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1、2020/10/11,.,1,水工建筑学 第一讲Hydraulic Structures,清华大学水利水电工程系 讲 课 教 师 ： 金 峰 办公室电话:010-62794242 Email：,2020/10/11,.,2,教材与教学参考书,水工建筑学 张楚汉，王光纶，金峰主编，清华大学出版社 水工建筑物麦家煊 主编 清华大学出版社 水工建筑物吴媚玲 编 清华大学出版社 水工建筑物祁庆和 主编 水利电力出版社 水工建筑物 张光斗、王光纶著 水利电力出版社 水工建筑物习题集 清华大学水利系 Hydraulic Structures Novak, Moffat & Nalluri, Spon Pr
2、ess,2020/10/11,.,3,本课程的要求,上课：不迟到，关手机，鼓励提问 作业：按时完成，不得抄袭，被发现抄袭作业者作业成绩记0分(零容忍)。 考试：闭卷 成绩：考试60作业20课堂10小论文10,2020/10/11,.,4,课程目的,介绍水工建筑物的知识：重力坝、拱坝、土坝、溢洪道、隧洞、水闸、闸门、边坡 培养工程师的基本修养 思考问题的方式：全面，实际 注重社会、经济的影响 加强对可持续发展的重视 适应不断变化的能力,2020/10/11,.,5,课程特点,专业课：知识点多，重视实际应用能力 工程课：理论联系实际 综合运用知识：基础课、专业基础课、其他专业课,2020/10/1
3、1,.,6,教学大纲,第一章 绪论Introduction:金峰 3学时 第二章 重力坝Gravity Dam:周元德 12学时 第三章 拱坝Arch Dam:金峰 6学时 第四章土石坝Embankment Dam:刘耀儒 9学时 第五章河岸溢洪道Chute Spillway:刘耀儒 3学时 第六章水工隧洞Tunnel :周元德 3学时 第七章土基上的水闸Sluice on Soil:刘耀儒 3学时 第八章边坡Slope:周元德 3学时 专题:金峰 3学时,2020/10/11,.,7,第一章 绪论Chapter 1 Introduction,1 水利工程的历史 2 水资源概况与当前的水利水电
4、建设 3 水工建筑物的分类分级与基本要求 4 水工建筑物的设计,2020/10/11,.,8,1 水利工程的历史,防洪 灌溉 航运 城市供水和排水 水力发电,2020/10/11,.,9,水利工程的历史防洪,约BC3400：古埃及尼罗河左岸大堤 约BC2000：中亚美索不达米亚地区堤防 约BC2000：大禹治水（传说） 战国时期BC475BC221：堤防系统,2020/10/11,.,10,水利工程的历史灌溉,BC4000：古埃及用尼罗河灌溉 BC2900：尼罗河流域开始灌溉系统 BC2500：古印度开始灌溉 BC1000：秘鲁开始有灌溉系统 文字记载： 战国时期：郑国渠、白渠：60万亩 战国
5、时期BC256：历时14年，都江堰工程，100多万亩到现在超过1000万亩 西汉时期：引黄灌区，100多万亩,郑国渠,2020/10/11,.,11,都江堰,鱼嘴,飞沙堰,宝瓶口,鱼嘴,鱼嘴,宝瓶口,2020/10/11,.,12,水利工程的历史航运,BC486 邗沟 BC361 鸿沟 BC216 灵渠 AD67 莱茵河默兹河 隋朝 京杭大运河 现代 基尔运河：英吉利海峡波罗地海 苏伊士运河：地中海红海 巴拿马运河：大西洋太平洋,灵渠,京杭 大运河,2020/10/11,.,13,水利工程的历史城市供水,BC2900 古埃及孟菲斯城 BC2500BC1700 古印度两座城市 BC700 耶路撒
6、冷输水隧洞 BC312AD226 古罗马 我国古代的长安(八水饶长安)，洛阳，北京，开封(清明上河图)、杭州、南京等,2020/10/11,.,14,古罗马的Pont Du Gard,桥与渡槽 渡槽有衬砌(熟石灰与火山渣混合的水泥),2020/10/11,.,15,水利工程的历史水力发电,1878年，法国建成世界第一座水电站 1882年，美国第一座水电站建于美国威斯康辛州阿普尔顿的福克斯河上，由一台水车带动两台直流发电机组成，装机容量25kW。 1885年，欧洲第一座商业性水电站是意大利的特沃意水电站建成，装机容量65KW。 1895年，尼亚加拉瀑布处建造了一座大型水轮机驱动的3750kW水电
