1
水工建筑物 (1)
任课教师:
李庆斌 新水 207 62771015
qingbinli@tsinghua.edu.cn
李鹏辉 新水 106 62785550
lpenghui@tsinghua.edu.cn
张 冲 新水 326 62773242
zhangchong96@mails.tsinghua.edu.cn
—— 混凝土坝
2
教材
吴媚玲 编著,水工建筑物,
清华大学出版社
祁庆和 主编,水工建筑物,
中国水利电力出版社
,水工建筑物,习题集 清华大学水利系以上两本任选一本即可!
3
参考书
1 P,Novak et al,Hydraulic Structures
(3rd Ed.),Spon Press,2001
2 张光斗、王光纶著,,水工建筑物,
(上册),水利电力出版社
4
课程特点
属专业课
基础知识的综合运用
科学根据与工程措施
多学习、勤思考
5
水工建筑物( 1)教学大纲第一章 绪论 ( 2学时)
§ 1.1 水利水电工程建设及其对经济和生态的影响
§ 1.2 水工建筑物的分类分级第二章 重力坝 ( 18学时)
§ 2.1 重力坝的特点
§ 2.2 荷载及其组合
§ 2.3 重力坝的断面
§ 2.4 重力坝的抗滑稳定分析
§ 2.5 重力坝的应力分析
§ 2.6 分缝、分块及温度控制
§ 2.7 重力坝的构造
§ 2.8 基础处理
§ 2.9 其它型式的重力坝
§ 2.10 泄水坝段的水力设计
、布置与构造
§ 2.11 泄水坝段的下游消能
6
水工建筑物( 1)教学大纲第三章 拱坝 ( 12学时 )
§ 3.1 拱坝的特点及其对地形地质的要求
§ 3.2 拱坝的荷载及其组合
§ 3.3 拱坝的布置及体形设计
§ 3.4 拱坝的应力分析
§ 3.5 拱坝的稳定分析
§ 3.6 拱坝的基础处理
§ 3.7 拱坝的构造,分缝及接缝灌
§ 3.8 拱坝的泄洪设计
§ 3.9 连拱坝及支墩坝
7
学时安排(共 32学时)
1.讲课:绪论( 2) +重力坝
( 14) +拱坝( 8)
2.习题课( 2)
3.机动或测验( 2)
4.五一放假( 4)
8
成绩组成( 讨论稿 )
1.平时成绩:含作业和纪律 40%
2.测验,60% 或
3.论文或报告,60%
9
§ 1.1 水利水电工程建设对经济和生态的影响水资源水利建设水利建设对环境的影响第一章 绪论
10
水是一种重要的资源生命和工农业生长必需的物质航运交通和水产事业必要的介质是一种可利用的和可再生的重要能源改善环境和发展旅游事业的必要条件
11
水资源分布情况地球上的总水量很大,但是时空分布极不均匀地球总水量:约为 13.86× 108亿 m3,但是大部分为海水,淡水仅占 2.5%
全球年径流量,4.7× 105亿 m3,人均为
9000m3/年,分布不均
12
最大的世界性问题
── 水匮乏世界银行最新提供的报告警告:
世界上近 40%的人口难保有足够的洁净用水。
水资源已经到了严重不足的阶段。一些环境和资源学家也指出,不远的将来,水缺乏将成为地球环境方面最大的难题。
13
水资源分布情况我国的情况河流流域超过 1000Km2的大河流有 1598条年径流总量约为 2.78× 104
亿 m3,人均为全球的 1/4
14
水资源分布情况我国的情况不同地区,南方一日雨量可远超过西北全年的降水量。
同一地区,一次暴雨可超过多年的年均降水量,从而导致我国各地历史上洪、涝、旱灾频繁发生。
15
我国水能资源丰富如果说我国水的人均拥有量不算多的话,而由于从 青藏高原 到 海平面 之间的巨大落差,我国可用于发电的水能资源却十分丰富。全国水能理论蕴藏量达
6.8× 108 KW,可开发的为 3.78× 108 KW,
年发电量可达 19100× 108 KW·h以上,均居世界之首 。
返回
16
水利建设 —
远古时期远古以来,我国人民为治理水患、
开发水利,进行过长期的英勇斗争,取得了光辉的业绩。
李冰主持修建的岷江 都江堰分洪灌溉工程,一直是成都平原农业稳定高产的保证,堪称中华民族的骄傲之一。
17
都江堰
18
