第二节 水利枢纽与水工建筑物
为了综合利用水资源，最大限度地满足各用水部门的需要，实现兴水利除水害的目标，就必须对整个河流进行全面综合规划、开发和利用，并根据国民经济发展的需要分阶段、分步骤地建设实施。为了控制和支配水流，达到防洪、灌溉、发电、供水等兴利除害的目的，修建各种不同类型的建筑物称为水工建筑物。而由不同作用的水工建筑物组成的、协同运行的工程综合群体称为水利枢纽。
一、水利枢纽
水利枢纽按其作用主要可分为蓄水枢纽、发电枢纽、引水枢纽等。
蓄水枢纽是在河道来水年际、年内变化较大，不能满足下游防洪、灌溉、引水等用水要求时，通过修建大坝调蓄天然来水，用于汛期防洪、枯水期灌溉、城镇引水等。如湖北的丹江口水利枢纽。
发电枢纽是以发电为主要任务，利用河道中丰富的水量和水库形成的落差，安装水力发电机组，将水能转变为电能。如福建的水口水电站枢纽。
引水枢纽是在河道上修建拦河闸(坝)等水工建筑物，调节水位和流量，以保证引水的质量和数量。如四川的都江堰引水灌溉枢纽。
一个水利枢纽的功能可以是单一的，也可以是多用途的，兼有几种功能的水利枢纽称为综合利用的水利枢纽。图2-2为三峡水利枢纽布置图。
图2-2 三峡水利枢纽布置图
二、水工建筑物
（一）水工建筑物的分类
水工建筑物按其在枢纽中所起的作用可分为以下几种。
1.挡水建筑物
用以拦截江河水流，抬高上游水位以形成水库，如各种坝、闸、堤等。图2-3为水库特征水位与特征库容示意图。
图2-3 水库特征水位与特征库容示意图
（1）水库特征水位：水库在各时期和遭遇特定水文情况下，需控制达到、限制超过或允许消落到的各种特征库水位。主要有：①校核洪水位，水库遇到大坝的校核洪水时，在坝前达到的最高水位；②设计洪水位，水库遇到大坝的设计洪水时，在坝前达到的最高水位；③防洪高水位，水库遇到下游保护对象的设计洪水时，在坝前达到的最高水位；④防洪限制水位（汛前限制水位），水库在汛期允许兴利的上限水位，也是水库汛期防洪运用时的起调水位；⑤正常蓄水位，水库在正常运用的情况下，为满足设计的兴利要求，在供水期开始时应蓄到的最高水位；⑥死水位，水库在正常运用的情况下，允许消落到的最低水位。
（2）水库特征库容：相应于某一水库特征水位以下或两个水库特征水位之间的水库容积，一般均指坝前水位水平面以下的静库容。主要有：①总库容，最高水位以下的水库静库容；②防洪库容，防洪高水位至防洪限制水位之间的水库容积；③调洪库容，校核洪水位至防洪限制水位之间的水库容积；④兴利库容（有效库容、调节库容），正常蓄水位至死水位之间的水库容积；⑤共用库容（重复利用库容、结合库容），正常蓄水位至防洪限制水位之间，汛期用于蓄洪、非汛期用于兴利的水库容积；⑥死库容，死水位以下的水库容积。
2.泄水建筑物
用以在洪水期河道入库洪量超过水库调蓄能力时，宣泄多余的洪水，以保证大坝及有关建筑物的安全，如溢洪道、泄洪洞、泄水孔等。
3.输水建筑物
用以满足发电、供水和灌溉的需求，从上游向下游输送水量，如输水渠道、引水管道、水工隧洞、渡槽、倒虹吸管等。
4.取水建筑物
一般布置在输水系统的首部，用以控制水位、引入的水量或人为提高水头，如进水闸、扬水泵站等。
5.河道整治建筑物
用以改善河道的水流条件，防止河道冲刷变形及险工的整治，如顺坝、导流堤、丁坝、护岸等。
6.专门建筑物
为水力发电、过坝、量水而专门修建的建筑物，如调压室、电站厂房、船闸、升船机、筏道、鱼道、各种量水堰等。
需要指出的是，有些建筑物的作用并非单一，在不同的状况下，有不同的功能。如水闸，既可挡水又可泄水，同时还可作为灌溉渠首或供水工程的取水建筑物；泄洪洞，既可泄洪又可引水。
（二）水工建筑物的特点
水工建筑物和一般工业与民用建筑物相比，除了工程量大、投资多、工期长外，还具有以下特点。
1.工作条件复杂
水工建筑物在水中工作，其工作条件较复杂，主要表现在：水工建筑物将受到静水压力、风浪压力、冰压力等推力作用，会对建筑物的稳定性产生不利影响；在水位差作用下，水将通过建筑物及地基向下游渗透，产生渗透压力和浮托力，可能发生渗透破坏而导致工程失事。另外，对泄水建筑物，下泄水流集中且流速高，将对建筑物和下游河床产生冲刷，高速水流还容易使建筑物产生振动和空蚀破坏。
2.施工条件艰巨
水工建筑物的施工比其他土木工程困难和复杂得多，主要表现在：①水工建筑物多在河流中建设，必须进行施工导流；②由于水利工程规模较大，施工技术复杂，工期比较长，且场地狭窄，又受截流、度汛的影响，工程进度紧迫，施工强度高、速度快；③施工受气候、水文地质、工程地质等方面的影响较大，如冬、雨期施工、地下水排除以及重大的复杂的地质情况等。
3.建筑物独特
