水利工程設(shè)計課件

第十章水利工程設(shè)計2022/11/22第十章水利工程設(shè)計第十章水利工程設(shè)計2022/9/24第十章水利工程設(shè)計第十章水利工程設(shè)計10.1設(shè)計階段的劃分10.2設(shè)計所需的基本資料10.3水利工程對環(huán)境的影響10.4水利樞紐設(shè)計的主要內(nèi)容本章的主要內(nèi)容：第十章水利工程設(shè)計第十章水利工程設(shè)計10.1設(shè)計階段的劃分10.2設(shè)計所需10.1設(shè)計階段的劃分一、項目建議書

根據(jù)國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展規(guī)劃與地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃的總要求，在經(jīng)批準(zhǔn)的江河流域（區(qū)域）綜合利用規(guī)劃或?qū)I(yè)規(guī)劃的基礎(chǔ)上提出開發(fā)目標(biāo)和任務(wù)，對項目的建設(shè)條件進(jìn)行調(diào)查和必要的勘測工作，并在對資金籌措進(jìn)行分析后，擇優(yōu)選定建設(shè)項目和項目的建設(shè)規(guī)模、地點和建設(shè)時間，論證工程項目建設(shè)的必要性，初步分析項目建設(shè)的可行性和合理性。

第十章水利工程設(shè)計10.1設(shè)計階段的劃分一、項目建議書根據(jù)國

二、可行性研究報告階段

主要任務(wù)是，論證擬建工程在技術(shù)上的可行性、經(jīng)濟(jì)上的合理性，以及開發(fā)順序上的迫切性。

三、初步設(shè)計階段

按照國際慣例，施工圖應(yīng)由施工單位或業(yè)主委托的咨詢公司負(fù)責(zé)。

四、招標(biāo)設(shè)計階段

五、施工圖階段第十章水利工程設(shè)計二、可行性研究報告階段按照國際慣例，第十章水利工程設(shè)計10.1設(shè)計階段的劃分10.2設(shè)計所需的基本資料10.3水利工程對環(huán)境的影響10.4水利樞紐設(shè)計的主要內(nèi)容本章的主要內(nèi)容：第十章水利工程設(shè)計第十章水利工程設(shè)計10.1設(shè)計階段的劃分10.2設(shè)計所需10.2設(shè)計所需的基本資料1.自然地理

位置、行政區(qū)域、地形、地貌、土壤植被、主要山脈、河川水系、水資源開發(fā)現(xiàn)狀及存在的問題。地形圖：庫區(qū)1:5000～1:25000，樞紐1:2000～1:10000，壩址1:500～1:2000。詳見《水利水電工程測量規(guī)范》SL197–97。

區(qū)域地質(zhì)、庫區(qū)和樞紐區(qū)的地質(zhì)條件，如：地層、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地震烈度、不良地質(zhì)現(xiàn)象，水文地質(zhì)情況，巖土的物理力學(xué)性質(zhì)，天然建筑材料的品種、分布、儲量、開采條件，工程地質(zhì)評價與結(jié)論。2.地質(zhì)第十章水利工程設(shè)計10.2設(shè)計所需的基本資料1.自然地理3.水文

水文站布設(shè)、資料年限、徑流、洪水、泥沙、水情以及人類活動的影響。

降水、蒸發(fā)、氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速、冰霜、冰凍深度，站網(wǎng)布設(shè)和資料年限。4.氣象5.社會經(jīng)濟(jì)

對社會經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀及中長期發(fā)展規(guī)劃全面了解，包括：人口、土地、種植面積、品種；工業(yè)產(chǎn)品、產(chǎn)量；工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值；主要資源情況，文物古跡，動力、交通、投資環(huán)境等。6.規(guī)程規(guī)范第十章水利工程設(shè)計3.水文水文站布設(shè)、資料年限、徑流、第十章水利工程設(shè)計10.1設(shè)計階段的劃分10.2設(shè)計所需的基本資料10.3水利工程對環(huán)境的影響10.4水利樞紐設(shè)計的主要內(nèi)容本章的主要內(nèi)容：第十章水利工程設(shè)計第十章水利工程設(shè)計10.1設(shè)計階段的劃分10.2設(shè)計所需一、庫區(qū)1.淹沒

建壩后，水位在壩前壅高形成回水，在回水范圍內(nèi)，耕地、礦藏、名勝古跡等被淹沒；工廠、鐵路、公路設(shè)施需要拆遷；居民需要遷移，城鎮(zhèn)需要遷建。三峽工程移民百萬，所采用的“以人為本”、“就地開發(fā)性移民”，統(tǒng)籌安排生產(chǎn)和生活，是解決好庫區(qū)移民的重要舉措。2.滑坡、坍岸

