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《水利工程概论》复习资料第一章绪论一、地球上及我国水资源的总量地球上 138.6×108亿m³；我国 2.77万亿m³二、我国水资源的特点1、水资源总量丰富，人均占有量低2、水资源在空间上分布不平衡3、水资源在时间上分布不平衡4、水资源分布与人口、耕地布局不相适应三、水利工程的分类河道整治与防洪工程；农田水利工程；水力发电工程；供水和排水工程；航运工程四、水力发电工程的两个基本要素落差、流量第二章水库、水利枢纽、水工建筑物一、水库的概念及分类（按库容，径流调节周期）水库是指在山沟或河流的狭口处建造拦河坝形成的人工湖泊。
按库容大小水库分为：大（1）型水库<库容不小于10×108m3>；大（2）型水库<库容为（1.0~10）×108m3>；中型水库<库容为（0.10~1.0）×108m3>；小（1）型水库<库容为（0.01~0.10）×108m3>；小（2）型水库<库容为（0.001~0.01）×108m3>。
按径流调节周期长短分为：无调节、日调节、周调节、年调节和多年调节水库。
二、水库的径流调节水库的径流调节是指利用水库的蓄泄功能有计划地对河川径流在时间上和数量上进行控制和分配。
三、水库的特征水位和特征库容的概念特征水位：水库工程为完成不同任务，在不同时期和各种水文情况下，需控制达到或允许消落的各种库水位。
特征库容：相应于水库的特征水位以下或两特征水位之间的水库容积。
四、水工建筑物的分类1、挡水建筑物2、泄水建筑物3、输水建筑物4、取水建筑物5、整治建筑物6、专门性水工建筑物五、水利枢纽布置水利枢纽布置是水利工程设计研究首要的主要内容。
在选择水利枢纽布置方案时，既要满足枢纽的各项任务和功能要求，又要适应枢纽工程区的自然条件，还要便于施工布置，有利于节省投资和缩短工期，因此应在保证运行方便和安全可靠地前提下，力求做到节省工程量、便于施工、缩短工期。
溢流堰设计说明书Revised at 16:25 am on June 10, 2019第4章 溢流坝段表孔设计溢流坝段既是挡水建筑物,又是重力坝枢纽中最重要的泄水建筑物;设计时,除了应满足稳定和强度要求外,还要满足因泄水带来的一系列要求,包括：1具有足够的孔口体形尺寸和较高的流量系数,,以使之具有足够的溢流能力;2应具有良好的孔口体形,以使水流平顺地过坝,不产生有害的负压、震动和空蚀等; 3保证下游河床不产生危及坝体安全的局部冲刷;4溢流坝段在枢纽中的位置,应使下游水流流态平顺,不产生折冲水流,不影响枢纽中的其他建筑物的正常运行;（1） 又灵活可靠的下泄水流控制设备,如闸门启闭机等确定溢流断面长度4.1.1 设计单宽流量溢流重力坝的单宽流量q 需综合考虑地质条件、枢纽布置、下游河道水深和消能工设计等因素,通过技术经济比较后选定;单宽流量愈大,所需的溢流前缘愈短,对枢纽布置有利,但下泄水流动能大,对下游消能防冲不利,;近年来随着消能工技术的进步,选定的单宽流量也不断增大;本设计中,三峡坝之下游段地质条件优良,故可假定单宽流量q=200m 3/s,据此可假定溢流坝段长度;1设计洪水位工况下：Q = 23540 m 3/s则可假定 m q Q L 7.11720023540===2校核洪水位工况下：Q = 35260 m 3/s 则可假定 m q Q L 3.17620035260===选取二者中的最大值,确定溢流段长度为176.3m本设计选用平面钢闸门形式,因其结构简单,而且闸墩受力条件良好;取孔口净宽为b = 8 米;a 、计算孔口数：（1） 设计洪水位工况下：71.1487.117==n2校核洪水位工况下：94.2183.176==n由此可确定孔口数为22孔;据此计算Q 溢 = 22×8×200 = 35300 m 3/s,满足设计洪水位和校核洪水位工况下所需的下泄流量;b 、闸门布置：溢流坝段表孔采用平面钢闸门,常用的布置有跨缝布置和跨墩布置,其中跨缝布置可以减少闸墩长度,但对地基要求较严格,若产生地基不均匀沉降则对闸门启闭运行极为不利,而跨墩布置可以适当放松对地基的要求,然而却增加了闸门的长度,使整个溢流坝段长度增大,对其经济性产生影响;综合各方面因素,鉴于三峡工程所在地地基条件优良,故选用跨缝布置;经考虑论证后选取闸墩厚度为13m,则每段坝长为13+8=21m;c 