水工建筑物的型式、构造及尺寸与地形、地质、水文、建筑功能等因素密切相关。特别是地质条件的差异对建筑物的影响更大，这就形成了各式各样的水工建筑物。除一些小型渠系建筑物外，一般都应根据其特性，进行单独设计。
4.与周围环境相关
水利工程可防止洪水灾害，并能发电、灌溉、供水，但同时其对周围自然环境和社会环境也会产生一定影响。工程的建设和运用将改变河道的水文和小区域气候，对河中水生生物和两岸植物的繁殖和生长产生一定影响，即对沿河的生态环境产生影响。另外，由于占用土地、开山破土、库区淹没等而必须迁移村镇及人口，会对人群健康、文物古迹、矿藏造成影响。
5.对国民经济影响巨大
水利工程建设项目规模大、综合性强、组成建筑物多。因此，其本身的投资巨大，尤其是大型水利工程，大坝高、库容大，担负着重要防洪、发电、供水等任务，一旦出现堤坝溃决等险情，将对下游工农业生产造成极大损失，甚至对下游人民群众的生命财产带来灭顶之灾。所以，必须高度重视主要水工建筑物的安全性。
三、水利枢纽的分等和水工建筑物的分级
为了使水利工程建设达到既安全又经济的目的，遵循水利工程建设的基本规律，应对水利枢纽和枢纽中的水工建筑物进行分等分级。
1.水利枢纽分等
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2000）的规定，水利工程根据工程规模、效益以及在国民经济中的重要性划分为5等，具体划分指标见表2-1。
表2-1 水利水电工程分等指标表
对于综合利用的水利水电工程，当按各综合利用项目的分等指标确定的等别不同时，其工程等别应按其中的最高等别确定。
平原地区拦河闸工程的等别，应根据其过闸流量的大小进行划分，具体见表2-2。
表2-2 平原地区拦河闸工程分等指标表
灌溉、排水泵站的等别划分见表2-3。
表2-3 灌溉、排水泵站分等指标表
续表
2.水工建筑物级别
水工建筑物按其使用期限可分为永久性水工建筑物和临时性水工建筑物，前者是指在运行期长期使用的建筑物，后者是指在施工及维修期间短时间发挥作用的建筑物。在永久性水工建筑物中，起主要作用及失事后影响很大的建筑物称为主要建筑物，否则为次要建筑物。
（1）永久性水工建筑物级别。枢纽中的永久性水工建筑物按其所属枢纽工程的等别及其在工程中的作用和重要性分为5级（表2-4）。
表2-4 永久性水工建筑物级别划分表
（2）临时性水工建筑物级别。临时性挡水和泄水建筑物的级别，应根据保护对象的重要性、失事造成的后果、使用年限和临时建筑物的规模，按表2-5确定。对于同时分属于不同级别的临时性水工建筑物，其级别应按照最高级别确定。但对于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。如利用临时性水工建筑物挡水发电、通航时，经技术经济论证，3级以下临时性水工建筑物的级别可提高一级。
表2-5 临时性水工建筑物级别划分表
对不同级别的水工建筑物，其不同要求主要体现在以下方面。
1)抗御洪水能力：如洪水标准，坝顶安全超高等。
2)强度和稳定性：如建筑物的强度和抗滑稳定安全度，防止裂缝发生或限制裂缝开展的要求及限制变形要求等。
3)建筑材料：如选用材料的品种、质量、标号及耐久性等。
4)运行可靠性：如建筑物各部分尺寸裕度和是否设置专门设备等。
四、永久性水工建筑物洪水标准
按某种频率或重现期表示的洪水称洪水标准。永久性水工建筑物洪水标准分为设计洪水标准（正常运用）、校核洪水标准（非常运用）两种，根据建筑物的级别和结构类型，并结合风险因素，按山区、丘陵区和平原、滨海区分别确定（表2-6和表2-7）。
表2-6 山区、丘陵区永久性水工建筑物洪水标准划分表［重现期（年）］
表2-7 平原地区永久性水工建筑物洪水标准划分表［重现期（年）］
【例2-2】 芹山水电站位于福建省宁德市周宁县境内，为堆石面板坝，工程以发电为主，兼顾防洪。坝高120m，总库容2.65亿m3，装机容量7.0万kW、防洪城镇为周宁县城。试确定该水利枢纽工程的等别，枢纽中主要、次要、临时建筑物的级别，永久性水工建筑物的洪水标准。
解:（1）分等：根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2000），查分等指标表，按总库容为Ⅱ等、装机容量为Ⅲ等、防洪为Ⅳ等，故取最高等别Ⅱ等。
（2）级别：主要建筑物（拦河坝）按表2-4查为2级，但坝高超过90m，且坝型较新，故按规范规定可提高为1级，洪水标准不变。次要建筑物3级、临时建筑物4级。
（3）洪水标准：该工程位于山区，主要建筑物（拦河坝）为堆石面板坝、1级建筑物，故其设计洪水标准为500~1000年一遇、校核洪水标准为5000~10000年一遇；次要建筑物为3级，设计洪水标准为50~100年一遇、校核洪水标准视结构型式确定。