任务0.2 水工建筑物和水利枢纽基本概念认知
0.2.1 水工建筑物及其分类
水工建筑物就是为开发、利用和保护水资源，减免水害而修建的承受水作用的建筑物。水工建筑物的种类繁多，可以按照使用期限和功能进行分类。
1.按建筑物使用期限分类
按建筑物的使用期限可将水工建筑物分为永久性建筑物和临时性建筑物。
（1）永久性建筑物。这种建筑物在运用期长期使用，根据其在整体工程中的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，如闸、坝、泄水建筑物、输水建筑物及水电站厂房等；次要建筑物是指失事后不至于造成下游灾害和对工程效益影响不大且易于检修的建筑物，如挡土墙、导流墙、工作桥及护岸等。
（2）临时性建筑物。这种建筑物仅在工程施工期间使用，如围堰、导流建筑物等。
2.按建筑物用途分类
按建筑物的用途可将水工建筑物分为挡水建筑物、泄水建筑物、输水建筑物、取水建筑物、整治建筑物和专门建筑物。
（1）挡水建筑物。用以拦截江河，形成水库或壅高水位，如各种坝和闸；以及为抗御洪水或挡潮，沿江河海岸修建的堤防、海塘等。
（2）泄水建筑物。用以宣泄在各种情况下、特别是洪水期的多余入库水量，以确保大坝和其他建筑物的安全，如溢流坝、溢洪道、泄洪洞等。
（3）输水建筑物。为灌溉、发电和供水的需要从上游向下游输水用的建筑物，如输水洞、引水管、渠道、渡槽等。
（4）取水建筑物。是输水建筑物的首部建筑，如进水闸、扬水站等。
（5）整治建筑物。用以整治河道，改善河道的水流条件，如丁坝、顺坝、导流堤、护岸等。
（6）专门建筑物。专门为灌溉、发电、供水、过坝需要而修建的建筑物，如电站厂房、沉沙池、船闸、升船机、鱼道、筏道等。
同一种水工建筑物有时可起不同的作用，有时可兼有多种作用。前者如枢纽中的隧洞，有的是配合溢流坝或河岸溢洪道作为泄水建筑物，有的则是作为水电站或灌溉的取水建筑物；后者如水闸，既起挡水作用，又起泄水作用。
0.2.2 水利枢纽
水利枢纽就是综合利用水资源的控制性水工建筑物的组合体。也就是为了满足水利工程兴利除害的目标，在水域的适当地点集中布置若干个不同类型的水工建筑物，各自发挥不同作用并协调工作，构成一有机综合体。
水利枢纽有高、中、低水头之分，一般以水头70m以上者为高水头枢纽，30～70m者为中水头枢纽，30m以下者为低水头枢纽。
水利枢纽按承担任务的不同，可分为防洪枢纽、灌溉（或供水）枢纽、水力发电枢纽和航运枢纽等。多数水利枢纽承担多项任务，也就是为了实现多个目标兼有多种功能，这种枢纽称为综合性水利枢纽。枢纽正常运行中各部门之间对水的要求是不同的，如防洪部门希望汛前降低水位加大防洪库容，而兴利部门则希望扩大兴利库容而不愿汛前过多降低水位；水力发电只是利用水的能量而不消耗水量，发电后的水仍可用于农业灌溉或工业供水，但发电、灌溉和供水的用水时间不一定一致。因此在进行水利枢纽设计时，应使上述矛盾能得到合理解决，以做到降低工程造价，满足国民经济各部门的需要。
例如：丹江口水利枢纽是南水北调中线渠首蓄水工程，具有防洪、灌溉、发电、航运、渔业等综合效益，总库容209亿m3，枢纽主要组成如图0.1所示。
图0.1 丹江口水利枢纽布置图
拦河坝段为宽缝重力坝，长1141m，高97m，用以截断水流，挡水蓄水形成水库。
溢流坝段位于河床中部，总长264m，设有20个宽8.5m的开敞式溢流孔和12个宽5m、高6m的深孔，用以宣泄洪水期入库洪量超过水库调蓄能力的多余洪水，以保证大坝及有关建筑物安全。
水电站是用以将水能转化为电能的专门水工建筑物，坝后式厂房位于河床左部，装机容量90万kW。
升船机的其作用是向上、下游运送过坝船只。采用垂直升船机与斜面升船机相结合的形式，布置在右岸。
0.2.3 水利水电枢纽工程分等和水工建筑物分级
一项水利枢纽工程的成败对国计民生有直接的影响，但不同规模的工程影响程度也不同。为使工程的安全可靠性与其造价的经济合理性适当统一起来，水利枢纽及其组成建筑物要分等分级。即先按工程的规模、效益及其在国民经济中的重要性，将水利工程分等，而后再对各组成建筑物按其所属枢纽等别、建筑物作用及重要性进行分级。
枢纽工程、建筑物的等、级不同，对其规划、设计、施工、运行管理的要求也不同。等级越高者要求也越高。这种分等分级、区别对待的方法，也是国家经济政策和技术政策的一种重要体现。
