水利水电工程概论课件.docx
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水利水电工程概论课件
v水利水电工程概论
v第一章绪论
v第一节水资源与水利工程
v水资源是人类生存及社会发展的一项基本因素，随着生产的发展和生活水平的不断提高，人们对水的要求日益增多，而大自然的来水：
地域、年际、年内分配不均，使来水与供水的矛盾日益尖锐，解决这种矛盾的根本措施是修建水利工程。
v第一节水资源与水利工程
v第一节水资源与水利工程
v第一节水资源与水利工程
v人均水资源量（1950~2050）
v第一节水资源与水利工程
v第一节水资源与水利工程
v最大的世界性问题──水匮乏
v世界银行最新提供的报告警告：
世界上近40%的人口难保有足够的洁净用水。
水资源已经到了严重不足的阶段。
一些环境和资源学家也指出，不远的将来，水缺乏将成为地球环境方面最大的难题。
v第一节水资源与水利工程
v所谓水利工程，是指对自然界的地表水和地下水进行控制和调配，以达到除害兴利目的而修建的工程。
v水利工程对水资源的综合利用主要包括:
v水电站的优缺点
能源回报率（Energypaybackratio）--以火力发电厂为例
运行期内发出的所有电力
建设期、运行期消耗的所有电力
（LucGagnon，hydro2009）
Ø消耗的所有电力包括建设期、运行期所消耗的所有电力既包括直接能源消耗，如机械设备运行、照明耗能等，也包括建筑材料、煤炭等制造、运输等过程的耗能。
v我国水电建设从解放初期装机16万千瓦，发展到2002年底装机8607万千瓦，尽管在发展进程中曾数度遭遇困难和挫折，但是仍然顽强地发展，从弱到强，由小到大。
v在不同的历史时期，我国水电事业曾受到不同因素的制约，先后经历了技术制约、投资制约、市场制约和生态制约四个发展阶段。
v1.技术制约阶段
v新中国成立初期，我国水电事业受建筑材料和技术等因素制约，发展速度缓慢。
由于缺乏科学的筑坝技术和现代化的建筑材料、施工机械，修建大坝主要靠人扛肩挑，机械化水平极低，制约了水电事业的发展。
v如今技术制约阶段早已成为过去，中国目前有能力设计、修建任何类型的大坝。
v2.投资制约阶段
v在电力短缺的情况下，国家急需发展火电和水电。
v为加快电力建设，国家制定了各种优惠政策鼓励水电发展。
譬如采用“两分钱”政策，每度电附加两分钱，调动各地的办电积极性。
修建三峡工程，也采用了全国每度电加四厘钱的办法。
这一时期只要能筹集到资金，电站就可以建，反之则难以建设。
v由于水电建设的投资相对较大，回报周期较长，在相当长的一段时间内，我国水电发展主要受着资金的制约。
v3.市场制约阶段
v改革开放以后，我国经济实力逐步增强，中央水电投资的增加，极大地缓解了水电建设的资金困难。
v随着水电事业的进一步发展，我国电力出现相对富余的局面，水电面临新的发展格局，同时也遇到了新的困难——市场成为影响水电发展和电力布局的主要制约因素。
有了市场，电站就可以建；没有市场，项目就上不了。
决定电站建与不建、电力往哪里送，市场是主要的制约因素。
如广东等地对电力的需求就为西南一批水电项目的开工建设提供了必要的市场。
v4.生态制约阶段
v水电事业在走出技术、资金、市场等因素的困扰后，又面临新的问题，即如何看待水电开发对生态带来的影响。
v当前，社会各界围绕这一问题展开了激烈的讨论，如怒江该不该开发水电，都江堰的杨柳湖电站该不该建等等；有关三门峡大坝的争论本质也是这个问题。
v这些争论都是大坝与生态问题在实践层面上引发的，焦点都是生态问题。
v三门峡大坝
v我国水电事业在发展进程中遇到的各种困难和技术、投资、市场、生态等方面的制约，是在一定历史阶段产生的，与经济社会发展程度密切相关。
