第二节 水工建筑物分类、特点及发展
一、水工建筑物的基本概念
水工建筑物就是在水的静力或动力作用下工作，并与水发生相互影响的建筑物，它是水利工程中各种建筑的总称。对于开发河川水资源来说，常须在河流适当地段集中修建几种不同类型与功能的水工建筑物，它们既能各自发挥作用又能相互协调，便于运行和管理，称这一多种水工建筑物组成的综合体为水利枢纽。
水利枢纽的规划、设计、施工和运行管理应尽量遵循综合利用水资源的原则。为实现多种目标而兴建的水利枢纽，建成后能满足国民经济不同部门的需要，称为综合利用水利枢纽；以某一单项目标为主而兴建的水利枢纽，虽然同时可能还有其他综合利用效益，则常冠以主要目标之名，例如防洪枢纽、水力发电枢纽、航运枢纽、取水枢纽等。水利枢纽随修建地点的地理条件不同，有山区、丘陵区水利枢纽和平原、滨海地区水利枢纽之分；随枢纽上下游水位差的不同，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。
因自然因素、开发目标的不同，水利枢纽的组成建筑物可以是各式各样的。图1-1为黄河干流上以发电为主，兼有防洪、灌溉等综合利用效益的龙羊峡水力发电枢纽平面布置图。其主要建筑物包括：
（1）拦河坝。由拱坝（主坝）、左右重力墩（即重力坝）以及左右岸副坝组成，主坝从坝基最低开挖高程2432m至坝顶高程2610m，最大坝高178m，从而使上游可形成一个总库容达247亿m3的水库。
（2）溢洪道。位于右岸，溢流堰顶高程为2585.5m，设2孔，每孔净宽12m，弧形闸门控制。
（3）左泄水中孔。穿过主坝6号坝段，进口底部高程2540m，出口设8m×9m弧形闸门控制，与溢洪道共同承担主要泄洪任务。
（4）右泄水深孔和底孔。分别穿过主坝12号和11号坝段，进口底部高程分别为2505m和2480m，主要用于枢纽初期蓄水时向下游供水、泄洪以及后期必要时放空水库和排沙。
图1-1 龙羊峡水电站平面布置图
（5）坝后式水电站。4台单机容量32万kW的水轮发电机组，总装机容量128万kW。
图1-2为甘肃省白龙江碧口水电站，其组成包括以下建筑物。
（1）心墙土石坝。最大坝高101m，用以拦河壅水、蓄水，形成库容5.16亿m3的水库。
（2）溢洪道。用以宣泄水库多余洪水。
（3）泄洪隧洞。左右岸各有一条，可与溢洪道共同承担泄洪任务，而且可在库水位较低时提前泄洪，其中右岸泄洪洞施工期兼作导流洞。
（4）排沙隧洞。用以排除部分水库泥沙，延长水库寿命。
（5）水电站引水建筑物。包括引水隧洞、调压井和压力钢管等。
图1-2 碧口水电站平面布置图（单位：m）
（6）水电站厂房。内装单机容量10万kW的水轮发电机组3台，总装机容量30万kW。
此外，还有供木材过坝的过木道以及供右岸农田灌溉的引水管道（图1-2中未示出）等。
以上两例都是山区、丘陵区高水头枢纽，但拦河坝及相应各组成建筑物差别很大。
图1-3为长江干流上著名的葛洲坝水利枢纽平面布置图。这是一座低水头大流量的枢纽，兼有径流发电、航运和为上游三峡枢纽进行反调节的综合效益。其主要建筑物包括：
图1-3 葛洲坝水利枢纽平面布置图
（1）二江泄水闸。是枢纽控制水流的主要建筑物，共27孔，每孔净宽12m，高24m，弧形闸门控制，闭门时拦截江流，稳定上游水位（库容15.8亿m3，无调洪性能），开门时泄水，排沙防淤，满足河势要求，最大泄流量为83900m3/s。
（2）船闸。共有3座，以保证长江航运，1号船闸位于大江，2、3号船闸位于三江。1、2号船闸的闸室有效长度均为280m，净宽34m，槛上最小水深5m，是我国目前最大的船闸。3号船闸闸室有效长度为120m，净宽18m，槛上最小水深3.5m。1、2号船闸可通过1.2万～1.6万t船队，一次过闸时间51～57min；3号船闸可通过3000t以下船队，一次过闸时间40min。
