電相比，水力發(fā)電具有許多優(yōu)點(diǎn)?？刂坪樗簽E、提供灌溉用水、改善河流航運(yùn)，有關(guān)工程同時(shí)改善該地區(qū)的電力供應(yīng)和經(jīng)濟(jì)，特別可以發(fā)展旅游業(yè)及水產(chǎn)養(yǎng)殖11.5水力發(fā)電缺點(diǎn)：1．建廠(chǎng)期間長(zhǎng)，建造費(fèi)用高。2．因設(shè)于天然河川或湖沼地帶易受風(fēng)水之災(zāi)害，影響其他水利事業(yè)。電力輸出易受天候旱雨之影響。.3．建廠(chǎng)后不易增加容量。4．生態(tài)破壞：大壩以下水流侵蝕加劇，河流的變化及對(duì)動(dòng)植物的影響等。5．需筑壩移民等，基礎(chǔ)建設(shè)投資大。6．下游肥沃的沖積土因沖刷而減少。11.5水力發(fā)電典型的水力發(fā)電站由下列組成：水庫(kù)：提供了驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)所需的水頭和水流廠(chǎng)房廠(chǎng)房中連接到發(fā)電機(jī)的水輪機(jī)其他機(jī)電設(shè)備11.5水力發(fā)電從高處而下的水流驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)做功，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。所做功的量主要由水頭乘以水量來(lái)決定。因此，發(fā)電廠(chǎng)的發(fā)電能力（容量）N可表示為：g為重力加速度；Q是流量（單位時(shí)間的水量）；H是水頭；是效率系數(shù)。11.5水力發(fā)電可用壩來(lái)直接形成所需的水頭，稱(chēng)為壩式水電站。把水導(dǎo)入渠道或管道來(lái)形成所需水頭，稱(chēng)為引水水電站。一般根據(jù)具體條件來(lái)選擇用哪種形式：當(dāng)河流位于平原時(shí)常用前者；當(dāng)不適合造壩時(shí)常用后者。11.5水力發(fā)電11.6灌溉、排水和防洪11.6.1灌溉在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，如果自然界不能給土壤提供足夠的水，則需人工向農(nóng)作物供水（也即灌溉）以保證農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)。灌溉的形式有三種：

1.地面灌水法，即使水直接流入被灌溉的田地；

2.人工降雨法，大范圍可用人工降雨技術(shù)，小范圍可用降雨模擬器；

3.地下灌水法，在地下埋管道使水直接被土吸收。11.6灌溉、排水和防洪11.6灌溉、排水和防洪灌溉系統(tǒng)包括以下幾部分：（1）水源（2）取水結(jié)構(gòu)（3）引水和配水的渠道或水管（4）農(nóng)莊內(nèi)部的渠道網(wǎng)或水管網(wǎng)（5）渠道網(wǎng)上的建筑物（6）被灌溉的田地（7）排除多余水的渠道（泄水渠）11.6灌溉、排水和防洪其他灌溉法：漓漫灌溉法是指筑堤來(lái)?yè)跤晁蜓┧越?rùn)土壤洗土灌溉法為清除土壤中的有害鹽分。11.6灌溉、排水和防洪11.6.2排水人工去除田地和土壤中多余的水稱(chēng)為排水。多余的水對(duì)農(nóng)作物有害，并可能形成沼澤。排水技術(shù)：（1）采用造堤擋水、挖溝阻水等措施以減少進(jìn)水量；（2）用排水溝排除地表水和地下水。排水溝可為明溝或埋于地下的暗溝11.6灌溉、排水和防洪利用地下溝（管）排除田間土壤多余水分的排水技術(shù)措施。土壤中的多余水分可以從暗管接頭處或管壁濾水微孔滲入管內(nèi)排走，起到控制地下水位、調(diào)節(jié)土壤水分、改善土壤理化性狀的作用。暗管排水有便于田間機(jī)械化作業(yè)，節(jié)省用地和提高土地利用率的優(yōu)點(diǎn)。但一次性投資較大，施工技術(shù)要求較高，如防沙濾層未處理好，使用過(guò)程中易淤堵失效。

11.6灌溉、排水和防洪

11.6.3水土保持土壤被風(fēng)和水所粉碎并遷移的現(xiàn)象稱(chēng)為土壤侵蝕。它會(huì)帶走田地表面的沃土，增加河渠中水流的含沙量，使渠道淤塞、河流荒廢、并且，土壤侵蝕使地面的雨水不易吸收，更容易發(fā)生水旱災(zāi)害。風(fēng)力侵蝕（哈密魔鬼城）水力侵蝕（黃土高原）凍融侵蝕中國(guó)水土流失主要特點(diǎn)分布范圍廣、面積大；侵蝕形式多樣，類(lèi)型復(fù)雜；土壤流失嚴(yán)重，中國(guó)每年土壤流失總量約為50億t11.6灌溉、排水和防洪

水土流失的危害耕地減少，土地退化嚴(yán)重；泥沙淤積，加劇洪澇災(zāi)害；影響水資源的有效利用，加劇了干旱的發(fā)展；破壞交通運(yùn)輸、生態(tài)環(huán)境，危及人民生命財(cái)產(chǎn)安全11.6灌溉、排水和防洪

11.6灌溉、排水和防洪為防止這些災(zāi)害，應(yīng)增加地表的吸水能力，減小雨水的徑流量，同時(shí)設(shè)法減低徑流的速度，并增強(qiáng)土壤抵抗雨水侵蝕的能力。11.6灌溉、排水和防洪農(nóng)林中防止土壤侵蝕的措施：增加土中有機(jī)物含量、作物輪換、改善耕作方法、陡坡上植樹(shù)種草、等高種植和條植以及造林等。11.6灌溉、排水和防洪水利工程上防止土壤侵蝕的重要措施就是變坡地為階地11.6灌溉、排水和防洪11.6.4洪水防止可以建造堤壩防止河水泛濫。但是在多數(shù)情況下，僅靠堤是不能解決問(wèn)題的。隨著淤積沉淀過(guò)程的發(fā)展，河床將逐漸升高。所以除了造堤之外，洪水防治還有兩個(gè)重要方面。（1）增大河流的排水能力，這可