v当前，水电发展的制约因素主要是生态问题，只有正确认识水电开发与生态的关系，科学评价大坝可能导致的生态环境问题，用科学发展观和人与自然和谐相处的理念正确认识并妥善处理现阶段遇到的问题，才能确保水电事业快速健康地发展。
人类兴建各类水利工程而引发的水域生态环境（包括水量、水质、水温、水面积、水深、流速、小气候、水生物、湿地环境、地下水位变化等）及其周边生态环境、生物群落动态变化，具有交叉性、复合性、因果性和得失双重性的特点。
它既可以抗御灾害，发展经济，改善人类生态环境、居住条件、生活质量，也可以对自然原生态和地形、地貌、植被、径流造成强烈干扰和破坏。
下面我们从对环境和人类的影响分别了解一下。
（三）对河岸带及三角洲的影响
水生和陆生环境的沉积物、营养元素、生物等内部物质交换和能量流动可能因水坝对洪水的控制作用而减少或受到限制，而下游洪水泛滥规模受到限制后，直接导致下游冲积平原和河口三角洲的生产力的下降。
v移民问题
水库移民涉及众多领域，是一项庞大复杂的系统工程，关系到人的生存权和居住权的调整，是当今世界性的难题。
在中国，移民问题是大坝建设带来的生态影响中最值得关注的问题。
新中国成立以来，我国修建了8万多座水库，移民人数达1500多万，许多移民至今仍未摆脱贫困，生产发展和生活问题没能得到很好的解决。
v第二节我国水资源与水能资源
v世界防洪效益最为显著的水利工程。
总库容393亿立方米，防洪库容221.5亿立方米。
v世界最大的水电站。
总装机1820万千瓦，年发电量846.8亿千瓦时。
v世界建筑规模最大的水利工程。
大坝坝轴线全长2309.47米，泄流坝段长483米，水电站机组70万千瓦（26台），双线5级船闸、升船机。
v世界工程量最大的水利工程。
主体建筑土石方挖填量约1.34亿立方米，砼浇筑量2794万立方米。
v世界施工难度最大的水利工程。
2000年砼浇筑量为548.17万立方米，月浇筑量最高达55万立方米。
v施工期流量最大的水利工程。
三峡工程截流流量9010立方米/秒，施工导流最大洪峰流量7.9万立方米/秒。
v世界泄洪能力最大的泄洪闸。
最大泄洪能力10.25万立方米/秒。
v世界规模最大、难度最高的升船机。
v世界水库移民最多、工作量最为艰巨的移民建设工程。
v典型工程2
Ø南水北调工程是解决中国北方水资源严重短缺问题的特大型基础设施项目，建设的目的是通过跨流域的水资源合理配置，保障经济、社会与人口、资源、环境的协调发展。
Ø１９９２年，江泽民提出要抓紧南水北调等跨世纪特大工程的兴建，南水北调的实施被提上国家议事日程。
经过广大科技工作者持续进行几十年的调研工作，在分析比较了５０多种方案的基础上，形成了分别从长江下游、中游和上游调水的东线、中线和西线三条调水线路。
Ø在规划的５０年间，南水北调工程总体规划分三个阶段实施，总投资将达４８６０亿元人民币。
v南水北调工程简介
Ø东线工程
从长江下游江苏省扬州江都抽引长江水，利用京杭大运河及与其平行的河道逐级提水北上，并连接起调蓄作用的洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖。
出山东泰安的东平湖后分两路输水，一路向北，经隧洞穿黄河，流经山东、河北至天津；一路向东，经济南输水到烟台、威海。
输水主干线长１１５６公里；
v南水北调工程简介
Ø中线工程
从长江中游北岸支流汉江加坝扩容后的丹江口水库引水，跨越长江、淮河、黄河、海河四大流域，可基本自流到北京、天津。
输水总干线全长１２６７公里。
中线工程具有水质好，覆盖面大，自流输水等优点。
丹江口大坝加高工程是中线水源工程的核心，是南水北调中线重要的节点和控制性工程，现工程进展顺利，54个需要加高的混凝土坝段已经有37个加高至新坝顶高程。
v南水北调工程简介
Ø西线工程
