土木工程概论(姜晨光)第9章 水利水电工程

图9-1-1 黄河水系与水电站
9.1.2 水利枢纽及水工建筑物 水利枢纽是由若干个不同类型的水工建筑物组成的综合体，通过水利枢纽可控制 和利用水流。 9.1.2.1 水工建筑物的类型 水工建筑物包括一般性（通用性）建筑物和专门性建筑物。 一般性（通用性）建筑物包括以下5类： （1）、拦水、蓄水、挡水建筑物。比如坝、水闸、堤防、等。 （2）、泄水建筑物。比如溢洪道、坝身泄水孔、泄洪隧洞、等。 （3）、取水建筑物。比如进水。比如渠道、隧洞、涵洞、渡槽、管道、等。 （5）、河道整治工程。比如护岸工程、导流堤、丁坝、等。 专门性建筑物主要是指电站厂房、通航建筑物、过木过鱼建筑物、等。 9.1.2.2 水利枢纽的类型 水利枢纽包括水库枢纽、有坝取水枢纽、无坝取水枢纽、等。 水库枢纽是由挡水、泄水、取水（电站取水系统、进水闸）等一般性建筑物和电 站厂房、通航过木等专门性建筑物组成的综合体系。比如湖北汉江上的丹江口水利 枢纽。 有坝取水枢纽一般由挡水、泄水、取水（电站取水系统 、进水闸）等一般性（通 用性）建筑物和专门性建筑物（比如电站厂房）等组成，有坝取水枢纽对水的调蓄 作用较小。比如湖南韶山灌区渠首工程、葛洲坝水利枢纽、等。 无坝取水枢纽主要由取水建筑物（比如进水闸）、排砂闸、导流堤、等组成。比 如都江堰水利枢纽工程。
9.2.3 工程水文研究 水文科学是研究水的起源、存在、分布、循环、运动等变化规律以及运用这些规 律为人类服务的科学体系。工程水文是流域防洪规划、水资源利用规划以及水能开发 规划中最重要的基础性工作，水文资料、水文信息及其分析计算成果是水利水电工程 建设和运行管理的重要依据之一。目前，收集、获取基本水文资料信息的途径主要是 从水文总站了解水文站、水位站、雨量站设置，获得这些站点长期连续的水位、流量、 流速、泥沙、雨量或蒸发等观测资料。另外，还要进行野外调查获得特大暴雨、特大 洪水、特枯流量及其水位等资料，考证历史文献及碑文石刻以获得历史洪水或枯水水 位等水文信息，用考古手段和方法获得古洪水信息，借助航摄相片及卫星遥感资料获 得水文信息。测验技术、仪器仪表和分析软件不断改进和创新，我们在信息采集、传 输、分析和处理的手段和方法上也应不断与时俱进，满足水利水电工程建设和管理不 断提出的新的要求。 9.2.4 工程地质研究 水利水电工程地质是工程地质中专门研究与水利水电工程建设有关地质问题的科 学，主要研究工程区域的地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件、物理地质 现象、岩土物理力学参数，研究工程地质条件与建设工程及各建筑物间的相互作用和 影响。 水利水电工程中的主要工程地质问题包括区域构造稳定问题、水库工程地质问题、 坝基岩体稳定性问题、等。区域构造稳定主要是指活断层和可能发生的地震对工程的 影响。水库工程地质是指水库蓄水后，库区周围的工程水文地质条件将发生较大变化， 同时将会产生一系列水文工程问题（比如渗漏、浸没、坍岸、淤积、和诱发地震、 等）。坝基岩体稳定性问题的关注点是软弱夹层，软弱夹层是指遇水易软化、力学强 度低的薄层，它是影响水工建筑物整体稳定、变形稳定以及渗透稳定的关键条件，常 成为设计研究中的重点。
