水利工程概論

水利工程概論第一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三課程性質(zhì)及要求本課程重點講述水利工程的基本特點、作用、類型、構造和布置方式，并盡量反映水利工程設計、施工與管理等方面的新技術、新材料、新方法的應用新進展和最新的水利工程建設成就。平時作業(yè)3次，綜合測試2次，考試形式，方式為開卷。從考試內(nèi)容的分布看，涵蓋水利工程概論的所有章節(jié)。當然有些章節(jié)的分數(shù)多一些，有些章節(jié)的分數(shù)少一些，學習中應有所側(cè)重。第二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三第一章緒論學習目標：1.了解水資源含義和特點2.熟悉我國水資源的分布及變化特征3.理解水利工程建設的意義4.認識我國水利建設的成就并樹立現(xiàn)代化水利建設的概念第三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三

1.1.1水資源含義

廣義：自然界所有以氣態(tài)、固態(tài)和液態(tài)等各種形式存在的天然水狹義：當前可被利用或可能被利用，且有一定的數(shù)量和可用質(zhì)量，并某一地區(qū)能夠長期滿足某種用途的并可循環(huán)再生的水第四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三1.1.2水資源的特性（1）循環(huán)性（2）有限性（3）分布的不均勻性（4）水的利、害雙重性（5)利用的多樣性（6）不可替代性第五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三1.1.3我國水資源的特點1.水資源相對缺乏2.水資源時空分布不均3.水資源的分布與耕地人口的布局嚴重失調(diào)4.水質(zhì)污染和水土流失嚴重第六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三1.2我國水利工程概況對河流的天然徑流進行控制和調(diào)節(jié)，合理利用和調(diào)配水資源，為防止洪水泛濫成災，擴大灌溉面積，充分利用水能發(fā)電而采用的各種工程，成為水利工程。水利事業(yè)的首要任務是消除水、旱災害，保障人們的生命財產(chǎn)安全；第二是利用河水灌溉，增加糧食產(chǎn)量；第三是利用水利發(fā)電、城鎮(zhèn)供水、交通航運、旅游、生態(tài)恢復和環(huán)境保護。第七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三1.2.1防治洪水1.2.1.1工程措施（1）攔蓄洪水控制泄量（2）疏通河道，提高行洪能力1.2.1.2非工程措施（1）蓄滯洪區(qū)分洪減流（2）加強水土保持，減少洪峰流量和泥沙淤積。（3）建立洪水預報、報警系統(tǒng)和洪水保險制度。第八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三1.2.1灌溉工程農(nóng)田水利的任務（1）通過修建水庫、泵站和渠道等工程措施提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水保障。（2）利用各種節(jié)水灌溉方法，按作物的需求規(guī)律輸送和分配水量。第九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三其他水利事業(yè)任務1.2.3水力發(fā)電1.2.4水土保持工程1.2.5給排水工程1.2.6水資源保護工程1.2.7水生態(tài)及旅游第十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三1.3現(xiàn)代水利進程1.3.1新中國成立后的水利成就（1）河道治理例如：黃河、淮河、海河（2）水庫建設例如：已建水庫8.6萬多座（3）水利發(fā)電（4）農(nóng)田灌溉灌溉面積由2.4萬畝增加到7億多畝（5）河道疏通提高航運能力（6）調(diào)水工程例如：引灤入津、引黃濟青、引碧入連第十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三1.3.2現(xiàn)代水利發(fā)展問題1.我國大江大河的防洪問題還沒有根本解決，提防和城市防洪標準還比較低。2.我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍很大程度上受制于自然地理和氣候條件，抗自然災害能力低。3.水污染問題嚴重4.水土流失嚴重，水生態(tài)失衡。5.水資源利用率低下第十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三1.3.3現(xiàn)代水利工程發(fā)展理念實現(xiàn)工程水利向資源水利轉(zhuǎn)變資源水利就是從宏觀上、戰(zhàn)略上實現(xiàn)工程水利向資源水利轉(zhuǎn)變，是從水資源開發(fā)、利用、治理、配置、節(jié)約和保護等六個方面系統(tǒng)分析綜合考慮，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用。第十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三1.3.4現(xiàn)代水利工程經(jīng)驗1.大水庫、大水電站和高壩工程增多2.新壩型、新材料的研究不斷有成果出現(xiàn)。如：碾壓混凝土筑壩技術的出現(xiàn)3.對高速水流的研究，在體型設計、摻氣減蝕方面技術日益成熟4.地基處理和加固技術快速發(fā)展5.高速度、大容量計算機的發(fā)展6.大型試驗設備和現(xiàn)場量測設備的發(fā)展第十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三第二章工程水利基礎知識學習目標：1.學習水力學知識，掌握液體的特征和主要物理性質(zhì)，水在運動、靜止時的基本規(guī)律。2.學習工程水文學知識，了解水文循環(huán)的過程，河川、流域的概念，熟悉降水與河川徑流的形成過程，掌握徑流的特征值及洪峰頻率的概念。3.學習工程地質(zhì)基礎知識，了解巖石及其工程地質(zhì)性質(zhì)，理解地質(zhì)構造、巖石的風化、地下水、巖溶的基本規(guī)律，掌握水利水電的基本地質(zhì)問題。第十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三2.1水利學基礎2.1.1水力學的應用（1）水的作用力問題如：水工建筑物承受的靜水壓力或動水壓力，以及建筑物中的滲透水壓力（2）建筑物的過水能力（3）水流流態(tài)問題（4）水流能量損失問題水流的流動性和黏滯性，以及水流流態(tài)的改變和水流能量的轉(zhuǎn)變都將使水流的能量減少。第十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三2.1.2液體的特征與主要物理性質(zhì)2.1.2.1液體的特征：