在长江上游通天河、支流雅砻江和大渡河上游筑坝建库，开凿穿过长江与黄河的分水岭巴颜喀拉山的输水隧洞，调长江水入黄河上游，补充黄河水资源的不足，主要解决涉及青海、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西等黄河上中游地区和渭河关中平原的缺水问题。
现未开工，前期研究阶段。
v第四节水电站的典型布置型式
概念：
当水头较大时，厂房本身抵抗不了水的推力，将厂房移到坝后，由大坝挡水。
位置：
坝后式水电站一般修建在河流的中上游。
特点：
库容较大，调节性能好。
如为土坝，可修建河岸式电站。
工程实例：
举世瞩目的三峡水电站就是坝后式水电站，其装机容量为18200MW。
v万家寨坝后式水电站
v有压引水式水电站
v无压引水式水电站
v潮汐发电原理
v水电站的组成建筑物
一、枢纽建筑物
挡水建筑物：
坝、闸
泄水建筑物：
溢洪道、泄水洞、溢流坝
过坝建筑物：
过船、过木、过鱼
二、发电建筑物
进水建筑物：
进水口、沉沙池
引水建筑物：
引水道、压力管道、尾水道
平水建筑物：
前池、调压室
厂区枢纽：
主厂房、副厂房、变电站、开关站等
v水利水电工程概论
v
v第二章基础知识
v第一节水文学与水力学
v第一节水文学与水力学
v第一节水文学与水力学
v第一节水文学与水力学
v第一节水文学与水力学
v第一节水文学与水力学
v第一节水文学与水力学
v第一节水文学与水力学
v第一节水文学与水力学
v第一节水文学与水力学
v南水北调工程简介
Ø南水北调工程是解决中国北方水资源严重短缺问题的特大型基础设施项目，建设的目的是通过跨流域的水资源合理配置，保障经济、社会与人口、资源、环境的协调发展。
Ø１９９２年，江泽民提出要抓紧南水北调等跨世纪特大工程的兴建，南水北调的实施被提上国家议事日程。
经过广大科技工作者持续进行几十年的调研工作，在分析比较了５０多种方案的基础上，形成了分别从长江下游、中游和上游调水的东线、中线和西线三条调水线路。
Ø在规划的５０年间，南水北调工程总体规划分三个阶段实施，总投资将达４８６０亿元人民币。
v南水北调工程简介
Ø东线工程
从长江下游江苏省扬州江都抽引长江水，利用京杭大运河及与其平行的河道逐级提水北上，并连接起调蓄作用的洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖。
出山东泰安的东平湖后分两路输水，一路向北，经隧洞穿黄河，流经山东、河北至天津；一路向东，经济南输水到烟台、威海。
输水主干线长１１５６公里；
v南水北调工程简介
Ø中线工程
从长江中游北岸支流汉江加坝扩容后的丹江口水库引水，跨越长江、淮河、黄河、海河四大流域，可基本自流到北京、天津。
输水总干线全长１２６７公里。
中线工程具有水质好，覆盖面大，自流输水等优点。
丹江口大坝加高工程是中线水源工程的核心，是南水北调中线重要的节点和控制性工程，现工程进展顺利，54个需要加高的混凝土坝段已经有37个加高至新坝顶高程。
v南水北调工程简介
Ø西线工程
在长江上游通天河、支流雅砻江和大渡河上游筑坝建库，开凿穿过长江与黄河的分水岭巴颜喀拉山的输水隧洞，调长江水入黄河上游，补充黄河水资源的不足，主要解决涉及青海、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西等黄河上中游地区和渭河关中平原的缺水问题。
现未开工，前期研究阶段。
v5、水文循环的意义：
v
（2）径流量W
v（3）径流深R
悬移质泥沙：
悬浮于水中并随之运动
推移质泥沙：
受水流冲击沿河底移动或滚动
河床质泥沙：
相对静止而停留在河床上
三者随水流条件的变化而相互转化
v水利水电工程概论
v
v第二章基础知识
v褶皱的基本类型
v背斜1
v2.向斜
v2.向斜
v板块裂开形成——东非裂谷
v水利水电工程概论
v
v第三章水利枢纽——绪论