（3）河床式水电站。设计水头18.6m，分设于泄水闸两侧，其中二江电厂装有单机容量17万kW的水轮发电机组2台和单机容量12.5万kW的机组5台，大江电厂装有单机容量12.5万kW的机组14台，水电站总装机容量271.5万kW。厂房兼起挡水作用。
（4）冲沙闸。分设于与主流分开后的两条独立人工航道上，其中三江航道设6孔，大江航道设9孔，采用“静水通航，动水冲沙”的运行方式，防止航道淤积。具体运行条件是：通航期间，航道内为静水；汛期、汛末及低水位期根据实际航道淤积情况，开闸拉沙、冲沙。实践表明效果良好。此外，在两个电厂的进水口前均设置了导沙坎，在厂房底部还设置了排沙底孔，进一步加强了防沙、排沙效果。
图1-4为当今世界最大的水利枢纽工程——长江三峡工程，该工程具有防洪、发电、航运等综合效益。
图1-4 三峡工程枢纽布置图
三峡工程坝址位于宜昌市三斗坪，在已建成的葛洲坝水利枢纽上游约40km。坝址基岩为坚硬完整的花岗岩。坝址处河谷较开阔，岸坡较平缓，江中有中堡岛顺江分布，这些条件有利于大流量泄洪坝段、大容量电站坝段和大尺寸通航建筑物沿坝轴线并列布置与运行，且便于施工和分期导流。事实上，便于施工是选用三斗坪坝址（而非选用地质条件亦佳但有陡岸狭谷的其他坝址，如太平溪坝址）的最主要因素。不过也有专家认为，三斗坪这样的枢纽布置使大坝挡水前缘较其上、下游天然河谷还宽，可能导致以后运行中泥沙问题的复杂化，这有待实践的检验。
三峡枢纽的主要建筑物由大坝、水电站、通航建筑物三大部分组成。拦河大坝为混凝土重力坝，坝轴线全长2309.47m，坝顶高程185m，最大坝高181m。大坝的泄洪坝段居河床中部，前缘总长483m，共设有23个深孔和22个表孔。深孔每孔净宽7m，高9m，进口孔底高程90m；表孔每孔净宽8m，堰顶高程158m，即总净宽176m的溢流重力坝，溢流坝的闸墩厚达13m，因为深孔在其下部穿过。深孔在进口闸门控制段下游通过断面突扩成为无压孔，表孔和深孔都采用鼻坎挑流消能，全坝最大泄洪能力为11.6万m3/s。
水电站采用坝后式，分设左、右两组厂房。左岸厂房全长643.6m，安装14台水轮发电机组；右岸厂房全长584.2m，安装12台水轮发电机组。坝后26台机组均为单机容量70万kW的混流式水轮发电机，装机容量为1820万kW，年平均发电量为846.8亿kW·h。在右岸还设有6台420万kW的地下厂房，总装机容量为2240万kW。
通航建筑物包括船闸和升船机。船闸为双线五级连续梯级船闸，单级闸室的有效尺寸为280m×34m×5m（长×宽×坎上水深），可通过万吨级船队。升船机为单线一级垂直提升式，承船厢有效尺寸为120m×18m×3.5m，一次可通过一条3000t级的客货轮。施工期设一级临时船闸通航，闸室有效尺寸为240m×24m×4m。
三峡枢纽的巨大效益首先是防洪。由于其地理位置优越，控制流域面积可达100万km2；水库防洪库容为221.5亿m3，可使荆江河段防洪标准从10年一遇提高到百年一遇；遇千年一遇或更大洪水时，配合分洪、蓄洪工程的运用，可防止荆江大堤溃决，减轻中下游洪灾损失和对武汉市的洪水威胁，并为洞庭湖区的根治创造条件。
其次，三峡水电站提供的可靠、廉价、清洁和可再生的能源，每年约可替代原煤4000万～5000万t，对其供电地区的经济发展和减少环境污染起重大作用。
第三，三峡水库将显著改善宜昌至重庆的660km航道，万吨级船队可上达重庆港，航道单向通过能力可由1000万t提高到5000万t。经水库调节，宜昌下游枯水季最小流量可从3000m3/s提高到5000m3/s以上，显著改善了通航条件。
