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1f411020  水利水電工程設計

1f411021  水利水電工程設計階段劃分及其任務

1f411022  水利水電工程等級劃分及工程特征水位

1f411023  水利水電工程樞紐布置

1f411024  水工建筑物的分類

1f411025  水工建筑物主要設計方法

1f411026  水利水電工程建筑材料的應用

1f411027  水力荷載

1f411028  滲流分析

1f411029  水流形態及消能方式

重點：水利水電工程等級劃分及工程特征水位、水利水電工程建筑材料的應用

難點：滲流分析、 水流形態及消能方式

 

1f411021 水利水電工程設計階段劃分及其任務

知識點一、水利工程項目設計階段的劃分和任務

水利工程設計階段一般可分為項目建議書、可行性研究、初步設計、招標設計及施工圖設計階段。對于重大項目和技術復雜項目，可根據需要增加技術設計階段。

(一)技術設計

技術設計是針對初步設計中的重大技術問題而進一步開展的設計工作。具體明確初步設計中所采用的工藝、土建結構等方面的主要技術問題，并編制修正概算。

 

(二)招標設計

招標設計的設計深度要求做到可以根據招標設計圖較準確地計算出各種建筑材料的規格、品種和數量，混凝土澆筑、土石方填筑和各類開挖、回填的工程量，各類機械、電氣和永久設備的安裝工程量等，以滿足招標及簽訂合同的需要

 (三)施工圖設計

完成對各建筑物進行結構和細部構造設計；確定地基處理方案，進行處理措施設計；確定施工布置及方法，編制施工進度計劃和施工預算等；提出施工、制造、安裝詳圖。

 

知識點二、水電工程項目設計階段的劃分

1．預可行性研究階段。預可行性研究報告經主管部門審批后，即可編報項目建議書。

2．可行性研究階段。（原有可行性研究與初步設計兩階段合并）

3．招標設計階段。招標文件分三類：主體工程、永久設備和業主委托的其他工程的招標文件。

4．施工圖設計階段。配合工程進度編制施工詳圖。

 

1f411022 水利水電工程等級劃分及工程特征水位

知識點一、水利水電工程等別劃分

水利水電工程的等別劃分為ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ、ⅴ五等。

 

1．對于綜合利用的水利水電工程，其工程等別應按其中的最高等別確定。

2．平原區攔河水閘工程的等別，應根據其過閘流量的大小進行分等，按表1f411022-2確定。

 

3．灌溉、排水泵站的等別，應根據其裝機流量與裝機功率，按表1f411022-3確定。工業、城鎮供水泵站的等別，應根據其供水對象的重要性，按表1f411022-1確定。

 

4．引水樞紐工程等別應根據引水流量的大小，按表1f411022-4確定。

 

【單選題】過閘流量為 4000m³/s 的攔河水閘規模為（ ）型。

a．大（1）

b．大（2）

c．中

d．小

【答案】b

 

知識點二、水工建筑物級別劃分

(一)永久性水工建筑物級別

1．由建筑物所在工程等別和建筑物重要性劃分為五級

2．失事后損失巨大或影響十分嚴重的水利水電工程的主要永久性水工建筑物，經過論證并報主管部門批準，可提高一級；失事后造成損失不大的水利水電工程的主要永久性水工建筑物，經過論證并報主管部門批準，可降低一級。

 

3．水利樞紐工程水庫大壩按表1f411022-5規定為2級、3級的永久性水工建筑物，如壩高超過表1f411022～6指標，其級別可提高一級，但洪水標準可不提高。

 

4．水電樞紐工程2級土石壩壩高超過100m、混凝土壩或漿砌石壩壩高超過150m，3級土石壩壩高超過80m、混凝土壩或漿砌石壩壩高超過120m時，大壩的級別相應提高1級，洪水標準宜相應提高，但抗震設計標準不提高。

5．當永久性水工建筑物基礎的工程地質條件復雜或采用新型結構時，對2～5級建筑物可提高一級設計，但洪水標準不予提高。

（二）堤防工程級別

堤防工程的級別應根據確定的保護對象的防洪標準，按表1f411022-7確定。

穿堤水工建筑物的級別，按其所在堤防工程的級別和與建筑物規模相應的級別中的最高級別確定。

 