7、站。,2020/10/11,.,16,中国第一座水电站石龙坝水电站,1912年，昆明石龙坝：德国西门子发电机，2台共480千瓦，耀龙电灯股份有限公司，25万银元 1923年，2台240千瓦发电机组，于1926年投产发电，不久，又增加一台448千瓦机组。1931年，公司又向德国西门子公司再次购得一台720千瓦机组，替换了那两台240千瓦机组，解放前夕，总装机容量达2920千瓦。 1950年8月扩建四机房，同年向瑞士购买3000千瓦发电机组一台，于1954年12月31日投产发电。1957年又添置一台3000千瓦国产机组，1958年6月30日投产发电。石龙坝电站装机容量曾扩大到7040千瓦。,202
8、0/10/11,.,17,中国古代著名坝工,芍陂：BC598591，草、土坝 都江堰：BC276251，竹笼、干砌卵石 天平坝：BC219，砌石坝 马仁陂：BC34，16m高土坝,2020/10/11,.,18,世界八大水电站,2020/10/11,.,19,2 水资源概况与当前的水利水电建设,全球水量：1.3861019m3 淡水资源约：411万亿m3 可以利用的水资源：50万亿m3 我国约2.8万亿m3 ：水资源短缺 我国北方水少：空间分布不均 我国洪涝干旱灾害严重：时间分布不均 我国水体污染严重：,2020/10/11,.,20,全国水资源分区图,2020/10/11,.,21,多年平均
9、降水量图,2020/10/11,.,22,我国的河流概况长江,年平均径流量： 9800 亿 m3 长江流域已建坝： 4万多座 总库容： 1500亿 m3 已建电站装机容量： 2500万千瓦,2020/10/11,.,23,我国的河流概况黄河,年平均径流量： 580 亿 m3 黄河流域已建坝： 3000多座 总库容： 500亿 m3 已建电站装机容量： 949.6万千瓦,2020/10/11,.,24,洪灾与旱灾严重,2020/10/11,.,25,中国水资源污染状况全国主要城镇污染分布图,2020/10/11,.,26,中国水电基地分布,2020/10/11,.,27,西电东送与高坝建设,20
10、20/10/11,.,28,南水北调,2020/10/11,.,29,东线工程,最大可调水量 145亿m3 供水范围： 天津，安徽，山东， 河北等沿线工业发达，污染严重,2020/10/11,.,30,中线工程,最大可调水量 145亿m3 供水范围： 北京,天津,河北, 河南,山西 交叉水工建筑物多 可调水量减少,2020/10/11,.,31,西线工程,最大可调水量 200亿m3 供水范围: 青海,甘肃, 宁夏,陕西 内蒙古,山西,2020/10/11,.,32,中国的高坝建设的实例,小浪底高心墙土石坝 三峡混凝土重力坝 二滩、溪洛渡、小湾混凝土拱坝 石门子碾压混凝土拱坝 龙滩碾压混凝土重力
11、坝 天生桥、水布垭混凝土面板堆石坝,2020/10/11,.,33,小浪底高心墙土石坝,已建坝高大于100m的心墙堆石坝: 4座 石头河、碧口、鲁布革、小浪底,2020/10/11,.,34,混凝土重力坝：三峡工程,世界上最大的实体重力坝：三峡大坝 高： 181m 长：2335m 砼：2715万m3,2020/10/11,.,35,混凝土拱坝：二滩拱坝,98年底，已建成的30m以上的拱坝521座 100m以上的拱坝10座 其中，二滩拱坝坝高240m,2020/10/11,.,36,混凝土拱坝：溪洛渡(在建),坝高：278m,2020/10/11,.,37,混凝土拱坝：小湾(在建),坝高：292
12、m,2020/10/11,.,38,碾压混凝土坝,部分已建超过100m的碾压混凝土坝： 广西岩滩 湖南江垭 新疆石门子 在建： 云南大朝山、云南棉花滩、四川沙牌,溪柄拱坝,石门子拱坝,2020/10/11,.,39,碾压混凝土坝：龙滩电站,红水河龙滩一期工程 坝高：192m，世界最高,2020/10/11,.,40,混凝土面板堆石坝:天生桥一级,天生桥一级 178m 已建最高面板堆石坝,2020/10/11,.,41,混凝土面板堆石坝:水布垭,在建，坝高232m，世界最高,2020/10/11,.,42,3 水工建筑物的分类分级与基本要求,水工建筑物的特点 水工建筑物的分类 水工建筑物的分级