按照SL 252—2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》，水利水电枢纽工程共分为五等，见表0.1。
表0.1 水利水电枢纽工程分等指标表
注 1.总库容系指校核洪水位以下的静态库容。
2.灌溉面积与排涝面积系指设计面积。
3.挡潮工程等级可参照防洪工程的规定，在潮灾比较严重的地区，工程等级可适当提高。
4.供水工程的重要性应根据城市及工况区和生活区供水规模、经济效益和社会效益分析决定。
对于综合利用的水利水电工程，如按表中指标分属几个不同等别时，整个枢纽的等别应按其中的最高等别确定。
水利水电工程的永久性水工建筑物的级别，应根据其所在的工程等别和建筑物的重要性划分，共分为五级，见表0.2。
表0.2 水工建筑物级别的划分
永久性水工建筑物级别确定时，对于下述情况可提高或降低其主要建筑物级别：
（1）对于失事后损失巨大或影响十分严重的水利水电工程的2～5级主要永久性水工建筑物，经过论证，可提高一级；失事后损失不大的水利水电工程的1～4级主要永久性水工建筑，经论证后可降低一级。
（2）对于永久性建筑物的工程地质条件特别复杂，或采用缺少实践经验的新坝型、新结构时，对2～5级建筑物可提高一级，但洪水标准可不提高。
（3）对于水库大坝按表0.2规定为2级、3级的永久性水工建筑物，如坝高超过表0.3中数值者可提高一级，但洪水标准不予提高。
表0.3 水库大坝级别提高的界限
例如：某内陆峡谷水库枢纽工程是以灌溉为主兼有发电和供水的综合利用工程，水库总库容为4.8亿m3，其中兴利库容为3.2亿m3，农田灌溉面积15万亩，水电站装机容量为1.44万kW，拦河坝高42m。由表0.1可知：该工程等别为Ⅱ等，拦河大坝等级为2级。
水利水电工程施工期使用的临时挡水和泄水建筑物的级别，就根据保护对象的重要性、失事后果、使用年限和临时性建筑物规模，按表0.4来确定。表中指标分属不同级别时，其级别应按其中最高级别确定，但对3级临时性水工建筑物，符合该级别规定的指标不得少于两项。
表0.4 临时性水工建筑级别的划分
0.2.4 水工建筑物的特点
1.工作条件复杂
由于水的作用形成了水工建筑物特殊的工作条件：挡水建筑物蓄水以后，除承受一般的地震力和风压力等水平推力外，还承受很大的水压力、浪压力、冰压力、地震动水压力等水平推力，对建筑物的稳定性影响极大；通过水工建筑物和地基的渗流，对建筑物和地基产生渗透压力，还可能产生浸蚀和渗透破坏；当水流通过水工建筑物下泄时，高速水流可能引起建筑物的气蚀、振动以及对下游河床和两岸的冲刷；对于特定的地质条件，水库蓄水后可能诱发地震，进一步恶化建筑物的工作条件，等等。
2.施工条件复杂
水工建筑物的兴建，需要解决好施工导流问题。第一，要求在施工期间，保证建筑物安全的前提下，河水应能顺利下泄，必要的通航、过木要求应能满足，这是水利工程设计和施工中的一个重要课题；第二，工程进度紧迫，工期也比较长，截流、度汛需要抢时间、争进度，否则将导致拖延工期；第三，施工技术复杂，水工建筑物的施工受气候影响较大，如：大体积混凝土的温度控制，复杂的地基较难处理，填土工程要求一定的含水量和压实度，雨季施工有很大的困难；第四，地下、水下工程多，排水施工难度比较大；第五，交通运输比较困难，高山峡谷地区更为突出，等等。
3.对自然环境及社会环境影响大
水利枢纽工程和单项的水工建筑物可以承担防洪、灌溉、发电、航运等任务，同时又可以绿化环境，改良土壤植被，发展旅游，甚至建成优美的城市等，但是，如果处理不当也可能产生消极的影响。如：水库蓄水越多，则效益越高，淹没损失也越大，不仅导致大量移民和迁建，还可能引起库区周围地下水位的变化，直接影响工农业生产，甚至影响生态环境；库尾的泥沙淤积，可能会使航道恶化。
4.失事后果严重
拦蓄巨大水量的挡水建筑物万一失事，将会给下游带来巨大的灾害，其损失远远超过建筑物本身的价值，并使以该水利枢纽为基础而建立起来的经济事业处于瘫痪状态。1975年8月我国河南省部分地区遭遇特大洪水，加之板桥、石漫滩两座水库垮坝，使下游1100万亩农田受淹，京广铁路中断，死亡达9万人。因此，水工建筑物设计工作必须充分重视勘测、试验和研究分析工作，以高度负责的精神，精心设计、精心施工、加强管理，确保工程安全。