1f411020  水利水电工程设计

1f411021  水利水电工程设计阶段划分及其任务

1f411022  水利水电工程等级划分及工程特征水位

1f411023  水利水电工程枢纽布置

1f411024  水工建筑物的分类

1f411025  水工建筑物主要设计方法

1f411026  水利水电工程建筑材料的应用

1f411027  水力荷载

1f411028  渗流分析

1f411029  水流形态及消能方式

重点：水利水电工程等级划分及工程特征水位、水利水电工程建筑材料的应用

难点：渗流分析、 水流形态及消能方式

 

1f411021 水利水电工程设计阶段划分及其任务

知识点一、水利工程项目设计阶段的划分和任务

水利工程设计阶段一般可分为项目建议书、可行性研究、初步设计、招标设计及施工图设计阶段。对于重大项目和技术复杂项目，可根据需要增加技术设计阶段。

(一)技术设计

技术设计是针对初步设计中的重大技术问题而进一步开展的设计工作。具体明确初步设计中所采用的工艺、土建结构等方面的主要技术问题，并编制修正概算。

 

(二)招标设计

招标设计的设计深度要求做到可以根据招标设计图较准确地计算出各种建筑材料的规格、品种和数量，混凝土浇筑、土石方填筑和各类开挖、回填的工程量，各类机械、电气和永久设备的安装工程量等，以满足招标及签订合同的需要

 (三)施工图设计

完成对各建筑物进行结构和细部构造设计；确定地基处理方案，进行处理措施设计；确定施工布置及方法，编制施工进度计划和施工预算等；提出施工、制造、安装详图。

 

知识点二、水电工程项目设计阶段的划分

1．预可行性研究阶段。预可行性研究报告经主管部门审批后，即可编报项目建议书。

2．可行性研究阶段。（原有可行性研究与初步设计两阶段合并）

3．招标设计阶段。招标文件分三类：主体工程、永久设备和业主委托的其他工程的招标文件。

4．施工图设计阶段。配合工程进度编制施工详图。

 

1f411022 水利水电工程等级划分及工程特征水位

知识点一、水利水电工程等别划分

水利水电工程的等别划分为ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ、ⅴ五等。

 

1．对于综合利用的水利水电工程，其工程等别应按其中的最高等别确定。

2．平原区拦河水闸工程的等别，应根据其过闸流量的大小进行分等，按表1f411022-2确定。

 

3．灌溉、排水泵站的等别，应根据其装机流量与装机功率，按表1f411022-3确定。工业、城镇供水泵站的等别，应根据其供水对象的重要性，按表1f411022-1确定。

 

4．引水枢纽工程等别应根据引水流量的大小，按表1f411022-4确定。

 

【单选题】过闸流量为 4000m³/s 的拦河水闸规模为（ ）型。

a．大（1）

b．大（2）

c．中

d．小

【答案】b

 

知识点二、水工建筑物级别划分

(一)永久性水工建筑物级别

1．由建筑物所在工程等别和建筑物重要性划分为五级

2．失事后损失巨大或影响十分严重的水利水电工程的主要永久性水工建筑物，经过论证并报主管部门批准，可提高一级；失事后造成损失不大的水利水电工程的主要永久性水工建筑物，经过论证并报主管部门批准，可降低一级。

 

3．水利枢纽工程水库大坝按表1f411022-5规定为2级、3级的永久性水工建筑物，如坝高超过表1f411022～6指标，其级别可提高一级，但洪水标准可不提高。

 

4．水电枢纽工程2级土石坝坝高超过100m、混凝土坝或浆砌石坝坝高超过150m，3级土石坝坝高超过80m、混凝土坝或浆砌石坝坝高超过120m时，大坝的级别相应提高1级，洪水标准宜相应提高，但抗震设计标准不提高。