封建统治时期封建统治,人民群众的力量与智慧受到压抑,生产力低下,科学技术落后,水利设施失修,
灾患频繁,水利事业处于停滞状态。
1928年,遍及全国的旱灾,灾民人数为当时全国人口的 1/4
1931,1933,1935,1939年,江、淮、
黄、汉以及海河的洪灾,也使人民生命财产蒙受了巨大损失。
19
共和国成立后中华人民共和国成立后,我国的水利建设才有了较大的发展。
整修和兴建了约 26万 Km的堤防疏浚整治了排水河道,开辟了海河和淮河的排洪通道兴建 86000多座水库,面积 10000亩以上的灌区有
2500多处水电装机从 1949年的 16.3万 KW发展到 6000万 KW
20
共和国成立后 ( 续 )
中华人民共和国成立后,我国的水利建设才有了较大的发展。
灌溉面积从 2.4亿亩上升到 7亿亩以上
3.4亿亩易涝耕地,2/3得到初步的治理,
1.1亿亩盐碱地,1/2得到改良城市、工业供水及农牧区人、畜饮水提供了相当数量的水源为工农业生长和人民生活提供了电能
21
现状与理想的差距我国大江大河的防洪还没有真正的解决我国农业目前仍在很大程度上受制于自然地理和气候条件工业和城市用水增长速度快,一些沿海城市已经出现淡水供应困难,水源紧缺将日益成为限制我国生长和生活提高的 重大障碍瓶颈 。
水能资源的开发比例相当低。
22
坝工建设情况标志性工程,
50年代的 新安江 水电站,混凝土宽缝重力坝,
坝高 102m
60年代的 刘家峡,混凝土重力坝,强震区,坝高 147m
70年代,乌江渡 重力拱坝,石灰岩岩溶区,坝高 165m
80年代,葛洲坝 工程,大江截流流量达 4400~
4800m3/s
23
坝工建设情况 (续)
90年代,三峡工程,世界第一(库容、
发电量、混凝土工程量、船闸等 );
二滩拱坝,第一个国际招标,我国最高拱坝;
小浪底,第一个引进外资,出现洋工仔,
24
坝工建设情况 (续)
我国的大坝统计资料,( 99年统计资料 )
坝高 座数
15~ 30m 17526座
> 30m 4578座
> 100m 32座运行( 99年底)
25
坝工建设情况 (续)
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
45000
1950 1960 1970 1980 1990 2000
Y e a r
D
a
m
s
C h i n a
W or l d
O t h e r c ou n t r i e s
大坝数量统计( ICOLD)
26
我国总库容
20亿立方米以上的水库大坝按库容统计
2 2 3 6
7
13 17
48
0
20
40
60
大于3
5
0
大于3
0
0
大于2
5
0
大于2
0
0
大于1
5
0
大于1
0
0
大于5
0
大于2
0
单位(亿立方米)
单位(个)
系列1
( 具体数据列表 )
返回
27
28back
29
水利建设对环境的影响一条河流、一个河段及其周围地区在天然状态下,一般处于某种相对平衡状态。水利工程的建设会 破坏原来的平衡,
特别是具有高坝大库的水利枢纽的建成运行,对周围的自然和社会环境都将产生重大的影响。 其中包括:
i,物理影响
ii,生态影响
30
物理影响上游:水库水深加大,流速降低,泥沙淤积,库容减少。库岸由于水的渗入,原来稳定的岩石边坡失稳破坏。 (实例 )
下游:水库的,沉沙池,作用,使过坝调节下放的水流成为,清水,,悬移质以及沉沙少,冲刷能力加大,下游河床被刷深,可能影响河势。
小气候的变化:雾天增多,诱发地震返回
31
瓦依昂 (Vajont)拱坝
32
瓦依昂拱坝上游大滑坡意大利的 瓦依昂( Vajont)拱坝,
1963年 10月 9日 上游大滑坡,造成 150m高涌浪翻越坝顶,冲毁下游村镇,死亡 2000人。
坝高 262m,当时世界最高滑坡体长 1.8Km,宽 1.6Km,体积达 2.7亿 m3
水库在 30~ 45 s内几乎被滑冲材料填没整个失事过程历时仅 7 min
33back
34
生态影响回游鱼类产生障碍:中华鲟水温变化不一定适合作物生长疟蚊等的媒介物有可能有利于生存、
