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水利工程
来源:科技处    时间:2015-06-10


  一、蓄水工程
  1.蓄水工程的主要功能
  天然情况下,江河来水量时空分布不均,它与人们用水在时间和水量分配上往往存在着矛盾,解决这种矛盾的主要措施是兴建蓄水工程,也称水库工程。兴建水库是在江河适当地点修建挡水建筑物,拦截水流,抬高上游水位,形成具有一定库容的水库。水库在其上游来水多时,把多余的水量蓄起来,然后根据各用水部门要求适时适量地供水;在汛期还可以起到削减洪峰,减轻下游洪涝灾害的作用;同时,也可以利用大量的蓄水和抬高水位来满足水力发电、航运以及水产等用水部门的需要。这种把天然来水通过水库调节,按用水要求在时间和水量上重新分配的过程,称为水库的径流调节,以达到防洪、供水、发电、航运、水产等综合利用的目的。


  2.蓄水工程的主要设施及作用
  为满足综合利用要求,蓄水工程一般由挡水、泄水、输水、专门建筑物组成,它们各自具有不同的作用,但在工程运行中又彼此相互配合,形成一个以拦河坝为主体的多种水工建筑物组成的综合体,称为蓄水枢纽工程或水库枢纽工程,也称为水利枢纽工程。挡水、泄水和输水建筑物是组成蓄水枢纽工程必不可少的一般性水工建筑物;专门建筑物则是根据枢纽工程任务要求而设置的,如水电站、船闸、筏道、鱼道等建筑物。


  第一部分水利公共知识第三章水利工程挡水建筑物用以拦截水流、抬高水位、形成水库,承载着巨大的水压力等荷载作用来维持自身及其地基的安全稳定和强度要求,如各种类型拦河坝。拦河坝按其结构特点可分为重力坝、拱坝、支墩坝和土石坝;按泄水条件分为溢流坝和非溢流坝;按筑坝材料分为当地材料坝(如土坝、堆石坝、土石坝、浆砌石坝)和非当地材料坝(如混凝土坝、橡胶坝);按施工方法和结构形式又可分为多种坝型。各种坝型尽管结构形式和材料不同,但在各种可能荷载组合下都应该是安全的,坝体各部位的应力应变均应是材料和结构所允许的。作用在挡水建筑物的各种外力荷载,按其特性及出现概率大小分为基本荷载和特殊荷载两类。出现概率大,经常起作用的称为基本荷载;出现概率小,偶然起作用的称为特殊荷载。有的荷载对于不同类型建筑物的作用是不同的,如温度荷载在拱坝设计中是必须考虑的基本荷载,而在设有横缝的重力坝设计中一般可不必考虑。


  泄水建筑物是用以宣泄水库不能容纳的多余洪水或超过调蓄水位多余的水量,以保证工程安全运行,如各种溢洪道、溢流坝、泄洪隧洞等。溢洪道可以与挡水建筑物相结合,位于河床中,称为河床溢洪道(或坝身溢洪道,即溢流坝),这种溢洪道是混凝土重力坝、拱坝常用的泄水方式,工程布置灵活、紧凑、经济,除设置不同型式的表孔溢洪道外,还可以根据不同泄水功能要求,在坝身不同部位设置中孔、深孔和底孔;由于河势、地形、坝型和枢纽布置的困难,也可以在坝外河岸上设置泄水建筑物,统称为河岸溢洪道,河岸溢洪道从流态的区别可分为正槽溢洪道、侧槽溢洪道、井式溢洪道、虹吸式溢洪道。各种不同型式的溢洪道各有其不同的特点和适用条件,在设计中结合河岸的地形、地质、进出口水流条件、泄量大小和技术经济综合分析比较,选择合适的泄水建筑物。泄水隧洞是指水库枢纽中穿越河岸山体建成的封闭式泄水道,按其进水口高低可分为表孔和深孔隧洞,当水库运行要求在较高水位泄洪,并要求随库水位升高而加大泄量时,常采用表孔隧洞;当要求用泄水洞调节库水位或水库有放空、排沙要求时,则采用深孔隧洞。按其洞内过水流态区别,又可分为有压隧洞和无压隧洞。泄洪隧洞为保障安全运行和检修工作,一般要设置两道闸门,即控制泄流的工作闸门和检修时挡水的检修闸门。有压隧洞的工作闸门常设于出口,以便于观察、操作和检修;无压隧洞的工作闸门则设在进口,当其闭门挡水时,洞内为无水状态,便于检查和维修。检修闸门均设在进口,且位于工作闸门上游。无压隧洞的洞身断面多采用圆拱直墙形,即城门洞形,当岩石条件较差时也可做成马蹄形断面。有压隧洞水压力较大,为改善衬砌受力条件,一般都采用圆形断面。