v我国水电建设从解放初期装机16万千瓦，发展到2002年底装机8607万千瓦，尽管在发展进程中曾数度遭遇困难和挫折，但是仍然顽强地发展，从弱到强，由小到大。
v在不同的历史时期，我国水电事业曾受到不同因素的制约，先后经历了技术制约、投资制约、市场制约和生态制约四个发展阶段。
v1.技术制约阶段
v新中国成立初期，我国水电事业受建筑材料和技术等因素制约，发展速度缓慢。
由于缺乏科学的筑坝技术和现代化的建筑材料、施工机械，修建大坝主要靠人扛肩挑，机械化水平极低，制约了水电事业的发展。
v如今技术制约阶段早已成为过去，中国目前有能力设计、修建任何类型的大坝。
v2.投资制约阶段
v在电力短缺的情况下，国家急需发展火电和水电。
v为加快电力建设，国家制定了各种优惠政策鼓励水电发展。
譬如采用“两分钱”政策，每度电附加两分钱，调动各地的办电积极性。
修建三峡工程，也采用了全国每度电加四厘钱的办法。
这一时期只要能筹集到资金，电站就可以建，反之则难以建设。
v由于水电建设的投资相对较大，回报周期较长，在相当长的一段时间内，我国水电发展主要受着资金的制约。
v3.市场制约阶段
v改革开放以后，我国经济实力逐步增强，中央水电投资的增加，极大地缓解了水电建设的资金困难。
v随着水电事业的进一步发展，我国电力出现相对富余的局面，水电面临新的发展格局，同时也遇到了新的困难——市场成为影响水电发展和电力布局的主要制约因素。
有了市场，电站就可以建；没有市场，项目就上不了。
决定电站建与不建、电力往哪里送，市场是主要的制约因素。
如广东等地对电力的需求就为西南一批水电项目的开工建设提供了必要的市场。
v4.生态制约阶段
v水电事业在走出技术、资金、市场等因素的困扰后，又面临新的问题，即如何看待水电开发对生态带来的影响。
v当前，社会各界围绕这一问题展开了激烈的讨论，如怒江该不该开发水电，都江堰的杨柳湖电站该不该建等等；有关三门峡大坝的争论本质也是这个问题。
v这些争论都是大坝与生态问题在实践层面上引发的，焦点都是生态问题。
v三门峡大坝
v4.生态制约阶段
v经济社会的快速发展，电力紧缺矛盾日益加剧，发展水电是重要措施。
v修建大坝带来的生态问题将成为水电发展新的制约因素。
v案例—广西龙滩电站
v技术、投资、市场等制约因素解决后，又赶上了西部大开发的机遇，但该工程现在面临着一个很复杂的问题，即坝高到底多少，修高坝还是低坝？
争论很激烈。
v从工程效益角度和各项经济技术指标出发，几乎所有的水电专家都认为应该修高坝。
v但是这个方案会增加淹没区移民人数，而且是在少数民族聚居区，移民问题就成为确定工程建设方案的最重要因素。
v案例—广西龙滩电站
v小结
v综上所述，我国水电事业在发展进程中遇到的各种困难和技术、投资、市场、生态等方面的制约，是在一定历史阶段产生的，与经济社会发展程度密切相关。
v当前，必须高度重视水电发展中的生态问题，正确认识水电开发与生态的关系，科学评价大坝可能导致的生态环境问题，用科学发展观和人与自然和谐相处的理念正确认识并妥善处理现阶段遇到的问题，确保我国水电事业快速健康地发展。
人类兴建各类水利工程而引发的水域生态环境（包括水量、水质、水温、水面积、水深、流速、小气候、水生物、湿地环境、地下水位变化等）及其周边生态环境、生物群落动态变化，具有交叉性、复合性、因果性和得失双重性的特点。
它既可以抗御灾害，发展经济，改善人类生态环境、居住条件、生活质量，也可以对自然原生态和地形、地貌、植被、径流造成强烈干扰和破坏。
下面我们从对环境和人类的影响分别看一下。
（三）对河岸带及三角洲的影响
水生和陆生环境的沉积物、营养元素、生物等内部物质交换和能量流动可能因水坝对洪水的控制作用而减少或受到限制，而下游洪水泛滥规模受到限制后，直接导致下游冲积平原和河口三角洲的生产力的下降。
v移民问题