传播,增加疾病传染性库水化学成分改变,营养物质浓集,
导致水的异怪或缺氧,对生物的生长带来了不利影响。
35
生态影响 (续)
Dam or Damn? – WCD(World
Commission on Dams)
See Reference,
―Dams and Disease‖ by William
Jobin,E&FN SPON,1998
36
几个水库失事的实例
37
沟后水库沙砾石面板坝失事实录坝体溃口
(下游视图)
38
沟后水库沙砾石面板坝失事实录(续)
坝体溃口(上游视图)
39
板桥水库失事
758大洪水
10多万人死亡
失事原因
启示:与自然和谐共处 —
— 资源水利
40
梅花拱坝失事
41
本节完
42
水利枢纽水工建筑物分类水工建筑物的特点水利枢纽分等与水工建筑物的分级
§ 1.2 水工建筑物的分类分级
43
水利枢纽 (Hydro-junction)
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叫做 水利枢纽 。
三峡、龙羊峡及小浪底水利枢纽图
44
三峡大坝建成后全景
45
46
47
二滩水电站枢纽布置图
48
二滩水电站枢纽
49
小浪底水利枢纽位置图
50返回
51
水工建筑物分类 -按其功用可划分挡水建筑物 (water-retaining structures),拦截或者约束水流,并可以承受一定水头作用的建筑物,如坝 (dams)、闸 (gates)、堤 (dikes)
泄水建筑物 (water-releasing structures):排泄水库、湖泊、河渠等多余水量,以保证让挡水建筑物和其他建筑物安全,或者在必要时降低库水位乃至放空水库而设臵的建筑物,如溢流坝、溢洪道、泄洪洞等。
52
输水建筑物 (water-conveying structures),
为灌溉,发电,城市或者工业给水等需要,将水自水源或某处送至另一处或用户的建筑物 。 如引水隧洞,引水涵管,
渠道,灌槽,倒虹吸管,输水涵洞等 。
水工建筑物分类 -按其功用可划分(续 )
取水建筑物 (intake structures),输水建筑物的首部建筑,如进水闸、扬水站等。
53
整治建筑物 (training or control works),用以整治河道,改善河道的水流条件,如丁坝,
顺坝,导流堤,护岸等 。
专 门 建 筑 物 (special-purpose hydraulic
structures),专门为灌溉,发电,治水,航运等用的建筑物,如电站厂房,船闸,升船机,鱼道,伐道 。
水工建筑物分类 -按其功用可划分(续 )
54
水工建筑物分类 ( 续 )
其他分类方法:
按建筑材料,土石坝、混凝土坝、
浆砌石坝、钢筋混凝土坝,木坝 等按构造特点,重力坝、拱坝、支敦坝等按是否泄水,溢流坝和非溢流坝等返回
55
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 。
返回
56
水利枢纽分等与水工建筑物的分级根据,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
水利枢纽分等,五等水工建筑物分级,五级其中,建筑物的级别 取决于 工程的等别 。
不同级别的水工建筑物的不同要求主要体现在:
抗泄洪的能力 ; 强度和稳定性 ; 建筑材料 ; 运行可靠性 。
59
本节完
60
习 题习题 1,3
水工建筑物 (1)
任课教师:
李庆斌 新水 207 62771015
qingbinli@tsinghua.edu.cn
李鹏辉 新水 106 62785550
lpenghui@tsinghua.edu.cn
张 冲 新水 326 62773242
zhangchong96@mails.tsinghua.edu.cn
—— 混凝土坝
2
教材
吴媚玲 编著,水工建筑物,
清华大学出版社
祁庆和 主编,水工建筑物,
中国水利电力出版社
,水工建筑物,习题集 清华大学水利系以上两本任选一本即可!