5．当永久性水工建筑物基础的工程地质条件复杂或采用新型结构时，对2～5级建筑物可提高一级设计，但洪水标准不予提高。

（二）堤防工程级别

堤防工程的级别应根据确定的保护对象的防洪标准，按表1f411022-7确定。

穿堤水工建筑物的级别，按其所在堤防工程的级别和与建筑物规模相应的级别中的最高级别确定。

 

（三）临时性水工建筑物级别

1．水利水电工程施工期使用的临时性挡水和泄水建筑物的级别，应根据保护对象的重要性、失事造成的后果、使用年限和临时建筑物的规模，按表1f411022-8确定。

 

2．当临时性水工建筑物根据表1f411022-8指标同时分属于不同级别时，其级别应按照其中最高级别确定。但对于3级临时性水工建筑物，符合该级别规定的指标不得少于两项。

3．利用临时性水工建筑物挡水发电、通航时，经过技术经济论证，3级以下临时性水工建筑物的级别可提高一级。

 

【例题·单选题】水利水电工程的永久性次要建筑物的级别，划分为(       )级。

a．三                     b．四

c．五                     d．六

【答案】a

【解析】主要建筑物划分为五级，次要建筑物划分为三级。

 

知识点三、水利水电工程洪水标准

（一）一般规定

1．在水利水电工程设计中不同等级的建筑物所采用的按某种频率或重现期表示的洪水称为洪水标准，包括洪峰流量和洪水总量。

2．永久性水工建筑物采用的洪水标准，分为设计洪水标准和校核洪水标准两种情况。

3．水利水电工程永久性水工建筑物的洪水标准，应按山区、丘陵区和平原、滨海区两类分别确定。

4.当山区、丘陵地区的水利水电工程永久性水工建筑物的挡水高度低于15m，且上下游最大水头差小于10m时，其洪水标准宜按平原、滨海区标准确定。当平原、滨海地区的水利水电工程其永久性水工建筑物的挡水高度高于15m，且上下游最大水头差大于10m时，其洪水标准宜按山区、丘陵区标准确定。

5．江河采取梯级开发方式，在确定各梯级水利水电工程永久性水工建筑物的设计洪水与校核洪水标准时，还应结合江河治理和开发利用规划，统筹研究，相互协调。

 

(二)山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物

1．山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物的洪水标准，按表1f411022-9确定。

 

2.对土石坝，如失事下游将造成特别重大灾害时，1级建筑物的校核洪水标准，应取可能最大洪水(pmf)或重现期10000年标准；2～4级建筑物的校核洪水标准可提高一级。

3．对混凝土坝、浆砌石坝,如洪水漫顶将造成极严重的损失时，1级建筑物的校核洪水标准，经过专门论证并报主管部门批准，可取可能最大洪水(pmf)或重现期10000年标准

 

4．山区、丘陵区水利水电工程的永久性泄水建筑物消能防冲设计的洪水标准，可低于泄水建筑物的洪水标准，根据泄水建筑物按表1f411022-10（新增）确定。
    山区、丘陵区水利水电工程消能防冲建筑物洪水标准     表1f411022-10

永久性水工建筑物级别	1	2	3	4	5
洪水重现期（年）	100	50	30	20	10

5．河床式水电站厂房挡水部分的洪水标准，应与工程的主要挡水建筑物的洪水标准相一致。

 

（三）平原、滨海区水利水电工程永久性水工建筑物

1．平原区永久性水工建筑物洪水标准，按表1f411022-11确定。

 

2．潮汐河口和滨海地区永久性水工建筑物的洪水标准，按表1f411022-12确定。

 

（四）临时性水工建筑物

临时性水工建筑物的洪水标准，应根据建筑物的结构类型和级别，在表if411022-13的幅度内，结合风险度综合分析，合理选用。对失事后果严重的，应考虑遇超标准洪水的应急措施。