液體有一定的體積、無一定的形狀，具有流動性，難被壓縮。2.1.2.2液體的主要物理性質(zhì)（1）質(zhì)量和密度單位體積內(nèi)液體所具有的質(zhì)量稱為密度。（2）重量和容重

單位體積內(nèi)液體所具有的重量稱為液體的容重。2.1.2.3靜水壓強及特征（1）靜水壓力水在靜止狀態(tài)時的壓力叫靜水壓力。作用在整個受壓面積上的壓力，叫靜水總壓力，用P表示，，單位為N或KN.

第十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三2.1.2液體的特征與主要物理性質(zhì)2.1.3.1靜水壓強。水壓力常用單位面積上所承受的靜水總壓力的大小，叫靜水壓強。用p表示。靜水壓強的特性：（1）靜水內(nèi)部任一各點方向的壓強大小相等。（2）靜水壓強的方向垂直并指向受壓面。

p=rh第十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三2.2水文學基礎2.2.1水文循環(huán)水分的運動形式大致分三種（1）從海洋表面蒸發(fā)的水汽，隨大氣運動到大陸上空后，在一定的條件下，水汽凝結(jié)并以降水形式降落地面，其中有的雨水滲入地下，有的則沿江河流入大海，還有一部分雨水由于蒸發(fā)重返大氣。（2）從海洋上蒸發(fā)的水汽，又在海洋上空成云至雨，以降水形式降落在海洋上。（3）陸地表面上蒸發(fā)的水汽，又在其上空冷凝成雨，降落到地面。水文循環(huán)的形成和途徑，受著多種因素的影響，其變化錯綜復雜，我過主要受冷暖兩種氣團的影響。第十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三2.2.2河流與流域的基本概念（1）河流河流是接納地面徑流和地下徑流的天然泄水通道。江、河、溪、溝等大小不等的水道統(tǒng)稱河流。（2）河系由干流和其支流組成的水流系統(tǒng)統(tǒng)稱為河系，又稱水系或河網(wǎng)。水系常用干流的名稱來命名，如長江水系、黃河水系。（3）流域在一個水系的河流中，匯集了全部地面集水和地下集水的區(qū)域，稱為該河流的流域。水系和流域是降水形成河川徑流后輸送到出口斷面的通道和場所。第二十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三2.2.3降水（1）降水的成因空氣的垂直運動和空氣中的水汽超過飽和水汽含量是產(chǎn)生降雨的基本條件。（2）降雨的四種類型鋒面雨：由于冷暖兩種氣團的移動，使得暖氣團向上移動，發(fā)生動力冷卻而致雨，分為暖鋒雨和冷鋒雨。地形雨：指暖濕氣流在運動過程中，遇到山脈、高原的阻擋，而被迫做上升運動，由于動力冷卻而成云致雨。迎風坡降雨，歷時短，雨區(qū)小。對流雨：在盛夏季節(jié)，局部地區(qū)被暖濕氣團籠罩，地面受熱、氣體膨脹而上升，引起強烈的上、下對流，產(chǎn)生降雨。其范圍小、強度大，歷時短。臺風雨：熱帶海洋面上形成的氣旋即臺風，其中心氣壓很低，氣流的流動極為強烈，臺風使高溫、高濕氣流急劇上升產(chǎn)生暴雨，稱為臺風雨。常造成特大洪水，對水利工程威脅很大。第二十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三2.2.3降水（3）降雨的特征值降雨歷時t：一次降雨所持續(xù)的總時間，叫降雨歷時，它也可以指某一固定時段，如1min、1h、1d。降雨量H：可以是一次降雨總歷時的降雨量，也可以是某一固定時段的降雨量。常用mm表示。降雨強度i：單位時間的降雨量。第二十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三2.2.4河川徑流河川徑流：指降水到達流域表面，經(jīng)地面和地下注入河槽，并向流域出口斷面匯集的水流。