第7卷《泄水与过坝建筑物》编写说明

温续余

在《水工设计手册》(第2版)编委会的统一组织和协调下，第7卷《泄水与过坝建筑物》由水利部水利水电规划设计总院承担主编，并根据总体大纲进行章节安排及与其他各卷的内容协调。根据内容要求及编撰安排，主要由水利部长江水利委员会长江科学院、长江勘测规划设计研究院、广西电力工业勘察设计研究院、中水东北勘测设计有限公司、中水淮河勘测设计有限公司等单位组织各自领域有较高学术造诣的生产一线工程科研、技术人员承担各章编写，并邀请业内知名专家参与编写或进行编写过程中的技术指导、咨询、审稿等。该卷文稿的编写、审稿工作自2008年初开始，至2011年底基本定稿后分章陆续提交出版社，历时4年多的时间。

第7卷《泄水与过坝建筑物》以第1版《水工设计手册》为基础，但对其章节安排、编写内容进行了较大调整。第1版《手册》第6卷《泄水与过坝建筑物》共分为6章，分别为第25章“水闸”，第26章“门、阀及启闭设备”，第27章“泄水建筑物”，第28章“消能与防冲”，第29章“过坝建筑物”，第30章“观测设备与观测设计”。在《水工设计手册》(第2版)编写大纲讨论中，明确各卷章节独立编排，同时考虑近年我国高坝枢纽泄水建筑物工程建设实践中的创新与突破，以及内容编写的结构完整性及协调性，将第1版《手册》第6卷中第27章“泄水建筑物”、第28章“消能与防冲”的内容合并为本卷第1章;随着以三峡为代表的江河大型枢纽工程的相继规划建设，内河通航建筑物的重要性日益突出，并在工程建设实践中形成了相对完整、独立的理论体系、标准体系和设计方法，同时其设计要求、机电及金属结构、安全监测等又相对区别于其他水工建筑物，因此安排“通航建筑物”为本卷第2章，包括总体设计、整体模型试验、水力设计、建筑物结构设计、金属结构及机械设计、机电及消防设计，以及安全监测设计等，内容完整，便于参考使用;“其他过坝建筑物”安排为本卷第3章，以第1版《手册》第29章“过坝建筑物”为基础，吸收近年工程实践，分节编写了过鱼建筑物、过木建筑物、排漂建筑物;“闸门、阀门和启闭设备”安排为本卷第4章，主要在第1版《手册》第26章“门、阀与启闭设备”的基础上，对内容和结构作了修改、补充和调整;水闸安排为本卷第5章，主要在第1版《手册》第25章“水闸”的基础上对内容和结构作了修改、补充;随着对工程安全监控和运行管理要求的提高，安全监测在水利水电工程中的作用越来越重要，但各种建筑物的安全监测要求、设备设施差别较大，难以在本卷中全面系统地阐述，因此本卷中取消了第1版《手册》第30章“观测设备与观测设计”的有关内容，专门增设一卷《水工安全监测》作为第11卷，集中介绍安全监测设计、仪器选型、施工要求、资料整理分析和安全监测自动化等内容。

综上，《水工设计手册》(第2版)第7卷《泄水与过坝建筑物》共包括5章，依次为泄水建筑物，通航建筑物，其他过坝建筑物，闸门、阀门和启闭设备，水闸。各章与第1版相比内容的增减、取舍等分述如下。

1　第1章泄水建筑物

第1版《手册》中该部分内容分列于第27章“泄水建筑物”、第28章“消能与防冲”，其中第27章“泄水建筑物”包括“概述”、“溢流坝”、“陡槽溢洪道”、“侧槽溢洪道”、“竖井溢洪道”、“虹吸溢洪道”、“泄洪洞与坝身泄水孔”、“泄水建筑物空蚀及其防止措施”等8节;第28章“消能与防冲”包括“概述”、“水跃消能”、“挑流消能”、“面流消能”等4节内容。

