任務0.2 水工建筑物和水利樞紐基本概念認知

0.2.1 水工建筑物及其分類

水工建筑物就是為開發、利用和保護水資源，減免水害而修建的承受水作用的建筑物。水工建筑物的種類繁多，可以按照使用期限和功能進行分類。

1.按建筑物使用期限分類

按建筑物的使用期限可將水工建筑物分為永久性建筑物和臨時性建筑物。

（1）永久性建筑物。這種建筑物在運用期長期使用，根據其在整體工程中的重要性又分為主要建筑物和次要建筑物。主要建筑物是指失事后將造成下游災害或嚴重影響工程效益的建筑物，如閘、壩、泄水建筑物、輸水建筑物及水電站廠房等；次要建筑物是指失事后不至于造成下游災害和對工程效益影響不大且易于檢修的建筑物，如擋土墻、導流墻、工作橋及護岸等。

（2）臨時性建筑物。這種建筑物僅在工程施工期間使用，如圍堰、導流建筑物等。

2.按建筑物用途分類

按建筑物的用途可將水工建筑物分為擋水建筑物、泄水建筑物、輸水建筑物、取水建筑物、整治建筑物和專門建筑物。

（1）擋水建筑物。用以攔截江河，形成水庫或壅高水位，如各種壩和閘；以及為抗御洪水或擋潮，沿江河海岸修建的堤防、海塘等。

（2）泄水建筑物。用以宣泄在各種情況下、特別是洪水期的多余入庫水量，以確保大壩和其他建筑物的安全，如溢流壩、溢洪道、泄洪洞等。

（3）輸水建筑物。為灌溉、發電和供水的需要從上游向下游輸水用的建筑物，如輸水洞、引水管、渠道、渡槽等。

（4）取水建筑物。是輸水建筑物的首部建筑，如進水閘、揚水站等。

（5）整治建筑物。用以整治河道，改善河道的水流條件，如丁壩、順壩、導流堤、護岸等。

（6）專門建筑物。專門為灌溉、發電、供水、過壩需要而修建的建筑物，如電站廠房、沉沙池、船閘、升船機、魚道、筏道等。

同一種水工建筑物有時可起不同的作用，有時可兼有多種作用。前者如樞紐中的隧洞，有的是配合溢流壩或河岸溢洪道作為泄水建筑物，有的則是作為水電站或灌溉的取水建筑物；后者如水閘，既起擋水作用，又起泄水作用。

0.2.2 水利樞紐

水利樞紐就是綜合利用水資源的控制性水工建筑物的組合體。也就是為了滿足水利工程興利除害的目標，在水域的適當地點集中布置若干個不同類型的水工建筑物，各自發揮不同作用并協調工作，構成一有機綜合體。

水利樞紐有高、中、低水頭之分，一般以水頭70m以上者為高水頭樞紐，30～70m者為中水頭樞紐，30m以下者為低水頭樞紐。

水利樞紐按承擔任務的不同，可分為防洪樞紐、灌溉（或供水）樞紐、水力發電樞紐和航運樞紐等。多數水利樞紐承擔多項任務，也就是為了實現多個目標兼有多種功能，這種樞紐稱為綜合性水利樞紐。樞紐正常運行中各部門之間對水的要求是不同的，如防洪部門希望汛前降低水位加大防洪庫容，而興利部門則希望擴大興利庫容而不愿汛前過多降低水位；水力發電只是利用水的能量而不消耗水量，發電后的水仍可用于農業灌溉或工業供水，但發電、灌溉和供水的用水時間不一定一致。因此在進行水利樞紐設計時，應使上述矛盾能得到合理解決，以做到降低工程造價，滿足國民經濟各部門的需要。

例如：丹江口水利樞紐是南水北調中線渠首蓄水工程，具有防洪、灌溉、發電、航運、漁業等綜合效益，總庫容209億m³，樞紐主要組成如圖0.1所示。

攔河壩段為寬縫重力壩，長1141m，高97m，用以截斷水流，擋水蓄水形成水庫。

溢流壩段位于河床中部，總長264m，設有20個寬8.5m的開敞式溢流孔和12個寬5m、高6m的深孔，用以宣泄洪水期入庫洪量超過水庫調蓄能力的多余洪水，以保證大壩及有關建筑物安全。

水電站是用以將水能轉化為電能的專門水工建筑物，壩后式廠房位于河床左部，裝機容量90萬kW。

升船機的其作用是向上、下游運送過壩船只。采用垂直升船機與斜面升船機相結合的形式，布置在右岸。

0.2.3 水利水電樞紐工程分等和水工建筑物分級

一項水利樞紐工程的成敗對國計民生有直接的影響，但不同規模的工程影響程度也不同。為使工程的安全可靠性與其造價的經濟合理性適當統一起來，水利樞紐及其組成建筑物要分等分級。即先按工程的規模、效益及其在國民經濟中的重要性，將水利工程分等，而后再對各組成建筑物按其所屬樞紐等別、建筑物作用及重要性進行分級。

