第二节 水工建筑物和水利枢纽
一、水工建筑物
在水利工程中，为了满足防洪、发电、灌溉、航运、供水等需要而采用的建筑物，即水工建筑物。按其在工程中所起的作用，水工建设物可分为如下类型：
（1）挡水建筑物。用以拦截河流，形成水库或壅高水位，如各种挡水坝、水闸、堤防、海塘等。
（2）泄水建筑物。用以泄洪、排沙、放空水库等，保证工程安全，如溢流坝、河岸溢洪道、泄水隧洞、坝身泄水孔、水闸等。
（3）输水建筑物。从水库上游向下游或从水源向用水点输送水流的建筑物，如输水隧洞、涵管、渠道等。
（4）取（进）水建筑物。即输水建筑物的首部，如灌溉渠首、供水用的进水闸，抽水站等。
（5）渠系建筑物。在输水渠道上，当遇到某种特殊地形或障碍如河流、沟谷、山丘、道路等时，需修建的连接建筑物，如渡槽、倒虹吸、桥梁、涵管、跌水、陡坡等。
（6）河道整治建筑物。用以调整河道，改善水流条件，以及保护河床、岸坡免受水流破坏作用的建筑物，如丁坝、顺坝、导流堤、护底、护坡等。
（7）专门建筑物。用以发电、通航、过木过鱼等单一目的的建筑物，如水电站、船闸、升船机、过木道（机）、鱼道、鱼闸等。
按其在工程中使用时间长短，水工程筑物又可分为永久性建筑物和临时性建筑物。永久性建筑物是在运用期长期使用的建筑物，根据其重要性又分为主要建筑物和次要建筑物。主要建筑物是指失事后将造成下游灾害或严重影响工程效益的建筑物，如坝、闸、泄水建筑物，输水建筑物，电站厂房等；次要建筑物，是指失事后不致造成下游灾害或对工程效益影响不大，且易修复的建筑物，如挡土墙、导水墙（堤）、工作桥、护岸等。临时建筑物是指工程施工期间使用的建筑物，如围堰、导流建筑物等。
二、水利枢纽
为了满足防洪、发电、航运、供水、灌溉等需要，一个水利工程往往需要几个不同作用的水工建筑物相互配合，协同运行。例如在小浪底水利工程中，壤土斜心墙堆石坝用以挡水形成水库；溢洪道和泄洪洞用以汛期宣泄洪水，保障工程安全；排沙洞用以排放水库泥沙；明流洞向下游输水；引水发电洞及电站厂房等用以发电。像这样集中修建起来，使用期间协调运行，共同发挥整体作用的若干水工建筑物的综合体，称为水利枢纽。
按其作用，水利枢纽可分为蓄水枢纽、取水枢纽和提水枢纽等。蓄水枢纽可对河流来水起调节和储蓄作用，一般包括挡水建筑物、泄水建筑物、输水建筑物三大件以及发电、通航建筑物等；取水枢纽是直接从河流、湖泊等地表水源引水时，在取水口处修建的水工建筑物综合体，也称引水枢纽或渠首工程，一般包括进水闸、防沙设施以及拦河闸（坝）等；提水枢纽是当用抽水机直接从河道提取水量并加压抬高水位时，在取水口处修建的水工建筑物综合体，一般由引水渠、抽水池、抽水机站厂房、压力管道和压力池等构成。本书主要讨论蓄水与取水枢纽中所用到的水工建筑物，水电站部分除外。
三、水利工程及其建筑物的特点
与土建工程及其建筑物相比，水利工程及其建筑物最显著的共性是，从施工到运用始终处于水环境之中，由此，其具有以下一些鲜明特征：
（1）工作条件复杂。水利工程及其建筑物多建在水中或水下，运用期除了承担各种荷载外，还承受水的作用，包括水的渗透和浮力作用、渗流作用、侵蚀和风化作用；泄水建筑物表面高速水流的冲刷、磨蚀以及空蚀、振动、掺气、脉动等作用，使之处于十分复杂的工作条件之下。
（2）施工条件复杂。一项水利工程施工时，除了要保证其建筑物本身质量达到设计标准和构造要求外，还要首先解决好施工导流、河道截流、雨期度汛、复杂而严格的地基处理，以及基坑排水、水下和地下施工，深山峡谷交通不便等严峻问题，其中每一环节均受自然、气候等随机因素影响，都需要抢时间，争进度，这些问题解决得好与坏，将影响到工程的成败。因此，其施工任务的艰巨性和施工条件的复杂性，是任何土建工程无法比拟的。
