2014水利工程继续教育作业(自找)

水利工程思考题

第一次作业：

（本次作业要求初级职称学员答1、2、3、4题，中高级职称学员答3、4、5、6题）

1、 什么是污染物？试述污水这种污染物排入到河流后的混合过程？

答：污染物可以定义为：进入环境后使环境的正常组成发生变化，直接或者间接有害于生物生长、发育和繁殖的物质。

污水排入河流的混合过程

（1）竖向混合阶段：污染物质排入河流后，因分子扩散、湍流扩散和弥散作用逐步向河水中分散，由于一般河流的深度与宽度相比较小，所以首先在深度方向上达到浓度分布均匀，从排入口到深度上达到浓度分布均匀的阶段称为竖向混合阶段。在竖向混合阶段也存在着横向混合作用。

（2）横向混合阶段：当深度上达到浓度分布均匀后，在横向上还存在混合过程。经过一定距离后污染物在整个横断面达到浓度分布均匀，这一过程称为横向混合阶段。

（3）断面充分混合后阶段：在横向混合阶段后，污染物浓度在横断面上处处相等。河水向下游流动过程中，持久性污染物浓度将不再变化，非持久性污染物浓度将不断减少。

2、什么是渗透反应墙修复技术？与抽出-处理法相比有什么优缺点？

答：渗透反应墙技术是用于原位去除污水中污染物的方法。PRBs 是一个填充有活性反应介质材料的被动反应区，当受污染的地下水通过时，其中的污染物质与反应介质发生物理、化学和生物等作用而被降解、吸附、沉淀或去除，从而使污水得以净化。

PRBs 修复技术较目前应用比较广的P&T 技术而言具有更高的优越性。抽出-处理技术在将污染地下水抽出的过程中需要泵产生动力，因而要花费大量的电费，在污水处理过程中需要费用，最后在回灌过程中又需打井的费用。渗透反应墙技术是一次性投资，不需要用泵将受污染水抽到地面处理，无须安装地面处理设备，且在安装后可自动运行，一般情况下不需要再进行追加投资。虽然反应材料使用完以后，需要进行材料的更换，但更换时间一般是20～30年。 P&T 对非水溶性的污染物质处理效果极差，而用PRBs 技术可以有效地治理地下水中的非水溶性污染物

质。使用P&T 技术时对泵放置的位置要求较高，处理不好可能造成污染的进一步恶化，而PRBs 技术不会产生这些影响。但是，渗透性反应墙也具有易被堵塞、地下水的氧化还原电位等天然环境条件易遭破坏、工程措施及运行维护相对复杂等缺点，加上双金属系统、纳米技术成本较高，这些因素阻碍了渗透性反应墙的进一步发展及大力推广。

3、规范和设计手册中坝内埋管设计方法的要点有哪些？

答：第一，按钢管单独承受全部设计内水压力作为校核条件，据此确定管壁厚度，钢管的允许应力取为(0.9~1.0)σs。

第二，假定配筋方案，将钢管与坝体混凝土简化为轴对称多层圆环，按钢管与坝体混凝土联合承载的原理，分析在内水压力作用下，坝体混凝土的应力状态，判断坝体混凝土是否开裂、裂多深、是否裂穿等，从而确定钢管传至坝体混凝土的内水压力，并计算钢管和钢筋的环向拉应力，这些拉应力值应小于材料各自的允许值。 第三，按线弹性假定，将钢管周围坝体混凝土作为平面应变问题，计算在内水压力(取上述第二步计算得到的钢管传至混凝土的内水压力)和坝体荷载作用下孔口附近的应力分布，按SDJ20一78《水工钢筋混凝土结构设计规范》(试行)的规定，按拉应力图形计算钢筋用量。如果此钢筋用量不超过并接近第二步中假定的钢筋量，则认为满足要求，否则重新计算至符合要求为止。

第四，温度应力一般不作计算，而只是对混凝土允许拉应力取较大的安全系数，或在配筋计算中将钢筋设计强度降低20一40MPa，也有的是增加一定的钢筋用量，以作为抵抗温度应力的配筋。同时要求在钢管周围混凝土浇筑时采取严格的温控措施，以降低温度应力。

此外，还应进行坝内埋管抗外压失稳的计算和设计。

4、简述钢衬钢筋混凝土岔管构造?