3
参考书
1 P,Novak et al,Hydraulic Structures
(3rd Ed.),Spon Press,2001
2 张光斗、王光纶著,,水工建筑物,
(上册),水利电力出版社
4
课程特点
属专业课
基础知识的综合运用
科学根据与工程措施
多学习、勤思考
5
水工建筑物( 1)教学大纲第一章 绪论 ( 2学时)
§ 1.1 水利水电工程建设及其对经济和生态的影响
§ 1.2 水工建筑物的分类分级第二章 重力坝 ( 18学时)
§ 2.1 重力坝的特点
§ 2.2 荷载及其组合
§ 2.3 重力坝的断面
§ 2.4 重力坝的抗滑稳定分析
§ 2.5 重力坝的应力分析
§ 2.6 分缝、分块及温度控制
§ 2.7 重力坝的构造
§ 2.8 基础处理
§ 2.9 其它型式的重力坝
§ 2.10 泄水坝段的水力设计
、布置与构造
§ 2.11 泄水坝段的下游消能
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水工建筑物( 1)教学大纲第三章 拱坝 ( 12学时 )
§ 3.1 拱坝的特点及其对地形地质的要求
§ 3.2 拱坝的荷载及其组合
§ 3.3 拱坝的布置及体形设计
§ 3.4 拱坝的应力分析
§ 3.5 拱坝的稳定分析
§ 3.6 拱坝的基础处理
§ 3.7 拱坝的构造,分缝及接缝灌
§ 3.8 拱坝的泄洪设计
§ 3.9 连拱坝及支墩坝
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学时安排(共 32学时)
1.讲课:绪论( 2) +重力坝
( 14) +拱坝( 8)
2.习题课( 2)
3.机动或测验( 2)
4.五一放假( 4)
8
成绩组成( 讨论稿 )
1.平时成绩:含作业和纪律 40%
2.测验,60% 或
3.论文或报告,60%
9
§ 1.1 水利水电工程建设对经济和生态的影响水资源水利建设水利建设对环境的影响第一章 绪论
10
水是一种重要的资源生命和工农业生长必需的物质航运交通和水产事业必要的介质是一种可利用的和可再生的重要能源改善环境和发展旅游事业的必要条件
11
水资源分布情况地球上的总水量很大,但是时空分布极不均匀地球总水量:约为 13.86× 108亿 m3,但是大部分为海水,淡水仅占 2.5%
全球年径流量,4.7× 105亿 m3,人均为
9000m3/年,分布不均
12
最大的世界性问题
── 水匮乏世界银行最新提供的报告警告:
世界上近 40%的人口难保有足够的洁净用水。
水资源已经到了严重不足的阶段。一些环境和资源学家也指出,不远的将来,水缺乏将成为地球环境方面最大的难题。
13
水资源分布情况我国的情况河流流域超过 1000Km2的大河流有 1598条年径流总量约为 2.78× 104
亿 m3,人均为全球的 1/4
14
水资源分布情况我国的情况不同地区,南方一日雨量可远超过西北全年的降水量。
同一地区,一次暴雨可超过多年的年均降水量,从而导致我国各地历史上洪、涝、旱灾频繁发生。
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我国水能资源丰富如果说我国水的人均拥有量不算多的话,而由于从 青藏高原 到 海平面 之间的巨大落差,我国可用于发电的水能资源却十分丰富。全国水能理论蕴藏量达
6.8× 108 KW,可开发的为 3.78× 108 KW,
年发电量可达 19100× 108 KW·h以上,均居世界之首 。
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水利建设 —
远古时期远古以来,我国人民为治理水患、
开发水利,进行过长期的英勇斗争,取得了光辉的业绩。
李冰主持修建的岷江 都江堰分洪灌溉工程,一直是成都平原农业稳定高产的保证,堪称中华民族的骄傲之一。
17
都江堰
18
封建统治时期封建统治,人民群众的力量与智慧受到压抑,生产力低下,科学技术落后,水利设施失修,
灾患频繁,水利事业处于停滞状态。
1928年,遍及全国的旱灾,灾民人数为当时全国人口的 1/4
1931,1933,1935,1939年,江、淮、
黄、汉以及海河的洪灾,也使人民生命财产蒙受了巨大损失。
19
共和国成立后中华人民共和国成立后,我国的水利建设才有了较大的发展。
整修和兴建了约 26万 Km的堤防疏浚整治了排水河道,开辟了海河和淮河的排洪通道兴建 86000多座水库,面积 10000亩以上的灌区有
