水利工程概论论文

2 摘 要 水是生命之源。水是世界上所有生物的生命的源泉。考古研究表明，人类自古就是逐水而徙，择水而居，因水而兴。人类法杖史与水是密不可分的。水是农业之本。水是世间各种植物生长不可或缺的物质。在农业生产中，水更是至关重要的，正如俗话所说：“有收无收在于水，多收少收在于肥。”水是工业的血液。从电力、煤炭、石油、钢铁生产，到造纸、纺织、酿造、食品等行业，各种工业产品均需要大量的水。在某些工业生产中，水是不可替代的物质。据2000年统计，世界各国工业需水量约占总需水量的0.25。水是自然生态的美容师。地球上由于水的存在、运动和变化而形成了许多赏心悦目的自然景观。如变化莫测的彩虹、雾凇、海市蜃楼；因雨水冲淤而成的奇沟险壑、九曲黄河；水在地下的运动作用塑造了千姿百态的喀斯特地貌，从而有了云南石林、桂林山水等美景。另外，水的流动与自然地貌相结合形成了潺潺细流的小溪、波涛汹涌的江河、美丽无比的湖泊、奔流直下的瀑布等，这些自然景观，丰富了人类的精神文明生活。

关键词：水资源 大坝 水电站 水泵站 水土保持 水闸 工程施工 3

引言： 春秋时期齐国大政治家管仲(?—前645)对于治国必先治理自然灾害有一段精辟的论述。他说：“善为国者，必先除其五害。”何谓五害?“水一害也，旱一害也，风雾雹霜一害也，厉(疾病)一害也，虫一害也。……五害之属，水最为大”。可见水旱灾害自古以来就是对人们生产和生活威胁最大的灾种。怎样减轻水旱灾害呢?古代有许多应对办法，例如储备。由于灾害的发生难以逆料，“天有四殃，水旱饥荒。其至无时，非务积聚，何以备之?”一般备荒要有三年的储备粮，所以说：“国无三年之食者，国非其国也。……此之谓国备。”又例如，使农作物品种多样化。汉代人认为，“种谷必杂五种，以备灾害”。这是由于不同品种作物生长季节不同，耐水旱能力也不同，而水旱多为季节性灾害。杂种五谷可以做到这种作物不收，收其他作物；这季不收，收下季，以减轻灾害对社会的损害。当然，抗御水旱灾害的积极办法首先是兴修水利。所以管子说：“除五害之说，以水为始。请为置水官，令习水者为吏”也就是说，要在中央政府内设置专管水利的官员，令熟悉治水业务的人来担当，并且要配备一些技术人员(“都匠水工”)具体组织和指导施工等等。可见，在古代，由于农业是最主要的经济部门，在中国的气候条件下，发展水利成为社会稳定和经济发展的必要条件。水利建设对社会的政治和经济的相互作用是显著的。一方面，水利作为生产力的一个组成部分直接作用于社会，促进社会的变革；另一方面，社会制度的变革又反过来影响水利事业的发展。在中国，有文字记载以来的第一件重大历史事件是大禹 4

治水。那时社会已进入原始公社末期’主要经济形式由狩猎、畜牧向农耕过渡，农业已进入锄耕阶段，因此，人们的生产和生活必然由丘陵向平原转移。而在黄河等大江大河下游平原生产和生活首先遇到的是洪水的威胁’在一次范围广大的洪水之后，发生了可歌可泣的史诗一一大禹治水。大禹治水是社会发展的需要。同时，由于治水是各部族大规模的集体行动，禹由于指挥成功，使他具有极高的威望和权力，在当时生产力发展和阶级分化的基础上，禅让制遂转变为世袭制，禹的儿子启建立了我国第一个奴隶制王朝。治水活动在这次社会变革中，起着某种催化剂的作用。 5