河川徑流的形成過程（1）產(chǎn)流階段扣除土壤下滲、植物截留、洼地填蓄的水量，余者流入河槽，成為地面徑流。地面徑流、表層流和淺層地下徑流是本次降水的總徑流，稱徑流量或產(chǎn)流量。（2）匯流階段降雨產(chǎn)生的徑流，通過河網(wǎng)有上游到下游，從支流到干流，最后全部從流域出口斷面流出，叫河網(wǎng)匯流。實際降雨、蒸發(fā)、下滲和匯流等各種現(xiàn)象總是交織在一起，相互聯(lián)系。第二十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三2.2.5影響徑流形式的因素氣候因素：1.降水2.蒸發(fā)下墊面因素：1.流域的位置和地形2.河道特征3.流域面積的大小和形狀4.土壤、巖石和地質(zhì)構造5.植被6.湖泊與沼澤人類活動因素：1.植樹造林、水土保持。2.城市化影響3.大、中型水庫的興建。4.其他水利工程和堤內(nèi)違章建筑第二十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三2.2.6徑流的特征值1.徑流量Q。單位時間內(nèi)通過某一過水斷面的水量叫流量，單位為m2/s。2.徑流總量W。某一時段T內(nèi)通過某一斷面的總水量稱為該時段的徑流總量，單位為m3、萬m3。同一時段T內(nèi)徑流總量W與時段平均流量Q之間的關系：W=QT徑流深度R。計算時段的徑流總量平均鋪在流域面積上所得的水層深度，稱為該時段的徑流深度。第二十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三2.2.7洪水的頻率和重現(xiàn)期重現(xiàn)期是指某一隨機變量在很長時間內(nèi)平均多少年出現(xiàn)一次。1.洪水或暴雨，重現(xiàn)期指在很長時期T年內(nèi)，出現(xiàn)大于某水文變量XP事件的平均重現(xiàn)間隔期。P﹤50%時，2.枯水問題，重現(xiàn)期指在很長時期T年內(nèi)，出現(xiàn)小于某水文變量XP事件的平均重現(xiàn)間隔期。P﹥50%時第二十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三2.3工程地質(zhì)基礎主要內(nèi)容：1.巖石的工程地質(zhì)性質(zhì)包括巖石的礦物組成、結(jié)構構造以及主要的物理學性質(zhì)。2.地質(zhì)構造與地質(zhì)特征注意與水工建筑物密切相關的斷層、節(jié)理、破碎帶及軟弱夾層的力學特性和分布規(guī)律3.水流的地質(zhì)作用了解地下水和地表水對水利工程的影響4.巖體結(jié)構的工程地質(zhì)特性5.巖體的穩(wěn)定和滲漏問題第二十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三2.3.1巖石的形成及工程地質(zhì)性質(zhì)地質(zhì)作用：能使地殼的物質(zhì)成分、內(nèi)部構造和地表形態(tài)發(fā)生變化的各種作用。如火山爆發(fā)、巖漿活動、地殼運動、風化作用、搬運沉積和固結(jié)成巖。巖石是由礦物組成的，礦物是由具有一定的化學成分和物理性質(zhì)的自然化合物或自然元素。根據(jù)巖石的成因分為巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖三大類。主要研究巖石的物理性質(zhì)、力學性質(zhì)和風化特征。第二十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三

