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1、 水工建筑物水工建筑物 第第 1 1 章章 绪论绪论第第 2 2 章章 水工建筑物设计综述水工建筑物设计综述 第第 3 3 章章 岩基上的重力坝岩基上的重力坝第第 4 4 章章 拱坝拱坝第第 5 5 章章 土石坝土石坝第第 6 6 章章 水闸水闸第第 7 7 章章 岸边溢洪道岸边溢洪道第第 8 8 章章 水工隧洞水工隧洞第第 9 9 章章 闸门闸门第第 10 10 章章 过坝建筑物、渠首及渠系建筑物和河道整治建筑物过坝建筑物、渠首及渠系建筑物和河道整治建筑物第第 11 11 章章 水利工程设计水利工程设计 第第 12 12 章章 水工建筑物管理水工建筑物管理 1.1 1.1 水与水利工程水与水
2、利工程1.1.2 1.1.2 水利工程水利工程 水资源受气候影响，在时间空间上分布不均。为了控制水资源受气候影响，在时间空间上分布不均。为了控制和利用水，就需要修建水利工程。和利用水，就需要修建水利工程。对自然界的地表水或地下水进行控制和调配，以达到兴对自然界的地表水或地下水进行控制和调配，以达到兴水利（灌溉、供水、发电、航运、养殖、旅游、维护生态环水利（灌溉、供水、发电、航运、养殖、旅游、维护生态环境等）、除水害（防洪、排涝）目的而修建的各类工程，称境等）、除水害（防洪、排涝）目的而修建的各类工程，称为水利工程。为水利工程。第第 1 1 章章 绪绪 论论l水利工程按承担的任务分类：水利工程按
3、承担的任务分类：防洪工程、农田水利工程、水力发电工程、城市供水及排水防洪工程、农田水利工程、水力发电工程、城市供水及排水工程、航道及港口工程、环境水利工程等。一项工程常常兼工程、航道及港口工程、环境水利工程等。一项工程常常兼有几种任务，称为综合利用水利工程。有几种任务，称为综合利用水利工程。l水利工程按对水的作用分类：水利工程按对水的作用分类：蓄水工程、排水工程、取水工程、输水工程、提水工程、水蓄水工程、排水工程、取水工程、输水工程、提水工程、水质净化和污水处理工程等。质净化和污水处理工程等。1.2 1.2 水利枢纽与水工建筑物水利枢纽与水工建筑物1.2.1 1.2.1 水利枢纽水利枢纽l水工
4、建筑物：水工建筑物：为了提供或满足防洪、灌溉、发电、供水、航运等方面为了提供或满足防洪、灌溉、发电、供水、航运等方面的效益，需要在河流的适宜地段修建不同类型的建筑物，用的效益，需要在河流的适宜地段修建不同类型的建筑物，用来控制和分配水流，这些建筑物称为水工建筑物。来控制和分配水流，这些建筑物称为水工建筑物。（水工建筑物可以称为水利工程的（水工建筑物可以称为水利工程的“硬件硬件”）如图如图1-11-1所示的水利工程中，有多种水工建筑物。所示的水利工程中，有多种水工建筑物。l水利枢纽：水利枢纽：不同类型水工建筑物组成的综合体，称为水利枢纽。不同类型水工建筑物组成的综合体，称为水利枢纽。l水利枢纽类
5、型：水利枢纽类型：按功能分类：按功能分类：单一功能水利枢纽；综合利用水利枢纽。单一功能水利枢纽；综合利用水利枢纽。按所在区域分类：平原地区水利枢纽；山区水利枢纽。按所在区域分类：平原地区水利枢纽；山区水利枢纽。按水头大小分为：高水头水利枢纽；中水头水利枢纽；按水头大小分为：高水头水利枢纽；中水头水利枢纽；低水头水利枢纽。低水头水利枢纽。l水利枢纽规划与布置原则：水利枢纽规划与布置原则：统筹安排，合理开发利用，充分发挥效益。统筹安排，合理开发利用，充分发挥效益。1.2.2 1.2.2 水工建筑物的类别水工建筑物的类别（1 1）挡水建筑物（壅水建筑物）：闸、坝、堤防、海塘（塘：）挡水建筑物（壅水建