9.2.2 环境影响评价 9.2.2.1 水利水电工程中的环境问题 跨流域调水、修建大坝不仅会导致河流水沙情势和生态环境的变化，而且水 库淹没、移民安置和工程施工，也会对人群健康、自然与生态环境产生不同程 度的影响，因此，应全面调查流域内的生态与环境状况，分析存在的主要生态 环境问题。应根据具体情况，合理拟定近、远期环境保护目标，并提出相应的 标准和要求，必要时需修改规划方案或调整规划环境目标。 水利水电工程中的环境问题包括自然环境破坏、次生环境破坏、疾病产生与 流行、作物生长环境变化、航运条件变化、气候变化、文物破坏、等。自然环 境破坏主要指水库淹没后，移民安置毁林开荒造成的水土流失。次生环境破坏 主要是指水库蓄水后引起库周地下水位抬高，会导致浸没、内涝或土地盐碱化、 等，并有可能引起库岸崩坍、诱发水库地震、等。疾病产生与流行主要是指水 库蓄水后水流变缓，水体稀释扩散能力降低，水体中污染物浓度增加，库尾与 一些库湾地区易发生富营养化，一些水介疾病会因水面扩大而增加，移民动迁 也可能导致某些疾病流行等问题。作物生长环境变化主要是指水库蓄水后水温 结构发生变化，可能出现分层，对下游农作物产生冷害，影响陆生生物的生存 环境。航运条件变化主要是指多泥沙河流，水库回水末端易出现泥沙淤积，导 致河床抬高，影响航运。气候变化主要是指水库蓄水后水面增加，对库区的气 候会产生影响，引起风速、湿度、降水、气温等气象要素的变化。文物破坏主 要是指水库蓄水后库区的文物古迹可能被淹没或需要迁址。
9.1.4 水利水电枢纽工程的分等和水工建筑物的分级 水利水电枢纽工程分等分级的依据是《水利水电工程等级划分及洪水标准》。 水利水电枢纽工程应根据其工程规模、效益及在国民经济中的重要性按表9-1-1 确定其等别。水利水电工程中的水工建筑物，根据所属枢纽工程的等别及在工程 的作用和重要性，按《水利水电枢纽工程建设等级划分及设计标准》划分为五级。 表9-1-1 水利水电枢纽工程的分等标准
9.2 水利水电枢纽工程设计
水利水电枢纽工程（见图9-2-1）设计包括河流开发规划、环境影响评价、工程水 文研究、工程地质研究、建筑材料研究、经济评价分析、设计研究报告的编制、等 7项工作内容。
图9-2-1 水利水电枢纽工程
9.2.1 河流开发规划 河流开发规划旨在根据江河流域的自然、地理、资源、社会、经济和环 境条件及其特征规律，按照国家或地区近、远期国民经济发展规划、研究 和确定其治理与开发的主题方针、战略部署、工程方案以及实施程序等， 从而有效地开发资源，除害兴利，促进和振兴流域地区社会经济事业的发 展。河流开发规划包括水资源规划、专业规划、等。 水资源规划分为流域规划和区域规划，流域规划包括流域综合规划和流 域专业规划，区域规划包括区域综合规划和区域专业规划。流域综合规划 和区域综合规划的编制必须符合该地区国民经济和社会发展的总体要求， 同时还必须与土地利用规划、环境保护规划相协调，兼顾各流域、各地区 和各行业的需要和发展。 专业规划是指流域或区域的水文测验规划、防洪规划、水电开发规划、 治涝规划、灌溉规划、航运规划、渔业规划、水土保持规划、水资源保护 规划、环境保护规划、等。 河流开发规划的原则是区域规划服从流域规划、专业规划服从综合规划。
第9章 水利水电工程 章
9.1 水利水电工程的特点