2500多处水电装机从 1949年的 16.3万 KW发展到 6000万 KW
20
共和国成立后 ( 续 )
中华人民共和国成立后,我国的水利建设才有了较大的发展。
灌溉面积从 2.4亿亩上升到 7亿亩以上
3.4亿亩易涝耕地,2/3得到初步的治理,
1.1亿亩盐碱地,1/2得到改良城市、工业供水及农牧区人、畜饮水提供了相当数量的水源为工农业生长和人民生活提供了电能
21
现状与理想的差距我国大江大河的防洪还没有真正的解决我国农业目前仍在很大程度上受制于自然地理和气候条件工业和城市用水增长速度快,一些沿海城市已经出现淡水供应困难,水源紧缺将日益成为限制我国生长和生活提高的 重大障碍瓶颈 。
水能资源的开发比例相当低。
22
坝工建设情况标志性工程,
50年代的 新安江 水电站,混凝土宽缝重力坝,
坝高 102m
60年代的 刘家峡,混凝土重力坝,强震区,坝高 147m
70年代,乌江渡 重力拱坝,石灰岩岩溶区,坝高 165m
80年代,葛洲坝 工程,大江截流流量达 4400~
4800m3/s
23
坝工建设情况 (续)
90年代,三峡工程,世界第一(库容、
发电量、混凝土工程量、船闸等 );
二滩拱坝,第一个国际招标,我国最高拱坝;
小浪底,第一个引进外资,出现洋工仔,
24
坝工建设情况 (续)
我国的大坝统计资料,( 99年统计资料 )
坝高 座数
15~ 30m 17526座
> 30m 4578座
> 100m 32座运行( 99年底)
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坝工建设情况 (续)
0
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Y e a r
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C h i n a
W or l d
O t h e r c ou n t r i e s
大坝数量统计( ICOLD)
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我国总库容
20亿立方米以上的水库大坝按库容统计
2 2 3 6
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大于3
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大于3
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单位(亿立方米)
单位(个)
系列1
( 具体数据列表 )
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水利建设对环境的影响一条河流、一个河段及其周围地区在天然状态下,一般处于某种相对平衡状态。水利工程的建设会 破坏原来的平衡,
特别是具有高坝大库的水利枢纽的建成运行,对周围的自然和社会环境都将产生重大的影响。 其中包括:
i,物理影响
ii,生态影响
30
物理影响上游:水库水深加大,流速降低,泥沙淤积,库容减少。库岸由于水的渗入,原来稳定的岩石边坡失稳破坏。 (实例 )
下游:水库的,沉沙池,作用,使过坝调节下放的水流成为,清水,,悬移质以及沉沙少,冲刷能力加大,下游河床被刷深,可能影响河势。
小气候的变化:雾天增多,诱发地震返回
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瓦依昂 (Vajont)拱坝
32
瓦依昂拱坝上游大滑坡意大利的 瓦依昂( Vajont)拱坝,
1963年 10月 9日 上游大滑坡,造成 150m高涌浪翻越坝顶,冲毁下游村镇,死亡 2000人。
坝高 262m,当时世界最高滑坡体长 1.8Km,宽 1.6Km,体积达 2.7亿 m3
水库在 30~ 45 s内几乎被滑冲材料填没整个失事过程历时仅 7 min
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生态影响回游鱼类产生障碍:中华鲟水温变化不一定适合作物生长疟蚊等的媒介物有可能有利于生存、
传播,增加疾病传染性库水化学成分改变,营养物质浓集,
导致水的异怪或缺氧,对生物的生长带来了不利影响。
35