答：可以参照钢衬钢筋混凝土管道的工作原理，在钢岔管外围布置钢筋混凝土，与钢岔管共向承载，这种岔管形式我们称之为钢衬钢筋混凝土岔管。为了使钢衬和外围钢筋混凝土更好地联合工作，钢衬的外周要尽量平滑，即尽可能采用贴边岔管、内加强月牙肋岔管或无梁岔管，而不应采用局部刚度很大的三梁岔管或球形岔管。

1、钢筋混凝土管壁；2、钢衬；3、主管钢筋骨架；4、大套环钢筋骨架；5、小套环钢筋骨架；6、钢筋混凝土套环；7、主管轴线；8、支管轴线。

答：1、砌石暗渠

砌石暗渠是用块石及水泥砂浆砌筑而成。它的主要特点是能够就地取材，成本较低，施工简单。其缺点为抗拉、抗渗性能差，阻力大。一般适用于自流无压输水暗渠。

2、石棉水泥管

石棉水泥管是用75%-85%的水泥和15%-25%的石棉纤维（以重量计）混合经管机卷制而成，具有重量轻、耐腐蚀、使用年限长、承压能力高、便于搬运和铺设、内外壁光滑、切削和钻孔加工容易及施工简单等优点。但质脆，抗冲击与动荷载的性能差。

3、素混凝土暗渠（管）

素混凝土暗渠（管）是用水泥、沙、石按一定比例配合，不加钢筋，预制或现场浇筑而成。其断面有圆形、城门洞形等，以圆形混凝土管道应用最为广泛。它具有较好的水力性能，水流条件好，可在工厂内预制，施工方便，成本较低。但存在抗拉应力性能差，承受压力水头低。

4、钢筋混凝土管

钢筋混凝土管可分为预应力混凝土管和自应力钢筋混凝土管。预应力钢筋混凝土管是通过机械张拉钢筋产生预应力的钢筋混凝土管。自应力钢筋混凝土管是利用自应力水泥的膨胀力张拉钢筋产生预应力的钢筋混凝土管。预应力、自应力钢筋混凝土管均具有良好的抗渗性和耐久性，连接形式采用橡胶圈密封的承插子母口，施工安装比较简单，因受其材料力学性能和制造工艺的限制，自应力钢筋混凝土适用于较小的管径，预应力钢筋混凝土管适用于较大的管径。

5、塑料管

塑料管品种较多。主要有聚氯乙烯管、聚乙烯管、聚苯乙烯管和聚丙乙烯管等。塑料管具有重量轻、管壁光滑、水头损失小、有一定的强度、耐腐蚀性好、挠性好、连接敷设容易等优点。去电视外露容易老化，具有敏感的热膨胀性能，成本较高，因此，一般用于较小管径。目前，我国已开始研制大口径加筋聚乙烯塑料管。盖塑料管在各项性能满足相关质量要求前提下，较普通塑料管节约原料50%，成本降低50%。

答：1、GCL的结构组成是通过两层土工合成材料之间夹封膨润土末（或膨润土粒），通过针刺、缝合或粘合而成。也有GCL是利用膨润土的膨胀性防渗、利用土工织物来承载和护面的结构形式。它与土工膜同属土工合成材料，在渠道防渗应用中除具有土工膜的所有优点外，还具有以下优点：①柔性极好，抗张应力的能力强，在张应力变达20%情况下，其渗透率不增大。②具有极强的自愈合功能。由于膨润土具有遇水膨胀性，它会在土工织物刺破处自我愈合。同时上下层土工织物在针刺或缝合纤维的作用下也约束了膨润土的歉意，进一步提高了自愈和能力。③抗干湿循环和抗冻融循环的能力强。GCL受热后会出现干缩现象，但复水后出现程度裂缝会自动闭合，且渗透系数不变。经冻融试验，其抗冻能力较强。④比土工膜搭接方便，安装简单，施工速度快。

