什么是水工建筑物?

[拼音]：shuigong jianzhuwu

[外文]：hydraulic structure

控制和调节水流、防治水害、开发利用水资源的建筑物。水工建筑物是实现除害兴利的各项水利工程的重要组成部分。水利工程与国计民生息息相关，而水工建筑物又决定着水利工程能否安全有效地运行。大型或重要的水工建筑物失事，常会造成重大灾害。水工建筑物的设计与研究涉及许多学科领域，诸如水力学、水文学、固体力学、工程结构、岩土力学、工程地质、建筑材料以及水利勘测、水利规划、水利工程施工、水利管理等。水工建筑物直接为防洪、灌溉和排水、水力发电、航道和港口、 城镇供水、 水土保持和环境保护等部门服务，是一门综合性很强的应用学科。

水工建筑物历史悠久。早在公元前2900年，埃及就在尼罗河上建造了一座高 15m、长240m的挡水坝。在中国，从春秋时期开始，就在黄河下游沿岸修建堤防，经历代整修加固，形成长约1500km的黄河大堤。公元前256～前251年兴建并延用至今的都江堰工程，利用鱼嘴分水，飞沙堰泄洪、排沙，宝瓶口引水，是引水灌溉工程的典范。从春秋时期开始兴建至公元1293年全线通航的京杭运河是世界上最长的运河。

中世纪及其以前的水利工程建设，大都凭借经验，缺乏理论分析。19世纪中期特别是进入20世纪以后，由于生产发展和科学技术进步，水工设计理论不断完善，施工技术水平逐步提高，水工建设取得了较快的进展。如重力坝剖面的底宽与坝高之比在逐渐减小；在适宜的条件下，改变结构形式（如腹拱坝）或采用减压排水系统，以减小坝体工程量;而碾压混凝土筑坝等技术的出现，又为简化坝体施工、加快工程进度和降低造价提供了有利条件。20世纪80年代最高的重力坝是瑞士的大迪克桑斯坝，高285m。20世纪60年代以来，拱坝建设发展较快，对坝址地形和地质条件的要求逐渐放宽，在宽高比大于5和地质条件复杂的地基上也能修建拱坝；为改善坝肩稳定条件，拱圈已从过去的单圆弧拱发展为多圆心拱、椭圆拱、抛物线拱和对数螺线拱等多种形式；对不太对称的河谷，常采用周边缝(见双曲拱坝)将坝体与地基分开，以改善坝体应力和减少工程量。世界最高的拱坝是苏联的英古里坝，高度已达272m。随着土力学理论的发展，施工技术水平的提高和大功率、高效施工机械的采用，以及对上坝土料要求放宽，加之有些国家地质条件较好的坝址已经不多等原因，致使高土石坝的修建越来越多。苏联的罗贡坝，高达335m，是20世纪80年代世界上最高的土石坝。钢筋混凝土面板堆石坝也在迅速发展。岩石力学的发展，促使采用隧洞等地下结构的工程日益增多，规模也在不断扩大，施工技术和机械化水平不断提高，预应力衬砌隧洞、锚喷支护、在软基上用高压喷射灌浆开挖洞室等都在发展。利用混凝土防渗墙或帷幕灌浆解决坝基渗漏，在深厚覆盖层地基上修建土石坝，在岩溶地区和复杂地基修建高坝均获得了成功。埃及阿斯旺高坝的帷幕深170m;加拿大马尼克三级土坝，防渗墙深达131m。中国在岩溶地区成功地建成了高165m的乌江渡拱形重力坝，灌浆帷幕深达260m。由于高坝建设增多，大流量泄洪消能设施发展迅速，单宽流量不断加大，有些工程高达300m3/（s·m）以上。为解决由于高速水流引起的空蚀问题，除作好体型设计外，还采用了掺气减蚀等措施。在高山峡谷地区，为适应泄水建筑物与水电站厂房的布置，厂房顶溢流式、挑越式厂坝联合泄洪以及厂房位于坝内的腹拱式等形式也逐渐付诸实施。大容量电子计算机和有限元方法的采用，又为解决过去用人工难以完成的许多计算课题和数据处理创造了良好条件。