岸坡浸水后，巖體的抗剪強度降低，在水庫水位降落時，有可能因喪失穩(wěn)定而坍滑。10.3水利工程對環(huán)境的影響第十章水利工程設(shè)計一、庫區(qū)1.淹沒建壩后，水位在壩前壅高形成回水，在回

3.水庫淤積

水流入庫后流速減小，挾沙能力降低，使泥沙顆粒先粗后細(xì)逐步下沉，造成淤積。淤積不僅使庫容減小，縮短水庫壽命，加大淹沒損失，還將影響電站和航運的正常運行。

4.生態(tài)變化水庫淹沒影響陸生植物生存，破壞其生存環(huán)境。水環(huán)境變化對珍稀生物的種群數(shù)量繁殖場所有致命影響。

第十章水利工程設(shè)計3.水庫淤積水流入庫后流速減小，挾沙能力降低，

5.水溫的變化

庫水溫度變幅隨水深增加而減小，在水面處大致與氣溫接近；水深10m左右，變幅較氣溫減小2～

5℃；水深50～

60m處，變幅只4～

5℃；更深處水溫幾乎不再變化而處于常溫狀態(tài)。庫水年平均溫度也隨水深增加而減小，在水面處比年平均氣溫約高2～

5℃；水深50～

60m處等于年平均氣溫；再深即低于年平均氣溫。第十章水利工程設(shè)計5.水溫的變化庫水溫度變幅隨水深6.水質(zhì)變化

水庫蓄水后，由于庫區(qū)內(nèi)生物機體的分解，增加了庫水的肥力，有利于水中微生物的繁殖，對魚類生長有利。但如清庫不徹底，過多的有機質(zhì)在庫底分解，吸收深層水中的氧，產(chǎn)生硫化氫，也可使水質(zhì)變壞。流入水庫的磷、氮等鹽類，有利于植物和水生物的生長，但含量不能太高，否則，將促使藻類和水草叢生，而藻類和水草的枯死分解，又將消耗水中的氧，形成“富營養(yǎng)化”，造成水質(zhì)惡化。7.氣象變化

水庫形成一定的水域，大的水域能改變附近地區(qū)的小氣候（多霧、降雨形態(tài)變化、氣溫變幅減小等），并使樞紐附近地區(qū)的生態(tài)平衡發(fā)生變化。第十章水利工程設(shè)計6.水質(zhì)變化水庫蓄水后，由于庫區(qū)內(nèi)生物機體78.誘發(fā)地震

20世紀(jì)60年代以來，世界上有不少大水庫在蓄水后發(fā)生了地震，如：我國新豐江水電站于1962年3月19日發(fā)生誘發(fā)地震，震級M=6.1，壩址烈度達(dá)到8度。9.衛(wèi)生條件水庫蓄水后，地下水位升高，為利用地下水創(chuàng)造了有利條件。但也帶來一些不利后果，如：耕地鹽堿化，形成沼澤地帶，孳生蚊蟲和其他有害的微生物。第十章水利工程設(shè)計8.誘發(fā)地震20世紀(jì)60年代以來，世界上二、水庫下游河道1.河道沖刷

河道水流中挾帶的泥沙在庫內(nèi)沉積后，下泄清水的沖刷能力加大，將河床刷深，河水位下降，岸邊地下水位也相應(yīng)降低；同時，還可能引起主河槽的游動，或沖刷下游橋基和護(hù)岸工程。2.河道水量變化枯水期，由于電站和灌溉用水，流量增加，對航運有利。但當(dāng)電站擔(dān)負(fù)峰荷，泄放流量不均時，又將給航運帶來不便。為了不使河道干涸，不過分降低下游的地下水位，保護(hù)水生動物的生長和維持河道的自然風(fēng)光，應(yīng)經(jīng)常泄放一定的水量，以保護(hù)河流的正常功能。第十章水利工程設(shè)計二、水庫下游河道1.河道沖刷河道水流中挾帶的泥沙在3.河道水溫4.河道水質(zhì)

