1F411000 水利水电工程勘测与设计技术

1F411010 水利水电工程建筑物

1F411011掌握水利水电工程等级划分及水库特征水位

一、洪水标准

按某种频率或重现期表示的洪水称洪水标准，包括洪峰流量和洪水总量。

永久性水工建筑物洪水标准分为设计洪水标准、校核洪水标准。

临时性水工建筑物洪水标准根据结构类型和级别，结合风险分析合理选择。

山区、丘陵区和平原、滨海区洪水标准不同

降标准：当山区、丘陵地区的水利水电工程永久性水工建筑物的挡水高度低于15m，且上下游最大水头差小于10m时，其洪水标准宜按平原、滨海地区标准确定。当平原、滨海地区的水利水电工程其永久性水工建筑物的挡水高度高于15m，且上下游最大水头差大于10m时，其洪水标准宜按山区、丘陵区标准确定。

（二）临时性水工建筑物的洪水标准

二、工程等级的划分

（一）水利水电工程等别划分

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2000）的规定．水引水中工程等别根据工程规模、效益以及工程在国民经济中的重要性划分为五等。

对于综合利用的水利水电工程，当按各综合利用项目的分等指标确定的等别不同时，其工程等别应按其中的最高等别确定。

拦河闸工程的等别根据其过闸流量的大小进行分等。

灌溉、排水泵站的等别划分见表1F411011－7。

（二）水工建筑物的级别

1．永久性水工建筑物级别

水利水电工程的永久性水工建筑物的级别应该根据建筑物所在工程的等别，以及建筑物的重要性确定为五级，见表1F41l0ll－8。

堤防工程水工建筑物的级别，应该按照《堤防工程设计规范》（GB 50286－98）确定。

2．临时性水工建筑物级别

对于水利水电工程施工期使用的临时性挡水和泄水建筑物的级别，应根据保护对象的重要性、失事造成的后果、使用年限和临时建筑物的规模，按表1F41lOl1－9确定。对于同时分属于不同级别的临时性水工建筑物，其级别应按照其中最高级别确定。但对于3级临时性水工建筑物，符合该级别规定的指标不得少于两项。

三、水库特征水位及水库特征库容

（一）水库特征水位

1．校核洪水位。水库遇大坝的校核洪水时在坝前达到的最高水位。

2．设计洪水位。水库遇大坝的设计洪水时在坝前达到的最高水位。

3．防洪高水位。水库遇下游保护对象的设计洪水时在坝前达到的最高水位。

4．防洪水位（汛前水位）。水库在汛期允许兴利的上限水位，也是水库汛期防洪运用时的起调水位。

5．正常蓄水位（正常高水位、设计蓄水位、兴利水位）。水库在正常运用的情况下，为满足设计的兴利要求在供水期开始时应蓄到的最高水位。

6．死水位。水库在正常运用的情况下，允许消落到的最低水位。

（二）水库特征库容

1．静库容。坝前某一特征水位水平面以下的水库容积。

2．总库容。最高水位以下的水库静库容。

3．防洪库容。防洪高水位至防洪水位之间的水库容积。

4．调洪库容。校核洪水位至防洪水位之间的水库容积。

5．兴利库容（有效库容、调节库容）。正常蓄水位至死水位之间的水库容积。

6．共用库容（重复利用库容、结合库容）。正常蓄水位至防洪水位之间汛期用于蓄洪、非汛期用于兴利的水库容积。

7．死库容。死水位以下的水库容积。

水库特征水位和相应库容关系见图1F411011。

1F411012 熟悉水工建筑物的分类

水工建筑物一般按它的作用和使用时期等来进行分类。

（一）水工建筑物按作用分类

水工建筑物按其作用可分为挡水建筑物、泄水建筑物、输水建筑物、取（进）水建筑物、整治建筑物以及专门为灌溉、发电、过坝需要而兴建的建筑物。

1．挡水建筑物。是用来拦截江河，形成水库或壅高水位的建筑物，如各种坝和水闸，或用以抗御洪水，如沿江河海岸修建的堤防、海塘等。

2．泄水建筑物。是用于宣泄多余洪水量、排放泥沙和冰凌，以及为了人防、检修而放空水库、渠道等，以保证大坝和其他建筑物安全的建筑物。如各种溢流坝、坝身泄水孔、岸边溢洪道和泄水隧洞等。