、溢流坝段前缘总长：溢流坝顶装设闸门时,用坝墩将溢流坝段分割成若干个等宽的孔口;设孔口宽度为b,则孔口数n = L/b;,令闸墩厚度为d;闸门段长L = 22×8+22－1×13 = 449m因为采用跨缝布置,考虑深孔的交错布置深孔为23孔,由下章可知,故其溢流坝段前缘总长为：L 0 = L + 2d + b = 483 m.;4.1.2 堰顶总水头的确定由调洪演算求出的设计洪水位及相应的溢流坝下泄流量Q 溢,可求的堰顶设计总水头H 0;利用堰流公式计算H 0：3/20s Q nb εσ溢＝ 4·1式中：Q 溢 — 表孔下泄洪水的流量,有设计资料Q 溢＝23540m 3/s ；n — 孔口数,22；b — 表孔净宽,8m ；ε — 闸墩侧收缩系数,与墩头形式有关,初拟时可取, 本计设计取；s σ — 淹没系数,因其为自由出流,故取；m — 流量系数,以三峡工程为高坝,初拟时根据水工建筑物经验可预定P 1/H d ≥ ,可以不计行近流速,取m = ; H 0－堰顶设计总水头;将各参数代入上式,得堰顶设计水头：H 0=16.23m则：堰顶高程＝设计水位－堰顶水头＝175－=158.53 m 本设计取158 m; 检验： 结合本设计结果,0.31≥dH P ;故可以不计行近流速,满足假设条件; 综上所述：本设计溢流表孔坝段分成23个坝段,分缝布置故有22个孔口；选用平面钢闸门,闸门宽8米,堰顶高程为158米;溢流面曲线设计溢流重力坝的溢流面由顶部曲线段,中间直线段和下游反弧段三部分组成;设计要求为：①有较高的流量系数；②水流平顺,不产生有害的负压和空蚀破坏；③体形简单,造价低,施工方便;4.2.1 定型设计水头的确定Hs 定型设计水头即坝剖面设计时采用的堰顶水头,一般取校核水位时堰顶 水头Hzmax 的75%-95%,并满足下列要求：①遇校核水位闸门全开时,堰顶附近出现的负压不得超过3－6m 水柱；②遇常遇洪水位等于或低于20年一遇的洪水闸门全开时,坝顶附近不得出现负压;Hzmax ＝校核洪水位－堰顶高程 ＝ = 22.4m当实际来水的堰顶水头H Z 高出H S 时,堰顶附近将出现负压,H Z 超出H S 愈大,负压值愈大,显然,遇到校核洪水位,即H Z =H Zmax 时,堰顶附近将出现最大负压值;S 减少,减少溢流段下泄量,所以要考虑有一定的负压值,但负压值不宜过大,不能超过规范规定的3~6米水柱,本设计取用H S =,即最大负压值为Hs ＝90%Hzmax=90%×=20.16m4.2.2 堰面曲线的设计重力坝溢流面曲线由顶部曲线段AB 、中间段BC 和下部反弧段CD 三 部分组成;设计要求是：①有较高的流速系数；②水流平顺,不产生有害的 负压和空蚀破坏；③体形简单,造价低,施工方便;如图４—１图４—１A 、顶部曲线段开敞式坝顶溢流的顶部曲线,其合理形式应与薄壁堰的水合下缘曲线相吻合;本设计采用WES 型曲线,此曲线又以堰顶O 为界分为上游段AO 和下游段OB; 图4·２a 、上游段AO 应有利于改善堰面压力和流速分布,提高流量系数,宜用1/4 椭圆曲线,其方程为2222()1()()x bHs y aHs bHs -+= 4·2式中：aHs 、bHs －椭圆的长、短半轴,因上游坝面铅直,可取a=3a 本设计取a=、b=,即：aHs=× = 5.85mbHs=× = 3.43m 方程简化为：()()143.385.52222=+y xx n =KHs n-1 4·3 式中：K 、n －与上游坝面坡率△y/△x 有关的系数,按水工建筑物 表2－10采用;由上游面铅直即△y/△x=3：0,查得K=,n=;按WES 曲线与中间直线段相切,中间直线段坡率取为与挡水坝段相同为1：,令dy/dx=1:得切点B 的坐标为,同样以堰顶为原点,坐标轴y 轴向下为正向对方程列表计算,故OB 段各点坐标见下B 、中间直线段其上部与坝顶曲线相切,下部与反弧段曲线相切,坡率与挡水坝段的下游坝面坡率相同,取为1：;C 、下部反弧段为使下泄水流平顺地与下游水面衔接,常采用反弧曲线; a 