深成巖如花崗巖、輝長巖、正長巖等巖漿巖淺成巖如輝綠玢巖、正長斑巖、閃長玢巖噴出巖流紋巖、玄武巖、輝綠巖、安山巖碎屑巖砂巖、礫巖、角礫巖、粉沙巖巖石沉積巖黏土巖泥巖、頁巖化學巖和生物化學巖石灰?guī)r、白云巖接觸變質(zhì)巖變質(zhì)巖動力變質(zhì)巖破碎巖、糜棱巖區(qū)域變質(zhì)巖

巖石的分類第二十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三2.3.2地質(zhì)構造基本概念：1.巖層：被兩個平行或近似平行的界面所限制，由同一巖性組成的層狀巖石。2.層面：巖石的上下界面3.地層：在一定地質(zhì)時期內(nèi)所形成的一套巖層（包括沉積巖、變質(zhì)巖和巖漿巖）4.構造：地層在遭受個各種應力作用后所留下的變形和破壞痕跡。其中，變形所留下的痕跡被稱為褶皺，破壞所留下的痕跡被稱為斷裂。第三十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三2.3.3構造運動地殼在地球內(nèi)部動力地質(zhì)作用下不斷地運動、發(fā)展和變化，稱為地殼運動，也叫構造運動。地殼運動改變了地殼上巖層的原始形態(tài)而形成的地殼構造稱為地質(zhì)構造。地殼運動分為上下運動和水平運動。垂直運動使地殼上拱下拗，引起海陸變遷；水平運動產(chǎn)生褶皺和斷裂。第三十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三2.3.4褶皺構造原始水平巖層在構造應力作用下，形成一系列高低起伏的波狀彎曲，稱為褶皺構造。有向斜和背斜兩種基本形態(tài)。在褶皺的中心位置，應力集中，裂隙發(fā)育，巖層破碎，風化較深，滲透較強，不易在此上建壩、閘、電站。背斜向斜第三十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三2.3.5斷裂構造和地震節(jié)理和斷層斷裂后兩邊的巖層無明顯的位移叫節(jié)理；產(chǎn)生位移的叫斷層斷層和破碎帶