三峡水库也确有对环境、生态等不利影响和移民、淹没损失等问题。但权衡利弊，还是利远大于弊。
二、水工建筑物的分类
上面介绍的水利枢纽工程实例中，我们虽已提到了多种水工建筑物，但并未包括水工建筑物的全部。事实上，水利工程并不总是以集中兴建于一处的若干建筑物组成的水利枢纽来体现的，有时仅指一个单项水工建筑物，有时又可包括沿一条河流很长范围内或甚至很大面积区域内的许多水工建筑物。即使就河川水利枢纽而言，在不同河流以及河流不同部位所建的枢纽，其组成建筑物也千差万别。根据功用水工建筑物可分为挡水建筑物、泄水建筑物、输（引）水建筑物、取水建筑物、过坝建筑物、水电站建筑物和整治建筑物等，详见图1-5。
图1-5 水工建筑物的分类
1.挡水建筑物
拦截或约束水流，并可承受一定水头作用的建筑物。如蓄水或壅水的各种拦河坝，修筑于江河两岸以抗洪的堤防、施工围堰等。
2.泄水建筑物
用以排泄水库、湖泊、河渠等多余水量，保证挡水建筑物和其他建筑物安全，或为必要时降低库水位乃至放空水库而设置的水工建筑物。如设于河床的溢流坝、泄水闸、泄水孔，设于河岸的溢洪道、泄水隧洞等。
3.输（引）水建筑物
为灌溉、发电、城市或工业给水等需要，将水自水源或某处送至另一处或用户的建筑物。其中直接自水源输水的也称引水建筑物。如引水隧洞、引水涵管、渠道以及穿越河流、洼地、山谷的交叉建筑物（如渡槽、倒虹吸管、输水涵洞）等。
4.取水建筑物
位于引水建筑物首部的建筑物。如取水口、进水闸、扬水站等。
5.水电站建筑物
水力发电站中用于拦蓄河水、抬高水头、引水经水轮发电机组以及发电所需的机电设备等一系列建筑物的总称。包括：①挡水建筑物，用于拦蓄河水，集中落差；②泄水建筑物，用于下泄多余的洪水；③水电站进水口，将发电用水引入引水道；④水电站引水建筑物，将已引入的发电用水输送给水轮发电机组，如渠道、隧洞（见水工隧洞）和压力水管等；⑤平水建筑物，当水电站负荷变化时，用于平稳引水道中流量及压力的变化，如前池、调压室等；⑥尾水道，通过它将发电后的尾水自机组排向下游；⑦发电、变电和配电建筑物，包括安装水轮发电机组及其控制设备的水电站厂房、安放变压器及高压开关等设备的水电站升压开关站；⑧为水电站的运行管理而设置的必要的辅助性生产、管理及生活建筑设施。
在多目标开发的综合利用水利工程中，坝、水闸等挡水建筑物及溢洪道、泄水孔等泄水建筑物为共用的水工建筑物。有时也只将从水电站进水口起到水电站厂房、水电站升压开关站等专供水电站发电使用的建筑物称为水电站建筑物。
抽水蓄能电站以水体为载能介质进行水能和电能往复转换，利用电力系统低谷负荷时的剩余电力抽水到高处蓄存，在高峰负荷时放水发电的水电站，它在电力系统中主要起调峰填谷作用。抽水蓄能电站按开发方式可分为纯抽水蓄能电站、混合式抽水蓄能电站和调水式抽水蓄能电站。纯抽水蓄能电站原理是上库可以没有天然径流来源，其发电量全部来自抽水蓄存的水能。混合式抽水蓄能电站原理是厂内既设有抽水蓄能机组，也设有常规水轮发电机组，上水库有部分天然径流来源。调水式抽水蓄能电站是水泵站与水电站的某种组合，其原理是上水库建于分水岭高程较高的地方。在分水岭某一侧拦截河流建下水库，并设水泵站抽水到上水库，在分水岭另一侧的河流设常规水电站从上水库引水发电。
6.过坝建筑物
为水利工程中某些特定的单项任务而设置的建筑物，如专用于通航过坝的船闸、升船机、鱼道、筏道等。
7.整治建筑物
改善河道水流条件、调整河势、稳定河槽、维护航道和保护河岸的各种建筑物，如丁坝、顺坝、潜坝、导流堤、防波堤、护岸等。
4类、5类、6类、7类水工建筑物是为水利工程中某些特定的单项任务而设置的，也称为专门性水工建筑物，相对专门性水工建筑物而言，前面1类、2类、3类建筑物也可称为一般性水工建筑物。实际上，不少水工建筑物的功用并非单一，而是具有双重功能，如溢流坝、泄水闸都兼具挡水与泄水功能；作为专门性水工建筑物的河床式水电站厂房也起挡水作用。
