水工建筑物-第2章

水工建筑物講課教師：李勁草Email:jingcaoli@126.com2.1水利工程設(shè)計的任務(wù)和特點水利工程

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(hù)、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(hù)關(guān)鍵是山體和基礎(chǔ)的穩(wěn)定，白鶴梁的保護(hù)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34魚嘴的設(shè)置極為巧妙，它利用地形、地勢，巧妙地完成分流引水的任務(wù)，而且在洪、枯水季節(jié)不同水位條件下，起著自動調(diào)節(jié)水量的作用。魚嘴所分的水量有一定的比例。春天，岷江水流量??；灌區(qū)正值春耕，需要灌溉，這時岷江主流直入內(nèi)江，水量約占六成，外江約占四成，以保證灌溉用水；洪水季節(jié)，二者比例又自動顛倒過來，內(nèi)江四成，外江六成，使灌區(qū)不受水潦災(zāi)害2.1水利工程設(shè)計的任務(wù)和特點水利工程的特點

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(jì)效益高，與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)聯(lián)系密切；

4工程實施的后果嚴(yán)重。52.1水利工程設(shè)計的任務(wù)和特點水利工程的特點

生態(tài)、環(huán)境、航運、旅游、文物67如果橋上走的是船，相信大多數(shù)人都會驚訝，難以相信。但在德國就有這樣一座橋，橋面既可以供行人、車輛通行，也可以行船蕩舟。這是一座橋中橋，或者，可以稱其為渡槽。確切地說，這座橋中間行船，兩側(cè)留出通道供行人和非機(jī)動車通行。這就是德國馬格德堡水橋也稱跨河水道。馬格德堡水橋，2003年10月建成，全長918米，德國人花了整整一個多世紀(jì)才建成這座馬格德堡水橋。馬格德堡水橋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(jìn)另一條運河，并且要通過兩次水閘。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航運運河：易北—哈維爾運河（Elbe-HavelCanal）和馬格德堡（Magdeburg）附近的米德蘭運河（Mittellandkanal），并直通德國工業(yè)重鎮(zhèn)魯爾山谷（RuhrValley）的中心地區(qū)?，F(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-HavelCanal）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(jī)，位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（CanalForthandClyde），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（CanalUnion）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（FalkirkWheel）。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)升船機(jī)，它位于蘇格蘭中部福爾柯克鎮(zhèn)附近。旋轉(zhuǎn)升船機(jī)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?2福爾柯克輪FalkirkWheel其實就是一個大轉(zhuǎn)輪，兩邊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的運河時，它就由高架水道開入水槽內(nèi)，然后把水槽封閉，接著大轉(zhuǎn)輪就可以轉(zhuǎn)半圈，把船運到低水位的運河。旋轉(zhuǎn)吊橋的巨大起重機(jī)配備有10個水壓的水泵，能在15分鐘內(nèi)，將4艘船(包括水)起吊到35米的高度。與此同時，另一只吊臂將4艘船放下。而整個裝置由于兩邊的水槽是對稱的，所以船開進(jìn)去后，兩邊水槽的重量是接近一樣的。因此整個裝置運作起來所需要的能量并不大。福爾柯克輪大大減少了船只要渡過有高度差運河時的時間。所以，福爾柯克輪被稱為二十一世紀(jì)工程的一大奇觀。13由RMJM建筑設(shè)計事務(wù)所負(fù)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。

LowercanalEntrancetolowercanal142.1水利工程設(shè)計的任務(wù)和特點白鶴梁

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(hù)單位，每年12月到次年3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”。1516全世界唯一的一處以刻石魚為“水標(biāo)”，并觀測記錄水文的古代水文。三峽大壩蓄水175米后，白鶴梁題刻將永遠(yuǎn)淹沒于近40米的江底。2002年國家采用了工程院院士葛修潤提出以“無壓容器”的保護(hù)方式，創(chuàng)造性地修建了世界上唯一在水深40米處的白鶴梁水下博物館.172.1水利工程設(shè)計的任務(wù)和特點水利技術(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)。182.1水利工程設(shè)計的任務(wù)和特點水利工程設(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(jì)分析、綜合評價。192.1水利工程設(shè)計的任務(wù)和特點設(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202.2水工建筑物設(shè)計的步驟水工建筑物設(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

212.2水工建筑物設(shè)計的步驟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222.3水工建筑物的安全性失事情況統(tǒng)計

滲漏16%

失穩(wěn)15%

漫頂12%安全儲備232.3水工建筑物的安全性極限狀態(tài)

承載能力極限狀態(tài)

正常使用極限狀態(tài)Z=R-SR-結(jié)構(gòu)抗力

S-作用對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用效應(yīng)242.3水工建筑物的安全性可靠指標(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))252.3水工建筑物的安全性描述結(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。26272.3水工建筑物的安全性

ps=P[g(.)≧0]=P[Z≧0]=1-FZ(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=P[g(.)]=P[Z﹤0]=FZ(0)2.3水工建筑物的安全性

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)γ0(2)作用分項系數(shù)γF282.3水工建筑物的安全性(3)材料性能分項系數(shù)γf

(4)設(shè)計狀況系數(shù)ψ(5)結(jié)構(gòu)系數(shù)γd292.4水工建筑物的抗震分析震級

指地震的大小，是表征地震強(qiáng)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，2.5-4.7級地震叫有感地震，大于4.7級地震稱為破壞性地震。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。302.4水工建筑物的抗震分析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(yuǎn)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。322.4水工建筑物的抗震分析3334

“5.12”汶川大地震發(fā)生后，位于汶川縣境內(nèi)的福堂、太平驛、映秀灣水電站停運，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拓敭a(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2.4水工建筑物的抗震分析352.4水工建筑物的抗震分析太平驛水電站362.4水工建筑物的抗震分析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，大批救援隊伍正在趕往下面的映秀進(jìn)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?！?7紫坪鋪水電站382.4水工建筑物的抗震分析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(jìn)行仔細(xì)檢測勘查。42“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(jìn)行認(rèn)真評估，應(yīng)對可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害。這些次生災(zāi)害可能比地震造成更大的破壞。而今后這些電站、大壩是恢復(fù)、重建還是廢棄呢？這是一個值得思考的問題?！?/p>

——地質(zhì)學(xué)者楊勇

“2007年，四川省水利廳問，紫坪鋪水庫已經(jīng)建成了，該怎么辦？我的意見是炸掉！或者將水放掉?！?/p>

——四川省地震局已退休的高級工程師李有才

“肯