工作任务三 水利枢纽及水工建筑物
一、基本概念
水工建筑物：在水的静力或动力作用下工作，并与水发生相互影响的各种建筑物，就是水工建筑物。
水利枢纽：对于开发河川水资源来说，常需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，以控制水流并便于协调运行和管理，这一多种水工建筑物组成的综合体就称为水利枢纽。
1.黄河龙羊峡水利枢纽
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的平面布置，如图1-1所示。
图1-1 黄河龙羊峡水电站平面图
其主要建筑物有：
（1）拦河坝。由重力拱坝（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，设有2孔，每孔净宽12m，由弧形闸门控制。
（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、泄洪及后期必要时放空水库和排沙。
（5）坝后式水电站。装4台单机容量32万kW的水轮发电机组，总装机容量128万kW。
2.长江葛洲坝水利枢纽
图1-2所示为长江干流上著名的葛洲坝水利枢纽工程。长江在该处原有两个江心洲（葛洲坝和西坝），分江流为三，从右到左依次称大江、二江、三江，枢纽横跨长江及其两洲，施工比较方便，这是一座低水头大流量的水利枢纽，兼有径流发电、航运和为上游三峡水利枢纽进行反调节的综合效益。
图1-2 长江葛洲坝水利枢纽平面布置图
其组成建筑物包括：
（1）二江泄水闸。枢纽中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，闭门是拦截江流，稳定上游水位，开门时泄水，排沙防淤，满足防洪要求，最大泄流量83900m3/s。
（2）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的水轮发电机组5台；大江电厂装有单机容量12.5万kW的水轮发电机组14台；水电站总装机容量271.5万kW，是中国最大的水电站之一。
（3）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，是中国已建工程中最大的船闸。3号船闸的闸室有效长度为120m，净宽18m，槛上最小水深3.5m。1、2号船闸可通过12000～16000t级船队，一次过闸的时间51～57min；3号船闸可通过3000t级以下船队，一次过闸时间40min。
（4）冲沙闸。分设于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，以防航道淤积。
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。
3.长江三峡水利枢纽
三峡水利枢纽工程采用“一级开发、一次建成、分期蓄水、连续移民”的实施方案。坝顶高程185m，正常蓄水位175m，总库容393亿m3。初期正常蓄水位156m。初期和最终的防洪限制水位分别为135m和145m，如图1-3所示。
图1-3 长江三峡水利枢纽工程布置图
其主要建筑物有：
（1）大坝。枢纽主要建筑物的设计洪水标准为千年一遇，洪峰流量为98800m3/s；校核洪水标准为万年一遇加10%，洪峰流量为124300m3/s。相应的设计和校核水位分别为175m及180.4m。地震设计烈度为Ⅶ度。拦河大坝为混凝土重力坝，大坝轴线全长2309.47m，最大坝高181m。大坝右侧茅坪溪防护坝为沥青混凝土心墙砂砾石坝，最大坝高104m。泄洪段居河床中部，前沿总长483m，设有23个深孔、22个表孔以及22个后期需封堵的临时导流底孔。深孔尺寸为7m×9m，进口底板高程90m。表孔净宽8m，溢流堰顶高程158m，下游采用鼻坎挑流方式消能。底孔尺寸6m×8.5m，进口底高程56～57m。枢纽在校核水位时的最大泄洪能力为120600m3/s。电站坝段位于泄洪坝段两侧，进水口尺寸为11.2m×19.5m，进水口底高程为108m。压力管道内径为12.4m，采用钢衬钢筋混凝土联合受力的结构型式。
（2）水电站。水电站装机容量18200MW，采用坝后式厂房，设有左、右岸两组厂房，共安装26台水轮发电机组。左岸厂房全长643.7m，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。水轮机为混流式，机组单机额定容量为700MW。三峡水电站以500kV交流输电线和±500kV直流输电线路向华东、华中、华南送电。电站出线共13回。右岸山体内预留地下厂房的位置，后期扩机6台，总容量为4200MW。
（3）通航建筑物。三峡工程通航建筑物包括永久船闸和升船机，均位于左岸的山体中。永久船闸为双线五级连续梯级船闸，单机闸室有效尺寸长280m、宽34m，坎上最小水深5m，可通过万吨级船队。升船机为单线以及垂直提升，承船厢有效尺寸长120m，宽18m，水深3.5m，一次可通过一艘3000t级的客货轮。
二、水工建筑物的分类
1.按建筑物的用途分类
按建筑物的用途分，水工建筑物分为以下几类。
（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。排泄水库、湖泊、河渠等多余水量，以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、渡槽、倒虹吸管、输水涵洞等。
（4）取水建筑物。引水建筑物的上游首部建筑物。如取水口、进水闸、扬水站等。
（5）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。
（6）专门水工建筑物。为水利工程中某些特定单项任务而设置的建筑物。如专用于水电站的前池、调压室、压力管道、厂房；专用于通航过坝的船闸、升船机、鱼道、筏道；专用于给水防沙的沉沙池等。与专门性水工建筑物相对，前面5类建物也可统称为一般性水工建筑物。
应当指出的是：有些水工建筑物的功能并非单一，难以严格区分其类型，如各种溢流坝，既是挡水建筑物，又是泄水建筑物；水闸既可挡水，又能泄水，有时，还作为灌溉渠首或供水工程的取水建筑物，等等。
2.按建筑物使用时间分类
按建筑物使用时间分，水工建筑物分为以下几类。
（1）永久性建筑物。这种建筑物在运行期长期使用，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。主要建筑物是指该建筑物失事后将造成下游灾害或严重影响工程效益，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。
三、水工建筑物的特点
1.工作条件的复杂性
由于水的作用，水对挡水建筑物的作用主要是静水压力，静水压力的大小随建筑物挡水高度的变化而变化。因此，建筑物必须有足够的水平抗力以保持其稳定性。
此外，水面也有对建筑物较为复杂的波浪压力，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。水流流经建筑物时也会产生各种动水压力。在设计水工建筑物时，这些力都必须计算在内。
建筑物上下游的水头差，会导致建筑物及其地基内的渗流。对建筑物和地基产生渗透压力，影响建筑物的稳定性，还可能产生浸蚀和渗透破坏；过大的渗流量也会造成水库的较多漏水。为此，建造水工建筑物要妥善解决防渗和渗流控制问题。
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空蚀、震动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。
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。即便是规模和效益大致相仿的水工建筑物，由于地质条件的不同，两者的形式、尺寸和造价都会差别极大。由于自然条件千差万别，水工建筑物的设计选型总是只能按照各自的特征进行，除非规模特别小，一般不采用定性设计。
3.施工建造的艰巨性
在河道中修建水利工程，首先需要解决好施工导流的问题，要求施工期间在保证建筑物安全的前提下，让河水顺利下泄，这是水利工程设计施工中的一个重要课题；其次，工程进度紧迫，截流、度汛需要抢时间、争进度，否则就要拖延工期；第三，施工技术复杂；第四，地下及水下工程多，施工难度大；第五，交通运输比较困难，特别是高山峡谷地区更为突出。
4.失事后果的严重性
水利工程可为人类造福，但如失事后也会产生严重的后果。特别是拦河坝如失事溃决，会给下游带来灾难性或毁灭性的损失，这在国内外都不乏惨重实例。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的认识能力与技术水平限制有关，也有些是不重视勘测、实验研究或施工质量欠佳所致，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。