3．输水建筑物。是为了发电、灌溉和供水的需要，从上游向下游输水用的建筑物，如引水隧洞、引水涵管、渠道、渡槽、倒虹吸等。

4．取（进）水建筑物。是输水建筑物的首部建筑物，如引水隧洞的进水口段、灌溉渠首和供水用的进水闸、扬水站等。

5．整治建筑物。是用以改善河流的水流条仵，调整河流水流对河床及河岸的作用以及为防护水库、湖泊中的波浪和水流对岸坡冲刷的建筑物，如丁坝、顺坝、导流堤、护底和护岸等。

6．专门为灌溉、发电、过坝需要而兴建的建筑物。

（1）水电站建筑物：如水电站用的压力管道、压力前池、调压室、电站厂房。

（2）灌溉、排水建筑物：如灌溉渠道上的节制闸、分水闸和渠道上的建筑物（渡槽、倒虹吸、跌水等）。

（3）水运建筑物：保证河流通航及浮运木材而修建的建筑物，如升船机、船闸、筏道、码头等。

（4）给水、下水建筑物：如自来水厂的抽水站、滤水池和水塔，以及排除污水的下水道等。

（5）渔业建筑物：为了使河流中鱼类通过闸坝而修建的鱼道、升鱼机等。

有些水工建筑物在枢纽中所起的作用并不是单一的。例如溢流坝既起挡水作用，又起泄水作用；水闸既可挡水，又能泄水，还可作为灌溉渠首或供水工程的取水建筑物等。在水利枢纽布置时，应尽量使一个建筑物起到多种作用。

（二）水工建筑物按使用时期分类

水工建筑物按使用时期分为永久性建筑物和临时性建筑物。

1．永久性建筑物是指工程运行期间长期使用的水工建筑物。根据其重要性又分为主要建筑物和次要建筑物。

（1）主要建筑物是指失事后造成下游灾害或严重影响工程效益的水工建筑物。例如：坝、泄水建筑物、输水建筑物及电站厂房等。

（2）次要建筑物是指失事后不致造成下游灾害，对工程效益影响不大，易于恢复的水工建筑物。例如：失事后不影响主要建筑物和设备运行的挡土墙、导流墙、工作桥及护岸等。

2．临时性建筑物是指工程施工期间使用的建筑物，如围堰、导流明渠等。

（三）水工建筑物按构造分类

水工建筑物中的坝体按构造分类分为重力坝、拱坝、支墩坝等。

1．重力坝可分为实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝、浆砌石重力坝等。

2．拱坝按坝体的拱弧半径和中心角，通常可分为：等半径式拱坝、定角式拱坝、变半径式拱坝。按厚薄程度不同又可分为：薄拱坝、一般拱坝、重力拱坝。

3．支墩坝按其结构形式可以分为：平板坝、大头坝、连拱坝。

（四）水工建筑物按筑坝材料分类

水工建筑物的坝体按筑坝材料可以分为土石坝、混凝土坝、浆砌石坝、钢筋混凝土坝、木坝等。

1．混凝土坝按受力形式可以分为混凝土重力坝和拱坝，按施工方法又可分为碾压混凝土重力坝和拱坝等。

2．土石坝根据筑坝施工方法可以分为：碾压式土石坝、抛填式堆石坝、定向爆破堆石坝、水力冲填坝和水坠坝等。应用最广的是碾压式土石坝。其按照土料在坝身内的配置和防渗体的材料不同分为：均质坝、黏土心墙和斜墙坝、人工材料心墙和斜墙坝、多种土质坝、土石混合坝等。