水工建筑物按使用期限还可分为永久性建筑物和临时性建筑物。永久性建筑物是指工程运行期间长期使用的建筑物，根据其重要性又分为主要建筑物和次要建筑物。前者指失事后将造成下游灾害或严重影响工程效益的建筑物，如拦河坝、溢洪道、引水建筑物、水电站厂房等；后者指失事后不致造成下游灾害，对工程效益影响不大并易于修复的建筑物，如挡土墙、导流墙、工作桥及护岸等。临时性建筑物是指工程施工期间使用的建筑物，如施工围堰等。
三、水工建筑物的特点
水工建筑物，特别是河川水利枢纽的主要水工建筑物，往往是效益大、工程量和造价大、对国民经济的影响也大。与一般土木工程建筑物相比，水工建筑物具有下列特点。
1.工作条件的复杂性
水工建筑物工作条件的复杂性主要是由于水的作用。水对挡水建筑物有静水压力，其值随建筑物挡水高度的加大而剧增，为此建筑物必须有足够的水平抵抗力和稳定性。此外，水面有波浪，将给建筑物附加波浪压力；水面结冰时，将附加冰压力；发生地震时，将附加水的地震激荡力；水流经建筑物时，也会产生各种动水压力，都必须计及。
建筑物上下游的水头差，会导致建筑物及其地基内的渗流。渗流会引起对建筑物稳定不利的渗透压力；渗流也可能引起建筑物及地基的渗透变形破坏；过大的渗流量会造成水库的严重漏水。为此建造水工建筑物要妥善解决防渗和渗流控制问题。
高速水流通过泄水建筑物时可能出现自掺气、负压、空化、空蚀和冲击波等现象；强烈的紊流脉动会引起轻型结构的振动；挟沙水流对建筑物边壁还有磨蚀作用；挑射水流在空中会导致对周围建筑物有严重影响的雾化；通过建筑物水流的多余动能对下游河床有冲刷作用，甚至影响建筑物本身的安全。为此，兴建泄水建筑物，特别是高水头泄水建筑物。要注意解决高速水流可能带来的一系列问题，并做好消能防冲设计。
除上述主要作用外，还要注意水的其他可能作用。例如，当水具有侵蚀性时，会使混凝土结构中的石灰质溶解，破坏材料的强度和耐久性；与水接触的水工钢结构易发生严重锈蚀；在寒冷地区的建筑物及地基将有一系列冰冻问题要解决。
2.设计选型的独特性
水工建筑物的型式、构造和尺寸，与建筑物所在地的地形、地质、水文等条件密切相关。例如，规模和效益大致相仿的两座坝，由于地质条件优劣的不同，两者的型式、尺寸和造价都会迥然不同。由于自然条件千差万别，因而水工建筑物设计选型总是只能按各自的特征进行，除非规模特别小，一般不能采用定型设计，当然这不排除水工建筑物中某些结构部件的标准化。
3.施工建造的艰巨性
在河川上建造水工建筑物，比陆地上的土木工程施工困难、复杂得多。主要困难是解决施工导流问题，即必须迫使河川水流按特定通道下泄，以截断河流，便于施工时不受水流的干扰，创造最好的施工空间；要进行很深的地基开挖和复杂的地基处理，有时还须水下施工；施工进度往往要和洪水“赛跑”，在特定的时间内完成巨大的工程量，将建筑物修筑到拦洪高程。
4.失事后果的严重性
水工建筑物如失事会产生严重后果。特别是拦河坝，如失事溃决，则会给下游带来灾难性乃至毁灭性的后果，这在国内外都不乏惨重实例。据统计，大坝失事最主要的原因，一是洪水漫顶，二是坝基或结构出问题，两者各占失事总数的1/3左右。应当指出，有些水工建筑物的失事与某些自然因素或当时人们的认识能力与技术水平限制有关，也有些是不重视勘测、试验研究或施工质量欠佳所致，后者尤应杜绝。
四、现代水工建筑物的发展
由于流体力学、岩土力学、结构理论和计算技术的发展，以及新型材料、大型机械、设备制造能力的提高和施工技术的进步，因此有了以高坝为代表的现代水工建筑物的发展。