1水资源情况 一般来讲，当前可供利用或可能被利用，且有一定数量和可用质量，并在一地区能够长期满足某种用途的并可循环再生的水源称为水资源。水资源的特征主要有以下这些：（1）再生性：在太阳能的作用下，水在自然界形成周而复始的循环。即太阳辐射到海洋、湖泊水面，将部分水汽蒸发到空中。水汽随风漂流上升，遇冷空气后，则以雨、雪、霜等形式降落到地表。降水形成径流，在重力作用下又流回到海洋、湖泊，年复一年的循环。因此，一般认为水循环是每年一次。（2）时间和空间的分布的不均匀性：在地球表面，受经度、气候、地表高程等因素的影响，降水在空间分布上极为不均，如热带雨林和干旱沙漠、赤道两侧与南北两极、海洋和内地差距很大。在年内和年际之间，水资源分布也存在很大的差异。度冬季和夏季，降雨量变化很大。另外，往往丰水年形成洪水泛滥而枯水年则干旱成灾。（3）水资源的稀缺性：地球上淡水资源是有限的，但世界人口急剧增加，工农业进一步发展，城市不断的膨胀，对淡水资源的需求量也在快速增加。再加之水体污染和水资源的浪费现象，使某些地区的水资源日趋紧张。（4）水的利、害双面性：自古以来，水用于灌溉、航运、动力、发电等，为人类造福，为生活、生产做出了很大的贡献。但是，暴雨及洪水也可能冲毁农田、淹没家园、夺人生命，如果对水的利用、管理不当，还会造成土地的盐碱化、污染水体、破坏自然环境等，也会给人类造成灾难。正所谓水能载舟，亦能覆舟。 我国江河众多，流域面积在100km2以上的河流有5万多条，1000km2以上的约有1500多条。但受气候和地形的影响，河流分布很不均匀，绝大部分河流分布在我国东部湿润、多雨的季风区，西北内陆气候干燥、少雨，河流很少。

我国有1km2以上的湖泊2300多个，总面积7187km2，约占国土面积的0.8%；湖水总储量约为7088亿m3，其中淡水量占32%。我国还有丰富的冰川资源，共有冰川43000余条，集中分布在西部地区。总面积58700km2，占亚洲冰川总量的一半以上，总贮量约52000亿m3。我国平均年降水量为61889亿m3，平均降水深648.4mm，年均河川径流量27115亿m3，合径流深284.1mm。河川径流主要靠降水补给，由冰川补给的只有500亿m3左右。我国年平均地下水资源为8287.6亿m3。

根据分析计算，我国地表水和地下水的量分别为27115和8288亿m3，扣除二者间的重复量7279亿m3后，则我国多年平均水资源总量28124亿m3。

2水工建筑物——大坝 2.1、大坝概念 挡水建筑物的代表形式就叫坝。可分为土坝、重力坝、混凝土面板堆石坝、拱坝。 堤坝式水电站中的主要壅水建筑物，又称拦河坝。其作用是抬高河流水位，形成上游调节水库。坝的高度取决于枢纽地形、地质条件，淹没范围，人口迁移，上、下游梯级水电站的关系以及动能指标等。截至1989年，中国大陆水电站最高的大坝的 6