（五）渠系建筑物按其作用分类

渠系建筑物按其作用可分为：渠道、调节及配水建筑物、交叉建筑物（如渡槽、倒虹吸管、涵洞等）、落差建筑物（跌水及陡坡）、泄水建筑物、冲沙和沉沙建筑物、量水建筑物等。

1．渡槽：渠道与山谷、河流、道路相交，为连接渠道而设置的过水桥，称为渡槽。

由进口段、槽身、出口段及支承结构等部分组成。渡槽按支承结构的形式可分为梁式渡槽和拱式渡槽两大类。渡槽按施工方法分为装配式渡槽和现浇式渡槽两种类型。

2．倒虹吸管：是当渠道横跨山谷、河流、道路时，为连接渠道而设置的压力管道，其形状如倒置的虹吸管。由进口段、管身和出口段三部分组成。

3．涵洞：由进口段、洞身和出口段三部分组成。涵洞有圆管涵、拱涵或箱涵等几种形式。

4．跌水及陡坡：跌水由跌水口、进口连接段、跌水墙、侧墙、消力池和出口连接段组成。跌水多用浆砌石或混凝土建造。陡坡和跌水的主要区别在于前者是以斜坡代替跌水墙。

1F411020 水力学在水利水电工程中的应用

1F411021 熟悉水力荷载

一、主要水力荷载

永久作用荷载、可变作用荷载和偶然作用荷载。

其中可变作用荷载包括：静水压力、扬压力、动水压力、水锤压力、浪压力、外水压力、风荷载、雪荷载、冰压力、冻胀力、温度荷载、土壤孔隙水压力、灌浆压力等；

偶然作用荷载包括：地震作用、校核洪水位时的静水压力。

静水压力、扬压力、浪压力和冰压力是水工建筑物上所承受的主要水力荷载。

二、静水压力

静水压力分为作用于平面上和曲面上的静水总压力两种情况。

其中作用在矩形平面上的静水总压力的大小，等于分布在平面上各点静水压强的总和。

（1F411021-1）

式中 L—平面的长度（m）；

b平面的宽度（m）；

γ水的重度（kN／m＇）；

h1、h2——倾斜放置的矩形平面的顶面和底面距水面的深度（m）。

静水总压力P的作用点通过矩形平面ABEF的对称轴O－O上，同时，静水总压力P的作用点还通过压强分布图的形心点Q。

三、扬压力

扬压力是指渗流场内作用于计算截面以上的水压强度的集合。以混凝土实体重力坝为例，取某计算截面以上的坝体部分为讨论对象。

（－）坝底扬压力

如图1F411021－2（a）所示，库水经坝基向下游渗透时的扬压力。

浮托力——矩形abcd部分是下游水深H，形成的上举力。

渗透压力——多边形cdef部分是由上下游水位差形成的渗透水流产生的上举力。

扬压力＝浮托力＋渗透压力

取值范围

当设有防渗帷幕，并在防渗帷幕后设排水孔幕时，坝底扬压力分布中，浮托力近似按矩形分布，压力强度为γH2；渗透压力呈折线分布，在坝踵处为全水头γ（H1一H2）＝γH，在排水幕处为αγH，α为扬压力折减系数，在坝趾处为0，中间按直线变化。《水工建筑物荷载设计规范》（DL 5077—1997）建议河床坝段α＝0．25，岸坡坝段α＝0．35。

（二）坝体扬压力

作用于坝体各计算截面上的扬压力，如图1F411021－2（b）所示，因坝身排水管幕有降低渗压的作用，《水工建筑物荷载设计规范》（DL 5077—1997）建议在排水幕处折减系数α＝0．2。

四、浪压力

因波浪对水工建筑物临水面形成的浪压力与波浪的几何要素直接相关。波浪的几何要素包括波高、波长、波速等。

五、动水压力

溢流坝泄水时，在溢流面上作用有动水压力。坝顶曲线段和直线段上的动水压力很小，可忽略不计。在反弧段上，可根据水流的动量方程求解动水压力。

六、冰压力

冰压力包括静冰压力和动冰压力。

（一）静冰压力

在寒冷地区的冬季，水面结冰的厚度自数厘米至lm以上。当温度回升时（仍低于0℃），因冰盖膨胀对建筑物表面产生的冰压力称为静冰压力。静冰压力的大小与冰层厚度，开始升温时的气温及温升率有关。

（二）动冰压力

冰盖解冻后，冰块随水流漂移，撞到建筑物上而产生的撞击力称为动冰压力。

1F411022 熟悉渗流分析

一、土坝渗流 

渗流分析的内容包括确定浸润线的位置；确定渗流的主要参数——渗流流速与坡降；确定渗流量。进行渗流分析的方法较简单的有水力学法和流网法。

（一）水力学法

假定坝体内土质是均质的，各方向的渗透系数相同；渗流是层流，符合达西定律，任一铅直线上的流速和水头是常数。

（二）流网法

流网法是一种图解法，渗流场内由流线和等势线构成的网格称为流网，如图lF41l022所示。

二、闸基渗流

闸基渗流计算的目的，在于求解渗流区内的渗透压力、渗透坡降、渗透流速及渗流量。进行渗流分析的方法较简单的有流网法和阻力系数法。

三、渗透系数

渗透系数是反映土的渗流特性的一个综合指标。渗透系数的大小主要取决于土的颗粒形状、大小、不均匀系数及水温，一般采用经验法、室内测定法、野外测定法确定。渗透系数尼的计算公式如下：