（三）臨時性水工建筑物級別

1．水利水電工程施工期使用的臨時性擋水和泄水建筑物的級別，應根據保護對象的重要性、失事造成的后果、使用年限和臨時建筑物的規模，按表1f411022-8確定。

 

2．當臨時性水工建筑物根據表1f411022-8指標同時分屬于不同級別時，其級別應按照其中最高級別確定。但對于3級臨時性水工建筑物，符合該級別規定的指標不得少于兩項。

3．利用臨時性水工建筑物擋水發電、通航時，經過技術經濟論證，3級以下臨時性水工建筑物的級別可提高一級。

 

【例題·單選題】水利水電工程的永久性次要建筑物的級別，劃分為(       )級。

a．三                     b．四

c．五                     d．六

【答案】a

【解析】主要建筑物劃分為五級，次要建筑物劃分為三級。

 

知識點三、水利水電工程洪水標準

（一）一般規定

1．在水利水電工程設計中不同等級的建筑物所采用的按某種頻率或重現期表示的洪水稱為洪水標準，包括洪峰流量和洪水總量。

2．永久性水工建筑物采用的洪水標準，分為設計洪水標準和校核洪水標準兩種情況。

3．水利水電工程永久性水工建筑物的洪水標準，應按山區、丘陵區和平原、濱海區兩類分別確定。

4.當山區、丘陵地區的水利水電工程永久性水工建筑物的擋水高度低于15m，且上下游最大水頭差小于10m時，其洪水標準宜按平原、濱海區標準確定。當平原、濱海地區的水利水電工程其永久性水工建筑物的擋水高度高于15m，且上下游最大水頭差大于10m時，其洪水標準宜按山區、丘陵區標準確定。

5．江河采取梯級開發方式，在確定各梯級水利水電工程永久性水工建筑物的設計洪水與校核洪水標準時，還應結合江河治理和開發利用規劃，統籌研究，相互協調。

 

(二)山區、丘陵區水利水電工程永久性水工建筑物

1．山區、丘陵區水利水電工程永久性水工建筑物的洪水標準，按表1f411022-9確定。

 

2.對土石壩，如失事下游將造成特別重大災害時，1級建筑物的校核洪水標準，應取可能最大洪水(pmf)或重現期10000年標準；2～4級建筑物的校核洪水標準可提高一級。

3．對混凝土壩、漿砌石壩,如洪水漫頂將造成極嚴重的損失時，1級建筑物的校核洪水標準，經過專門論證并報主管部門批準，可取可能最大洪水(pmf)或重現期10000年標準

 

4．山區、丘陵區水利水電工程的永久性泄水建筑物消能防沖設計的洪水標準，可低于泄水建筑物的洪水標準，根據泄水建筑物按表1f411022-10（新增）確定。
    山區、丘陵區水利水電工程消能防沖建筑物洪水標準     表1f411022-10

永久性水工建筑物級別	1	2	3	4	5
洪水重現期（年）	100	50	30	20	10

5．河床式水電站廠房擋水部分的洪水標準，應與工程的主要擋水建筑物的洪水標準相一致。

 

（三）平原、濱海區水利水電工程永久性水工建筑物

1．平原區永久性水工建筑物洪水標準，按表1f411022-11確定。

 

2．潮汐河口和濱海地區永久性水工建筑物的洪水標準，按表1f411022-12確定。

 

（四）臨時性水工建筑物

臨時性水工建筑物的洪水標準，應根據建筑物的結構類型和級別，在表if411022-13的幅度內，結合風險度綜合分析，合理選用。對失事后果嚴重的，應考慮遇超標準洪水的應急措施。

【單選題】某水利工程漿砌石圍堰級別為4級，相應圍堰洪水標準應為（　）年一遇。 

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

【答案】b

【例題·單選題】永久性水工建筑物級別為2級的山區、丘陵區水利水電工程消能防沖建筑物洪水標準為(         )年。

a．100     b．50     c．30     d．20

【答案】b

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

知識點四、水利水電工程抗震設防標準

水工建筑物的工程抗震設防類別，應根據其重要性和工程場地基本烈度按表1f411022-14確定。

 