6、筑物）：闸、坝、堤防、海塘（塘：堤岸、堤防之意）等。堤岸、堤防之意）等。（2 2）泄水建筑物：溢流坝、坝身泄水孔、岸边溢洪道、泄水）泄水建筑物：溢流坝、坝身泄水孔、岸边溢洪道、泄水 隧洞等。隧洞等。（3 3）输水建筑物：引水隧洞、引水涵管、渠道、渡槽等。）输水建筑物：引水隧洞、引水涵管、渠道、渡槽等。（4 4）取（进）水建筑物：引水隧洞的进口段、灌溉渠首、进）取（进）水建筑物：引水隧洞的进口段、灌溉渠首、进 水闸、扬水站等。水闸、扬水站等。（5 5）整治建筑物：丁坝、顺坝、导流堤、护底、护坡等。）整治建筑物：丁坝、顺坝、导流堤、护底、护坡等。（6 6）专门建筑物。水电站压力前池、调压室、电站厂
7、房；灌）专门建筑物。水电站压力前池、调压室、电站厂房；灌 渠沉沙池、冲沙闸；过坝用船闸、渠沉沙池、冲沙闸；过坝用船闸、升船机、鱼道、过木道等。升船机、鱼道、过木道等。本课程将学习重力坝、拱坝、土石坝、水闸、岸边溢洪本课程将学习重力坝、拱坝、土石坝、水闸、岸边溢洪道、水工隧洞、过坝建筑物、渠首及渠系建筑物、河道整治道、水工隧洞、过坝建筑物、渠首及渠系建筑物、河道整治建筑物等建筑物等1010种左右的建筑物。（这些是主要和常见的水工建种左右的建筑物。（这些是主要和常见的水工建筑物。）筑物。）本课程学习这些建筑物的特点和设计方法。本课程学习这些建筑物的特点和设计方法。水电站建筑物在水电站建筑物在“水电
8、站水电站”课程中学习，不作为课程中学习，不作为“水工水工建筑物建筑物”课程的内容。课程的内容。1.2.3 水利工程的特点水利工程的特点 与一般土建工程相比，除了工程量大、投资多、工期长与一般土建工程相比，除了工程量大、投资多、工期长外，还经常有下面几个特点：外，还经常有下面几个特点：1.工作条件复杂工作条件复杂 （复杂的地基条件；水压力作用；渗流问题；水流冲刷问题；（复杂的地基条件；水压力作用；渗流问题；水流冲刷问题；高速水流问题；泥沙淤积问题；地震作用等。）高速水流问题；泥沙淤积问题；地震作用等。）2.受自然条件制约，施工难度大受自然条件制约，施工难度大 （存在施工导流；大体积混凝土温度控制
9、；复杂地基处理；（存在施工导流；大体积混凝土温度控制；复杂地基处理；地下水下施工；交通运输比较困难等问题。）地下水下施工；交通运输比较困难等问题。）3.3.效益大，对环境影响也大效益大，对环境影响也大（水利工程的效益常常是比较大的，尤其是大型综合水利枢纽（水利工程的效益常常是比较大的，尤其是大型综合水利枢纽工程；对环境影响也是很大的，产生库区淹没，人口迁移，工程；对环境影响也是很大的，产生库区淹没，人口迁移，地下水位上升，库区周围气候改变，诱发地震等。地下水位上升，库区周围气候改变，诱发地震等。4.失事后果严重失事后果严重 （水库、堤防垮坝决口，可能造成严重生命财产损失。）（水库、堤防垮坝决口
10、，可能造成严重生命财产损失。）1.3 1.3 水利建设与可持续发展水利建设与可持续发展1.3.1 1.3.1 我国水利建设的主要成就我国水利建设的主要成就l人类修建水利工程，从久远的古代就开始了。人类修建水利工程，从久远的古代就开始了。我国古代建设的著名水利工程：我国古代建设的著名水利工程：（1 1）黄河堤防；（）黄河堤防；（2 2）京杭大运河；（）京杭大运河；（3 3）都江堰。）都江堰。有资料介绍，公元前有资料介绍，公元前29002900年前后，古埃及在尼罗河上修建了年前后，古埃及在尼罗河上修建了水坝，距今有水坝，距今有49004900年的历史。年的历史。（有兴趣的同学可以查阅中外水利工程发
11、展历史一类的文献资（有兴趣的同学可以查阅中外水利工程发展历史一类的文献资料）料）l现代仍然要进行水利工程建设。水利工程的作用和效益、建现代仍然要进行水利工程建设。水利工程的作用和效益、建设规模、设计方法和施工手段等，在不断发展进步。设规模、设计方法和施工手段等，在不断发展进步。新中国水利建设成就概要（可概括为新中国水利建设成就概要（可概括为7 7个方面）：个方面）：1.1.新建、整修了堤防、水库、水闸、分洪区、灌区等大量的水新建、整修了堤防、水库、水闸、分洪区、灌区等大量的水利工程，用于防洪、灌溉、供水等。利工程，用于防洪、灌溉、供水等。2.2.有效治理了黄河、淮河、海河的洪涝灾害，解决了几千