（3）结构型式的特殊性。由于任一水利工程都有其独特的地理位置、地形、地质、水文、气候等自然条件，决定了其总体布置、建筑物的结构型式与尺寸，以及构造等方面，均不会与其他任一工程或建筑物类同。因此，对每一水利工程及其建筑物的设计与施工，只能借鉴其他工程或建筑物的经验，而不能套用其模式，必须从实际情况出发，创造性地利用其特殊的自然条件，按照安全与经济的总准则精心地进行。
（4）对国民经济的影响显著。水利工程建成后，对国民经济产生的效益是非常显著的，但若一旦失事，给国家和人民带来的灾害也是非常巨大的，二者都将远远超过其自身造价。至今已应用了2000多年且仍在应用的都江堰工程就是一成功的历史典范。又如长江三峡水利枢纽，在建成后的10大效益中，发电方面，按每度电0.1元计，则年创现值105亿元；航运方面，形成横贯中华东西大地的黄金水道，万吨级船队通江达海，航运成本降低37%；养殖方面，扣除航道外还有近700km2的水面是虾、贝、鱼、鳖、禽等的庞大淡水养殖基地等，而且采用合理的运用方式，水库运行100年后仍具有92%的调节库容，可见其效益巨大。而水利工程失事给国民经济和人民生命财产造成的损失也是惨重的，例如1975年8月我国河南省遭遇大洪水，致使板桥、石漫滩二水库垮坝，淹没下游农田73.3万hm2（1hm2＝15亩），京广铁路中断，死亡人口9万人，其惨重损失亦远远超过其自身造价。
四、水利水电枢纽分等和水工建筑物分级
对具有如上特征的水利水电工程及水工建筑物，为使设计、施工时，既保证其安全性又考虑其经济性，我国《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2000）中，按水利水电枢纽工程的规模、效益和在国民经济中的重要性划分为五等，分等指标见表1-1。还对在河流上修建的拦河水闸工程，按其过闸流量划分为五等，见表1-2。对水利水电工程中的永久性水工建筑物，根据其所在工程的等别和建筑物的重要性分为五级，见表1-3。并提出，对确定为2级、3级的水库大坝，当坝高超过表1-4指标时，其级别可提高一级，但洪水标准可不提高。
表1-1 水利水电工程分等指标
表1-2 拦河水闸工程分等指标
表1-3 永久性水工建筑物级别
表1-4 水库大坝提级指标
对水利水电工程施工中采用的临时性挡水建筑物和泄水建筑物，根据其保护对象的重要性、失事后果、使用年限及其建筑物的规模，划分为三个级别，见表1-5。
表1-5 临时性水工建筑物级别
当临时性水工建筑物根据表1-5指标归属不同级别时，按其最高级别确定。当临时性水工建筑物在施工期用于挡水发电、通航时，经技术经济论证，3级以下的临时性水工建筑的级别可提高一级。
对水利枢纽及其水工建筑物等、级划分的目的在于，不同级别的水工建筑物在以下几方面应有不同的设计要求：
（1）抗御洪水和地震的能力，如洪水标准、抗震标准、坝顶超高等。
（2）强度和稳定性的安全度。如建筑物的强度和抗滑稳定安全系数，限制变形的要求等。
（3）建筑材料。如材料的品种、质量、耐久性等。
（4）运行可靠性。如建筑物各部分尺寸裕度大小，闸门等可动结构的灵活可靠性，备用设备的设置等。
（5）设计基准期。如1级挡水建筑物采用100年；其他永久性建筑物采用50年；特大工程挡水建筑物需经专门研究决定；临时性建筑物按预定的使用年限和可滞后的时间确定。