各類水工建筑物抗震設計的設計烈度應按下列規定確定

1．一般采用基本烈度作為設計烈度。

2．工程抗震設防類別為甲類的水工建筑物，可根據其遭受強震影響的危害性，在基本烈度基礎上提高1度作為設計烈度。

3．基本烈度為6度或6度以上地區的壩高超過200m或庫容大于100億m3的大型工程，以及基本烈度為7度及7度以上地區壩高超過150m的大(1)型工程，需要做專門的地震危害性分析。

 

知識點五、水庫特征水位及特征庫容

(一)水庫特征水位

1．校核洪水位。指水庫遇大壩的校核洪水時，在壩前達到的最高水位。它是水庫在非常運用校核情況下允許臨時達到的最高洪水位，是確定大壩頂高程及進行大壩安全校核的主要依據。

2．設計洪水位。指水庫遇大壩的設計洪水時，在壩前達到的最高水位。它是水庫在正常運用設計情況下允許達到的最高洪水位，也是擋水建筑物穩定計算的主要依據。

 

3．防洪高水位。指水庫遇下游保護對象的設計洪水時，在壩前達到的最高水位。

4．防洪限制水位(汛前限制水位)。指水庫在汛期允許興利的上限水位，也是水庫汛期防洪運用時的起調水位。

5．正常蓄水位。指水庫在正常運用的情況下，為滿足設計的興利要求在供水期開始時應蓄到的最高水位。

6．死水位(設計低水位)。指水庫在正常運用的情況下，允許消落到的最低水位。水庫正常蓄水位與死水位之間的變幅稱為水庫消落深度。

 

(二)水庫特征庫容

1．靜庫容。壩前某一特征水位水平面以下的水庫容積

2．總庫容。指最高洪水位以下的水庫靜庫容。

3．防洪庫容。指防洪高水位至防洪限制水位之間的水庫容積。用以控制洪水，滿足水庫下游防護對象的防護要求

4．調洪庫容。指校核洪水位至防洪限制水位之間的水庫容積。用于保證下游防洪安全及對校核洪水調洪削峰，保證大壩安全。

 

5．興利庫容(有效庫容、調節庫容)。指正常蓄水位至死水位之間的水庫容積。用以調節徑流，按興利要求提供水庫的供水量或水電站的流量。

6．重疊庫容(共用庫容、結合庫容)。指防洪庫容與興利庫容重疊部分的庫容，是正常蓄水位至防洪限制水位之間汛期用于蓄洪、非汛期用于興利的水庫容積。

7．死庫容(墊底庫容)。指死水位以下的水庫容積。一般用于容納水庫淤沙、抬高壩前水位和庫區水深。在正常運用中不調節徑流，也不放空。

 

【單選題】興利庫容是水庫死水位與（　）之間的庫容。

a.校核洪水位

b.正常蓄水位

c.防洪高水位

d.設計洪水位

【答案】b

 

1f411023  水利水電工程樞紐布置

知識點一、工程壩址（閘址、廠址）選擇

（一）壩址選擇

1．地形條件

2．地質條件

3．施工條件

4．建筑材料條件

5．其他條件

水庫區的淹沒大小和移民搬遷安置的難度、水庫對重要設施的淹沒、環境的影響、工程量、工程總投資。

 

(二)閘址選擇

閘址選擇應綜合考慮地形、地質、水流、潮汐、泥砂、凍土、冰情、施工、管理、周圍環境等因素。

1．地形開闊、岸坡穩定、巖土堅實和地下水水位較低

2．節制閘或泄洪閘閘址宜選擇在河道順直、河勢相對穩定的河段。

3．進水閘、分水閘或分洪閘閘址宜選擇在河岸基本穩定的順直河段或彎道凹岸頂點稍偏下游處。

4．排水閘(排澇閘)或泄水閘(退水閘)閘址宜選擇在地勢低洼、出水通暢處。

5．擋潮閘閘址宜選擇在岸線和岸坡穩定的潮汐河口附近。

6．若在多支流匯合口下游河道上建閘，選定的閘址與匯合口之間宜有一定的距離；若在平原河網地區交叉河口附近建閘，選定的閘址宜在距離交叉口較遠處；若在鐵路橋或一、二級公路橋附近建閘，選定的閘址與鐵路橋或一、二級公路橋的距離不宜太近。