【单选题】某水利工程浆砌石围堰级别为4级，相应围堰洪水标准应为（　）年一遇。 

a.5～3      b.10～5      c.20～10      d.50～20

【答案】b

【例题·单选题】永久性水工建筑物级别为2级的山区、丘陵区水利水电工程消能防冲建筑物洪水标准为(         )年。

a．100     b．50     c．30     d．20

【答案】b

【解析】1级，100年；2级，50年；3级，30年；4级，20年；5级，10年。

知识点四、水利水电工程抗震设防标准

水工建筑物的工程抗震设防类别，应根据其重要性和工程场地基本烈度按表1f411022-14确定。

 

各类水工建筑物抗震设计的设计烈度应按下列规定确定

1．一般采用基本烈度作为设计烈度。

2．工程抗震设防类别为甲类的水工建筑物，可根据其遭受强震影响的危害性，在基本烈度基础上提高1度作为设计烈度。

3．基本烈度为6度或6度以上地区的坝高超过200m或库容大于100亿m3的大型工程，以及基本烈度为7度及7度以上地区坝高超过150m的大(1)型工程，需要做专门的地震危害性分析。

 

知识点五、水库特征水位及特征库容

(一)水库特征水位

1．校核洪水位。指水库遇大坝的校核洪水时，在坝前达到的最高水位。它是水库在非常运用校核情况下允许临时达到的最高洪水位，是确定大坝顶高程及进行大坝安全校核的主要依据。

2．设计洪水位。指水库遇大坝的设计洪水时，在坝前达到的最高水位。它是水库在正常运用设计情况下允许达到的最高洪水位，也是挡水建筑物稳定计算的主要依据。

 

3．防洪高水位。指水库遇下游保护对象的设计洪水时，在坝前达到的最高水位。

4．防洪限制水位(汛前限制水位)。指水库在汛期允许兴利的上限水位，也是水库汛期防洪运用时的起调水位。

5．正常蓄水位。指水库在正常运用的情况下，为满足设计的兴利要求在供水期开始时应蓄到的最高水位。

6．死水位(设计低水位)。指水库在正常运用的情况下，允许消落到的最低水位。水库正常蓄水位与死水位之间的变幅称为水库消落深度。

 

(二)水库特征库容

1．静库容。坝前某一特征水位水平面以下的水库容积

2．总库容。指最高洪水位以下的水库静库容。

3．防洪库容。指防洪高水位至防洪限制水位之间的水库容积。用以控制洪水，满足水库下游防护对象的防护要求

4．调洪库容。指校核洪水位至防洪限制水位之间的水库容积。用于保证下游防洪安全及对校核洪水调洪削峰，保证大坝安全。

 

5．兴利库容(有效库容、调节库容)。指正常蓄水位至死水位之间的水库容积。用以调节径流，按兴利要求提供水库的供水量或水电站的流量。

6．重叠库容(共用库容、结合库容)。指防洪库容与兴利库容重叠部分的库容，是正常蓄水位至防洪限制水位之间汛期用于蓄洪、非汛期用于兴利的水库容积。

7．死库容(垫底库容)。指死水位以下的水库容积。一般用于容纳水库淤沙、抬高坝前水位和库区水深。在正常运用中不调节径流，也不放空。

 

【单选题】兴利库容是水库死水位与（　）之间的库容。

a.校核洪水位

b.正常蓄水位

c.防洪高水位

d.设计洪水位

【答案】b

 

1f411023  水利水电工程枢纽布置

知识点一、工程坝址（闸址、厂址）选择

（一）坝址选择

1．地形条件

2．地质条件

3．施工条件

4．建筑材料条件

5．其他条件

水库区的淹没大小和移民搬迁安置的难度、水库对重要设施的淹没、环境的影响、工程量、工程总投资。

 