、效能方式的选择溢流坝消能防冲设计的任务是在尽可能短的距离内使下泻水流的动能消耗在水流内部的紊动和水流与空气的摩擦中,并与下泻水流平顺地连接起来,不产生危机大坝安全的河床或河岸的局部冲刷;常用的消能方式有：底流消能,挑流消能,面流消能和戽流消能;各种消能方式适用的条件不同;底流消能适用与坝体下游基岩软弱没有排冰或过漂浮物要求的中低水头坝,多用于中小型工程;挑流消能适用于基岩教完整,抗冲能力较强的高中水头溢流坝;面流消能适用于尾水较深而水位流量变幅不大,河床与两岸抗冲能力较强的中低水头坝,而戽流消能适用于尾水较深,无航运或排漂要求,下游河床及两岸抗冲能力较强情况;考虑到三峡坝基基岩完整坚硬,水头较高且有排冰排漂要求,经过比较选用挑流消能; 挑流消能的设计要求是：尽量使水股在空中扩散和掺气的程度大,挑射距离远,水舌入水角β小;b 、 鼻坎型式的选择常用的鼻坎型式有连续式和差动式两种;连续式鼻坎构造简单,坎上水流平顺,不易空蚀,水流挑距远；差动式鼻坎消能效果较连续式好,但挑距较小,坎壁易空蚀,施工复杂,故选用连续式鼻坎;c 、鼻坎高程的确定假设鼻坎高程为H ,由水工设计手册可查得以下一组公式：VbQh = 4·4本设计选用校核洪水位工况作为计算工况式中：q — 校核洪水位时的单宽流量,s m q /34.200822352603=⨯=；代入可得鼻坎处的平均流速为： d 、反弧半径和挑角的确定图4·2211[sin cos cos L v v gθθ=+ 4·5 式中：L —水舌距离,m ；1v —坎顶水面流速,约为鼻坎处平均流速,m ；θ—鼻坎挑角；1h —坎顶平均水深h 在铅直方向的投影,m ；2h —坎顶至下游河床面的高差,m ；g —重力加速度,9.8m/s 2反弧半径R 可按4-10h 选用,h 为校核水位闸门全开时反弧段 最低点处的水深;本设计取用R=6h; 将鼻坎处的平均水深代入得： 选取坝基高程为5m,则：52-=H h 溢流坝段的简化图如图4·3由上图根据几何知识得：根据三角形基本剖面知：7.0tan =α,得992.34=αo 则得：θsin R BD =,θcos R OB =C 点高程为：R R H AB H H C 573.0cos -+=+=θ 鼻坎到上游的距离为： 反弧段半径：则：()θθsin cos 7.022.14.18042.2677.028.1261+--+-=HH L综上所述：用Excel 进行试算,过程见附表4·1;本设计综合考虑,表孔和深孔的泄流不发生冲突,同时也不与深孔的冲坑相复合,以及工程量的实际施工关系图４. ４故而取m H 90=,10=θo ; 从而得：为使水流转向平顺,本设计取30=R ; C 点高程为：e 、计算最大冲坑深度冲坑深度取决于水流的冲刷能力和河流的抗冲能力;开始泄流时,前者大于后者;河床被冲刷形成冲刷坑;随着冲刷加深,水垫高度加大,入射水流得以缓冲,动能和冲刷能力减小,直至二者平衡时,冲坑深度趋于稳定;本设计按溢流坝段右端进行计算;规范SDJ22-78推荐采用以下经验公式估算最大冲坑水垫厚度：25.05.0H q t k α= 4·6式中：t k — 水垫厚度,自水面算至坑底,m ；q — 单宽流量,校核洪水位工况下q ＝()335260200.34/228m s m =⋅⨯,设计洪水位工况下75.13382223540=⨯=qH —上下游水位差,校核洪水工况下：H==97.4m ； 设计洪水工况下：H = 175－62 = 113m ；α — 冲坑系数,对坚硬完整的岩石,α＝～,取α＝; 将各参数代入式中,得：校核洪水工况下：()()m t k 92.484.97341.2001.125.05.0=⨯⨯=下游水深： 79483=-=t h >k t 故河床不形成冲刷坑,满足条件;设计洪水工况下：()()m t k 472.4111375.1331.125.05.0=⨯⨯=下游水深：58462=-=t h >k t故河床不形成冲刷坑,满足条件;导墙设计4.3.1 不掺气水面线的确定a 、 W ES 型溢流坝面的与下游直线段的切点坐标X t ,Y t 可按下是求得dt d t H Y H X 177.2177.1592.0096.1--==αα 4·7式中：m H H d d 16.20=定型设计水头，—有前设计得,切点坐标为, b 、曲线段长度L C根据水工设计手册卷六,对于WES 曲线L C 由X/H d 查算,其中X 从堰顶开始向下游计算;查表得： mL