水库移民涉及众多领域，是一项庞大复杂的系统工程，关系到人的生存权和居住权的调整，是当今世界性的难题。
在中国，移民问题是大坝建设带来的生态影响中最值得关注的问题。
新中国成立以来，我国修建了8万多座水库，移民人数达1500多万，许多移民至今仍未摆脱贫困，生产发展和生活问题没能得到很好的解决。
仅三峡工程就涉及移民110万。
v大坝对生态人类的影响——案例
阿斯旺大坝
河口地区的沙丁鱼捕获量减少97%；
下游大量农田失去了尼罗河中的淤泥肥源而变得贫瘠；
沿河土壤的盐碱不能流失掉，土地年复一年地盐碱化；
海水入侵，沿岸侵蚀加重，地下水的水质变坏；
增加了血吸虫病的传播；
从埃及和苏丹的努比亚地区迁出了10万人。
v以上归纳的水利枢纽对生态的影响，是普遍意义上的。
对中国而言，要高度重视移民问题和建坝对泥沙与河道的影响问题。
v在不同的河流、不同的河段、不同的坝址上建坝，可能带来的生态问题并不相同，一定要根据当地的实际情况，针对具体项目进行具体分析。
一个项目带来的生态问题是什么，项目该不该上，该怎样进行控制管理，要作具体分析，而不能一提建坝就指责生态的所有问题，否定一切大坝建设。
v1、社会舆论对大坝与生态问题的关注是社会进步的表现
关注生态，是经济社会高度发展后人们思想认识的升华所带来的必然结果。
作为水利水电工作者，我们的一项重要任务就是保护生态，促进人与自然和谐相处。
因此，我们应该比以往、也应该比任何人都更加重视生态和环境问题。
对社会各界关于大坝和水利水电工程的不同看法，我们应持欢迎态度。
但同时，对偏激的、全盘否定大坝的错误观点也决不能苟同。
v2、发展不同阶段的国家对大坝建设看法不同，是经济社会的客观反映
一般而言，国际上对大坝问题的看法主要有两种观点：
发达国家不同意修大坝，认为大坝建设将对生态造成影响；发展中国家主张修大坝，认为不修大坝经济无法发展。
我国是发展中国家，我们赞成建坝，并在赞成修大坝的同时提出要十分注意生态问题。
v具体问题具体分析，不要一概否定建坝。
在不同的河流、不同的河段、不同的坝址上建坝，带来的生态问题是不同的。
在对每一条河、每一个大坝进行规划设计时，都要十分慎重地对待生态问题，认真做好生态环境评估报告。
只有充分重视每一座大坝的生态问题，才能实现水电大发展的宏伟目标。
v修大坝要慎重，拆大坝同样要十分慎重
如果认为修建大坝就能解决一切问题的主张是沿用了“人定胜天”的思想，那么认为拆掉大坝就能恢复原来生态的观点同样也是一种“人定胜天”的思想。
因为拆掉大坝也有可能破坏既成的、现实的生态系统，带来新的生态问题。
因此，建大坝要慎重，拆大坝同样要慎重；建大坝有一整套严格的批准程序，拆大坝也同样需要有一整套严格的批准程序。
当前应逐步建立大坝报废退出机制，完善配套法规，严格程序管理。
v水利水电工作者要勇于挑起大坝建设与生态保护两副重担
在以往的工作中，水利水电工作者考虑较多的是如何建设，对相关的生态问题考虑得不够。
应该认识到，任何水利水电工程，从本质上说都是生态工程。
如果在水利水电建设中对生态问题不能正确地对待、科学地处理，很可能会影响到整个国家的经济社会发展。
v险峰渡槽
离市中心不远的古渡槽是格雷塔罗的标志性建筑。
它始建于1726年，建成于1735年，全长1280米，有74个拱，最高处23米，是当时向全城供应饮水的惟一设施，现在成为该城最重要的古遗址和旅游景点。
由于悠久的历史和丰富的文化遗存，格雷塔罗被联合国教科文组织列入世界文化遗产名录。
v水工建筑物的结构安全级别
v不同级别水工建筑物在以下四方面有所不同：
v抗御洪水能力
v强度和稳定安全度
v建筑材料
v运行可靠性
v项目建议书
v可行性研究
v初步设计阶段
v技术设计阶段
v施工详图设计阶段
v后评价
v建设程序是一个不断深入、不断反馈的动态规划过程。
v纵向看：
前一阶段的工作成果是后一阶段工作的前提和基础，后一阶段是前一阶段工作的深入和细化
