渠化工程学

渠化工程学

重庆交通大学河海学院 陈明栋：研究员 Tel: 023-66762414 13808324758 E-mail: dmcdd@vip.163.com

第五章：河流渠化工程

渠化工程定义: • 水电——河流梯级开发，发电； • 水利——形成水库，防洪、灌溉； • 水运——人工航道，筑坝抬高水位，增加水深，增加航宽，淹没滩险。是航道整治的最高阶段。 • “水利工程”相邻专业(综合利用)——港航、水电、水利、河川、农水、水工建筑、城市给排水等★。

水路运输的意义(优势): • 1、运输能力大，适宜大宗货物：煤炭、矿石、油和集装箱等以及长途运输货物； • 2、运输成本相对较低； • 3、建设投资较少； • 4、占地少； • 5、环境污染少； • 6、重、特大件运输几乎是无可代替； • 7、国防建设意义。

弱点 —— 1、水运的技术速度和商务速度比较低； 2、水运受自然条件的影响较大； 3、水系目前还自成体系，河流间互不沟通，运输的连续性较差。

第一节水利资源的综合利用 综合利用是我国水利建设的基本原则，也是内河航运建设的根本方针。水资源的综合利用就是要充分发挥水资源的作用，同时满足发电、航运、防洪、灌溉、工业及民用供水渔业等各方面的要求，以获得最大经济效益。河流上筑坝蓄水，坝上游形成水库以后，不光为水资源的利用创造了条件，河道扩宽、水深增加，可大大改善航运条件。

一、水库的特征 （一）水库的特征水位：水库是调节河川径流的主要工程措施。表征水库的主要特征是水库的面积和容积。在一般情况下，水库的面积和容积越大，其径流调节能力越强，通航保证率越高，综合利用的经济效益也越大。一个综合利用的渠化工程水库的水位和相应的库容如图5－1所示。 1、死水位：在正常运用情况下，允许水库消落的最低水位叫死水位。该水位以下的水库容积称为死库容。 2、正常蓄水位：在正常运用情况下，为满足兴利要求，水库应蓄到的水位。正常蓄水位至死水位之间的深度，称为消落深度。正常蓄水位至死水位之间的库容称为兴利库容（或称调节库容）。

3．防洪特征水位：是指水库各项防洪水位的总称。包括校核洪水位、设计洪水位、防洪高水位和防洪限制水位等。 （1）校核洪水位是遇到校核标准洪水时，坝前达到的最高水位。（2）设计洪水位是遇到大坝的设计标准洪水时，泄洪建筑物闸门全开，坝前达到的最高水位。（3）防洪高水位是遇到下游防护对象的设计标准洪水位时，水库按下游安全泄量放水，坝前达到的最高水位。（4）防洪限制水位是水库在汛期蓄水的上限水位。防洪限制水位至防洪高水位之间的库容称为防洪库容。防洪限制水位至校核洪水之间的库容称为调洪库容。 4．通航水位：是指能保证水库正常通航的水位★。

（二）水库的水文情势 水库的水文情势是指水库多年的水文要素（如水位、水温、流速、泥沙、波浪及水化学成分等）情况，水文情势变化将带来以下影响。 1．水量损失——蒸发和泄漏。 2．水库淤积和坝下冲刷——泥沙和势能影响。 3．波浪——风力对宽阔水域影响。 4．水温及冰情——热能互换、冰冻影响。 5．水质的变化——污染。　葛洲坝和三峡影响——（气候、洪水、环境、水质等）学会用专业知识去解释自然现象★。

（三）径流调节的基本概念： 按照用水部门的需要，借助专门的建筑物（主要是拦河筑坝形成水库）将河川径流加以控制和重新分配，这一过程称为径流调节。即将汛期多余水量暂时拦蓄在水库中，而在枯水期泄放以补充河川径流的不足。水库由放空到蓄满再放空所需时间称为水库的蓄泄周期（调节周期）。径流调节按调节周期的长短，可以分为日调节、年调节和多年调节等。

1．日调节：为适应水电站调峰的需要，将一天均匀的来水过程（洪水期除外）改变为不均匀的用水过程，其周期为一昼夜，称为日调节。1．日调节：为适应水电站调峰的需要，将一天均匀的来水过程（洪水期除外）改变为不均匀的用水过程，其周期为一昼夜，称为日调节。 2．年调节：利用水库的调节作用，把一年内洪水期多余水量的一部分或全部拦蓄于水库中供枯水期使用，其调节周期为一年，称为年调节（图5-2）。 3．多年调节：将河流中丰水年的多余水量拦蓄在水库中，以补充若干连续的枯水年的水量不足，其周期较长，称为多年调节（但水库不经济）★。