五、洪水标准
设计水工建筑物采用的洪水标准，按其所在地理条件和建筑物性质不同，《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2000）分别作了规定。
（一）山区、丘陵区永久性水工建筑物的洪水标准
对山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物的洪水标准，按表1-6确定，其中对土石坝，如失事后对下游造成特大灾害时，1级建筑物的校核洪水标准，应取可能最大洪水（简称PMF）或重现期10000年标准，2、3、4级建筑物的校核洪水标准，可提高一级。对混凝土坝、浆砌石坝，如洪水漫顶将造成极严重的损失时，1级建筑物的洪水标准，经专门论证并经批准后，可取可能最大洪水或者重现期10000年标准。
表1-6 山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物洪水标准［重现期（年）］
山区、丘陵区水利水电工程中，永久性泄水建筑物消能防冲设计的洪水标准，可低于其泄水建筑物的洪水标准，根据泄水建筑物的级别，按表1-7确定。并应考虑到，在低于消能冲防设计洪水标准时，可能出现的不利情况。对超过消能冲防设计标准的洪水，容许消能冲防建筑物出现局部损坏，但不得危及挡水建筑物及其他主要建筑物的安全，且易于维修，不致长期影响工程运行。
表1-7 山区、丘陵区水利水电工程消能防冲建筑物洪水标准
坝体施工期临时度汛的洪水标准，按其坝型及坝前拦洪库容，按表1-8确定，根据其失事后对下游的影响，标准可适当提高或降低。
施工后期，导流建筑物封堵后，如永久性泄水建筑物尚未具备设计泄洪能力，坝体度汛的洪水标准，应在分析坝体施工和运行要求后，按表1-9确定。
表1-8 坝体施工期临时度汛洪水标准［重现期（年）］
表1-9 导流泄水建筑物封堵后坝体度汛洪水标准［重现期（年）］
（二）平原、海滨区永久性水工建筑物的洪水标准
对平原区水利水电工程永久性水工建筑物的洪水标准，按表1-10确定。潮汐河口段和海滨区水利水电工程永久性水工建筑物按潮水标准确定，见表1-11。
表1-10 平原区水利水电工程永久性水工建筑物洪水标准［重现期（年）］
表1-11 潮汐河口段和滨海区水利水电工程永久性水工建筑物潮水标准
（三）临时性水工建筑物洪水标准
《标准》（SL 252—2000）规定，临时性水工建筑的洪水标准，应根据建筑物的结构类型和级别，在表1-12所列幅度内，结合风险度综合分析，合理选用。
表1-12 临时性水工建筑物洪水标准［重现期（年）］
六、顶部安全超高
水利水电工程永久性挡水建筑物顶部高程，应按工程设计情况和校核情况时的静水位加相应的波浪爬高、风壅增高和安全加高确定，其安全加高应不小于表1-13规定的数值。
表1-13 永久性挡水建筑物安全加高（m）
当永久性水工建筑物顶部设有稳定、坚固和不透水的且与建筑物的防渗体紧密结合的防浪墙时，如上确定的永久性挡水建筑物的顶部高程，可作为防浪墙的顶部高程，但此时永久性挡水建筑物的顶部高程，应不低于水库正常蓄水位。
对不过水的临时性挡水建筑物的顶部高程，应按设计洪水位加波浪高度，再加安全加高确定，安全加高值见表1-14。过水的临时性挡水建筑物顶部高程，应按设计洪水位加波浪超高确定，不另加安全加高。
表1-14 临时性挡水建筑物安全加高（m）
七、水利水电工程的设计阶段和水工建筑物的基本设计方法
（一）水利水电工程的设计阶段
