2.1 水库与建筑物
2.1.1 水库
水库，指在河道、山谷峡口、低洼地等处用土、砂、石或混凝土等材料修筑挡水坝，堵住山溪或河道的水流，把坝上游集水面积内的雨水拦蓄起来而形成的人工水域。据全国第一次水利普查统计结果，我国现有水库98002座，其中湖南省是水库数量第一大省，共有水库14121座，江西省是水库数量第二大省，共有水库10819座。
按照GB 50201—2014《防洪标准》，水库根据其工程规模、效益和在国民经济中的重要性，工程等别分为5等，见表2.1。
表2.1 水库、拦河水闸、灌排泵站与引水枢纽工程的等别
我国目前最大的水库是三峡水利枢纽，大坝位于湖北省，范围涉及湖北省和重庆市的21个县（市），总库容393亿m3，位列世界第三位，1994年动工兴建，2009年建成。
江西省最大的水库是柘林水库，大坝位于九江市永修县，范围涉及修水、武宁、永修、铜鼓、奉新、靖安和安义7县，总库容79.2亿m3，在我国排名第14位。柘林水库1958年动工兴建，1975年建成。投资规模最大的水库是峡江水利枢纽，位于吉安市峡江县，总库容11.87亿m3，是一座以防洪、发电、航运为主，兼顾灌溉等综合利用的大（1）型水利枢纽工程。万安水电站位于吉安市万安县，总库容22.16亿m3，装机容量达53万kW，是江西省最大的水力发电站，见图2.1。
图2.1 万安水电站
水库主要由挡水建筑物、泄水建筑物和输水建筑物组成，由于水库所在地理位置、规模、功能有所不同，与建筑物的型式、数量也有所差异。
2.1.2 挡水建筑物
水库的挡水建筑物称挡水坝或拦河坝，一般称为大坝，它是横拦河道的建筑物，其作用是拦蓄江河径流，形成水库。大坝按高度可分为低坝（30m以下）、中坝（30～70m）和高坝（70m以上）；按建筑材料可分为土坝、堆石坝、混凝土坝、浆砌石坝、橡胶坝、钢坝和木坝等。每座水库的坝型应根据坝址地形、地质条件、当地材料情况以及资金条件等确定。
2.1.2.1 土石坝
土料是世界上分布最为广泛的建筑材料，可以就地采取，并且坝体具有柔性，能适应地基变形，对地基的地质条件要求比较低，同时土坝的结构比较简单，便于维修、加高和扩建，施工技术也容易掌握，便于机械化快速施工。因此，土石坝是国内外应用最为广泛的一种坝型，见图2.2。
土石坝是由土料和砂砾料填筑而成的坝型，体型较为庞大，见图2.3。土石坝是散粒体结构，抗冲刷能力差，所以不允许水流漫坝，易导致溃坝。
图2.2 土石坝（南河水库）
图2.3 土石坝（七一水库）
按坝体材料及防渗体的设置，土坝可以分为均质土坝、黏土斜墙坝、黏土心墙坝及砂壳坝等，见图2.4。按施工方法的不同，土坝可分为碾压土坝、水力冲填坝、水坠坝、水中倒土坝及土中灌水坝等。
2.1.2.2 堆石坝
堆石坝是坝体大部分材料由块石堆砌而成的坝型。这种坝的优点是可充分利用当地天然材料，能适应不同的地质条件，施工方法比较简便，抗震性能好等。因为石料无抗渗性能，因此，需要设置防渗体。按防渗体设置的部位、施工方法及运用方式，堆石坝的形式主要有心墙堆石坝、斜墙（或面板）堆石坝、定向爆破堆石坝、重力墙式堆石坝等。
面板堆石坝是近年来较为流行的一种坝型，它以堆石为主体材料，上游面用钢筋混凝土面板、沥青混凝土面板等作防渗体的堆石坝，见图2.5。
图2.4 土坝分类
（a）均质土坝；（b）心墙坝；（c）斜心墙坝；（d）斜墙坝；
（e）混凝土心墙坝；（f）心墙砂壳坝
图2.5 面板堆石坝（大坳水库）
（a）大坝外貌；（b）大坝典型断面
堆石坝与土坝一样，一般不允许坝顶过水。堆石坝坝体孔隙大，具有良好的排水性能，但同时在重力和水压力作用下，坝体变形相对较大，容易造成防渗体开裂。
2.1.2.3 混凝土坝
混凝土坝是用混凝土浇筑、碾压或用预制混凝土构件装配而成的坝型。随着筑坝技术的提高，20世纪80年代以来把土石坝施工中的碾压技术应用于混凝土坝，形成了碾压混凝土坝。混凝土坝的结构型式主要有3种：重力坝、拱坝和支墩坝。
1.重力坝