樞紐工程、建筑物的等、級不同，對其規劃、設計、施工、運行管理的要求也不同。等級越高者要求也越高。這種分等分級、區別對待的方法，也是國家經濟政策和技術政策的一種重要體現。

按照SL 252—2000《水利水電工程等級劃分及洪水標準》，水利水電樞紐工程共分為五等，見表0.1。

對于綜合利用的水利水電工程，如按表中指標分屬幾個不同等別時，整個樞紐的等別應按其中的最高等別確定。

水利水電工程的永久性水工建筑物的級別，應根據其所在的工程等別和建筑物的重要性劃分，共分為五級，見表0.2。

永久性水工建筑物級別確定時，對于下述情況可提高或降低其主要建筑物級別：

（1）對于失事后損失巨大或影響十分嚴重的水利水電工程的2～5級主要永久性水工建筑物，經過論證，可提高一級；失事后損失不大的水利水電工程的1～4級主要永久性水工建筑，經論證后可降低一級。

（2）對于永久性建筑物的工程地質條件特別復雜，或采用缺少實踐經驗的新壩型、新結構時，對2～5級建筑物可提高一級，但洪水標準可不提高。

（3）對于水庫大壩按表0.2規定為2級、3級的永久性水工建筑物，如壩高超過表0.3中數值者可提高一級，但洪水標準不予提高。

例如：某內陸峽谷水庫樞紐工程是以灌溉為主兼有發電和供水的綜合利用工程，水庫總庫容為4.8億m³，其中興利庫容為3.2億m³，農田灌溉面積15萬畝，水電站裝機容量為1.44萬kW，攔河壩高42m。由表0.1可知：該工程等別為Ⅱ等，攔河大壩等級為2級。

水利水電工程施工期使用的臨時擋水和泄水建筑物的級別，就根據保護對象的重要性、失事后果、使用年限和臨時性建筑物規模，按表0.4來確定。表中指標分屬不同級別時，其級別應按其中最高級別確定，但對3級臨時性水工建筑物，符合該級別規定的指標不得少于兩項。

0.2.4 水工建筑物的特點

1.工作條件復雜

由于水的作用形成了水工建筑物特殊的工作條件：擋水建筑物蓄水以后，除承受一般的地震力和風壓力等水平推力外，還承受很大的水壓力、浪壓力、冰壓力、地震動水壓力等水平推力，對建筑物的穩定性影響極大；通過水工建筑物和地基的滲流，對建筑物和地基產生滲透壓力，還可能產生浸蝕和滲透破壞；當水流通過水工建筑物下泄時，高速水流可能引起建筑物的氣蝕、振動以及對下游河床和兩岸的沖刷；對于特定的地質條件，水庫蓄水后可能誘發地震，進一步惡化建筑物的工作條件，等等。

2.施工條件復雜

水工建筑物的興建，需要解決好施工導流問題。第一，要求在施工期間，保證建筑物安全的前提下，河水應能順利下泄，必要的通航、過木要求應能滿足，這是水利工程設計和施工中的一個重要課題；第二，工程進度緊迫，工期也比較長，截流、度汛需要搶時間、爭進度，否則將導致拖延工期；第三，施工技術復雜，水工建筑物的施工受氣候影響較大，如：大體積混凝土的溫度控制，復雜的地基較難處理，填土工程要求一定的含水量和壓實度，雨季施工有很大的困難；第四，地下、水下工程多，排水施工難度比較大；第五，交通運輸比較困難，高山峽谷地區更為突出，等等。

3.對自然環境及社會環境影響大

水利樞紐工程和單項的水工建筑物可以承擔防洪、灌溉、發電、航運等任務，同時又可以綠化環境，改良土壤植被，發展旅游，甚至建成優美的城市等，但是，如果處理不當也可能產生消極的影響。如：水庫蓄水越多，則效益越高，淹沒損失也越大，不僅導致大量移民和遷建，還可能引起庫區周圍地下水位的變化，直接影響工農業生產，甚至影響生態環境；庫尾的泥沙淤積，可能會使航道惡化。

4.失事后果嚴重

攔蓄巨大水量的擋水建筑物萬一失事，將會給下游帶來巨大的災害，其損失遠遠超過建筑物本身的價值，并使以該水利樞紐為基礎而建立起來的經濟事業處于癱瘓狀態。1975年8月我國河南省部分地區遭遇特大洪水，加之板橋、石漫灘兩座水庫垮壩，使下游1100萬畝農田受淹，京廣鐵路中斷，死亡達9萬人。因此，水工建筑物設計工作必須充分重視勘測、試驗和研究分析工作，以高度負責的精神，精心設計、精心施工、加強管理，確保工程安全。