本次修编中对上述两章进行了合并:一是对部分节进行了适当归并，各类溢洪道主要内容全部归并为岸边溢洪道一节，涵盖了正槽式溢洪道、侧槽式溢洪道、虹吸式溢洪道等内容，并增加了关于非常溢洪道的布置和设计要求。二是调整了部分节的结构，如泄洪洞及坝身泄水孔拆分为泄洪洞与坝身泄水孔两节，主要是考虑近年来大量建设于高山峡谷地区的当地材料坝型中，布置于岸边的泄洪洞已成为布置简明、技术经济指标较优的主要泄洪建筑物型式，积累了丰富的工程经验，因此将泄洪洞单列为一节，原竖井溢洪道一节的内容相应并入泄洪洞，其内容涵盖了泄洪洞分类、常规泄洪洞、竖井式泄洪洞、内消能泄洪洞等，并增补了大量工程实例，可供类似工程设计参考和借鉴;坝身泄水孔内容在原有基础上进行了适当扩充。三是根据国内外新的科研成果和设计实践经验，增加了水流掺气与掺气减蚀、急流冲击波、泄洪雾化、特殊消能工和水力学安全监测五节内容;增加或进一步完善了内消能泄洪洞、水垫塘、宽尾墩与底流消能的联合应用、新型抗空蚀材料等相关内容。

调整后本章包括“概述”、“溢流坝”、“坝身泄水孔”、“泄洪洞”、“岸边溢洪道”、“底流消能”、“挑流消能”、“面流消能”、“特殊消能工”、“空化空蚀”、“水流掺气与掺气减蚀”、“急流冲击波”、“泄洪雾化”、“水力学安全监测”等14节，结构合理，内容更加全面，尤其是掺气水流、急流冲击波、泄洪雾化、特殊消能工和水力学安全监测等内容的增补，吸收了多年来工程实践中的大量经验，丰富了泄水建筑物设计内容，对高坝枢纽泄洪建筑物设计和高速水流问题的处理有较好的指导性。通过实际工程的水力学监测，也可进一步验证设计、总结经验。本章内容总体反映了目前国内外水利水电枢纽泄水建筑物的设计水平，有较好的借鉴和参考价值。

2　第2章通航建筑物

第1版《手册》中该部分内容列于第29章“过坝建筑物”，涉及3节内容，依次为船只过坝建筑物总论、船闸、升船机。

我国的通航建筑物主要从20世纪50年代开始，至2003年三峡船闸投入运行，通航建筑物的技术进步十分显著，特别是三峡船闸一系列技术难题的解决，在关键技术问题上做出了多项科技创新，并经运行实践检验。本次修编中在总结近30年通航建筑物设计和建设实践经验的基础上，将通航建筑物独立成章，全章共分4节，“2.1概述”介绍水利水电枢纽工程通航建筑物功能、特点、发展趋势，以及设计工作主要技术问题和工作内容、基本资料等;“2.2总体设计”论述了通航建筑物等级、基本型式、设计规模和主要设计条件，通航建筑物在水利枢纽中的布置，以及水力学整体模型试验等内容;“2.3船闸设计”，重点论述船闸基本型式、总体布置、输水系统水力设计、建筑物结构设计、金属结构及机械设计、机电与消防设计，以及安全监测设计;“2.4升船机设计”包括升船机基本型式、总体布置、建筑物结构设计、金属结构及机械设计、电气与消防设计。

修编中突出了水利水电枢纽工程中、高水头船闸和大、中型升船机设计的技术特点，进一步反映了现代通航建筑物水工设计的理论和方法，突出其科学性和实用性;手册内容与现行水利水电标准相协调，充实了通航建筑物设计的新理念、新规范和设计标准，部分参考了交通部门的有关规定。与第1版《手册》中该部分内容相比，进一步完善了通航建筑物总体设计及型式选择方面的内容，强调了通航建筑物布置要求，以及与各行业标准的协调性，适当增加了建筑物运行、水力学整体模型试验的内容;在船闸设计中进一步细化了金属结构及机械设计、电气与消防设计等内容，增加了原型观测、安全监测设计等;升船机设计中同样进一步细化了金属结构及机械设计、电气与消防设计等内容，增加了安全监测设计。

修编中增补完善了国内外大、中型船闸、升船机主要技术指标一览表，完善了相关附图等。通航建筑物整体归并在一章后，内容完整全面，层次清晰，便于设计使用，有较好的参考借鉴及指导性。