巖層發(fā)生位移的錯動面稱為斷層面；破碎帶是指因斷層錯動而破裂和搓碎的巖石碎塊、碎屑部分。斷層使壩基容易沿斷裂結(jié)構面產(chǎn)生滑動，節(jié)理和破碎帶對水工建筑物的基礎穩(wěn)定性和滲漏影響很大。地震是地殼運動引起地殼瞬時震動的一種地質(zhì)現(xiàn)象，強烈的地震對地面建筑物造成巨大的破壞第三十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三2.3.6巖石的風化長期暴露在空氣中的巖石在日曬、風吹、雨淋及生物等作用下，巖石結(jié)構逐漸崩解、破碎、疏松，礦物成分和構造發(fā)生變化，稱為風化。巖石風化的結(jié)果，其內(nèi)部的礦物成分、結(jié)構和構造、物理力學性質(zhì)已經(jīng)徹底改變，孔隙率增大，承載力減低，嚴重風化的巖層是不能滿足工程建設的需要的。第三十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三2.3.7地下水地下水是埋藏在地表以下的各種狀態(tài)的水，是地球上水體的重要組成部分。根據(jù)埋藏條件可以分為：包氣帶水:它是地面以下，潛水位以上未被水飽和的巖土層中的水。具有自由水面的重力水。潛水:它是埋藏在地面以下、第一個穩(wěn)定隔水層之上具有自由水面的重力水。潛水在土壤中由高處向低處流動，稱為滲流。水工建筑物不應該建在潛水埋深很淺的地方。承壓水：它是充滿于上下兩個穩(wěn)定隔水層之間的含水層中，具有靜水壓力的重力水。第三十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三2.3.8地下水對水利工程的影響潛水位上升的影響1.使土壤次生沼澤化、鹽澤化，改變巖土體的物理力學性質(zhì)。2.使原來干燥的巖土體被水飽和、軟化，誘發(fā)邊坡產(chǎn)生變形、滑移、崩塌等不良現(xiàn)象。3.可能使原有的建筑物淹沒，或使建筑物基礎浮起而危及安全。地下水位下降的影響1.在巖溶地區(qū)等一些土層較薄而土粒較粗的地段會引起地表沉陷。2.引起土層的不均勻沉降，造成臨近的建筑物開裂、道路沉降、地下管線錯斷。3.沿海地區(qū)受海水（咸潮)影響，使地下水水質(zhì)變化。地下水的滲透破壞的影響第三十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三2.3.9水利水電工程的一般地質(zhì)問題斜坡巖體失穩(wěn)破壞問題1.泥石流：泥沙、石塊和水混雜在一起的特殊洪流。2.蠕變：順層滑坡的巖體，在其頂部巖體自重作用下，長期緩慢的松動變形下滑的現(xiàn)象。3.崩塌:在山坡和懸崖上的孤石，在其自重的作用下沿山坡突然崩落而翻滾到山腳下的現(xiàn)象。4.滑坡：斜坡上的巖土在重力、大氣降水、地下水滲透及地震等因素的作用下沿軟弱結(jié)構面發(fā)生整體下滑的現(xiàn)象。5.剝落：斜坡上的巖體，由于風化作用所產(chǎn)生的破碎，在重力的作用下滾落下來的現(xiàn)象。第三十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三2.3.9水利水電工程的一般地質(zhì)問題閘壩的工程地質(zhì)問題1.土石壩的沉降問題。土石壩坐在土基上，應注意土基中不要含有淤泥質(zhì)土、軟黏土等高壓縮性土層。2.重力壩的滑動和沉降問題。重力壩一般做在巖基上，應盡量避開風化層、斷層破碎帶及軟弱夾層。3.重力壩壩基及壩肩的滲透問題。壩基、壩肩的巖石應盡量避開孔隙、裂隙、洞穴、斷層破碎帶及各種軟弱夾層。第三十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三2.3.9水利水電工程的一般地質(zhì)問題水庫的工程地質(zhì)問題1.水庫的滲漏。需檢查庫內(nèi)是否有古河道、砂礫石層、巖溶通道和斷層破碎帶等。2.水庫的浸沒問題。水庫使地下水水位上升，地下水上升接近地表或高出地表的情況叫浸沒。3.水庫的塌岸。水庫剛蓄水會使庫區(qū)岸邊的巖土容重增大，強度降低，易發(fā)生坍塌。4.水庫淤積。建壩擋水后，上游水流會夾帶泥沙沉積在水庫中，長期會使水庫有效庫容減小，使用年限減少。第三十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三第三章水庫基本知識掌握水庫特征水位、庫容的基本概念；理解水庫控制運用的基本原理和方法；了解水庫泥沙淤積的基本規(guī)律和防治的基本方法；以及水庫對周邊環(huán)境的影響；熟悉水利工程的分類及其特點。水庫通過調(diào)節(jié)河川徑流來解決來水和用水之間的矛盾。通常分為興利調(diào)節(jié)和防洪調(diào)節(jié)。根據(jù)調(diào)節(jié)周期的長短分為日調(diào)節(jié)及周調(diào)節(jié)、年調(diào)節(jié)、多年調(diào)節(jié)。第四十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三3.1水庫特征水位和特征庫容第四十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三3.2水庫控制運用3.2.1水庫控制運用的任務