水工建筑物可按使用期限和功能进行分类。按使用期限可分为永久性水工建筑物和临时性水工建筑物，后者是指在施工期短时间内发挥作用的建筑物，如围堰、导流隧洞、导流明渠等。按功能可分为通用性水工建筑物和专门性水工建筑物两大类。

主要有：

（1）挡水建筑物，如各种坝、水闸、堤和海塘；

（2）泄水建筑物，如各种溢流坝、岸边溢洪道、泄水隧洞、分洪闸；

（3）进水建筑物，也称取水建筑物，如进水闸、深式进水口、泵站；

（4）输水建筑物，如引（供）水隧洞、渡槽、输水管道、渠道；

（5）河道整治建筑物，如丁坝、顺坝、潜坝、护岸、导流堤。

主要有：

（1）水电站建筑物，如前池、调压室、压力水管、水电站厂房；

（2）渠系建筑物，如节制闸、分水闸、渡槽、沉沙池、冲沙闸；

（3）港口水工建筑物，如防波堤、码头、船坞、船台和滑道；

（4）过坝设施，如船闸、升船机、放木道、筏道及鱼道等。

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；闸门既能挡水和泄水，又是水力发电、灌溉、供水和航运等工程的重要组成部分。有时施工导流隧洞可以与泄水或引水隧洞等结合。

水工建筑物的主要特点归结如下。

地形、地质、水文、气象等自然因素对工程选址，建筑物选型、设计、施工，枢纽布置和工程投资等影响很大，特别是水文和地质条件更为突出。水文条件直接关系到水工建筑物的规模和工程效益。水工建筑物地基常面临很复杂的情况：岩基经常有断层破碎带、软弱夹层、岩溶等地质构造；土基间或有压缩性大的软弱土层或流动性大的细砂层等情况。对不同的地基，需要在摸清地质情况的基础上，结合建筑物的类型、规模和重要性，采取妥善的地基处理措施。

水和建筑物的相互作用是水工建筑物工作条件复杂化的基本因素，也是水工建筑物有别于一般土木结构的重要特点。例如:由于上下游水位差，挡水建筑物要承受相当大的水压力，要求建筑物及其地基必须具有足够的抵抗水压力的能力，以确保建筑物的安全；在建筑物及其两侧岸边和地基内形成的渗流，产生渗透压力，对建筑物的强度和稳定不利；泄水建筑物泄水时，下泄水流的巨大能量，对河床和岸坡具有强烈的冲刷作用；对高水头泄水建筑物还应研究解决由于高速水流引起的脉动、振动、空蚀、掺气以及水流挟沙对建筑物表面的磨蚀等。

在江河中兴建水利工程，需要妥善解决施工导流、截流和施工期渡汛。通常工期紧迫，技术难度大，降雨、 冰冻、 高温等气候条件都对土方工程和混凝土工程施工有不同程度的影响。大体积混凝土温度控制、复杂地基的处理以及地下工程、水下工程等的施工技术都较复杂。水利工程的建筑材料一般数量较大，交通运输比较困难，特别是在深山峡谷地区更为突出。

水工建筑物设计包括：

（1）选址，即坝址、闸址、洞线、渠线等的选择；

（2）选型，即选定建筑物的结构形式，如坝型可在各种混凝土坝、土石坝以及其他合适的形式中进行选择比较，而对某一种坝型还需在各种不同的形式中进行遴选；

（3）枢纽布置，即确定枢纽中各个建筑物之间的合理位置；

（4）水力计算，即校核过流能力、计算水面曲线或压坡线等；

（5）结构计算，即计算建筑物的强度、稳定和刚度等；

（6）进行工程细部设计、确定地基处理方案和观测设计等。对大中型工程还应有水力模型试验和结构试验配合验证。

在进行结构计算之前，需要确定建筑物承受的荷载。作用在水工建筑物上的荷载主要有：自重（包括建筑物自身和永久设备的重量）、静水压力、扬压力、动水压力、冰压力、 泥沙压力、 浪压力、地震力、温度荷载、土压力等。设计时，需要根据实际情况，按其出现的机率进行不同的组合。设计不同类型的水工建筑物对荷载的考虑不尽相同。如温度荷载，在重力坝设计中除施工期的温度控制措施外，一般可以不予考虑，而在拱坝设计中，则必须列为一项主要荷载。