3　第3章其他过坝建筑物

第1版《手册》中该部分内容列于第29章“过坝建筑物”，包括“过鱼建筑物”和“过木建筑物”两部分，涉及5节内容，分别为“木材过坝概述”、“木材水力过坝”、“木材机械过坝”、“鱼道”、“其他过鱼和孵鱼设施”。

随着环境保护意识的提高，以及拦河筑坝后对洄游性鱼类影响方面的研究不断深入，近年来，在水利水电枢纽尤其是中低坝枢纽中建设的鱼道工程不断增加，相关研究也在不断深化，水利、水电行业已分别颁布了鱼道设计规范或导则，以指导和规范其建筑物布置与设计。本次《手册》修编中将第1版《手册》中的“鱼道”、“其他过鱼和孵鱼设施”两节合并为“过鱼建筑物”一节，但在内容方面进行了大量补充，介绍了一些国内外的研究和应用成果，如过鱼建筑物中的特殊型式鱼道及导鱼电栅的应用等内容;明确了需要考虑修建过鱼建筑物进行保护的鱼种;根据鱼道结构特点对鱼道结构型式进行了重新分类，提供了与不同鱼类相适宜的鱼道隔板参考尺寸，并以横隔板式鱼道为例介绍了工作原理，细化了设计流程;增加了鱼道水工模型试验内容;补充了多个近年来国内外新建的过鱼工程实例。修编后该节内容更加完整，增强了设计指导性。由于过鱼建筑物涉及到保护鱼类的生活习性、种群调查、洄游时间及克流能力等方面的系统研究，目前积累的成果仍不足，国内已建过鱼建筑物成功的经验仍较少，因此还需在后续工程实践中加强多学科联合研究，不断总结经验、完善设计。

第1版《手册》中有3节内容涉及木材过坝，在当时确有不少枢纽工程布置中需要考虑木材过坝问题。近年来，随着综合运输条件的改善，加之大范围实施天然林保护及生态环境保护，工程中已建的过木建筑物大多已经基本闲置，有限的木材资源多改用公路、铁路转运或者直接船运。新建的水利水电枢纽也基本没有过木的需求和规划。经编写组充分讨论，为保持连续性和完整性，本次修编中仍保留过木建筑物一节，但侧重于介绍性内容，对第1版《手册》3节进行了归并，其内容进行了删减，补充增加了木材浮运方式和浮运设施的内容;在水力过坝的类型中增加了“流木槽”的内容;在木材机械过坝中补充了“索道”设计内容。

多年的工程运用实践表明，我国大部分水库工程都不同程度地受到漂浮物的影响。由于人工打捞漂浮物等管理措施在河流漂浮物较多的枢纽上存在较大困难，尽管从流域管理及环境保护角度，对库区漂浮物下排或就地打捞处理仍有不同认识，但近年来不少水利水电工程设计都考虑了排漂问题，在枢纽布置中设置了排漂设施或排漂建筑物。为了提高手册的技术指导性和参考性，本次修编中，本章增加了“排漂建筑物”一节，主要从工程设计角度论述了坝身排漂孔和导(拦)漂设施的布置、型式及设计，以及模型试验等内容，可供参考和借鉴。

4　第4章闸门、阀门和启闭设备

第1版《手册》中该部分内容集中于第26章“门、阀及启闭设备”，共包括概述、闸门在水利枢纽中的布置、水力设计、闸门的构造布置、结构设计、机械零部件设计与埋固件设计、启闭力计算及启闭设备等7节内容，其结构合理，内容基本完整。

经过30多年的发展，我国水利水电工程水工金属结构的设计需求、设计理念、方法和手段、规范标准方面都有较大变化。本次修编中在基本维持原有结构的基础上，根据近年工程实践，新增加了拦污栅及清污机、防腐蚀设计、抗冰冻设计和抗震设计4节内容，以便于设计借鉴和参考。修编后章名修改为“闸门、阀门和启闭设备”，共包括11节，依次为:“概述”、“闸门在水工建筑物中的布置”、“闸门的结构布置”、“水力设计”、“结构设计”、“机械零部件设计与埋设件设计”、“启闭力计算与启闭机”、“拦污栅及清污机”、“防腐蚀设计”、“抗冰冻设计”、“抗震设计”。