 

7．選擇閘址應考慮材料來源、對外交通、施工導流、場地布置、基坑排水、施工水電供應等條件。

8．選擇閘址應考慮水閘建成后工程管理維修和防汛搶險等條件。

9．選擇閘址還應考慮：占用農地及拆遷房屋少；盡量利用周圍已有公路、航運、動力、通信等公用設施；有利于綠化、凈化、美化環境和生態環境保護；有利于開展綜合經營。

 

(三)水電站廠房(泵站)廠址選擇

廠址應根據地形、地質、環境條件，結合樞紐工程整體布局等因素，經技術經濟比較后選定。

1．引水式電站的廠房廠房與調壓井之間山體必須穩定，滲水性應小。

2．河床式廠房進水口應注意避免泥砂的淤積和磨蝕、漂浮污物的堵塞和冰凌的壅阻。

3．地下廠房宜布置在地質構造簡單、巖體完整堅硬、上覆巖層厚度適宜、地下水微弱以及山坡穩定的地段。

 

知識點二、樞紐布置的原則

1．應滿足各個建筑物在布置上的要求，保證其在任何工作條件下都能正常工作。

2．樞紐中各建筑物應盡可能緊湊布置，在滿足功能要求前提下，減少工程投資，方便運行管理。

3．盡量使一個建筑物發揮多種用途或臨時建筑物和永久建筑物相結合布置，充分發揮綜合效益。

4．在滿足建筑物強度和穩定的條件下，樞紐布置應考慮降低樞紐總造價和年運行費用。

5．樞紐布置要做到施工方便，工期短，造價低。

6．盡可能使樞紐中的部分建筑物早期投產，提前發揮效益。

7．樞紐的外觀應與周圍環境相協調，在可能條件下注意美觀。

 

1f411024  水工建筑物的分類

知識點一、水工建筑物按功能分類

通用性水工建筑物、專門性水工建筑物。

通用性水工建筑物可分為擋水建筑物、泄水建筑物、輸水建筑物、取(進)水建筑物、河道整治建筑物；

專門性水工建筑物可分為水電站建筑物、渠系建筑物、港口水工建筑物、過壩建筑物等。

永久性水工建筑物、臨時性水工建筑物。

(一)永久性建筑物

根據其重要性又分為主要建筑物和次要建筑物。

主要建筑物：壩、泄水建筑物、輸水建筑物及電站廠房

次要建筑物：例如：失事后不影響主要建筑物和設備運行的擋土墻、導流墻、工作橋及護岸等。

(二)臨時性建筑物

工程施工期間使用的建筑物。如圍堰、導流隧洞、導流明渠等。

 

1f411025  水工建筑物主要設計方法

知識點一、安全系數法與可靠度法

(一)安全系數法

安全系數是考慮設計中有關因素的微小變動，為保證水工建筑物、結構或構件的安全，引入的大于1.0的系數，它是水工建筑物、結構或構件的抗破壞強度與設計荷載效應組合的比值，是建筑物、結構或構件的安全儲備的指標。

用安全系數判斷結構的安全性，是定性的標準，沒有定量的意義。不同的建筑物之間不能比較，同一結構的不同破壞狀況之間也不可比較，這是明顯的不足之處。

（二）可靠度法

結構可靠度是結構在規定的時間內、規定的條件下具有預定功能的概率。將影響結構可靠度的因素視作隨機變量，即形成以概率理論為基礎的概率極限狀態設計法。結構的極限狀態是指結構或結構的一部分超過某一特定狀態就不能滿足設計規定的某一功能要求，此特定狀態稱為該功能的極限狀態。水工混凝土結構的極限狀態分為承載能力極限狀態和正常使用極限狀態兩類。