庫水的渾濁度和水溫一樣，隨水深而異。工業(yè)和生活用水要求渾濁度不得過高。水庫中、低層水溫較低，水中溶解氧也低，對作物生長和魚類生存都不利。除溢洪道外，自水庫泄放的水流大多來自水庫深層，水溫較低且變幅小，因而，壩下的河水水溫夏季較建庫前低，冬季較建庫前高。第十章水利工程設(shè)計3.河道水溫4.河道水質(zhì)庫水的渾濁度和水溫一樣，隨水第十章水利工程設(shè)計10.1設(shè)計階段的劃分10.2設(shè)計所需的基本資料10.3水利工程對環(huán)境的影響10.4水利樞紐設(shè)計的主要內(nèi)容本章的主要內(nèi)容：第十章水利工程設(shè)計第十章水利工程設(shè)計10.1設(shè)計階段的劃分10.2設(shè)計所需一、壩址和壩型選擇1.地質(zhì)條件拱壩和重力壩（低的溢流重力壩除外）需要建在巖基上；土石壩對地質(zhì)條件要求較低，巖基、土基均可；水閘多是建在土基上。幾個注意的問題10.4水利樞紐設(shè)計的主要內(nèi)容第十章水利工程設(shè)計一、壩址和壩型選擇1.地質(zhì)條件拱壩和重力壩（低的溢流①對斷層破碎帶、軟弱夾層要查明其產(chǎn)狀、寬度（厚度）、充填物和膠結(jié)情況，對垂直水流方向的陡傾角斷層應(yīng)盡量避開，對具有規(guī)模較大的垂直水流方向的斷層或附近有活斷層存在的河段，均不應(yīng)選作壩址；②在順向河谷（指巖層走向與河流方向一致）中，總有一岸是與巖層傾向一致的順向坡，當(dāng)巖層傾角小于地形坡角，巖層中又有軟弱結(jié)構(gòu)面時，在地形上存在臨空面，這種岸坡極易發(fā)生滑坡，應(yīng)當(dāng)注意；

第十章水利工程設(shè)計①對斷層破碎帶、軟弱夾層第十章水利工程設(shè)計

③對于巖溶地區(qū)，要掌握溶巖發(fā)育規(guī)律，特別要注意潛伏溶洞、暗河、溶溝和溶槽，必須查明巖溶對水庫蓄水和對建筑物的影響；

④對土石壩，應(yīng)盡量避開細(xì)砂、軟粘土、淤泥、分散性土和濕陷性黃土等地基。第十章水利工程設(shè)計③對于巖溶地區(qū)，要掌握第十章水利工程設(shè)計2.地形條件

在高山峽谷地區(qū)布置水利樞紐，應(yīng)盡量減少高邊坡開挖。壩址選在峽谷地段，壩軸線短，壩體工程量小，但不利于泄水建筑物等的布置，因此，需要綜合考慮，權(quán)衡利弊。選用土石壩時，應(yīng)注意庫區(qū)有無埡口可供布置岸邊溢洪道，上、下游有無開闊地區(qū)，可供布置施工場地。對于多泥沙及有漂木要求的河道，還應(yīng)注意河流的水流流態(tài)，在選擇壩址時，應(yīng)當(dāng)考慮如何防止泥沙和漂木進(jìn)入取水建筑物。對于有通航要求的樞紐，還應(yīng)注意通航建筑物與河道的連接。3.施工條件

壩址附近特別是其下游應(yīng)有較開闊的地形，以便布置施工場地；距交通干線較近，便于施工運輸；可與永久電網(wǎng)連接，解決施工用電問題。第十章水利工程設(shè)計2.地形條件在高山峽谷地區(qū)布置水利樞紐，3.施工條4.建筑材料

壩址附近有足夠符合要求的天然建材。料場分布、儲量、埋置深度、開采條件以及施工期淹沒等問題均應(yīng)認(rèn)真考慮。5.綜合效益

綜合考慮防洪、灌溉、發(fā)電、航運、旅游等各部門的經(jīng)濟(jì)效益。6.其他

在選擇壩址和壩型時，還應(yīng)考慮利用主體建筑物開挖料直接上壩的可能性與合理性。例如：國外有的工程，盡管基巖堅硬、完整，適于修建拱壩或重力壩，但經(jīng)論證比較，最終選用了混凝土面板堆石壩，理由是，后者利用主體建筑物開挖料直接上壩，可以縮短工期，降低造價。這種經(jīng)驗值得借鑒。第十章水利工程設(shè)計4.建筑材料壩址附近有足夠符合要求的天然建材。5.二、樞紐布置的一般原則和設(shè)計方案的選定1.樞紐布置的一般原則

⑴壩及其他主要建筑物的型式選擇和樞紐布置要做到：施工方便，工期短，造價低。

在高山峽谷較大拐彎河段，利用河彎凸岸布置泄水建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)，樞紐布置相對簡單，減輕或避免了壩與泄水、發(fā)電建筑物在施工和運行中的相互干擾，可縮短工期，降低造價和提高效益。如：三峽水利樞紐需要在河床中布置溢流壩、水電站廠房和通航建筑物，壩址之所以選在三斗坪，原因之一是河谷較寬，便于施工，且可借助江中中堡島有利于分期導(dǎo)流。第十章水利工程設(shè)計二、樞紐布置的一般原則和設(shè)計方案的選定1.樞紐布置的一般原則

