港口工程及水工建筑物

'第8章港口工程及水工建筑物8.1概述1.港口工程的定义港口是具有水陆联运设备和条件，供船舶安全进出和停泊的运输枢纽。港口工程是兴建港口所需的各项工程设施的工程技术，包括港址选择、工程规划设计及各项设施（如各种建筑物、装卸设备、系船浮筒、航标等）的修建。港口工程也指港口的各项设施。港口工程原是土木工程的一个分支，随着港口工程科学技术的发展，已逐渐成为相对独立的学科。但仍和土木工程的许多分支，如水利工程、道路工程、铁路工程、桥梁工程、房屋工程、给水和排水工程等分支保持密切的联系。2.发展简史最原始的港口是天然港口，有天然掩护的海湾、水湾、河口等场所供船舶停泊。港口的发生时从古代渔捞开始的，一般都是天然港湾，只是为了单纯的停泊渔船或是安全避险。那时还没有港口的概念，所有的港口都是天然港口。随着时间的推进和人类生产力的发展，天然港口已经越来越不能满足人类自身发展的需要，须兴建具有码头、防波堤和装卸机具设备的人工港口，这是港口工程建设的开端。中国是人工港口出现最早的国家之一，在秦汉时期就出现了山阴港等人工海港。时间来到近代（17世纪中口t——20世纪中叶），随着资本主义的发展和商品经济的崛起，船舶的迅速大型化。由原来的石材和木料为主的港口工程逐渐被以钢材和混凝土结构所取代，在工程的理论方面也有巨大的创新，从而保证了工程结构物的安全性。我们所熟知的港口工程是现代港口工程（20世纪中叶以后）。第二次世界大战以后，现代科学技术推进了建筑材料的发展、建筑理论技术的更新，加上施工过程的工业化和规模化。出现了一大批大型的海港，如荷兰的鹿特丹海港、中国的上海港等。 图8-1荷兰鹿特丹海港图8-2中国上海港1.港口工程规划港口工程建设牵涉面广，关系到临近的铁路、公路和城市建设，关系到国家的工业布局和工农业生产的发展。因此，必须按照统筹安排、合理布局、远近结合、分期建设的原则制订规划，特别是沿海港口的建设规划。贯彻深水深用、浅水浅用的原则，合理开发利用或保护好国家的港口资源。制订规划要做好港口腹地的社会经济调查，弄清建港的自然条件，选择好港址，确定合理的工程规模和总规划，进行可行性研究后，制订实施规划。港口工程的规划包括选址、规模、布置方案。港口的选址是港口设计最为重要的工作，它不仅要考虑港口经济腹地范围内的工农生产、交通运输，还要考虑港口自身和附近环境因素。港口的规模以吞吐量为依据进行设计；远景货物吞吐量、船舶的性能、尺度及今后发展趋势也是港口规划设计的主要依据。港口布置遵循原则：统筹安排、合理布局、远近结合和分期建设。布置方案是规划阶段最重要的工作之一，港口布置的基本类型：自然地形布置（天然港）、挖入内陆和填筑式。港口规划的一般程序如下图所示。 建设文件系规划时间系规划层次范围系图8-3港口规划的一般程序1.港口工程设计港口工程设计的基本内容包括以下几个方面：①客货运量的调查和预测；②港址选择;③船型及其运输组织形式的确定；④岸线使用的分配；⑤装卸工艺的确定；⑥泊位数和库场面积等的确定；⑦高程设计；⑧港口总平面布置；⑨港口水工建筑物和陆域建筑物的设计；⑩推荐科学的管理机构和合理的人员编制，施工方案的确定以及投资及其效益的估计。5.港口工程特点港口工程施工有许多地方与土木工程相同，但有自己的特点。港口工程往往在水深浪大的海上或水位变大的江河上施工，水上工程量大、质量要求高、施工周期短，我国和其他国家的一些海港还受台风或其他风暴的袭击。因此，要求尽可能采取装配化程度高、施工速度快的工程施工方案，尽量缩短水上作业时间；并采取切实可行的措施保证建筑物在施工期间的稳定性，防止滑坡或其他形式的破坏。港口工程常遇到软土地基，使在软土上建造的港口建筑物出现各种工程事故，造成巨大损失。应从软土地基加固、改善地基应力状态、建筑物的结构和基础类型等方面着手，保证工程建成后的正常使用。6.