重力坝是最常见的混凝土坝型，依靠自身重量在地基上产生的摩擦力和坝与地基之间的凝聚力来抵抗坝上游侧的水推力以保持稳定，见图2.6。
图2.6 重力坝（螺滩水库）
重力坝按其结构形式可以分为实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝、厂坝结合重力坝、整体重力坝，见图2.7。
（1）实体重力坝。指整个坝体除若干小空腔外，均用混凝土填筑的重力坝。这是体型简单、应用最为广泛的型式。例如，我国三峡大坝、江西省万安水电站大坝均采用的是实体重力坝。
（2）宽缝重力坝。指在两个坝段之间横缝总部扩宽成空腔的混凝土重力坝。这种坝型能够节省大量的坝体混凝土工程量。
（3）空腹重力坝。指在坝的腹部沿坝轴线方向布置有大尺度空腔，将水电站厂房放在坝内，或用空腔跨越坝基岩体内的软弱夹层的型式。
图2.7 重力坝分类
（a）实体重力坝；（b）宽缝重力坝；（c）空腹重力坝
2.拱坝
拱坝是在平面上向上游弯曲，呈曲线形的实体混凝土坝，是一个空间壳体结构，主要是通过拱作用将荷载传给峡谷两壁（坝肩）而保持其稳定。与重力坝相比，拱坝体型较小，是一种经济性和安全性都很好的坝型，见图2.8。
拱坝按最大高度处的坝底厚度和坝高的比值可分为薄拱坝、中厚拱坝和重力拱坝；按体形可分为单曲拱坝和双曲拱坝，见图2.9。
图2.8 拱坝（山口岩）
图2.9 单双曲拱坝示意图
（a）单曲拱坝；（b）双曲拱坝
3.支墩坝
支墩坝是由支墩承受上游来的推力的坝，借其本身的重量及水重维持稳定，见图2.10。
图2.10 支墩坝
（a）大坝示意图；（b）大坝外貌
1—挡水面板；2—支墩；3—拱；4—大头
2.1.2.4 浆砌石坝
浆砌石坝主要由块石、条石、岩块或混凝土用砂浆砌筑而成。砌石坝大多为重力坝，也有少量拱坝，其结构型式与混凝土重力坝、拱坝基本一致，见图2.11。
图2.11 浆砌石坝（铁炉水库）
2.1.3 泄水建筑物
泄水建筑物指用以宣泄洪水的水工建筑物。它承担着宣泄超过水库拦蓄能力的洪水，防止洪水漫过坝顶，确保工程安全的任务。泄水建筑物的形式主要有河岸溢洪道、溢流坝、泄水孔和泄洪涵洞。
2.1.3.1 河岸溢洪道
1.正槽式
正槽式溢洪道指泄槽轴线与水流方向一致的开敞式溢洪道，一般由进水渠、控制段、泄槽、消能设施、出水渠组成，见图2.12。
控制段是控制溢洪道泄流能力的关键部位，由溢流堰及两侧连接建筑物组成。溢流堰的型式多样，常用的堰型有宽顶堰、实用堰、驼峰堰、折线形堰等，见图2.13。
（1）宽顶堰结构简单，施工方便，对承载力较差的土基适应能力较强，但流量系数较低，因此，在泄量不大或附近地形较平缓的中型、小型工程中应用较广。
（2）实用堰的流量系数比较大，在泄量相同的条件下需要的溢流前缘较短，工程量相对较小，但施工较复杂。大型、中型水库，特别是岸坡较陡时，多采用这种型式。
图2.12 正槽式溢洪道
1—进水渠；2—溢流堰；3—泄槽；4—消力池；5—出水渠；
6—非常溢洪道；7—大坝
图2.13 常用堰型
（a）宽顶堰；（b）实用堰；（c）驼峰堰；（d）折线形堰
（3）驼峰堰是一种复合圆弧的溢流低堰，堰面由不同半径的圆弧组成，流量系数可达0.42以上，设计与施工简便，对地基的要求低，适用于软弱地基。
（4）折线形堰是为了获得较长的溢流前沿，从而增大溢流净宽，而在平面上将堰体做成折线形。
2.侧槽式
侧槽式溢洪道由控制段、侧槽、泄槽、消能防冲设施和出水渠等组成，见图2.14。与正槽式溢洪道的主要区别在于侧槽部分，水流过堰后，转向约90°，进入泄槽，其他部分基本相同。
图2.14 侧槽式溢洪道
1—进水渠；2—溢流堰；3—泄槽；4—消力池；5—非常溢洪道；6—大坝
3.井式
井式溢洪道由环形溢流堰、过渡段、竖井（斜）段、弯管段、隧洞段及消能段组成，一般在峡谷中建坝而岸坡较陡时采用该型式溢洪道，见图2.15。井式溢洪道泄水能力低，水流条件复杂，易出现空蚀，应用较少。
图2.15 井式溢洪道