13、水工建筑物的基本要求,2020/10/11,.,43,水工建筑物的特点,工作条件复杂性：由于水的作用造成：静水压、扬水压、渗水作用、泄水冲刷等。 设计选型独特性：按当地地形、地质条件设计，因此找不到两个完全相同的坝。 施工建造的艰巨性：除自然环境条件外，尚有水的作用，要解决导流问题，施工进度与洪水“赛跑”问题。 失事后果的严重性：失事后，水头急泄、人民财产损坏严重。,2020/10/11,.,44,水工建筑物的分类,功能分类 建筑材料的分类 构造特点的分类,2020/10/11,.,45,水工建筑物的功能分类,挡水建筑物：坝、闸、堤 泄水建筑物：溢洪道、溢洪洞 输水建筑物：引水隧洞、渠道、涵洞
14、 取水建筑物：进水闸、扬水站 整治建筑物：丁坝、顺坝、导流堤 专门建筑物：电站、船闸、升船机,仅供参考，并无标准答案！,2020/10/11,.,46,按建筑材料分类,混凝土结构 钢筋混凝土结构 土石结构 浆砌石结构 木结构 钢结构,2020/10/11,.,47,按构造特点分类,坝： 重力坝 拱坝 支墩坝 大头坝 连拱坝 土石坝,2020/10/11,.,48,水利枢纽,为了综合运用水利资源，达到防洪、灌溉、发电、给水、航运等目的，需要修建几种不同类型的水工建筑物，例如，挡水、泄水、输水或其他专门的水工建筑物，以控制和支配水流，满足国民经济的需要，这些建筑物称为水工建筑物，水工建筑物的综合体
15、叫做水利枢纽,2020/10/11,.,49,水利枢纽工程的分等,水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（山区、丘陵区部分）SDJ12-78,强制标准,2020/10/11,.,50,水利水电工程等级划分及洪水标准SL252-2000,强制标准,2020/10/11,.,51,水工建筑物的分级,建筑物的级别决定于工程的级别 永久建筑物：指枢纽工程运行期间使用的建筑物 主要建筑物：系指失事后将造成下游灾害或严重影响工程效益的建筑物 次要建筑物：指失事后不致造成下游灾害或工程效益影响不大并易于修复的建筑物 临时性建筑物：指枢纽工程施工期间所使用的建筑物,强制标准,2020/10/11,.,52,重要水
16、工建筑物的要求,抗御洪水标准 强度、稳定性要求 建筑材料的耐久性 运行可靠性 意外情况的考虑 分级：安全度定性：现代定量方法,2020/10/11,.,53,水利工程对环境的影响,社会环境 淹没土地：移民 航运、渔业、农业、自来水 自然环境 径流变化、地下水位 泥沙淤积与冲刷 库岸和河岸崩塌、促发地震 气候 水质 生物和生态,2020/10/11,.,54,4 水工建筑物的设计,设计阶段的划分 设计方法,2020/10/11,.,55,水利工程规划设计阶段,流域规划 项目建议书/预可行性研究 可行性研究/初步设计 招标设计 施工详图设计,2020/10/11,.,56,设计方法,传统的安全系数
17、法 基于可靠度的设计方法,设计需要考虑足够的安全储备 传统的设计方法设置安全系数进行设计例如允许应力： 钢 混凝土抗拉,2020/10/11,.,57,可靠度的概念,考虑结构的尺寸、材料特性、荷载特性等都是符合一定概率分布的变量 根据结构的极限状态，计算结构失效概率 确定结构的可靠度，以满足要求的可靠度 全面实施有很多困难：分项系数法,2020/10/11,.,58,极限状态,当整个结构(含基础)或者结构的一部分超过某一特定状态，结构就不能满足设计规定的某种功能要求，则这一特定状态就是该功能要求的极限状态 水工结构设计极限状态 承载能力极限状态 正常使用极限状态,2020/10/11,.,59
18、,承载能力极限状态,结构失去刚体平衡或者成为机动体系 结构的强度破坏或者塑性变形过大，使得结构不适于继续承载 结构丧失弹性稳定 结构的基础或围岩失稳,2020/10/11,.,60,正常使用极限状态,影响结构正常使用或外观的变形 产生对运行人员、设备等有不良影响的振动 影响结构外形、耐久性或抗渗能力等的局部损坏等,2020/10/11,.,61,功能函数,2020/10/11,.,62,极限状态分项系数,结构重要性系数,设计状况系数,荷载分项系数,荷载标准值,结构尺寸标准值,状态结构系数,材料性能分项系数与标准值,2020/10/11,.,63,已有规范,水工混凝土、钢筋混凝土结构 混凝土重力坝,2020/10/11,.,64,作业,网络学堂下载： ,