(二)闸址选择

闸址选择应综合考虑地形、地质、水流、潮汐、泥砂、冻土、冰情、施工、管理、周围环境等因素。

1．地形开阔、岸坡稳定、岩土坚实和地下水水位较低

2．节制闸或泄洪闸闸址宜选择在河道顺直、河势相对稳定的河段。

3．进水闸、分水闸或分洪闸闸址宜选择在河岸基本稳定的顺直河段或弯道凹岸顶点稍偏下游处。

4．排水闸(排涝闸)或泄水闸(退水闸)闸址宜选择在地势低洼、出水通畅处。

5．挡潮闸闸址宜选择在岸线和岸坡稳定的潮汐河口附近。

6．若在多支流汇合口下游河道上建闸，选定的闸址与汇合口之间宜有一定的距离；若在平原河网地区交叉河口附近建闸，选定的闸址宜在距离交叉口较远处；若在铁路桥或一、二级公路桥附近建闸，选定的闸址与铁路桥或一、二级公路桥的距离不宜太近。

 

7．选择闸址应考虑材料来源、对外交通、施工导流、场地布置、基坑排水、施工水电供应等条件。

8．选择闸址应考虑水闸建成后工程管理维修和防汛抢险等条件。

9．选择闸址还应考虑：占用农地及拆迁房屋少；尽量利用周围已有公路、航运、动力、通信等公用设施；有利于绿化、净化、美化环境和生态环境保护；有利于开展综合经营。

 

(三)水电站厂房(泵站)厂址选择

厂址应根据地形、地质、环境条件，结合枢纽工程整体布局等因素，经技术经济比较后选定。

1．引水式电站的厂房厂房与调压井之间山体必须稳定，渗水性应小。

2．河床式厂房进水口应注意避免泥砂的淤积和磨蚀、漂浮污物的堵塞和冰凌的壅阻。

3．地下厂房宜布置在地质构造简单、岩体完整坚硬、上覆岩层厚度适宜、地下水微弱以及山坡稳定的地段。

 

知识点二、枢纽布置的原则

1．应满足各个建筑物在布置上的要求，保证其在任何工作条件下都能正常工作。

2．枢纽中各建筑物应尽可能紧凑布置，在满足功能要求前提下，减少工程投资，方便运行管理。

3．尽量使一个建筑物发挥多种用途或临时建筑物和永久建筑物相结合布置，充分发挥综合效益。

4．在满足建筑物强度和稳定的条件下，枢纽布置应考虑降低枢纽总造价和年运行费用。

5．枢纽布置要做到施工方便，工期短，造价低。

6．尽可能使枢纽中的部分建筑物早期投产，提前发挥效益。

7．枢纽的外观应与周围环境相协调，在可能条件下注意美观。

 

1f411024  水工建筑物的分类

知识点一、水工建筑物按功能分类

通用性水工建筑物、专门性水工建筑物。

通用性水工建筑物可分为挡水建筑物、泄水建筑物、输水建筑物、取(进)水建筑物、河道整治建筑物；

专门性水工建筑物可分为水电站建筑物、渠系建筑物、港口水工建筑物、过坝建筑物等。

永久性水工建筑物、临时性水工建筑物。

(一)永久性建筑物

根据其重要性又分为主要建筑物和次要建筑物。

主要建筑物：坝、泄水建筑物、输水建筑物及电站厂房

次要建筑物：例如：失事后不影响主要建筑物和设备运行的挡土墙、导流墙、工作桥及护岸等。

(二)临时性建筑物

工程施工期间使用的建筑物。如围堰、导流隧洞、导流明渠等。

 

1f411025  水工建筑物主要设计方法

知识点一、安全系数法与可靠度法

(一)安全系数法

安全系数是考虑设计中有关因素的微小变动，为保证水工建筑物、结构或构件的安全，引入的大于1.0的系数，它是水工建筑物、结构或构件的抗破坏强度与设计荷载效应组合的比值，是建筑物、结构或构件的安全储备的指标。

用安全系数判断结构的安全性，是定性的标准，没有定量的意义。不同的建筑物之间不能比较，同一结构的不同破坏状况之间也不可比较，这是明显的不足之处。

（二）可靠度法

结构可靠度是结构在规定的时间内、规定的条件下具有预定功能的概率。将影响结构可靠度的因素视作随机变量，即形成以概率理论为基础的概率极限状态设计法。结构的极限状态是指结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。水工混凝土结构的极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两类。