为使水工建筑物的安全度与其重要性和工程造价相协调，即在保证一定安全度的前提下，做到经济合理，需要对枢纽中的各个建筑物按其作用和重要性进行分级。对不同级别的建筑物，在抗御洪水能力、强度和稳定安全系数、建筑材料和运行可靠性等方面应有不同的要求。级别高，要求也高；级别低，则可适当降低要求。在中国，水工建筑物分为五级（见水利枢纽）。

水工建筑物涉及许多学科领域，工作条件各有不同，不少问题需要通过科学研究和生产实践逐步完善和提高，如：

（1）在一定的自然环境和给定的建筑目标、材料、施工等条件下，如何选择结构简单，工程量小，便于运行管理和造型美观的结构形式和体形；

（2）建筑物与地基的相互作用及软弱地基的处理和建筑物设计的相应改进；

（3）结构超过d性阶段后的工作性态；

（4）新型消能工和在高速及高含沙条件下抗磨和减蚀的研究；

（5）峡谷地区高坝大泄量枢纽的布置；

（6）水工建筑物的抗振研究；

（7）新型材料的利用；

（8）筑坝施工新技术研究；

（9）小型水工建筑物的标准化和装配化；

（10）水库及河道冲淤以及治河建筑物的研究等。

归纳起来有以下几种。

运用力学等方面的知识，通过分析计算，设计和研究水工建筑物，是基本的也是最主要的方法，但不是所有问题都能依靠计算来解决。

建立物理模型（水力模型和结构模型），通过试验，研究整个枢纽、建筑物整体或局部在各种不同条件下的工作状况，它能解决许多用理论分析不能解决的问题。

由于理论分析和试验研究都不能做到与实际情况完全一致，为了验证上述两种方法的研究成果，并指导今后的实践，可对建造中或建成使用中的水工建筑物埋设各种观测仪器，通过对原型观测和分析研究，找出一般规律。

参照与本工程条件相近，运用情况良好的已建工程选定有关尺寸和参数，也是较常采用的一种方法。

上述各种方法是相辅相成的，一般需要配合应用。

20世纪以来，水工建筑物在世界各国发展迅速，规模也越来越大。如中国在建及拟建水工建筑物与已建成的相比，无论在形式上、规模上都有较大的改进和提高:土石坝的高度将从100m提高到近200m，而混凝土坝的高度则将达到250m左右;电站装机容量将达到300～400万kW甚至1000万kW以上;一些中、低水头的抽水蓄能或混合式抽水蓄能电站已开始兴建；一些大规模的引水、供水、灌溉等工程亦将相继投入实施。从全世界而言，水工建筑物的前景是向高水头、大容量、新材料、新结构等方面发展。随着施工技术不断提高和大型、高效施工机械及高速、大容量电子计算机的采用，高拱坝、高土石坝、碾压混凝土坝、深埋隧洞及大型地下建筑物等的设计和研究将会有较快的进展。此外，预制构件装配化的中小型水工建筑物的应用，以及水工建筑物监测和管理调度技术等也将随之有较大发展。

参考书目

天津大学祁庆和主编：《水工建筑物》，第2版，水利电力出版社，北京，1986。Μ.Μ.格里申，水利水电科学研究院译：《水工建筑物》，上册、下册，水利电力出版社，北京，1984、1986。

参考文章

水工建筑物的分类有哪些?电气技术水工建筑物按其功能可分为哪几类?电气技术

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