水庫控制運用的任務，就是根據(jù)水庫工程承擔的水利任務、河流徑流的變化情況以及國民經(jīng)濟各部門的用水要求，利用水庫的調(diào)蓄能力，在保證水庫樞紐安全的前提下，制定合理的水庫運用方案，有計劃地對入庫天然徑流進行控制蓄泄，最大限度地發(fā)揮水資源的綜合效益。3.2.2水庫控制運用的工作內(nèi)容包括：擬定各項水利任務的控制運用方式；編制水庫調(diào)度規(guī)程、水庫調(diào)度圖、當年調(diào)度計劃；制定面臨時段（月、旬）的水庫蓄泄方案；進行水庫水量調(diào)度運用的實時操作等。第四十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三3.2.3水庫防洪運用的任務及原則水庫防洪運用的任務是：根據(jù)規(guī)劃確定或上級主管部門核定的水庫安全標準和下游防護對象的防洪標準、防洪調(diào)度方式及各防洪特征水位對入庫洪水進行調(diào)蓄，保障大壩和下游防洪安全。水庫防洪運用的原則：1.在保證大壩安全的前提下，按下游防洪需要時對洪水進行調(diào)蓄。2.水庫與下游河道提防和分、滯洪區(qū)防洪體系聯(lián)合運用，充分發(fā)揮水庫的調(diào)節(jié)功能。3.防洪調(diào)度方式的判別條件要簡明易行，在實時調(diào)度中對可能影響泄洪的因素要有足夠的估計。4.汛期防洪限制水位以上的防洪庫容的調(diào)度運用，應根據(jù)各級防汛指揮部門的調(diào)度權限，實行分級調(diào)度。第四十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三3.2.4水庫興利運用水庫興利運用的任務是，依據(jù)規(guī)劃設計的開發(fā)目標，合理調(diào)配水量，充分發(fā)揮水庫的綜合利用效益。興利運用的原則是：1.在制定興利運用計劃時，要首先滿足城鄉(xiāng)居民生活用水，既要保重點任務又要盡可能兼顧其他方面，最大限度地綜合利用水資源。2.要在計劃用水、節(jié)約用水的基礎上核定各用水部門供水量，要徹底貫徹“一水多用”的原則，提高利用效率。3.興利調(diào)度方式，根據(jù)水庫調(diào)節(jié)性能和興利各部門用水特點擬定。4.庫內(nèi)引水，要納入水庫水量的統(tǒng)一分配和統(tǒng)一調(diào)度。第四十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三3.3水庫泥沙淤積及其防治在河流上修建水庫后，泥沙隨水流入庫，在庫內(nèi)沉積，形成水庫淤積。水庫淤積的基本規(guī)律：1.水庫淤積的主要形式是壅水淤積。2.淤積一大片，沖刷一條帶。3