 

知识点二、主要荷载

荷载按作用随时间的变异性，可分为永久作用荷载、可变作用荷载和偶然作用荷载。

1．永久作用荷载：包括结构自重和永久设备自重、土压力、淤沙压力、地应力、围岩压力、预应力。

2．可变作用荷载：包括静水压力、扬压力、动水压力、水锤压力、浪压力、外水压力、风荷载、雪荷载、冰压力、冻胀力、温度荷载、土壤孔隙水压力、灌浆压力等。

3．偶然作用荷载：包括地震作用、校核洪水位时的静水压力、扬压力、浪压力及水重等。

 

【单选题】拱坝在校核洪水位承受的波浪压力属于（ ）作用荷载。

a．永久

b．基本

c．可变

d．偶然

【答案】d

 

知识点三、抗滑稳定分析

目前水工建筑物的稳定分析采用整体宏观的半经验法。

在设计中，通常校核重力坝沿坝基面的抗滑稳定；如果岩基内有软弱夹层，则要核算沿软弱夹层的抗滑稳定；对处于岸坡的坝段，当地形、地质条件不利于坝的稳定时，也要对在三向荷载作用下的稳定问题进行研究。

 

知识点四、应力分析

强度和稳定性是表示建筑物安全的两个重要方面。应力分析是校核强度和稳定的前提。

重力坝应力分析的方法可归纳为理论计算和模型试验两大类。目前常用的模型试验方法有偏光弹性试验、激光全息试验和脆性材料试验。理论计算方法主要有材料力学法、有限单元法。

 

知识点五、渗流分析

导致大坝灾难性破坏的原因及基本模式有五种：①溢洪道的泄洪能力不足；②坝体连同部分地基沿软弱面发生滑移破坏；③坝体因扬压力过大而沿坝基面滑动；④坝体或坝基因管涌或流土而破坏；⑤坝的上、下边坡发生滑移破坏。渗流在后四种模式中起着重要的作用。此外，水库水的过量渗漏、水库岸坡的稳定性、水库诱发地震等，也都与渗流的作用密切相关。

渗流分析主要内容有：确定渗透压力；确定渗透坡降（或流速）；确定渗流量。对土石坝，还应确定浸润线的位置

 

知识点六、沉降计算

土石坝设计时要确定坝体和坝基在自重作用下的沉降量与时间的关系及完工后的总沉降量。据此计算竣工后为抵消沉降而预留的坝顶超填，预测不均匀沉降量，判断坝体产生裂缝的可能性和预防措施。常用分层总和法计算，即把坝体坝基分为若干层，根据坝体和坝基土的压缩曲线计算时刻t各层中心所受竖向总应力、孔隙压力、有效应力及相应沉降量：将各层沉降量叠加，得到时刻t及完工后坝体和坝基的沉降量。

 

知识点七、应力应变计算

高土石坝一般要用有限单元法计算坝体坝基及岸坡接头在填土自重及其他荷载作用下的填土应力应变，以判断是否发生剪切破坏、有无过量的变形、是否存在拉力区和裂缝、防渗土体是否发生水力劈裂，为坝体稳定分析和与土坝连接建筑物设计提供依据。

 

知识点八、抗震设计

水库的修建往往可以诱发地震。水库诱发地震主要是指由于水库蓄水后，库水渗透到岩石中，使岩体孔隙水压力增大，导致断层面的有效应力减小、抗剪强度降低，以致产生滑动。

地震荷载计算方法有动力法和拟静力法两种。

抗震设计时常用到基本烈度和设计烈度。基本烈度是指建筑物所在地区在今后一定时期内可能遭遇的最大地震烈度。作为抗震设计中实际采用的烈度，称为设计烈度。对于重要建筑物的设计烈度可在基本烈度的基础上提高1度。