生态影响 (续)
Dam or Damn? – WCD(World
Commission on Dams)
See Reference,
―Dams and Disease‖ by William
Jobin,E&FN SPON,1998
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几个水库失事的实例
37
沟后水库沙砾石面板坝失事实录坝体溃口
(下游视图)
38
沟后水库沙砾石面板坝失事实录(续)
坝体溃口(上游视图)
39
板桥水库失事
758大洪水
10多万人死亡
失事原因
启示:与自然和谐共处 —
— 资源水利
40
梅花拱坝失事
41
本节完
42
水利枢纽水工建筑物分类水工建筑物的特点水利枢纽分等与水工建筑物的分级
§ 1.2 水工建筑物的分类分级
43
水利枢纽 (Hydro-junction)
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叫做 水利枢纽 。
三峡、龙羊峡及小浪底水利枢纽图
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三峡大坝建成后全景
45
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二滩水电站枢纽布置图
48
二滩水电站枢纽
49
小浪底水利枢纽位置图
50返回
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水工建筑物分类 -按其功用可划分挡水建筑物 (water-retaining structures),拦截或者约束水流,并可以承受一定水头作用的建筑物,如坝 (dams)、闸 (gates)、堤 (dikes)
泄水建筑物 (water-releasing structures):排泄水库、湖泊、河渠等多余水量,以保证让挡水建筑物和其他建筑物安全,或者在必要时降低库水位乃至放空水库而设臵的建筑物,如溢流坝、溢洪道、泄洪洞等。
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输水建筑物 (water-conveying structures),
为灌溉,发电,城市或者工业给水等需要,将水自水源或某处送至另一处或用户的建筑物 。 如引水隧洞,引水涵管,
渠道,灌槽,倒虹吸管,输水涵洞等 。
水工建筑物分类 -按其功用可划分(续 )
取水建筑物 (intake structures),输水建筑物的首部建筑,如进水闸、扬水站等。
53
整治建筑物 (training or control works),用以整治河道,改善河道的水流条件,如丁坝,
顺坝,导流堤,护岸等 。
专 门 建 筑 物 (special-purpose hydraulic
structures),专门为灌溉,发电,治水,航运等用的建筑物,如电站厂房,船闸,升船机,鱼道,伐道 。
水工建筑物分类 -按其功用可划分(续 )
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水工建筑物分类 ( 续 )
其他分类方法:
按建筑材料,土石坝、混凝土坝、
浆砌石坝、钢筋混凝土坝,木坝 等按构造特点,重力坝、拱坝、支敦坝等按是否泄水,溢流坝和非溢流坝等返回
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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 。
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水利枢纽分等与水工建筑物的分级根据,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
水利枢纽分等,五等水工建筑物分级,五级其中,建筑物的级别 取决于 工程的等别 。
不同级别的水工建筑物的不同要求主要体现在:
抗泄洪的能力 ; 强度和稳定性 ; 建筑材料 ; 运行可靠性 。
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本节完
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习 题习题 1,3