2、土壤固化剂，将其加入土壤中，可增强土体憎水性或降低土体水的冰点，阻止或减弱土体冻结时的水分迁移，从而减轻或消除冻胀，提高了土体的抗渗、抗冻性能。土壤固化剂应用于渠道防渗工程上，具有可就地取材、工程造价低、施工简单方便、防渗抗冻效果较好等优点。

3、聚氨基甲酸酯/土工织物复合材料，它由两层土工织物内嵌柔性固体材料聚氨基甲酸酯橡胶组成。土工织物为聚丙烯或聚酯土工织物。聚氨基甲酸酯橡胶由异氰酸盐和多元醇液体在0-48.8℃的温度下按一定比例混合而成。该复合材料与土工膜的主要区别是它由几种材料现场制作而成，混合后的聚氨基甲酸酯最初为液态，能将土工织物锚固到混凝土衬砌板或其他下部垫层上，两个小时内，聚氨基甲酸酯有液态转化为柔性固态，并根据渠床断面轮廓调节自己的形状，而且搭接部分黏附能力极强。它与土工膜相比，除具有柔性好、防渗效果强等优点外，还具有较强的抗刺穿能力；能与下部接触面粘附成一个整体，抗冲刷能力强；能根据渠道断面自动调节自己的形状；施工方便。

第二次作业：

（本次作业只要求初级职称学员答，中高级职称学员不答） ．．

1、什么是湿地？人工湿地净化技术的基本原理是什么？

答：湿地是由土壤基质及其浅水潮湿环境和水生植物、微生物、鱼虾类等水中栖息的动物共同组成的生态系统，通过物理、化学和生物作用的优化组合，起到污水处

理、净化环境的目的。

人工湿地原理：人工湿地一般由人工基质和生长在其上的水生植物（如芦苇、香蒲、苦草等）组成，形成基质-植物-微生物生态系统。当污水通过该系统时，污染物质和营养物质被吸收、转化和分解，从而使水体得到净化。人工湿地是一种开发、发展、自我设计的生态系统，涉及多级食物链，形成了内部良好的物质循环和能量传递。

2、何为水体自净？水体自净按作用的机制可分为哪几类？

答：污染物进入水体后，通过物理、化学和生物因素的共同作用，使污染物的总量减少或浓度降低，受污染的天然水体部分地或完全地恢复原状，这种现象为水体自净。

水体自净按其作用的机制可分为三类。①物理净化是指污染物通过稀释、扩散、混合、沉淀和挥发等作用，使自身浓度降低，物理净化只能降低污染物在水中的浓度，而不能减少污染物的总量。②化学净化作用是指通过水体的氧化还原、酸碱反应、分解化合、吸附与凝聚（属物理化学作用）等作用，使污染物质的存在形态发生变化和浓度降低。③生物化学净化作用通过水体中的水生生物、微生物的生命活动，使污染物质的存在状态发生变化，污染物总量和浓度降低。其中，最主要的是微生物对有机污染物的氧化分解作用，以及对有毒污染物的转化。物理净化作用与化学净化作用，只能是污染物的存在位置与存在形态发生变化，使水体中的存在浓度降低，但不减少污染物的总量。而生物化学净化可使污染物的总量降低，使水体得到真正的净化。经过一系列生物化学作用后，最终使有机污染物无机化，由有害向无害转化。

3、试述坝下游面钢衬钢筋混凝土管道结构计算方法?