四、渗透变形

渗透变形又称为渗透破坏，是指在渗透水流的作用下，土体遭受变形或破坏的现象。

一般可分为管涌、流土、接触冲刷、接触管涌或接触流土等类型。破坏性的渗透变形能够导致水工建筑物的失事。

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 发表于 2011-2-13 07:53:43 |只看该作者 

渗透变形

（1）管涌— 非黏性土 — 小颗粒穿过大颗粒 

1）临界坡降

2）破坏坡降

管涌：允许坡降 = 临界坡降/K

（2）流土 — 非黏性土 — 颗粒群同时移动

— 黏性土 — 隆起、断裂、浮动

流土：允许坡降 = 破坏坡降/K’

（3）接触冲刷—两种颗粒土 —水流沿着交界面引起冲刷

（4）接触流土和接触管涌 

— 两种介质(至少一中颗粒土) — 接触面

（5）防止渗透变形的工程措施 

产生管涌和流土的条件主要取决于渗透坡降和土的颗粒组成。因此，设计中应当尽量降低渗透坡降，同时增加渗流出口处土体抵抗渗透变形的能力。具体工程措施为：

1．设置水平与垂直防渗体，增加渗径的长度，降低渗透坡降或截阻渗流。

2．设置排水沟或减压井，以降低下游渗流口处的渗透压力，并且有计划地排除渗水。

3．对有可能发生管涌的地段，应铺设反滤层，拦截可能被渗流带走的细小颗粒。

4．对有可能产生流土的地段，则应增加渗流出口处的盖重。盖重与保护层之间也应铺设反滤层。应当指出，渗透变形可以是单一形式出现，也可以是以多种形式出现于不同部位。

（六）反滤层和过渡层

反滤层的作用是滤土排水，防止在水工建筑物渗流出口处发生渗透变形。在土质防渗体与坝身或与坝基透水层相邻处以及渗流出口处，必须设置反滤层。对反滤层的要求是：

1．相邻两层间，颗粒较小的一层的土体颗粒不能穿过较粗的一层土体颗粒的孔隙；

2．各层内的土体颗粒不能发生移动，相对要稳定；

3．被保护土壤的颗粒不能够穿过反滤层；

4．反滤层不能够被淤塞而失效；

5．耐久、稳定，在使用期间不会随着时间的推移和环境的影响而发生性质的变化。

1F411023 了解水流形态及消能方式

一、水流形态

从描述水流的不同角度出发，水流形态主要包括：恒定流与非恒定流、均匀流与非均匀流、渐变流与急变流、层流与紊流。

水流形态

恒定流

流场中任何空间上所有的运动要素不随时间改变

非恒定流

有任何一个运动要素随时间改变

均匀流

水流的流线为相互平行的直线

非均匀流                 不是相互平行的直线

渐变流

水流的流线几乎近于平行

急变流

流线间夹角很大或流线曲率半径很小

层流

水流流速较小各流层液体有条不紊地运动互不混掺

紊流

水流的流速较大，形成涡体，相互混掺

二、能量转换

根据能量守恒原理，恒定水流的能量方程为：

   能量转换

伯努力能量方程

（1F411023）

位能、压能、动能—可以相互转换—两个断面间能量守衡

三、消能方式

修建闸、坝等泄水建筑物后，下泄的水流往往具有很高的流速。动能比较大，为了减小对下游河道的冲刷，采取的消能方式有：底流消能、挑流消能、面流消能、消力戽消能。

（一）底流消能

如图1F411023－1所示，是利用水跃消能，将泄水建筑物泄出的急流转变为缓流，以消除多余动能的消能方式。它主要是靠水跃产生的表面旋滚与底部高流速的主流间的强烈紊动、剪切和掺混作用。该法具有流态稳定、消能效果较好，对地质条件和尾水变幅适应性强以及水流雾化很小等优点，多用于低水头、大流量、地质条件较差的泄水建筑物。但护坦较长，土石方开挖量和混凝土方量较大，工程造价较高。该法对地质条件的要求较低，既适用于坚硬岩基，也适用于较软弱或节理裂隙较为发育的岩基。

（二）挑流消能

如图lF411023－2所示，是利用溢流坝下游设置挑流坎，把高速水流挑射到下游空中，然后扩散的掺气水流跌落到坝下游河道内，在尾水水深中发生漩涡、冲击、掺搅、紊动、扩散、剪切，以消除能量。但跌落的水流仍将冲刷河床，形成冲刷坑，在冲刷坑中水流继续消能。适用于坚硬岩基上的高、中坝。