⑵滿足各個建筑物在布置上的要求，保證任何工作條件下都能正常工作。

要避免樞紐中各建筑物在運行期間互相干擾。例如：將船閘與溢流壩、電站盡量分開布置，在溢流壩泄水時，引航道不產(chǎn)生過大的橫向流速，以使船隊（舶）順利駛?cè)腴l室，下游出口，必要時應(yīng)設(shè)導(dǎo)墻，使引航道與溢流壩或水電站廠房隔開。當(dāng)廠房與溢流壩相鄰時，兩者之間應(yīng)設(shè)足夠長的導(dǎo)流墻，以防止泄洪對發(fā)電的不利影響；還應(yīng)注意廠房、變電設(shè)備及開關(guān)站等需離泄洪射流一定距離，以免霧化水流影響安全運行。又如：土石壩樞紐泄水和引水建筑物進(jìn)、出口附近的壩坡和岸坡，應(yīng)有可靠的防護(hù)措施，出口應(yīng)采取妥善的消能措施，并使消能后的水流離開壩腳一定距離，避免水流沖刷和回流淘刷等。第十章水利工程設(shè)計⑵滿足各個建筑物在布置上的要求，要避免樞

⑶滿足建筑物強度和穩(wěn)定，降低樞紐總造價和年運轉(zhuǎn)費用。

例如：為了提高重力壩的穩(wěn)定性，常將壩的上游面做成傾向上游（坡度不宜過緩），利用壩面上的水重來提高壩的抗滑穩(wěn)定性；重力壩壩體內(nèi)各部位應(yīng)力各不相同，為了節(jié)約與合理使用水泥，壩體按不同部位分區(qū)，采用不同標(biāo)號的混凝土。又如：拱壩樞紐的泄水方式與布置宜首先研究采用壩身泄洪的可行性，以及優(yōu)化拱壩體形以降低總造價。拉西瓦拱壩壩高250m，用優(yōu)化方法求得拋物線、橢圓和對數(shù)螺旋線等6種拱形的最優(yōu)布置，并從中選定了對數(shù)螺旋線水平拱圈的布置方案，與傳統(tǒng)設(shè)計相比，節(jié)省混凝土20萬m3，節(jié)省基巖開挖13萬m3。第十章水利工程設(shè)計⑶滿足建筑物強度和穩(wěn)定，例如：為了提高重

⑷樞紐布置緊湊，盡量將同一工種的建筑物布置在一起，以減少聯(lián)結(jié)建筑，也便于管理。

對大流量、高水頭、窄河谷的水利水電樞紐，由于河谷狹窄，在泄水建筑物與電站廠房布置上的矛盾十分突出，采用泄水建筑物與電站廠房重迭布置，如新安江的溢流式廠房，烏江渡、漫灣的挑越式廠房。此種布置非常緊湊，整體安全性好，工程量省，建設(shè)周期短，經(jīng)濟(jì)效益顯著。又如：都江堰根據(jù)“深淘灘、低作堰”治水六字訣采用魚咀分水、寶瓶口正面引水與飛沙堰側(cè)面排沙，樞紐建筑物組成合理，布置緊湊，起到了分水、泄洪、引水和排沙的作用，運行至今已有二千二百多年，收到了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。第十章水利工程設(shè)計⑷樞紐布置緊湊，盡量將對大流量、高水頭、窄

⑸盡量使一個建筑物發(fā)揮多種用途或臨時建筑物和永久建筑物相結(jié)合，充分發(fā)揮綜合效益。

在峽谷河段筑壩，一般采用隧洞導(dǎo)流，將臨時性的導(dǎo)流洞封堵改建為永久泄洪隧洞，是減少泄洪洞工程量、節(jié)約投資的合理措施。在我國將導(dǎo)流洞改建為龍?zhí)ь^式無壓泄洪洞的有：劉家峽、碧口、石頭河和紫坪鋪等工程。將導(dǎo)流洞改建為有壓隧洞的有：響洪甸、南水、馮家山、小浪底等工程。對中、低水頭樞紐有時也可采用泄洪洞與發(fā)電洞和發(fā)電洞與灌溉隧洞合一布置的型式。第十章水利工程設(shè)計⑸盡量使一個建筑物發(fā)揮在峽谷河段筑壩，一