2.1.3.2 溢流坝
溢流坝既是挡水建筑物又是泄水建筑物，因此，坝体除要满足稳定和强度要求外，还要满足泄水的要求。溢流坝的泄水方式一般有两种：开敞溢流式和孔口溢流式。
1.开敞溢流式
不设闸门时，堰顶高程等于水库的正常蓄水位，泄水时，靠壅高库内水位增加下泄量。坝顶溢流不仅可以用于排泄洪水，还可以用于排泄其他漂浮物，适用于洪水流量较小，淹没损失不大的中小型水库，见图2.16。
图2.16 不设闸门的开敞溢流式溢流坝（长河坝水库）
当堰顶设有闸门时，闸门顶高程虽高于水库正常蓄水位，但堰顶高程较低，可利用闸门不同开启度调节库内水位和下泄流量。随着库水位的升高，下泄流量增加较快，具有较大的超泄能力，在大中型水库工程中得到广泛的应用，见图2.17。
2.孔口溢流式
孔口溢流式即在闸墩上部设置胸墙，既可利用胸墙挡水，又可减少闸门的高度和降低堰顶高程。当库水位低于胸墙下缘时，下泄水流流态与堰顶开敞溢流式相同；当库水位高于孔口一定高度时，呈大孔口出流，见图2.18。
2.1.3.3 泄水孔
泄水孔一般布置在深水以下。按所处的高程不同，可分为中孔和底孔；按布置的层数，可分为单层和多层泄水孔，见图2.19；按作用，可分为泄洪孔、冲沙孔、发电孔、放水孔、灌溉孔、导流孔等。在不影响正常运用的条件下，泄水孔经常一孔多用，例如：发电与灌溉结合；放空水库与排沙结合，导流孔的后期改造成泄洪、排沙、放空水库等。
图2.17 设闸门的开敞溢流式溢流坝（清华水库）
图2.18 孔口溢流式溢流坝
图2.19 多层泄水孔（小湾水库）
2.1.3.4 泄洪涵洞
泄洪洞按其位置可分为建在坝内的泄洪涵和建在挡水建筑物一侧的山体内泄洪洞两种；按其洞内水流状态可分为无压洞和有压洞两种。有的水库泄洪洞兼有排沙功能，用以减轻水库淤积；有的水库泄洪洞兼有放空水库功能，用以放空库水以利人防和检修，见图2.20。
图2.20 放空洞（山口岩水库）
2.1.4 输水建筑物
水库的输水建筑物也叫输水道、输水洞，是从水库中取水以满足灌溉、发电、供水等需要的重要建筑物，包括进口段、涵洞和出口段3部分。
2.1.4.1 进口段
进口段根据地形状况进行布置，主要有分级卧管式、斜坡式、塔式和竖井式4种结构型式。
1.分级卧管式
进水口斜卧在坝前或山体的斜坡上，每隔一定的高程设置一个进水口，也称为斜涵管。分级卧管结构简单，施工方便，引取水库表层水，广泛地应用于小型水库引水灌溉工程中，见图2.21。进水口控制设施形式多样，有混凝土塞、木塞、木板+压重等。
图2.21 分级卧管式
1—进水孔；2—直通水库闸门；3—消力井；4—埋管；5—防浪墙
2.斜坡式
进水口设置在上游坝坡或山坡底部，一般采用拍门、闸门进行控制，坡面进行简单的平整、开挖、护砌，坡顶则设置启闭设施。该进水型式相对简单，常见于中小型工程，见图2.22。
3.塔式
在涵洞进口所在的山体外部竖立的塔状建筑物，塔底部设有闸门，以控制水流，塔顶设操纵平台和启闭机，用工作桥与岸相连，见图2.23。
图2.22 斜坡式
图2.23 塔式
4.竖井式
在进水口所在的山体中开凿出竖井，内设闸门，竖井口设操纵平台和启闭机，见图2.24。
图2.24 竖井式
2.1.4.2 涵洞
涵洞可以分为输水隧洞和坝下涵管两种。
（1）输水隧洞。又称引水隧洞，一般在山体中开凿而成。按水的流态不同可以分为有压洞和无压洞两种。有压洞洞身全被水流充满，洞壁承受较大的内水压力，因此，有压洞多为钢筋混凝土结构。无压洞洞身没有被水流充满，有自由水面，内水压力小，因此无压洞多为素混凝土、浆砌石结构。
（2）坝下涵管。又称坝内埋管，一般都埋在坝的底部。坝下涵管与输水隧洞的结构型式、运行方式大体相似。
2.1.4.3 出口段
输水用途为灌溉时，涵洞出口一般与渠道连接，在连接处建造挡土墙、消能设施等，避免渠首受到冲刷。输水用途为发电、城镇供水时，涵洞出口连接一根钢管（或混凝土管），将水送到电站、水厂，一般另有一个分岔管，装有阀门，作泄洪、灌溉用。