H L C dC80.4916.205.247.2=⨯==则：上游堰面长度为m H L d 35.616.20315.0315.01=⨯==下游堰面长度为m L L L C 45.4335.68.4912=-=-=c 、直线段长度S L从切点到直线上任意一点X i ,Y i 的距离 αsin tsi y Y L -=4·8 式中：α— 直线段坝面与水平方向的夹角,本设计为 d 、从堰面顶曲线起点到X i ,Y i 的坝面距离si st L L L += 4·9到反弧段起点的距离： e 、边界层厚度1.002.0-⎪⎭⎫⎝⎛=K L L δ4·10式中：K — 坝面粗糙系数,对于混凝土坝面,一般取～㎜,本设计取㎜.则反弧段起点的边界层厚度为 f 、计算单宽流量232H g m q = 4·11 式中：H — 堰上水头,本设计取校核洪水时的水头H = 22.4m ； m — 水头H 时的流量系数,本设计考虑到施工放样时误差和堰面平整,按水工建筑规范取m = ；g — 重力加速度;校核洪水位时的单宽流量： g 、试算法推求势流水深h p 选用公式为：222cos pp i gh q h Y H +=+α 4·12用Excel 试算,过程见附表4—1 采用校核水深H=,α=h 、正交与坝面的坝面水深δ18.0+=p h h 4·134.3.2 掺气水面线确定a 、 自然掺气开始发生点的位置L k 选用经验公式：718.02.12q L K = 4·14式中：q — 单宽流量,本设计取校核洪水位工况下s m q /937.2293=校 b 、掺气水深 选用公式：h v h b ⎪⎭⎫ ⎝⎛+=1001ζ 4·15式中：h — 不计入波动及掺气的水深m ；h b — 计入波动及掺气的水深m ；v — 不计入波动及掺气的计算断面上平均流速m/s ；ζ— 修正系数,一般取～,是流速和断面收缩情况而定,本设计取为结合势流水深的试算,本设计h 的计算也进行试算,过程见附表4—14.3.4导墙的确定综上所述,WES 曲线的导墙的顶高程于坝顶同高程为185m;直线段的导墙比其掺气水面高2m,坡率与坝体坡率相同位1：,反弧段导墙为直线段与反弧段的切点水平连接到鼻坎处,其高程为110m;。
名词解释：aj : J号单位荷载对i点的径向线变位。
安全储备：（R-S）>0其中：R-结构抗力；S-作用效应。
不平衡剪力：脱离体两侧的剪力的差值。
侧槽式溢洪道：侧槽式溢洪道是岸边溢洪道的一种型式，溢流堰设在泄槽一侧，沿等高线布置，水流从溢流堰泄入与轴线大致平行的侧槽后，流向作90°转弯，再经泄槽或隧洞流入下游。
弹性抗力：当衬砌承受荷载向围岩方向变形时将受到围岩的抵抗，把这个抵抗力称为弹性抗力。
弹性抗力：当衬砌受到某些主动力的作用而向围岩方向变位时，会受到围岩的限制而产生反作用力。
是一种被动力, 能协助衬砌分担外荷载，是有利的。
低水头水工建筑物：一般指水头不超过3om勺水工建筑物，主要有水闸、低坝、橡胶坝、船闸等，多数建在软基上，也有建在岩基上的。
地下轮廓线：水闸闸基不透水的铺盖，板桩及底板等与地基的接触线，即闸基渗流的第一根流线，称为水闸的地下轮廊线。
反滤层：反滤层一般由1〜3层级配均匀，耐风化的砂、砾、卵石或碎石构成，每层粒径随渗流方向而增大。
反滤的作用是滤土排水，防止土工建筑物在渗流逸出处遭受管涌、流土等渗透变形的破坏以及不同土层界面处的接触冲刷。
防渗长度：把不透水的铺盖、板桩和底板与地基的接触线，是闸基渗流的第一根流线，称为地下轮廓线，其长度称为防渗长度。
拱冠梁：贯穿各层拱圈顶点的悬臂梁。
拱效应：在心墙坝中，非粘性土坝壳沉降速度快，较早达到稳定，而粘土心墙由于固结速度慢，还在继续沉降，坝壳通过与心墙接触面上的摩擦力作用阻止心墙沉降，这就是坝壳对心墙的拱效应。
拱效应使心墙中的铅直应力减小，甚至由压变拉，从而使心墙产生水平裂缝。
固结灌浆：采用浅孔低压灌注水泥浆对坝基加固处理的办法。
管涌：坝体和坝基土体中部分颗粒被渗流水带走的现象，是土坝渗流变形的一种形式。
海漫：是水闸紧接护坦之后，还要继续采取的防冲加固措施，其作用是进一步消减水流的剩余能量，保护护坦和减小对其下游河床的冲刷。
回填灌浆：是为了充填围岩与衬砌之间的空隙，使之紧密结合，共同工作，改善传力条件和减少渗漏。