在增加部分节的同时，调整了原有部分节名称，对原有各节内容进行了适当补充和完善，主要包括:在“概述”一节中调整了闸门的组成和分类，对各类闸门的特性、工程实例进行了修改和补充;“闸门在水工建筑物中的布置”一节中丰富了泵站的内容，增加了抽水蓄能电站、升船机方面的介绍性内容;“闸门的结构布置”一节增加了船闸输水系统阀门和抽水蓄能电站高压阀门等内容;“水力设计”一节中完善了空化与空蚀方面的内容，介绍了闸门流激振动试验研究的原理和方法、防止和减轻闸门有害振动的措施和方法;“结构设计”一节中修改补充了荷载、材料和容许应力、计算方法的内容，介绍了有限元在结构分析中的应用，取消了建立并求解有限元刚度矩阵的算例，增加了高强度螺栓连接的应用;“机械零部件设计与埋设件设计”一节增加了新型滑道及结构型式、各种轨道参数和轴承材料的特性及应用等内容;“启闭力计算与启闭机”一节中补充了启闭机的内容，并将自动挂脱梁也列入其中，详细介绍了各种启闭机的组成和特性、布置型式、工程应用实例和最新系列参数，以及液压系统、电气控制及检测系统等内容。

涉及通航建筑物金属结构部分的内容在本章侧重于介绍性，以避免与第2章“通航建筑物”中相关内容的重复。“拦污栅及清污机”、“防腐蚀设计”、“抗冰冻设计”、“抗震设计”等内容的增加，更加有利于引导设计人员进一步关注金属结构工程的长期安全性、耐久性和运用管理的便捷性。

修编后本章结构更加完整，内容更为全面，总体反映了当前国内外水工金属结构的设计水平。需要说明的是，随着一大批大型骨干水利水电枢纽工程的兴建，金属结构设备也向高水头、大孔口、大容量、高扬程发展，超大型多支臂弧形闸门设计、高水头闸门及其水封型式及材料的研究、闸门流激振动及抗震设计、大容量启闭机设计、高扬程启闭机双吊点同步问题研究等，在技术上仍需不断地创新和发展。

5　第5章水闸

第1版《手册》中该部分内容集中于第25章“水闸”，共包括10节内容，依次为:“概述”、“泄流能力与轮廓尺寸”、“消能与防冲”、“防渗设计”、“闸室及地基稳定分析”、“松软地基的处理”、“闸室底板的应力分析”、“闸墩的应力分析”、“闸室附属结构及两岸连接建筑物”、“其他闸型”。

本次修编中在基本维持原有结构的同时，对部分节的安排作了局部调整，根据近年工程实践，丰富、完善了新的内容。“总体布置”单列为一节;将原来的闸室底板的应力分析和闸墩应力分析两节合并为“闸室结构应力分析”，删除了其中的反拱底板内容，增加了预应力闸墩计算等内容;松软地基处理一节改为“地基设计”，介绍了水闸地基处理设计方法，将地基处理的方法进行归类、调整为换土垫层法、桩基础、振冲水冲法、强力夯实法(强夯法)、沉井基础、深层搅拌桩、湿陷性黄土地基处理等内容，增加了地震液化地基处理内容;增加了“闸室混凝土施工期裂缝控制”和“安全监测”两节内容;将其他闸型改为“其他闸型设计”，增加了立交涵闸等内容，取消了装配式水闸和灌注桩水闸的内容。根据近年来橡胶坝工程在以城市景观工程为代表的相关工程中的大量应用，按照大纲要求，单独增加了“橡胶坝”一节。

修编后本章共包括13节，依次为:“概述”、“总体布置”、“过流能力与闸室轮廓尺寸”、“消能与防冲”、“防渗与排水”、“稳定分析”、“闸室结构应力分析”、“地基设计”、“闸室混凝土施工期裂缝控制”、“附属结构及连接建筑物设计”、“橡胶坝”、“安全监测”、“其他闸型设计”。总体来看，修编后本章结构更加完整，内容更为全面，增加的预应力闸墩、地震液化处理、橡胶坝等内容有较丰富的工程实践经验积累，因此有较好的参考和借鉴性。