发展趋势港口建设发展趋势是：①石油、煤炭、矿砂、粮食等专用码头的兴建；②在风浪条件不是太差的开敞海域，不用防波堤掩护，兴建开敞式码头；③专供装卸、存放集装箱用的码头的发展；④ 填海造地工程的开展；⑤港口建设与城市工业区的发展密切配合，大力发展工业港；⑥大力发展海河联运和水水中转作业，在原港口中增建内河港地。这些趋势促使港口工程：①大力开辟深水航道和开挖深水港池，大量建设深水泊位；②结合港口疏浚吹填造陆，使软基加固技术得到很大发展；③码头结构向构件大型化、结构简单化方向发展；④防波堤向深水发展；⑤码头装卸设备向大型化、高效率和专业化方向发展；⑥电子计算机和其他先进技术在港口勘测、设计、施工和经营管理等方面日益广泛应用；⑦在波浪预报、波浪理论和不规则波浪作用力的研究，泥砂淤积研究及模型试验，防波堤人工块体的研究等方面，都有很大发展。5.2港口的分类1.按地理位置分港口按地理位置可分为河港、海港和河口港。(1)内河港：指位于天然河流或人工运河上的港口，包括湖泊港和水库港。湖泊港和水库港水面宽阔，有时风浪较大，因此同海港有许多相似处，如往往需修建防波堤等。苏联古比雪夫、齐姆良斯克等大型水库上的港口和中国洪泽湖上的小型港口均属此类。图8-4苏联古比雪夫水库 图8-5中国洪泽湖水库(2)海港：指位于海岸、海湾或泻湖内，也有离开海岸建在深水海面上的。位于开敞海面岸边或天然掩护不足的海湾内的港口，通常须修建相当规模的防波堤，如大连港、青岛港、连云港、基隆港、意大利的热那亚港等。供巨型油轮或矿石船靠泊的单点或多点系泊码头和岛式码头属于无掩护的外海海港，如利比亚的卜拉加港、黎巴嫩的西顿港等。泻湖被天然沙嘴完全或部分隔开，开挖运河或拓宽、浚深航道后，可在泻湖岸边建港，如广西北海港。也有完全靠天然掩护的大型海港，如东京港、香港港、澳大利亚的悉尼港等。图8-6中国大连港 图8-7中国连云港图8-8日本东京港 图8-9澳大利亚悉尼港(3)河口港：指位于河流入海口或受潮汐影响的河口段内，可兼为海船和河船服务。一般有大城市作依托，水陆交通便利，内河水道往往深入内地广阔的经济腹地，承担大量的货流量，故世界上许多大港都建在河口附近，如鹿特丹港、泰晤士港、纽约港、列宁格勒港、上海港等。河口港的特点是，码头设施沿河岸布置，离海不远而又不需建防波堤，如岸线长度不够，可增设挖入式港池。在我国，一般把河口港划入海港的范畴。图8-10中国深圳港 图8-11英国泰晤士港2.按用途分港口按服务对象可分为商港、工业港、渔业港、军港和避风港等。(1)商港：指专门从事客货运业务的港口，所以也称为公共港。商港不但要有优良的自然条件，还必须具备工商业比较集中、商品经济比较发达、交通十分方便等条件，并具有从事水、陆、空联运的各种设施。如上海、香港、鹿特丹和汉堡等港口都是世界上著名的商港。(2)工业港：指为临近江、河、湖、海的大型工矿企业直接运输原料、燃料和产品的港口。(3)渔业港：指专门从事渔业的港口，我国的渔港一般只用于渔船的停泊、装运物资等，而现代化的渔港应具备各种鱼类的加工设备。(4)军港：指为军事目的而修建的港口。(5)油港：专门装卸原油或成品油的港口。(6)散货港：专门装卸大宗矿石、煤炭、粮食河砂石料等散货的港口(7)避风港：指专为船舶、木筏等在海洋、大潮、江河中航行和作业遇到突发性风暴时避风用的港口。3.其他分类方式按运输货物贸易方式分港口按运输货物贸易方式可分为对外开放港口和非对外开放港 口等。按运输功能分港口按运输功能可分为客运港、货运港、综合港等。8.3港口的组成1.3.1港口水域港口水域是港界线以内的水域面积，它一般须满足两个基本要求：船舶能安全地进出港口和靠离码头；能稳定地进行停泊和装卸作业。港口水域主要包括码头前水域、进出港航道、转头水域、锚地以及助航标志等几部分。2.进港航道进港航道是船舶进出港区水域并与主航道连接的通道。一般设在天然水深良好，泥砂回淤量小，尽可能避免横风横流和不受冰凌等干扰的水域。