（三）面流消能

如图1F411023－3所示，当下游水深较大且比较稳定时，利用鼻坎将下泄的高速水流的主流挑至下游水面，在主流与河床之间形成巨大的底部旋滚，旋滚流速较低，避免高速水流对河床的冲刷。余能主要通过水舌扩散、流速分布调整及底部旋滚与主流的相互作用而消除。高流速的主流位于表层。适用于中、低水头工程尾水较深，流量变化范围较小，水位变幅较小，或有排冰、漂木要求的情况。一般不需要作护坦。

（四）消力戽消能

如图1F411023－4所示，是利用泄水建筑物的出流部分造成具有一定反弧半径和较大挑角所形成的戽斗，在下游尾水淹没挑坎的条件下，形不成自由水舌，高速水流在戽斗内产生激烈的表面旋滚，后经鼻坎将高速的主流挑至水面。并通过戽后的涌浪及底部旋滚而获得较大的消能效果。适用于尾水较深，流量变化范围较小，水位变幅较小，或有排冰、漂木要求的情况。一般不需要作护坦。

1F411030 水利水电工程建筑材料

1F411031 掌握建筑材料的类型

建筑材料是指建造各种工程时所应用的材料。

一、建筑材料按其物化性质分类

建筑材料按其物化性质可分为无机非金属材料、金属材料、有机质材料三类。

（一）无机非金属材料

又常称为矿物质材料，包括天然石料、烧土制品、无机胶凝材料。

1．无机胶凝材料：分为气硬性和水硬性的两类。

（1）气硬性胶凝材料：只能在空气中硬化，并保持或继续提高其强度，属于这类材料的有石灰、石膏与水玻璃等。只能用于地面上干燥环境的建筑物。

（2）水硬性胶凝材料：不仅能在空气中而且能更好地在水中硬化，保持并继续提高其强度，属于这类材料的有硅酸盐水泥及其他品种的水泥等。既可用于地上也可用于地下或水中的建筑物。

2．天然石料按形成条件的不同，分为岩浆岩、沉积岩、变质岩三大类。石料按其开采加工程度的不同分为：细石料、粗石料、毛料石（块石）、乱毛石（片石）等。

（二）金属材料

包括黑色金属材料和有色金属材料两大类。

1．黑色金属材料：是指以铁元素为主要成分的金属及其合金材料，是钢和生铁的总称。

2．有色金属材料：是指黑色金属材料以外的金属及其合金材料。在水工建筑中常用的有色金属是铜和铜的合金及铝的合金。紫铜片是水工建筑中常用的止水材料。

（三）有机质材料

包括木材、竹材、沥青材料和合成高分子材料等。

1．沥青材料：是有机胶凝材料，由许多高分子碳氢化合物及其非金属衍生物组成的复杂混合物。它能溶于二氧化碳等有机溶剂中；在常温下呈固体、半固体或液体状态；颜色为褐色或黑褐色。沥青材料具有良好的憎水性、粘结性和塑性，能抵抗酸碱侵蚀，抗冲击性能较好。常分为地沥青和焦油沥青。

（1）地沥青：按产源可分为天然沥青和石油沥青。石油沥青按制造工业不同，可分为直馏沥青、氧化沥青和裂化沥青三种：·

（2）焦油沥青：可分为煤沥青、木沥青、页岩沥青、泥炭沥青等。

2．木材：普通分为软木材和硬木材。

（1）软木材：即针叶树材，材质轻软，易于加工，密度和胀缩变形较小，且有较高的强度。是建筑上常用的主要承重结构的木材，如松、杉、柏等。

（2）硬木材：即阔叶树材，材质坚硬，加工较难，一般较重，且胀缩、翘曲、裂缝等都较针叶树显著，如榆、槐、栎等。

3．合成高分子材料：分为合成树脂、塑料、合成橡胶、合成纤维等。

（1）合成树脂：按其形成时的反应不同，分为聚合树脂和缩聚树脂两种。按在热作用下所表现的性质不同，又分为热塑性树脂和热固性树脂。

（2）塑料：分为热塑性和热固性两种。水工建筑中常用的塑料多是聚乙烯和聚氯乙烯制品。

（3）合成橡胶：多是以两种以上的单体缩聚而成的具有高度弹性的材料。橡胶止水带是钢筋混凝土地下建筑物、水坝、贮水池等永久缝的止水材料。

（4）合成纤维：可制作纤维塑料、纤维混凝土、纤维绳等。下载本文