二、水电站的基本概念 水力发电基本原理——借助水力机械将水流的势能转变成机械能，再通过发电机把机械能转变为电能。水电——清洁能源。利用水工建筑物及有关的机电设备使水流的势能变为电能的工程，称为水电工程。

（一）水电站的出力计算： 水电站的规模一般由电站的发电能力决定。水电站的发电能力取决于水流所做的功的大小。当流量Q（m3/s）的水体落下一个高度H（m）时，其所做功的功率等于： N=γQH（kW）（5-1）由于水电站的水轮机、发电机以及输配电设备中均有功率的损耗，实际上发出的电的功率（称为有效功率）要比理论功率小： N有效=ηγQH (5-2)

在工程规划设计中，式（5-2）通常简化为： N有效=AQH （5-3）式中：A——出力系数。根据水电站的保证率，在流量历时曲线上查得相应的流量,可得到水电站的保证出力。即： N保证=A Q保证H（KW）（5-4）

（二）水电站的开发方式及主要建筑物 利用水工建筑物和相应的机电设备产生电能的方式有多种多样，而其中最主要的开发方式有壅（抬）水式、引水式和混合式三种。 1.壅（抬）水式电站，又可分为河床式、坝后式和坝内式三种布置型式。

（1）河床式：水电站厂房建筑在河床内，厂房与坝并列或成某一交角共同起挡水作用（图5-3）。（1）河床式：水电站厂房建筑在河床内，厂房与坝并列或成某一交角共同起挡水作用（图5-3）。适用范围：宽阔河道，水头不高电站。（2）坝后式：水电站厂房位于坝后，库中水流通过坝内输水管道引入坝后厂房（图5-5）。适用范围：河床断面狭窄，下泄流量较大电站。（3）坝内式：水电站厂房位于坝内（图5-6）；这类电站多用于水头较高河谷狭窄情况，但拦河坝坝体结构复杂，地形、地质条件外，一般多不采用。

2.引水式电站：引水式电站是利用引水建筑物集中落差来获得发电水头（图5-7）。2.引水式电站：引水式电站是利用引水建筑物集中落差来获得发电水头（图5-7）。 3.混合式水电站：混合式水电站是壅（抬）水式和引水式电站两者的综合（图5-8）。当上游河床平坦，有修筑水库的条件，而下游河床坡度较陡，修建不长的引水建筑物可获得较大水头时，才宜建造混合式水电站。

（三）水电站的工作特点及装机容量 1、水电站的工作特点（1）出力多变，保证率较低（2）机组启动和停机迅速，负荷增减方便（3）土建投资比重大，机电投资比重小 2、水电站的装机容量水电站的装机容量是指电站全部机组满载运行时的总额定容量，即水电站全部水轮发电机组的总生产能力。

三、农田水利工程 （一）农田水利工程的一般概念 1、农作物对水分的要求 2、调节农田水份状况的措施 3、农田水利工程的组成对于干旱地区，农田水利工程主要包括渠道工程、输水及配水渠系、田间灌溉调节网、排水系统及容泄区等（图5-9）。

（二）丘陵山区的农田水利工程 对于丘陵山区，由于地形起伏，峰谷交错，易洪易旱，农田水利措施往往从“治山、治水、治土”相结合的原则出发，实行外河取水和拦蓄地面径流相结合，引水灌溉与水土保持相结合的方法。图5-10所示的长藤结瓜式水利系统。（三）喷灌和滴灌工程平原——喷管；丘陵山区——滴灌。

四、城镇供水工程 城镇供水工程是城镇公用设施的一个组成部分，其任务是向工矿企业和城镇居民提供生产和生活用水。一般要求给水工程的保证率在95%以上。给水工程一般由取水建筑物、净化系统和输配水系统三部份组成（图5-11）。

第二节河流渠化的类型及特点 一、河流渠化的作用 1、定义：河流渠化在天然河流上修建一系列的闸坝，利用闸坝的壅水作用，抬高上游河段水位来增加河道的通航水深和宽度，然后利用通航建筑物来克服建坝所形成的集中水位落差，以保证船舶安全过坝，维持航道的连续性。

2、河流渠化的作用 河流渠化后，上游形成了宽广的水库，淹没了上游滩险、急弯，较大幅度地增加了航道尺度，使通航水深不再受天然流量大小的控制；库区流速减小，有利于船舶的航行，提高了航道通过能力；提高了船只的载重量，相应也降低了运输成本；此外，河流渠化同水资源的综合利用相结合，还能满足灌溉、发电、防洪、城镇共水、渔业等需要，促进流域经济的发展，从而获得最大的经济效益。