12、年来有效治理了黄河、淮河、海河的洪涝灾害，解决了几千年来都没有解决的问题。都没有解决的问题。3.3.修建了若干大型水利工程和高坝。如长江三峡水利枢纽是世修建了若干大型水利工程和高坝。如长江三峡水利枢纽是世界上最大的水利工程，一些高坝在世界上名列前茅或居于首界上最大的水利工程，一些高坝在世界上名列前茅或居于首位。位。4.4.水电开发得到很大发展。水电开发得到很大发展。20062006年水电装机总容量年水电装机总容量1.281.28亿亿kWkW。水电设备制造、安装取得很大进步。水电设备制造、安装取得很大进步。5.5.建设了若干大规模调水工程。跨流域的南水北调工程已开工。建设了若干大规模调水工程。跨
13、流域的南水北调工程已开工。6.6.制定和完善了水利水电建设的法律、法规、规程、规范和建制定和完善了水利水电建设的法律、法规、规程、规范和建设计划。设计划。7.7.培养和建成了一支素质可靠的水利水电建设事业的队伍，包培养和建成了一支素质可靠的水利水电建设事业的队伍，包括勘测、设计、施工、管理、科研、教学等各个分支。括勘测、设计、施工、管理、科研、教学等各个分支。1.3.2 1.3.2 当今世界水利建设发展概况当今世界水利建设发展概况(11(11个较突出的方面个较突出的方面)1.1.世界大型水库世界大型水库 库容在库容在10001000亿亿m m3 3 以上的大水库有以上的大水库有7 7座。座。2
14、.2.已建和在建的各类型最高坝已建和在建的各类型最高坝 详见表详见表1-11-1。最高的混凝土重力坝最高的混凝土重力坝285m285m（瑞士）；（瑞士）；最高的土石坝最高的土石坝300m300m（塔吉克斯坦）；（塔吉克斯坦）；最高混凝土拱坝最高混凝土拱坝305m305m、最高的碾压混凝土重力坝、最高的碾压混凝土重力坝216.5m216.5m、最、最高的碾压混凝土拱坝高的碾压混凝土拱坝132m132m、最高的混凝土面板堆石坝、最高的混凝土面板堆石坝233m233m（均在中国）。（均在中国）。3.3.碾压混凝土坝和混凝土面板堆石坝，发展很快，是有发展潜碾压混凝土坝和混凝土面板堆石坝，发展很快，是有
15、发展潜力的两种坝型。力的两种坝型。4.4.水电站规模。巴西巴拉圭合建的伊泰普水电站设计装机容量水电站规模。巴西巴拉圭合建的伊泰普水电站设计装机容量达达12601260万万kWkW，我国三峡水电站设计装机容量达，我国三峡水电站设计装机容量达18201820万万kWkW。5.5.泄洪建筑物的总泄流量与单宽泄流量。葛洲坝水利枢纽总泄泄洪建筑物的总泄流量与单宽泄流量。葛洲坝水利枢纽总泄洪流量达到洪流量达到110000m110000m3 3/s/s。单宽泄流量已经超过。单宽泄流量已经超过300m300m3 3/s/s。6.6.在峡谷河段、高地应力区、强地震区建设高水头、长引水隧在峡谷河段、高地应力区、强
16、地震区建设高水头、长引水隧洞、大型地下厂房的水电站枢纽。洞、大型地下厂房的水电站枢纽。7.7.出现了高度机械化的隧洞掘进机（出现了高度机械化的隧洞掘进机（Tunnel Boring MachineTunnel Boring Machine，TBMTBM），为大型地下工程和长隧道开挖提供了有力的施工），为大型地下工程和长隧道开挖提供了有力的施工手段。手段。8.8.地基防渗处理方面。最深的地基混凝土防渗墙达地基防渗处理方面。最深的地基混凝土防渗墙达131m131m（加拿（加拿大马尼克大马尼克3 3级坝）级坝）;最深的灌浆防渗帷幕达最深的灌浆防渗帷幕达110m110m。9.9.处理软弱夹层和加固大坝