水利水电工程是对自然界的水资源进行有效地控制和合理地调配，以达到兴利 除害目的的工程措施。我国5000年以前就有大禹治水的传说，春秋战国时期李冰 父子治理岷江在四川灌县建成了奠定“天府之国”根基的都江堰水利工程，也是 在那个时期史禄在广西的兴安建成了沟通长江和珠江2大水系（湘江和漓江）的 灵渠，秦汉时期陕西修建了引泾水的白渠和引渭灌溉的成国渠，隋朝拉通并完善 了世界上最长的人工运河---大运河，隋唐至北宋时期江南一带塘堰灌溉、提水灌 溉等农田水利工程得到了长足发展，明清时期洞庭湖区的筑堤围垦形成了“湖广 熟而天下足”的壮观。有史以来，水利水电工程为人类的福祉作出了巨大的、不 可磨灭的贡献。
9.2.2.2 防止和减轻环境破坏的对策 水利水电工程建设在改造自然、造福人类的同时，也会带来对自然环境和 社会环境的不利影响，需因地制宜，研究和采取必要的措施，将不利影响减 少到最低程度。对作为供水水源的工程，要制定水源保护条例和管理办法， 密切监视水库水质状况，严格控制污水排放，确保水库不受污染。对有供水 任务的工程，要保证泄放基流，满足下游人类及其他生物生活及环境用水的 要求。通过修建船闸解决了船只过坝问题，设置鱼梯或采取其他措施（比如 人工孵化放流）解决了水生生物的生存问题。设置原生生物栖息繁衍保护地 维持生物多样性。制订移民安置区环境保护规划，对库区各地的污水处理、 生活垃圾处理以及蓄水前库底清理等提出了明确的要求，以保护水库水质。 水利水电工程如果对环境的影响较大或影响期较长时，施工前就应开始对影 响较大的主要环境因子进行跟踪监测，在运行期对某些影响较大的环境因子 也要进行跟踪监测。水利水电工程生态环境监测工作要根据工程的具体情况 和要求进行规划和实施。对水库库容较大的工程，为掌握水库蓄水前后水文、 泥沙、水质、水温、局部气候等环境因素变化的状况及规律，更好地进行水 资源与水环境的管理，要尽早开展环境监测工作。
9.2.7 设计研究报告的编制 9.2.7.1 水利工程设计报告
我国水利工程勘察设计的全过程一般分为以下5个阶段，并应撰写出相应的报告。 1）项目建议书。项目建议书应概述项目建设的依据、提出开发目标和任务；调查项目所在 地区的自然经济条件，收集水文、地质等勘测资料，论证工程项目建设的必要性；初选建设 项目的建设规模、建设方案、建设地点、建设时间和主要建筑物布置，初步估算项目的总投 资额。 2）可行性研究报告。可行性研究报告应明确拟建项目的任务和主要效益；确定主要水文参 数，查清主要地质问题，选定工程场址，确定工程等级，初选工程布置方案，提出主要工程 量、施工工期；初步确定淹没、用地范围和补偿措施，对环境影响进行评价；估算工程投资， 进行经济、财务分析评价、等，并以此为基础提出项目是否可行的结论性意见。 3）初步设计。初步设计包括以下3方面工作，即：①取得气象、水文、地形、地质、建筑 材料、经济、综合利用要求等更多、更详实的基本资料，进行更为详细的调查、勘测和实验 研究工作。②确定或选定拟建项目的综合开发目标、工程及主要建筑物等级、总体布置、主 要建筑物型式和轮廊尺寸、主要机电设备形式和布置等。③确定总工程量、施工方法、施工 总进度和总概算，论证在指定地点和规定期限内进行建设的可行性和合理性。 4）招标设计。招标设计是制定编制施工招标文件和施工规划的基础，根据上述规定，其工 作内容暂按原技术设计要求进行设计工作，即在初步设计的基础上，进一步完善设计，确定 或优化设计方案，并据此对概算进行修正，满足施工招标工作的需要。 5）施工图设计。施工图设计的任务和基本要求是：①完成建筑物地基开挖图、地基处理图、 建筑物体形图、钢筋图，金属结构的结构图和大样图，机电设备、埋件、管道、线路的布置 安装图等工程图纸的绘制。②施工图中应说明选用材料的型号规格、施工方法或加工工艺、 质量要求和其他注意事项。施工图是现场建筑物施工、设备制作、选用、埋设和安装的依据。