  二、引(输)水工程
  引(输)水工程指从江河、湖泊等地表水源地引水并输送水到各用水地区,以满足灌溉、工业及生活用水需求的工程体系,主要包括引水枢纽和输水建筑物。


  1.引水枢纽
  引水枢纽或取水枢纽,是从河道取水的水利枢纽,其作用是获取符合水量及水质要求的河水,以满足各用水户的要求。引水枢纽分为无坝引水和有坝引水两大类。当河道枯水期的水位和流量能满足取水要求时,可直接在河岸修建引水枢纽,当不能满足上述要求时,则须修建雍水坝或拦河坝,用来抬高水位以满足取水要求。无坝引水枢纽主要由进水闸、冲沙闸、沉沙池及上下游河岸整治等水工建筑物组成;有坝取水枢纽通常由雍水坝(或拦河闸)、进水闸、冲沙闸等雍水、取水以及各种防沙设施组成。


  2.输水建筑物
  输水建筑物即输送水的建筑物,如输水渠道、输水隧洞、输水管道等。各种不同类型的输水建筑物可根据地形、地质条件、地貌环境和输水规模合理选择。对于长距离输水工程,有可能同时选用多种型式的输水建筑物,形成一个综合型的输水系统,如南水北调中线工程,渠道、隧洞、管道俱全。


  以输水渠道为代表,修建在渠道上的其他水工建筑物称为渠系建筑物。按其作用主要分为三类:
  (1)配水建筑物。用于调节和配置水量的建筑物,如节制闸、分水闸、量水堰、测流槽等。
  (2)交叉建筑物。渠道水流穿过山梁或跨越溪谷、河流、渠道、交通道路时所修建的建筑物,如隧洞、渡槽、倒虹吸、涵洞等。
  (3)连接建筑物。渠道通过落差集中处或坡度较陡地段所修建的建筑物,如跌水、陡坡等。


  渠系建筑物根据需要,结合设置泄水、冲沙、沉沙、等专门建筑物及安全设施。


  渠系建筑物的形式选择,应根据工程的目标任务,全面考虑地形、地质、建筑材料、施工条件、运用管理、安全经济等各种因素,通过综合比较确定。

  三、提水工程
  提水工程即泵站工程,是利用机电提水设备增加水流能量,通过配套设施将水体由低处提升至高处,以满足兴利除害要求的水利工程。它被广泛地应用于防汛排涝、抗旱减灾、农业灌排、市政供排水、工业生产用水及跨流域调水等许多方面。正在进行建设的南水北调东线工程,包括13个梯级泵站,总配套动力达36.6万kW,是目前我国最大的提水工程。


  泵站工程一般由进水建筑物、泵房、出水建筑物、交通及附属建筑物等组成泵站枢纽。其主要设施及作用:
  1.进水建筑物
  进水建筑物包括取水建筑物、引水建筑物、前池、进水池、进水管(流)道等。
  取水建筑物建于水源岸边或水中,结构型式有取水头部、进水闸、进水涵洞等,其作用是取水、防沙、防洪、调节流量、控制水位及检修时截断水流。
  引水建筑物有引水涵管、明渠等,其作用是自水源引水至前池,并创造良好的水流状态。
  前池是引水建筑物与进水池的联结段,其作用是平稳水流,避免强烈的回流和漩涡出现。
  进水池的作用是供水泵的进水管(流道)或水泵直接进水。
  进水管(流)道包括进水管道、进水流道(大型泵站),其作用是从进水池平顺地引水,供给水泵。