答：1、KHncNma(RaFaRF0)该式的原理是，假设管道混凝土沿径向全部裂穿、混凝土不能承担环向应力，内水压力全部由钢管和钢筋承担，并且假设钢管和环向钢筋的应力值与各环半径无关，按明钢管锅炉公式计算出钢材总厚度，然后根据钢管规范的有关规定和钢筋布置因素，确定钢衬厚度，由设计钢衬总厚度减去采用的设计钢衬厚度即为各层钢筋的折算厚度。

2、前苏联水工研究院高尔登，将钢衬钢筋混凝土管道简化为轴对称的厚壁圆环，采用有限元法计算钢衬、各层钢筋及混凝土的应力，常称之为高尔登法。该方

法只适用于轴对称的管道结构，而且计算比较繁琐。

3、为了考虑管道结构的不对称性和钢衬、钢筋的作用，武汉大学马善定教授提出了钢衬钢筋混凝土管道非轴对称结构的计算方法。为了简化计算，该方法假定钢衬与混凝土接触面上的径向压应力P1沿圆周均匀分布，而切向剪应力为零，同时，将外包钢筋混凝土视为均质体，按等效弹模进行计算。经过与多个方案的有限元计算结果的比较，表明关于钢衬与混凝土接触面上径向压应力和切向剪应力的假定基本上是正确的。

由于考虑管道非轴对称结构的方法在计算外包钢筋混凝土应力时，要采用有限元或模型试验的方法，在使用上比较复杂，其结果与轴对称结构计算结果相差又不大，为此，对于管道混凝土未开裂和裂穿的两种情况，可以采用更为简便的厚壁圆环的组合环法。

4、如上所述，对于坝下游面钢衬钢筋混凝土管道，简化成多层圆环的轴对称结构进行计算基本上是合理的。为此，在全面分析管道混凝土在内水压力作用下经历弹性——塑性——开裂整个过程的基础上，董哲仁教授级高工又提出了钢衬钢筋混凝土管道正交各向异性状态分析方法[3]。该方法从求解正交各向异性体的基本微分方程入手，系统地导出了管道混凝土开裂但末裂穿和已经裂穿两种状态下的显式应力计算公式。这种方法避免了计算中解多元线性方程组的繁琐步骤，使计算更加简洁，而且可以保证计算精度，为设计人员提供了一种比较实用的设计方法。

5、以上方法都是通过将坝下游面钢衬钢筋泥凝土管道简化为轴对称结构，根据钢衬、钢筋和混凝土变位相容的条件，导出计算钢衬、钢筋和混凝土应力的计算公式，我们统称之为解析法。以上解析方法，虽然计算比较简便，容易为设计人员所掌握，但由于做了许多简化与假定，如轴对称假定、钢衬和混凝土接触面上径向应力均匀分布的假定等，另外，计算荷载只考虑了内水压力，因此计算结果与实际情况还有较大差异。为了考虑钢衬钢筋混凝土管道结构的实际形状，同时考虑内水压力、管道轴向力以及温度荷载的作用等，近十几年来，许多学者开始采用钢筋混凝土非线性有限元方法对管道结构进行计算分价，取得了较为满意的结果。

4、论述我国渠道防渗技术的研究发展方向？

答：1、以提高渠道防渗、防冻和耐久性为重点，积极开展渠道改性防渗材料、新材料及应用技术研究。（1）改性混凝土防渗材料性能的研究（2）新型固化土材料

的研究（3）新型复合土工膜的研究（4）特殊土渠道防渗技术研究。

2、以防治冻害为中心，开展渠道新型防冻胀结构形式与新材料的研究（1）建立渠道冻胀指标及分区信息系统（2）防冻胀最佳结构形式研究（3）新型保温复合材料及应用技术研究。

3、以提高渠道防渗工程质量和施工速度为目的，加大渠道防渗工程施工机械的研究。

4、积极开展暗渠、暗管（管道输水）防渗的研究力度。