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、施工和維護(hù)的工程領(lǐng)域。這些目標(biāo)多是通過建造水工結(jié)構(gòu)來實(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，需要建造水庫來調(diào)節(jié)流量。11.1引言在這些過程中，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)。要利用儲存水中的能量，就需要建造大壩來提高水位形成驅(qū)動發(fā)電機(jī)所需要的水頭。對于航運(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^增大結(jié)構(gòu)的重量來實(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、單位時間內(nèi)通過的水量、流速、冰的形成以及水中泥沙含量等現(xiàn)象。對海上水中結(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。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、冰流和過往船只的影響。所以說，施工對于水利工程師來說也是個重要的問題。11.1引言古時人們嘗試?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。11.1.2水利工程簡史人類很早就利用河水發(fā)展灌溉四大文明古國都出現(xiàn)在大河流域，以灌溉為古代文明的基礎(chǔ)。公元前4400年在古埃及開挖了巨大的渠道來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年開挖了一條從尼羅河到紅海的運(yùn)河。

11.1.2水利工程簡史約公元前250年阿基米德寫了“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)百公里長的運(yùn)河以及龐大的灌溉和排水工程。11.1.2水利工程簡史中國水資源儲量：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、美國和印尼之后。中國水能資源河川水能資源蘊(yùn)藏量6.67億kw，可開發(fā)利用的約3.78億kw，居世界各國之首。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中國的水利工程幾千年前：人們已經(jīng)認(rèn)識到水利工程的重要性4000年前的大禹治水，至今仍在使用的長達(dá)1800km的黃河大堤。700年前（公元前485～1292年）全線通航，縱貫祖國南北，長達(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、以無壩引水為特征的宏大水利工程。都江堰沒有眾多水利工程所常見的雄偉大壩，只有一個酷似魚一樣的大堤縱臥江中，這條堤就被稱為“金剛堤”。堤的頭部就是都江堰的魚嘴；中后部是一個低矮的斜坡，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)地解決了江水自動分流、自動排沙、控制進(jìn)水流量等問題，消除了水患，使川西平原成為“水旱從人”的“天府之國”。目前灌溉面積已達(dá)40余縣、超過一千萬畝農(nóng)田。11.1引言11.1引言都江堰及其示意圖從古到今人類為了生存和發(fā)展的需要，采取各種措施，對自然界的水和水域進(jìn)行調(diào)控，以防治水旱災(zāi)害，開發(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為水利工程。我國江河眾多，全國大小河流總長達(dá)42萬公里，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引言中國七大江河

引言項(xiàng)目長江黃河松花江珠江遼河海河淮河流域面積（萬km2）180.95.255.744.422.926.426.9河長（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，它必須滿足承載力和穩(wěn)定性的要求。

如果一個結(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)所處的場地和地基必須可靠與堅固，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。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)動的科學(xué)。水文學(xué)作為一門科學(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)的水位隨時間變化。水位與時間的關(guān)系曲線對于確定水工結(jié)構(gòu)的高度是重要的，一個水工結(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。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。他們通常互相并聯(lián)而形成一個水利綜合體來實(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)水利工程中的水庫可在洪水期儲存多余的水以減少下泄量。洪水期過后水庫里的水就可以用來補(bǔ)充天然流量的不足。這種用人工方法對天然流量的調(diào)節(jié)稱為徑流調(diào)節(jié)。11.4水工結(jié)構(gòu)和徑流調(diào)節(jié)水庫的有效容積是其下泄口最高點(diǎn)以上的容積。該點(diǎn)以下的容積稱為死容積。兩者之間的分界水位稱為死水位。正常蓄水時的最高水位稱為正常擋水位。正常擋水位與死水位之間的高差稱為水庫的工作深度。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。如長江葛洲壩水電站。（2）當(dāng)水頭較高，一般超過30～40m時，由于壓力大，廠房本身的重量不足以維持其穩(wěn)定時，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)。控制洪水泛濫、提供灌溉用水、改善河流航運(yùn)，有關(guān)工程同時改善該地區(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．建廠期間長，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，河流的變化及對動植物的影響等。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：提供了驅(qū)動水輪機(jī)所需的水頭和水流廠房廠房中連接到發(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)動水輪機(jī)做功，從而帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。所做功的量主要由水頭乘以水量來決定。因此，發(fā)電廠的發(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)電可用壩來直接形成所需的水頭，稱為壩式水電站。把水導(dǎo)入渠道或管道來形成所需水頭，稱為引水水電站。一般根據(jù)具體條件來選擇用哪種形式：當(dāng)河流位于平原時常用前者；當(dāng)不適合造壩時常用后者。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。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擋雨水或雪水以浸潤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為排水。多余的水對農(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)象稱為土壤侵蝕。它會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）凍融侵蝕中國水土流失主要特點(diǎn)分布范圍廣、面積大；侵蝕形式多樣，類型復(fù)雜；土壤流失嚴(yán)重，中國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題的。隨著淤積沉淀過程的發(fā)展，河床將逐漸升高。所以除了造堤之外，洪水防治還有兩個重要方面。（1）增大河流的排水能力，這可