  2.泵房建筑物
  泵房建筑物是安装主机组、辅助设备及电气设备的建筑物,它为机组运行和工作人员提供良好的工作环境。主机组包括水泵、传动设备及动力机,是泵站的核心。主机组将外来能量转换为提升水体的能量。


  3.出水建筑物 
  出水建筑物包括出水管(流)道、出水池或压力箱涵,其作用是将水泵抽出的水体压向出水池,消除管口出流余能,使之平顺地流入输水管渠或容泄区,并设有防止停机倒流设备。


  提水泵站的设计参数主要是设计流量和设计扬程,它们是水泵选型和泵站建筑物设计的依据,并直接影响到泵站规模、设备投资及泵站效益。因此,设计流量和设计扬程的选择,也需要根据泵站功能,科学合理地分析计算后确定。


  泵是一种流体机械,抽吸水体的泵称为水泵。水泵的种类很多,性能范围十分广泛,按作用原理可分为叶片式泵、容积式泵以及射流泵、水锤泵等。其中,叶片式泵是应用最广泛的水泵。叶片泵按叶轮对液体的作用原理,又分为离心泵、轴流泵及混流泵三种基本泵型。离心泵属于高扬程叶片泵,其扬程范围从十几米到数千米,流量相对较小。轴流泵属于低扬程叶片泵,其扬程范围从一米到十几米,流量较大。混流泵性能介于离心泵和轴流泵之间。在设计中,泵型选择可根据设计扬程、设计流量、机组大小、台数、工作效率、水力特性、维修管理、工程投资、运行费用等综合分析比较选定。


  合理地设计泵房,对节约工程投资,延长机电设备使用寿命,保证安全和经济运行都具有重要意义。影响泵房结构型式的主要因素有水泵及动力机的类型与构造、水源水位变化、站址地基条件、枢纽布置、施工条件及采用的建筑材料等因素。常用的泵房结构型式有分基型泵房、块基型泵房、干室型泵房、湿室型泵房。

  四、水力发电工程
  水力发电工程是将河流中水体所蕴藏的水能转换为电能而修建的水工建筑物和设置水力机械、电气设备的综合水力发电枢纽,也称水力发电站,简称“水电站”。开发水电的主要措施是集中水头、调节径流、安装水力机械和发电装置,以及相应的配套设施。


  1.水电站的主要设施及作用
  (1)挡水建筑物:用于集中水头,调节径流的建筑物。一般为坝或闸。
  (2)引水建筑物:用以将水源地用于发电的水量引送到水轮机室的建筑物。一般有明渠、隧洞、管道等。
  (3)水电站厂房:用于装置水轮机、发电机及其附属设备和辅助生产设施的建筑物,通常由主厂房和副厂房组成,小型水电站也可不设副厂房。
  (4)水轮发电机组:用于将水能转变为机械能再转化为电能的水力机械发电设备。由水轮机、发电机及其机械、电气控制设备组成的成套水力发电设备。
  (5)变压、配电设施:用于安装变压器的变压器场及安装高压开关的开关站。


  2.水电站的基本布置型式
  (1)坝式水电站:其水头由拦河坝来集中,并直接从坝前取水发电。根据坝和厂房的相对位置,又可分为坝后式水电站和河床式水电站。
  (2)引水式水电站:其水头和水量均由引水道形成和输送。根据引水道是否有压,又可分为无压引水式水电站和有压引水式水电站。
  (3)混合式水电站:由拦河坝和引水道共同集中水头的水电站。

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