9.1.1 水利水电工程的主要任务 水利水电工程的主要工作内容是防洪治河、水力发电、农田水利、给水排水、 航运、等。 防洪治河工程包括整修堤防（构建河流防洪体系）、兴建大中型水库（拦蓄洪 水）。典型的现代防洪治河工程有长江上的三峡水利枢纽工程、奚落渡水电站、向 家坝水电站，黄河上的有龙羊峡、盐锅峡、青铜峡、八盘峡、大峡、李家峡、刘家 峡、拉西瓦、公伯峡、积石峡、等水电站（见图9-1-1）。 水电是一种绿色能源，水力发电在国民经济中占据着重要的地位，我国目前的 水电站装机容量已超过美国居世界第一，三峡、二滩、龙滩、小湾、公伯峡、水布 垭等一大批大型常规水电站已成为我国能源生产的主力军，中国已成为目前世界水 电技术最发达的国家之一。 农田水利的主要工作是机电排灌、除涝治碱、修建灌区和水库、水土保持、等。 给水工程的目的是为居民、工矿企业、交通运输等提供生活用水、生产用水。 排水工程的目的是排除工业及生活废水、江河洪水、雨水等，为工业、农业生产及 人民生活提供良好环境。我国已建的大型引水工程有引栾入津工程、引黄济青工程、 等，在建的世界级大型引水工程是南水北调工程。 航运是水利水电工程的一个附属产物，水电站的建设一般都会极大地改善流域 的通航条件，从而为航运奠定了坚实的基础，三峡大坝建设就是一个典型的例子 （万吨轮船可从三峡大坝直航重庆）。
9.2.5 建筑材料研究 建筑材料是指水利水电工程各建筑物施工所需要的材料。建筑材料通常分三大类， 第一类是矿物质材料（包括天然土料、天然石料、烧土制品、无机胶凝材料、混 凝土以及水泥砂浆、等）；第二类为有机质材料（包括木材、竹材、沥青、土工 合成材料、等）；第三类为金属材料（包括钢筋、钢板及各种有色金属材料、 等）。在水利水电工程建设中，应用较多的是天然建筑材料、水泥、混凝土、钢 材、木材、沥青以及土工合成材料、等。对天然建筑材料必须按照勘察试验规程 的规定进行必要的地质测绘、勘探、试验及研究等工作（包括开展天然建筑材料 料场方案的综合比较、等），探明其储量、质量、开采方法和运输条件、等。 9.2.6 经济评价分析 经济评价是对建设项目的投入和产出进行分析，评价其社会效益和经济效益以及 适应市场需要和抵御各种风险的能力，为建设项目的方案比选和决策提供科学依 据。水电建设项目经济评价的主要内容分国民经济评价和财务评价两大部分。国 民经济评价是在合理配置国家资源的前提下，从国家全局角度，分析计算水电建 设项目对国民经济的净贡献，据以判断建设项目的经济合理性。国民经济评价的 一般方法是国民经济盈利能力分析，以经济内部收益率为主要评价指标。财务评 价是根据国家现行财税制度、价格体系和建设机制，分析计算建设项目直接发生 的费用和产出效益，据以判别项目的财务可行性。财务评价方法以动态分析为主、 静态分析为辅，财务评价的主要参数为行业的财务基准收益率、基准投资回收期 等。经济评价的依据是国家相关部门发布的《建设项目经济评价方法与参数》、 《建设项目经济评价方法》、《建设项目经济评价参数》、《中外合资经营项目 经济评价方法》等相关规定，有时也依照国际惯例进行。