1.2 水利枢纽与水工建筑物
1.2.1 水利枢纽
为了改变水资源在时间、空间上分布不均的自然状况，综合利用水资源以达到防洪、灌溉、发电、引水、航运等目的，需修建水利工程。这些为兴水利、除水害目的而修建的建筑物，称为水工建筑物。不同类型水工建筑物组成的综合体称为水利枢纽。
水利枢纽分类：以某一单项为主而兴建的水利枢纽，虽同时可能还有其他综合利用效益，则常冠以主要目标名称，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、丘陵水利枢纽和平原、滨海地区水利枢纽之分；水利枢纽还有高、中、低水头之分，一般70m以上者称为高水头枢纽，30～70m者为中水头水利枢纽，30m以下者为低水头水利枢纽。
1.2.2 水工建筑物
水工建筑物是为了满足防洪要求，获得发电、灌溉、供水等方面的效益，在水域的适宜地段修建的不同类型的建筑物。
1.2.2.1 水工建筑物的分类
水工建筑物种类繁多，型式各异，按用途可分为一般水工建筑物和专门水工建筑物两大类。同一种型式的水工建筑物，可以服务于几个水利事业部门时，称为一般水工建筑物，专门为某一水利事业服务的水工建筑物，称为专门水工建筑物。
水工建筑物按其在水利枢纽中所起的作用，通常可分为以下几类：
（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，调蓄水量。如各种坝、堤、闸等。
（2）泄水建筑物：用以宣泄水库、湖泊、河渠等多余水量，或为人防、检修而放空水库以保证大坝及有关建筑物的安全。如溢洪道、泄洪洞、溢流坝、泄水隧洞等。
（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、引水流量或人为提高水头。如进水闸、扬水泵站等。
（5）河道整治建筑物：用以稳定或改善河势，调整水流所修建的水工建筑物。如顺坝、导流堤、丁坝、潜坝、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、量水堰等。
按使用期限，水工建筑物可分为永久性建筑物和临时性建筑物两大类。永久性建筑物是指枢纽工程运行期间使用的建筑物，根据其重要性又分为重要建筑物和次要建筑物。重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，如拦河坝、水闸、电站厂房等；次要建筑物是指失事后不致造成下游灾害，对工程效益影响不大且易于修复的建筑物，如导流墙、挡土墙、工作桥、护岸等。工程施工期间使用的建筑物称为临时性建筑物，如导流建筑物、施工围堰等。
1.2.2.2 水工建筑物的特点
水工建筑物与一般土木工程相比，除具有土木工程的一般属性，如工程量大、投资多、工期长等共性外，还具有以下几个特点：
（1）工作条件复杂。挡水建筑物要承受相当大的水压力，且随建筑物挡水高度的增加而增加；水面波浪将产生浪压力；水面结冰时，将产生冰压力；发生地震时，将产生地震激荡力；水流经建筑物时，也会产生各种动水压力，在设计时都必须考虑。
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不利的渗透压力，也会产生渗透变形；过大的渗流量会造成水库的严重漏水，因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；挑射水流在空中会使周围建筑物产生严重的雾化；通过建筑物的水流多余动能会对下游河床产生冲刷作用，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时，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有一系列的冰冻问题要解决。
（2）设计选型独特。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只能按照各自的特征进行，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结构部件的标准化。
（3）施工建造艰巨。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，有时还需水下施工；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）失事后果严重。水工建筑物失事会产生严重后果，特别是拦河坝，如失事溃决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。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。
1.2.3 水利枢纽与水工建筑物等级划分
为了使工程的安全可靠性与其造价的经济合理性统一起来，水利枢纽及其组成建筑物要分等分级，首先根据工程的规模、效益及其在国民经济中的重要性，将水利枢纽分等，然后再对各组成建筑物按其所属枢纽等别、建筑物作用大小及重要性进行分级。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。