17、、边坡，广泛采用了预应力锚索加处理软弱夹层和加固大坝、边坡，广泛采用了预应力锚索加固技术。固技术。10.10.大坝抗震分析与设计。采用计算机和有限元法，已经从拟大坝抗震分析与设计。采用计算机和有限元法，已经从拟静力法分析进入动力分析阶段，并能考虑结构、地基、库水静力法分析进入动力分析阶段，并能考虑结构、地基、库水之间的相互作用。模型试验和原型观测也有相应的发展。之间的相互作用。模型试验和原型观测也有相应的发展。11.11.计算机在水利水电工程建设中得到广泛应用。计算机在水利水电工程建设中得到广泛应用。1.3.3 1.3.3 我国水利水电建设应走可持续发展之路我国水利水电建设应走可持续发展之路
18、（我国水利水电建设的原则）（我国水利水电建设的原则）自行阅读、仅供参考和思考。自行阅读、仅供参考和思考。1.1.全面规划，统筹兼顾，标本兼治，综合治理全面规划，统筹兼顾，标本兼治，综合治理2.2.节流优先，治污为本，开源节流并重，开发保护并举，建设节流优先，治污为本，开源节流并重，开发保护并举，建设节水型社会节水型社会3.3.建设水资源建设水资源“南水北调南水北调”和和“西电东送西电东送”工程工程4.4.加强生态环境建设，合理安排生态环境用水加强生态环境建设，合理安排生态环境用水5.5.加强水资源统一管理，形成水资源合理配置的格局加强水资源统一管理，形成水资源合理配置的格局1.4 1.4 本课
19、程的特点和解决水工问题的方法本课程的特点和解决水工问题的方法1.4.1 1.4.1 本课程的特点本课程的特点 l涉及知识范围广、综合性强涉及知识范围广、综合性强涉及多门基础课和专业基础课涉及多门基础课和专业基础课 土力学、水力学、材料力学、结构力学、弹性力学、钢筋混土力学、水力学、材料力学、结构力学、弹性力学、钢筋混凝土、建筑材料、土工试验、工程地质、水文学、地震工程、凝土、建筑材料、土工试验、工程地质、水文学、地震工程、结构可靠度理论、结构设计优化理论等等。结构可靠度理论、结构设计优化理论等等。如水压力、泄流量、消能防冲计算用到水力学理论；如水压力、泄流量、消能防冲计算用到水力学理论；坝体应
20、力计算采用材料力学、结构力学、弹性力学理论；坝体应力计算采用材料力学、结构力学、弹性力学理论；土压力、地基承载力、边坡坝坡稳定性采用土力学公式；土压力、地基承载力、边坡坝坡稳定性采用土力学公式；大体积混凝土结构温度场和温度应力采用弹性力学理论；大体积混凝土结构温度场和温度应力采用弹性力学理论；抗震分析用到结构动力学理论；抗震分析用到结构动力学理论；重力坝极限状态设计法来自概率论和工程结构可靠度理论。重力坝极限状态设计法来自概率论和工程结构可靠度理论。l经验性强。水工建筑物设计，既依据理论又要依靠经验。水经验性强。水工建筑物设计，既依据理论又要依靠经验。水工建筑物的很多尺寸、构造、工序等是根据经
21、验确定的。工建筑物的很多尺寸、构造、工序等是根据经验确定的。Edward L.Wilson(Edward L.Wilson(美美.土木工程教授土木工程教授)在在结构静力与结构静力与动力分析动力分析一书扉页中写道：一书扉页中写道：结构工程是这样的一种艺术：结构工程是这样的一种艺术：使用的材料，这些材料属性只能估算；使用的材料，这些材料属性只能估算；建立真实的结构，这些真实结构只能近似分析；建立真实的结构，这些真实结构只能近似分析；来承受外力，这些力不能准确得知；来承受外力，这些力不能准确得知；以满足我们对公众安全职责的要求。以满足我们对公众安全职责的要求。改编自一位不知名作者改编自一位不知名作者 1.4.2 1.4.2 解决水工问题的方法解决水工问题的方法 常用的解决水工问题的方法：常用的解决水工问题的方法：（1 1）理论分析）理论分析（2 2）数值分析（有限元数值方法等）数值分析（有限元数值方法等）（3 3）实验研究）实验研究（4 4）原型观测与监测）原型观测与监测（5 5）工程经验）工程经验