图5－12 大坝上游

图5－13 大坝下游

二、河流渠化的类型 （一）按是否连续分： 1、连续渠化沿整条河流建造一系列闸坝，将整条河流划分成若干河段（称为渠化河段），下级闸坝的回水与上级闸坝尾水相衔接，并满足通航水深要求，从而使整条河流成为彼此连接的渠化河段，称连续渠化。 2、局部渠化指渠化仅在局部河段进行；或在相当长的区间河段进行，但下一级闸坝的回水与上级闸坝尚有一段距离，渠化河段之间有一段天然河段，各个渠化河段互不连接。

长江渠化和规划： 奚落渡向家坝石棚朱杨溪小南海三峡葛洲坝

（二）按水头大小分 1、高坝渠化：主要用于多目标的综合开发河流，一般水头H大于20m。 2、低坝渠化：主要用于改善航行条件为主的河流，一般水头H小于20m。高坝渠化多用于多目标开发的河流。从现在国内外的发展趋势来看，多倾向于采用高坝渠化（充分发挥效益）。

三、河流渠化的影响 河流渠化后，表征河流特性的水文情势发生的根本变化，必将引起航行条件、水文条件、生态环境等变化，主要有： (1)改善了河流航行条件，提高航道的通过能力。 (2)库区内易形成较大的风浪同时易产生库岸滑坡、坍塌现象。 (3)库区和邻近地区的气候将受到一定的影响。 (4)对渔业的发展和水质环境将产生一定的影响。 (5)将改变坝上下游泥沙的淤积规律，对河床演变有一定影响。

图5－14 高峡出平湖

思考题 • 1、水电站的主要开发方式有几种？每一种的主要特点如何？ • 2、水电开发与河流梯级渠化的关系？ • 3、什么是防洪特征水位？ • 4、什么是通航水位？它与水库特征水位的关系是什么？

第三节河流渠化工程规划 一、渠化工程规划的内容与原则：渠化工程规划内容： 1.渠化河流航道等级的拟定； 2.渠化枢纽坝址的选择及梯级布置方案的拟定； 3.枢纽的平面布置及其主要技术经济指标的计算； 4.进行梯级布置方案的比较及开发程序的确定； 5.水位衔接以及影响因素。（由各部门共同参与进行）

应遵循的基本原则： 1、综合利用、全面规划 2、因地制宜、综合治理 3、统一标准、水运成网 4、远近结合、平战结合 5、技术先进、经济合理

二、渠化工程规划的方法 1、拟定河流的航道等级（水深×航宽×弯曲半径）其目的就是使干流和支流达到统一的航道标准，形成内河航道网，目前我国的《内河通航标准》将航道分成Ⅶ级。（实例：乌江彭水、银盘船闸;小南海～航运资源）表1-3-1 内河航道等级

长江渠化和规划： 奚落渡向家坝石棚朱杨溪小南海三峡葛洲坝

2、渠化枢纽坝址选择及梯级布置 一般情况下，坝址选择应考虑以下一些因素：（1）必须贯彻综合利用的原则（2）枢纽位置应选在开阔的河段上（3）坝址宜选在河岸高程较高、水深较浅的地方（4）尽可能选在顺直的河段上（5）尽可能选在地质条件良好的河段上（6）应尽可能减少淹没损失（7）坝址附近应具有丰富的建材

渠化梯级时，应注意以下一些基本要求： （1）梯级方案必须满足航运的要求，一般应做到： ①各梯级水位衔接，或满足最小水深的要求； ②梯级之间的通航时间应大于船舶（队）过闸时间 ③梯级上下游应有足够长的顺直段和水域面积； ④梯级应布置在支流河口或分汊河口的下游； ⑤梯级应尽量选在滩险的下游。（2）尽量减少淹没损失（3）充分发挥梯级的综合效益

3、枢纽平面布置及主要经济指标计算 技术上：布置须考虑满足通航要求；主要经济指标：船闸的通过能力；船闸的耗水量；枢纽的主要工程量；主要工程材料；工程造价；淹没损失。

4、梯级布置方案比较及开发程序 在制定梯级的开发程序时，应注意以下几个原则：（1）梯级方案应突出综合效益，兼顾各方面利益，取得各方支持；（2）先期工程应选在要求迫切、碍航严重且起控制作用的河段；（3）先建工程应对下一期工程无不利影响；（4）先建工程应施工工艺不复杂、施工条件较好的枢纽；（5）梯级开发的程序不应影响到工程的质量。

思考题 • 1、渠化工程规划主要有哪些内容？ • 2、渠化工程规划的的主要要求？ • 3、科学规划与航运发展的关系？

图5－1 水库的特征水位及其库容

水库蓄水 水库供水图5－2 径流调节示意图形

图5－3 河床式水电站

图5－5 坝后式水电站

图5－6 坝内式水电站

图5－7 引水式水电站 1-大坝；2-引水管道；3-电站厂房

图5-8 混合式水电站

图5－9 灌溉排水系统示意图

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