根据SL 252—2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》，水利枢纽按其规模、效益和在国民经济中重要性分五等，见表1.1。
表1.1 水利水电工程分等指标
注 1.水库总库容指水库最高水位以下的静库容。
2.治涝面积和灌溉面积均指设计面积。
表1.1中的总库容系指校核洪水位以下的水库库容，灌溉面积等则均指设计值。对于综合利用的工程，如按表中指标分属几个不同等别时，整个枢纽的等别应以其中最高等别为准。按表1.2确定水工建筑物级别时，如该建筑物同时具有几种用途，按最高等别考虑，仅一种用途时，则按该项用途所属等别考虑。
表1.2 水工建筑物级别的划分
对于Ⅱ～Ⅴ等工程，在下述情况下经过论证可提高其主要建筑物级别：①水库大坝高度超过表1.3中数值时提高一级，但洪水标准不予提高；②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、新结构时提高一级；③综合利用工程，如按库容和不同用途分等指标有两项接近同一等别的上线时，其共用的主要建筑物提高一级。
表1.3 需要提高级别的坝高界限
对于临时性水工建筑物，如其失事后将使下游城镇、工矿区或其他国民经济部门造成严重灾害或严重影响工程施工时，视其重要性或影响程度，应提高一级或两级。对于低水头工程或失事损失不大的工程，其水工建筑物级别经论证可适当降低。
不同级别的水工建筑物在以下几个方面应有不同的要求：
（1）抗御洪水能力：如建筑物的设计洪水标准、坝（闸）顶安全超高等。
（2）稳定性及控制强度：如建筑物的抗滑稳定强度安全系数，混凝土材料的变形及裂缝的控制要求等。
（3）建筑材料的选用：如不同级别的水工建筑物中选用材料的品种、质量、标号及耐久性等。
（4）运行可靠性：如建筑物各部分的尺寸裕度及是否专门设备等。
1.2.4 水利水电工程的洪水设计标准及堤坝安全加高
（1）永久性水工建筑物设计洪水标准。水利水电工程永久性水工建筑物的设计洪水标准与工程所在地的类型、坝体结构型式、运用情况等因素有关，一般分山区和平原两种情况，其具体标准应按我国水利部颁发的《水利水电工程等级划分及洪水标准》的相应规定确定。
山区、丘陵区永久性水工建筑物的洪水标准见表1.4。对平原及滨海地区的水利水电工程的永久性建筑物的洪水标准应按表1.5确定。
表1.4 山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物洪水标准
表1.5 平原区水利水电工程永久性建筑物洪水标准
续表
当山区永久性水工建筑物的挡水高度低于15m，且上、下游最大水头差小于10m时，其洪水标准按平原区确定；而平原区的永久性水工建筑物的挡水高度大于15m，且上下游最大水头差大于10m时，其洪水标准按山区标准确定。
失事后对下游将造成特别重大灾害的土石坝和洪水漫顶后将造成极严重损失的混凝土（砌石）坝，1级建筑物的校核洪水标准，经专门论证并报主管部门批准，可取可能最大洪水（PME）或万年一遇标准。对土石坝中的2～4级建筑物的校核洪水标准，可提高一级。
（2）临时性水工建筑物设计洪水标准。临时性水工建筑物的洪水标准，根据其结构类型、级别，结合风险度综合分析，按表1.6合理选用。对失事后果严重的，应考虑遇超标准洪水的应急措施。
表1.6 临时性水工建筑物洪水标准（重现期） 单位：年
（3）水工建筑物的安全加高。对永久性的挡水建筑物、堤防工程和不允许过水的临时性挡水建筑物，确定其顶高程时，在各种运用情况静水位上加波浪高后，还须考虑安全加高，以确保其自身安全。永久性水工建筑物的安全加高值应不小于表1.7中的规定值。
表1.7 永久性挡水建筑物安全加高 单位：m
当永久性挡水建筑物顶部设有稳定、坚固不透水的且与建筑物防渗体紧密结合的防浪墙时，防浪墙顶可作为坝顶高程，但坝顶高程不能低于水库正常蓄水位。
堤防工程的安全加高，根据其级别及运行条件按表1.8中的规定确定。对不允许过水的临时挡水建筑物，其安全加高应按表1.9的规定确定。过水的临时挡水建筑物，其顶高程为设计洪水位加波浪高度，不计安全加高。
表1.8 堤防工程顶部安全加高 单位：m
表1.9 临时性挡水建筑物安全加高 单位：m
（4）水工建筑物的结构安全级别。水工建筑物的结构安全级别，应根据建筑物的重要性及破坏后可能产生的后果的严重性来确定，结构安全级别与其等级划分相对应而分为三级，见表1.10。
表1.10 水工建筑物安全级别的划分
设计基准期为水工建筑物在正常施工与运行条件下，不失效地完成预定功能的基本年限。1级建筑物设计基准期按100年考虑，其他永久建筑物采用50年，临时建筑物按预定使用年限及可能滞后的时间确定，特大型挡水水工建筑物的设计基准期应专门研究确定。需要说明的是，当水工建筑物的使用年限到达或超过设计基准使用期后，并不意味该结构立即报废不能使用了，而是说它的可靠性水平从此逐渐降低了，在做结构鉴定及必要加固后，仍可继续使用。
1.2.5 水工建筑物设计的内容
水工建筑物设计包括：选址，如坝址、闸址、洞线、渠线的选择；选型，即选定建筑物的结构型式，如坝型选择、水力计算、结构计算、工程细部设计、确定地基处理方案、观测设计，以及合理布置各个建筑物等。对大中型和重要工程还应有水力模型试验和结构模型试验配合验证。