⑹部分建筑物早期投產(chǎn)，提前發(fā)揮效益（如提前蓄水，早期發(fā)電或灌溉）。

例如：碾壓混凝土壩施工工藝簡單，可采用大型機械，大倉面澆筑混凝土，能縮短工期，提前投產(chǎn)，及早發(fā)揮效益，如坑口壩、龍門灘壩、天生橋二級工程的工期均提前一年。施工導(dǎo)流問題和工期也是選擇布置方案的主要因素之一，有時為了縮短工期，提前發(fā)電，將廠房布置在河灘一側(cè)以簡化導(dǎo)流。目前在重力壩底部設(shè)置多孔、大孔徑的導(dǎo)流底孔，取代壩體留導(dǎo)流缺口已成發(fā)展趨勢，邊蓄水、邊施工以爭取提前發(fā)電、防洪、供水、灌溉等綜合利用效益，如1980~2000年間建設(shè)的巖灘、水口、五強溪、三峽等大型水電站，首批機組發(fā)電一般都在工程截流后4~6年。第十章水利工程設(shè)計⑹部分建筑物早期投產(chǎn)，例如：碾壓混凝土壩

⑺外觀與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，注意美觀。

建成一座水庫，便造就一個新的環(huán)境。水庫景觀涉及水利工程、環(huán)境、水土保持、生物、生態(tài)和美學(xué)等諸多方面。保護(hù)庫區(qū)自然植被、生態(tài)體系和樹種，使人獲得回歸自然的感受。水利水電雄偉的建筑物和水庫形成寬闊的平靜水面，是一種難得的景觀資源，可以開展生產(chǎn)、生活、業(yè)余及教育等活動?？傊?jīng)過必要的設(shè)計，營造宜人的生存環(huán)境，使水利樞紐和庫區(qū)環(huán)境成為旅游勝地。第十章水利工程設(shè)計⑺外觀與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，建成一座水庫，2.水利樞紐設(shè)計方案的選定

水利樞紐設(shè)計需要通過論證比較，選出最優(yōu)方案（技術(shù)上先進(jìn)和可能，投資少，工期短，運行可靠，管理方便）。分析比較的內(nèi)容有：

（1）主要工程量

土石方工程、混凝土和鋼筋混凝土工程、金屬結(jié)構(gòu)、機電安裝、帷幕灌漿、砌石工程等。

（2）主要建筑材料用量鋼筋、鋼材、水泥、砂石、木材、炸藥等。第十章水利工程設(shè)計2.水利樞紐設(shè)計方案的選定水利樞紐設(shè)計需要通過論證

（3）施工條件

施工導(dǎo)流、施工場地布置、施工工期、發(fā)電日期、施工難易程度、施工機械化水平等。

（4）運行管理條件

發(fā)電、通航、泄洪等有無干擾，建筑物檢查維修是否方便，閘門及啟閉設(shè)備是否便于控制運用，對外交通是否便利等。（5）環(huán)境生態(tài)條件

（6）經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

總投資、總造價、年運轉(zhuǎn)費用、電站單位千瓦投資、電能成本、灌溉單位面積投資及通航能力等綜合利用效益，并應(yīng)采用包括利息在內(nèi)的“動態(tài)分析”方法進(jìn)行分析。第十章水利工程設(shè)計（3）施工條件施工導(dǎo)流、施工場地布置、施工三、水利樞紐布置實例1．韶山灌區(qū)洋潭引水樞紐

韶山灌區(qū)洋潭引水樞紐位于湘江支流漣水的中游，上距水府廟水庫18km，是一座以灌溉為主，兼有防洪、發(fā)電、航運和供水等效益的綜合利用水利樞紐，見圖11-1。2．三峽水利樞紐

三峽水利樞紐是一座具有防洪、發(fā)電、航運等綜合效益的多目標(biāo)開發(fā)工程，主要由攔河壩、水電站廠房、通航建筑物等三大部分組成。泄洪段位于河床主河槽部位，兩側(cè)為電站壩段和非溢流壩段，另在右岸留有后期擴(kuò)機的地下廠房位置，通航建筑物位于左岸。見圖11–2。第十章水利工程設(shè)計三、水利樞紐布置實例1．韶山灌區(qū)洋潭引水樞紐韶山灌區(qū)3．二灘水電站

二灘水電站位于四川省雅礱江干流下游河段上，下距攀枝花市約46km。二灘水電站以發(fā)電為主，兼有其他綜合利用效益，電站裝機容量330萬kW，是我國20世紀(jì)末建成投產(chǎn)的最大水電站。樞紐由混凝土雙曲拱壩、左岸引水發(fā)電地下廠房系統(tǒng)、泄水建筑物（包括壩身孔口和右岸兩條泄洪洞）