 

知識點二、主要荷載

荷載按作用隨時間的變異性，可分為永久作用荷載、可變作用荷載和偶然作用荷載。

1．永久作用荷載：包括結構自重和永久設備自重、土壓力、淤沙壓力、地應力、圍巖壓力、預應力。

2．可變作用荷載：包括靜水壓力、揚壓力、動水壓力、水錘壓力、浪壓力、外水壓力、風荷載、雪荷載、冰壓力、凍脹力、溫度荷載、土壤孔隙水壓力、灌漿壓力等。

3．偶然作用荷載：包括地震作用、校核洪水位時的靜水壓力、揚壓力、浪壓力及水重等。

 

【單選題】拱壩在校核洪水位承受的波浪壓力屬于（ ）作用荷載。

a．永久

b．基本

c．可變

d．偶然

【答案】d

 

知識點三、抗滑穩定分析

目前水工建筑物的穩定分析采用整體宏觀的半經驗法。

在設計中，通常校核重力壩沿壩基面的抗滑穩定；如果巖基內有軟弱夾層，則要核算沿軟弱夾層的抗滑穩定；對處于岸坡的壩段，當地形、地質條件不利于壩的穩定時，也要對在三向荷載作用下的穩定問題進行研究。

 

知識點四、應力分析

強度和穩定性是表示建筑物安全的兩個重要方面。應力分析是校核強度和穩定的前提。

重力壩應力分析的方法可歸納為理論計算和模型試驗兩大類。目前常用的模型試驗方法有偏光彈性試驗、激光全息試驗和脆性材料試驗。理論計算方法主要有材料力學法、有限單元法。

 

知識點五、滲流分析

導致大壩災難性破壞的原因及基本模式有五種：①溢洪道的泄洪能力不足；②壩體連同部分地基沿軟弱面發生滑移破壞；③壩體因揚壓力過大而沿壩基面滑動；④壩體或壩基因管涌或流土而破壞；⑤壩的上、下邊坡發生滑移破壞。滲流在后四種模式中起著重要的作用。此外，水庫水的過量滲漏、水庫岸坡的穩定性、水庫誘發地震等，也都與滲流的作用密切相關。

滲流分析主要內容有：確定滲透壓力；確定滲透坡降（或流速）；確定滲流量。對土石壩，還應確定浸潤線的位置

 

知識點六、沉降計算

土石壩設計時要確定壩體和壩基在自重作用下的沉降量與時間的關系及完工后的總沉降量。據此計算竣工后為抵消沉降而預留的壩頂超填，預測不均勻沉降量，判斷壩體產生裂縫的可能性和預防措施。常用分層總和法計算，即把壩體壩基分為若干層，根據壩體和壩基土的壓縮曲線計算時刻t各層中心所受豎向總應力、孔隙壓力、有效應力及相應沉降量：將各層沉降量疊加，得到時刻t及完工后壩體和壩基的沉降量。

 

知識點七、應力應變計算

高土石壩一般要用有限單元法計算壩體壩基及岸坡接頭在填土自重及其他荷載作用下的填土應力應變，以判斷是否發生剪切破壞、有無過量的變形、是否存在拉力區和裂縫、防滲土體是否發生水力劈裂，為壩體穩定分析和與土壩連接建筑物設計提供依據。

 

知識點八、抗震設計

水庫的修建往往可以誘發地震。水庫誘發地震主要是指由于水庫蓄水后，庫水滲透到巖石中，使巖體孔隙水壓力增大，導致斷層面的有效應力減小、抗剪強度降低，以致產生滑動。

地震荷載計算方法有動力法和擬靜力法兩種。

抗震設計時常用到基本烈度和設計烈度。基本烈度是指建筑物所在地區在今后一定時期內可能遭遇的最大地震烈度。作為抗震設計中實際采用的烈度，稱為設計烈度。對于重要建筑物的設計烈度可在基本烈度的基礎上提高1度。