在混凝土坝方面，我国于20世纪50年代即全部依靠自己的力量，设计、施工、建造了装机容量为66万kW的新安江水电站宽缝重力坝，其最大坝高102m，溢流坝与坝后厂房顶溢流式水电站结合，枢纽布置非常紧凑，为我国大型水利工程建设开创了良好的先例。随后，建成了多座坝高100m上下的各型混凝土坝。60年代，在黄河干流强地震区建成了坝高147m的刘家峡水电站实体重力坝，在解决高坝技术以及相应高水头泄水建筑物高速水流问题方面取得了相当大的进展和宝贵的经验。70年代，在石灰岩岩溶地区建成了坝高165m的乌江渡拱形重力坝，成功地处理了岩溶地基。80年代，在著名的葛洲坝水利枢纽施工中，在长江流量4400～4800m3/s情况下胜利实现了大江截流，保证了我国长江干流上大容量低水头水电站和最大通航船闸的顺利建成，标志着我国水利施工达到了新水平。80年代我国建造的高坝工程以黄河“龙头”的龙羊峡重力拱坝为代表，其坝高为178m，上游可形成247亿m3库容的水库。此坝设计、建造过程中成功地解决了坝肩稳定、泄洪消能布置等一系列结构与水流问题。坝高150m以上的薄拱坝（双曲拱坝），如东江、东风等水电站的高坝建设，也都取得了成功。目前，我国已具有设计和建造各种型式的高坝的能力，坝高超过200m、甚至超过300m的高坝在中国也已经出现，如二滩水电站拱坝，坝高达240m；小湾拱坝，坝高293m；溪洛渡拱坝，设计坝高278m；锦屏一级拱坝，坝高305m，龙滩碾压混凝土大坝（最大坝高216.5m）等大型工程为标志，我国水电正式迈入大电站、大机组、自动化、信息化的新时代。
在土石坝方面，我国可算是建造这种当地材料坝最多的国家，且形式多样，施工方法也多样。无论是通常的碾压式坝，还是水中倒土、水力冲填、定向爆破等特殊筑坝技术，都不乏成功的实例，并且还建成了很多小型的溢流土石坝。我国建成的高土石坝以甘肃碧口水电站和陕西石头河水库的两座心墙土石坝以及黄河小浪底水利枢纽斜心墙堆石坝为代表，坝高分别为101m、105m和154m。与土石坝本身密切相关的深覆盖层地基处理技术也取得了很大的进展，例如碧口土石坝的砂砾石坝基混凝土防渗墙深达44m，小浪底坝基防渗墙深达80m，效果均很好。2008年8月开始填筑坝体的糯扎渡心墙堆石坝，最大坝高261.5m，在大坝上下游均采用了与围堰相结合的型式；两河口土石坝高305m，刚开工建设的双江口土石坝高314m。
目前世界上100m以上的高坝超过400多座，差不多是1950年以前的10倍多，其中220m以上的高坝超过29座。高土石坝在高坝中所占比例越来越大，目前其数量大致相当于混凝土重力坝与混凝土拱坝数之和。这显然与高土石坝设计理论和施工技术的不断改进，以及大型施工机械的采用有关。坝高超过300m的均为土石坝，如苏联努列克心墙土石坝，高达310m，我国正在建造的双江口心墙，坝高314m，是目前世界最高坝。高土石坝的建造技术不但表现在地面以上的坝高，还表现在地面以下的地基处理深度，在冲积层土基内已实现了170m深的深孔水泥灌浆和131m深的混凝土防渗墙施工。世界著名的高土石坝还有美国的奥洛维尔土石坝（高236m）、加拿大的买加堆石坝（高242m）以及印度的特里堆石坝（高261m，是目前世界最高的堆石坝）等。坝高名列世界首位的各种混凝土坝包括瑞士的大狄克桑斯重力坝（高285m）、格鲁吉亚共和国的英古里拱坝（高271.5m）、加拿大的丹尼尔·约翰逊连拱坝（高214m）等。
采用碾压混凝土的高重力坝和高拱坝及采用刚性面板防渗的碾压式堆石坝（而非抛填式堆石坝）将是很有发展前途的新坝型。高坝成套技术中所涉及的难点包含水工新材料、大型设备的研制、高速水流、消能防冲、抗震、高边坡稳定性、安全监控等课题以及一系列设计、计算技术和施工技术，这些都要进行攻关研究，水工科技工作者任重而道远。