高度为178米,世界上最高的大坝的高度为 325米（土石坝）。大坝的安全极其重要，所以应加强对大坝安全的监测。建坝过程中及建坝后，对周围环境的影响也应充分考虑。大坝可分为混凝土坝和土石坝两大类。大坝的类型根据坝址的自然条件、建筑材料、施工场地、导流、工期、造价等综合比较选定。 2.2、大坝的分类 混泥土坝分为重力坝、拱坝和支墩坝3种类型。 ①重力坝：依靠坝体自重与基础间产生的摩擦力来承受水的推力维持稳定。 重力坝的优点是结构简单，施工较容易，耐久性好，适宜于在岩基上进行高坝建筑，便于设置泄水建筑物。但重力坝体积大，水泥用量多，材料强度未能利用。 ②拱坝：为一空间壳体结构，平面上呈拱形，凸向上游，利用拱的作用将所承受的水平载荷变为轴向压力传至两岸基岩，两岸拱座支撑坝体，保持坝体稳定。拱坝具有较高的超载能力。拱坝对地基和两岸岩石要求较高，施工上亦较重力坝难度大。在两岸岩基坚硬完整的狭窄河谷坝址,特别适于建造拱坝。一般把坝底厚度T与最大坝高H的比值(T/H)小于0.1 的称为薄拱坝;在0.1～0.3间的称为拱坝；在 0.4～0.6间的称为重力拱坝。若T/H 值更大时， 拱的作用已很小，即近于重力坝。 ③支墩坝：由倾斜的盖面和支墩组成。支墩支撑着盖面，水压力由盖面传给支墩，再由支墩传给地基。支墩坝是最经济可靠的坝型之一，与重力坝相比具有体积小、造价低、适应地基的能力较强等优点。按盖面形式，支墩坝主要可分为3种:盖面为平板状的称为平板坝；盖面为拱形的称为连拱坝；盖面由支墩上游端加厚形成的称为大头坝。支墩坝一般为混凝土或钢筋混凝土结构。和重力坝比较，支墩坝具有如下特点：上游盖面常做成倾斜状，盖面上水重可帮助稳定坝体；支墩坝构件单薄，内部应力均匀，能充分发挥材料的强度；支墩的侧向刚度较小，设计时应对侧向地震时支墩的工作条件进行验算；支墩坝对地基条件的要求较重力坝高。 土石坝包括土坝、堆石坝、土石混合坝等，又统称为当地材料坝。它具有就地取材、节约水泥、对坝址地基条件要求较低等优点。一般当地材料坝由坝体、防渗体、排水体、护坡等4部分组成。 ①坝体：坝的主要组成部分。坝体在水压力与自重下主要靠坝体自重维持稳定。 ②防渗体：主要作用是减少自上游向下游的渗透水量，一般有心墙、斜墙、铺盖。 ③排水体：主要作用是引走由上游渗向下游的渗透水，增强下游护坡的稳定性。 ④护坡：防止波浪、冰层、温度变化和雨水径流等对坝体的破坏。

3水电站与水泵站 3.1、水电站 3.1.1水电站的类型 根据集中水头方式的不同，水电站分为：坝式水电站，引水式水电站和混合式水电站 水力发电原理：水能→水轮机→机械能→发电机→电能→输变线路→用户 7

水轮机概念：水流能量转换成旋转机械能的动力机械。 3.1.2水轮机的基本工作参数 工作水头Ｈ 1）定义 ：水轮机进口断面和出口断面之间单位重量水流能量的差值。 设计水头Ｈr、最大水头Ｈmax、最小水头Ｈmin 2）公式：水能由位置水头、压力水头、速度水头组成。

图1-1 立式水轮机的水头示意图



gVPZgVPZEEHⅡⅡⅡⅡⅠⅠⅠⅠⅡⅠ22

22

 （1－1）

式中 E——单位重量水体的能量，m； Z——相对某一基准的位置高度，m；

P——相对压力，N/m2或Pa；

V——断面平均流速，m/s；

——断面动能不均匀系数；

——水的重度，其值为9810N/m3；

g——重力加速度，m/s2。

式（1-1）中，计算常取gVⅡⅠ2,12称为某截面的水流单位动能，即比动能（m）；P称为某截面的水流单位压力势能，即比压能（m）；Z称为某截面的水流单位位置势能，即比位能（m）。gV22、P与Z的三项之和为某水流截面水的总比能。 水轮机水头H又称净水头，是水轮机做功的有效水头。上游水库的水流经过进水口拦污栅、闸门和压力水管进入水轮机，水流通过水轮机做功后，由尾水管排至下游。上、下游水位差值称为水电站的毛水头gH，其单位为m。 水轮机的工作水头又可表示为 1AghHH （1-2）

式中 gH——水电站毛水头，m； h——水电站引水建筑物中的水力损失，m。 从式（1-2）可知，水轮机的水头随着水电站的上下水位的变化而改变，常用取几个特征水头表示水轮机水头的范围。特征水头包括最大水头Ｈmax、最小水头Ｈmin、加权平均水