根据国家基本建设管理程序要求，大、中型水利水电工程建设可按如下阶段进行：
（1）河流（地区）规划阶段。主要任务是根据地区国民经济各部门的要求，综合本流域（地区）的水资源，通过技术经济比较，选择开发利用的最优方式和梯级开发方案，规定各项工程的任务、规模、特征值、运用方式，并提出第一期开发工程项目。
（2）可行性研究阶段。主要论证拟建工程在国民经济发展中的必要性、可行性和合理性。选定枢纽及建筑物总体设计方案，进行坝址选择和枢纽总体布置，选择主要机电设备，计算工程量，进行施工总体布置，确定工期，计算工程总投资，并对生态环境影响进行评价，对工程兴建的可行性进行全面论证。
（3）初步设计阶段。在可行性研究的基础上，对拟建工程的具体规模，主要工程技术方案的总体布置，各主要建筑物的型式、主要尺寸、永久设备、施工总体设计以及主要施工方法和总进度、总概算等，作进一步的比较、论证，最后确定推荐方案。初步设计与可行性研究的内容大致相同，但其工作深度和在决策上的侧重面不同。
（4）技施设计阶段。在经过了审查批准拟建工程初步设计的基础上，最后落实整个设计工作中的技术措施和施工措施，达到工程实施要求。本阶段应提出整个工程分项分部的施工、制造、安装图纸、工艺技术要求、永久设备购置清单等，并对初步设计中遗留问题进行补充、修改设计。对复杂技术问题，进行试验研究，分析论证，做到安全、经济、合理。此阶段允许对初步设计成果作局部修改，使之更切合实际，更为合理。但重大修改必须征得原设计单位和原审批部门的同意。
（二）水工建筑物的基本设计方法
由于水工建筑物所受荷载及工作条件十分复杂，不少问题尚待进一步认识和研究。为尽可能达到安全与经济合理的统一，目前对水工建筑物的设计研究常采用以下几种方法：
（1）理论分析。对水工建筑物的结构体系及其所涉及的水流现象，经过合理简化，建立便于理论计算又能保证工程精度要求的物理、力学模型，再运用材料力学、结构力学、水力学或弹性力学、流体力学、有限元等求解。这是基本的也是目前主要的分析方法。但因其复杂性，在水利工程设计中，目前尚有不少问题不能完全依靠理论分析解决，必须借助于其他方法完成。
（2）试验研究。对边界或工作条件复杂的整个枢纽、建筑物的整体或局部，进行水工模型或结构模型试验，观测、分析其工作过程和破坏机理，了解其实际工作性态。试验研究可解决许多理论分析至今不能解决的问题，在水利工程设计中起着十分重要的作用。
（3）原型观测。施工时，在水工建筑物内部埋设观测仪表，对建筑物的应力、应变、渗流等进行内部观测，同时利用精密的量测手段，对建筑物的变位、变形等进行外部观测，以检查建筑物是否正常工作，检验理论分析和模型试验成果是否确切，并可作为提高理论分析和模型试验水平的依据。
（4）工程类比。参照与本工程条件相似且运行良好的工程，选定基本尺寸和参数（常用于初拟尺寸或小型工程），然后再由理论计算或试验研究进行修正或确定。
八、本课程研究的内容和学习方法
本课程以水利水电工程中所用到的水工建筑物为研究对象，介绍其功用、特点、工作条件，以及结构型式、布置要求、细部构造和设计理论与设计方法等。它是一门综合性、专业性和实践性很强的学科，以水文学、水力学、材料力学、结构力学、弹性力学、岩土力学、工程地质、钢筋混凝土结构学等为基础，并与测量学、电工学、工程制图及CAD等密切相关，涉及知识面较广。学生要综合运用各基础学科知识来学习和掌握水工建筑物设计和运用管理的一般规律，并结合完成思考题与习题达到初步消化，再通过试验、实习、课程设计、毕业设计等环节，培养和提高解决实际工程问题的能力。