v横向看：
每一个阶段又可分解成若干相互联系和区别的子过程
v项目建议书阶段:
▪建议书应根据国民经济和社会发展长远规划、流域综合规划、区域综合规划、专业规划，按照国家产业政策和国家有关投资建设方针进行编制，是对拟进行建设项目的初步说明。
▪建议书一般由政府委托有相应资格的设计单位承担；并按国家现行规定权限向主管部门申报审批。
建议书被批准后，由政府向社会公布，若有投资建设意向，应及时组建项目法人筹备机构，开展下一建设程序工作。
v可行性研究报告阶段:
▪可行性研究应对项目进行方案比较，在技术上是否可行和经济上是否合理进行科学的分析和论证。
经过批准的可行性研究报告，是项目决策和进行初步设计的依据。
可行性研究报告，由项目法人（或筹备机构）组织编制。
v初步设计阶段
▪初步设计是根据批准的可行性研究报告和必要而准确的设计资料，对设计对象进行通盘研究，阐明拟建工程在技术上的可行性和经济上的合理性，规定项目的各项基本技术参数，编制项目的总概算。
初步设计任务应择优选择有项目相应资格的设计单位承担，依照有关初步设计编制规定进行编制。
第一节重力坝
一、重力坝的历史
二、重力坝的工作原理
重力坝定义：
依靠自身的重量产生的抗滑力维持其稳定性的坝。
重力坝的基本剖面：
呈三角形，上游面通常是垂直的或稍倾向上游的三角形断面。
受力特点：
主要依靠坝体的重量，在坝体和地基的接触面上产生抗滑力来抵抗库水的推力，以达到稳定的要求。
受力简图可以视作倒置的悬臂梁。
重力坝的剖面详图
1-非溢流重力坝；
2-溢流重力坝；
3-横缝；
4-导墙；
5-闸门；
6-坝内排水管；
7-检修、排水廊道；
8-基础灌浆廊道；
9-防渗帷幕；
10-坝基排水孔
三、重力坝的优点及缺点
五、重力坝的荷载
作用于重力坝的主要荷载有：
①自重；
②静水压力；
③扬压力；
④动水压力；
⑤冰压力；
⑥泥沙压力；
⑦浪压力；
⑧地震力；
⑨温度及其他荷载。
静水压力
作用在坝面上的静水压力可按静水力学原理计算，分为水平及垂直力分别进行计算。
扬压力
1、坝底扬压力形成原因：
①上下游水位差；
②砼、岩石都是透水材料。
坝底扬压力图：
动水压力
在溢流面上作用有动水压力，坝顶曲线和下游面直线段上的动水压力很小，可忽略不计。
只计算反弧段上的动水压力。
冰压力
1、静冰压力
2、动冰压力
泥沙压力
水库蓄水后，入库水流挟带泥沙，逐年淤积在坝前，对坝面产生泥沙压力。
淤积高程，根据河流的挟沙量和规定的淤积年限进行估算，年限可取50-100年。
按土力学公式计算，参照一般经验取数据
六、重力坝的荷载组合
1、基本荷载：
（1）坝体及设备自重
（2）正常蓄水位或设计洪水位时的静水压力
（3）对应于
（2）的扬压力
（4）泥沙压力
（5）相应的浪压力
（6）冰压力
（7）土压力
2、特殊荷载（频率低，作用时间短）
（8）相应于设计洪水位时的动水压力
（9）其他出现机会较多的荷载
（10）校核洪水位
（11）相应的扬压力
（12）相应的浪压力
（13）相应的动水压力
（14）地震荷载
（15）其他出现机会较少的荷载
2、混凝土分区
坝体混凝土分区：
坝体各部分工作条件不同，为了节约和合理使用水泥，通常将坝体按不同部位和不同工作条件分区，采用不同标号。
3、横缝
横缝垂直坝轴线，将坝体分成若干坝段。
横缝作用：
1）减小温度应力，
2）适应地基不均匀变形，
3）满足施工要求（如混凝土浇筑能力及温度控制）
间距：
12-20米，也有达20米
4、纵缝
6、坝体排水
7、廊道系统
为满足施工和适用要求（如灌浆、观测、排水、检查、交通的需要），须在坝体内设置各种廊道。
这些廊道相互连通，构成廊道系统。
（二）检查和坝体排水
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