其布置方向以顺水流成直线形为宜。根据船舶通航的频繁程度，可分别采用单行航道或双行航道。在航行密度比较小（如在日平均通航艘次w1）时，为了减少挖方量和泥砂回淤量，经过技术经济比较和充分研究后，可考虑采用单行航道。航道的宽度一般按航速、船舶横位、可能的横向漂移等因素，并加必要的富余宽度确定。进港航道的水深，在工程量大、整治比较困难的条件下，海港一般按大型船舶乘潮进出港的原则考虑；在工程量不大或航行密度大的情况下，经论证后可按随时出入的原则确定。河港的进港航道水深应保证设计标准船型的安全通过。3.乘潮水位船舶在通过航道（包括进港航道）的局部浅段时，由于水深不足，常利用一定的高潮位以增加航深使船舶通过。这种使船舶能在一定时间内，乘一定的较大潮位通过航道浅段的水位称为乘潮水位。乘潮水位的概念，常在设计进港航道、河口浅滩航道以及船坞坞口底面高度等的时候采用，确定乘多大的潮位时，则要结合设计代表船型的吃水、航道浅段的长度、航行速度、航行密度等，按当地实际潮位过程线进行比较选定。利用乘潮水位开挖航道，可以节省工程量，但船舶航行时间有一定限制，不能随时通航。4.转头水域转头水域又称回旋水域，它是指船舶在靠离码头、进出港口需要转头或改换航向时而专设的水域。其大小与船舶尺度、转头方式、水流和风速风向有关。转头水域一般可以与港内航行水域合并在一起布置。转头水域的深度，在海港和河口港，最小水深一般按大型船舶乘潮进出港口的原则考虑；在内河港，最小水深一般不大于航道控制段最小通航水深。5.港口水深通常指船舶能够进出港口进行作业的某一控制水深。它是个综合性概念，并对外公布。港口水深是港口的重要特征之一，表明其自然条件和船舶可能利用的基本界限。港口水域在 此控制水深限制之下，各部分深度是可以不同的（实际也是如此），具体到某一部分的深度，主要根据使用要求和经济合理性来选取。航道、转头水域，在海港常按乘潮水位考虑；港池、停泊地按最低设计水位保证率确定；各泊位可不相同。在各种水域的基本起算水位确定以后，其水深可按设计标准船型的满载吃水加上龙骨下最小富余深度，并考虑波浪的影响、航行时吃水的增大以及回淤等确定。1.码头前水深码头前水深在任意情况下都能保证设计标准船型满载装卸作业所要求的水深。在水深不足的沿海港口，为使较大的船舶乘潮进港后能够靠码头进行装卸作业，通常在新建码头前一定的水域范围内（一般为2倍船宽），适当挖深，使其在设计低水位时能够达到设计标准船型满载吃水所要求的水深。2.码头前水域（港池）码头前水域指码头前供船舶靠离和进行装卸作业的水域。码头前水域内要求风浪小，水流稳定，具有一定的水深和宽度，能满足船舶靠离装卸作业的要求。按码头布置形式可分为顺岸码头前的水域和突堤码头间的水域。其大小按船舶尺度、靠离码头的方式、水流和强风的影响、转头水域布置等因素确定。3.3.2港口陆域港口的陆域是港口陆地部分的面积，主要用于陆上交通及货物的存放。它主要包括：码头、防堤波、护岸建筑、进口仓库与货场等。1.码头码头是供船舶系靠、装卸货物或上下旅客的建筑物的总称，它是港口中主要的水工建筑物之一，它的主要布置形式有：①顺岸式：码头与自然海岸线大体平行，在河港、河口港及部分中小型海港中交常用；②突堤式：码头的前沿线布置成语自然岸线有较大的角度；③挖入式：港池由人工开挖形成，在大型的河港及河口港中较为常见。2.防堤波防堤波的主要功能是为港口提供掩护条件，阻止波浪和漂沙进入港内，保持港内水面的平稳和所需要的水深，同时兼有防沙防冰作用。防堤波的平面布置方式有：①单突式：是在海岸适当地点筑堤一条，深入海中，使堤端达到适当的深水处；②双突式：是自海岸两边适当的地点各筑突堤一道伸入海中，在两堤的末端形成以突出深水的出口，以形成较大的水 域，保持港内的航道水深；③岛堤：是筑堤海中，形成海岛，专栏迎面袭来的波浪与漂沙；④组合堤：也称混合堤系，由突堤与岛堤混合应用而成。1.护岸建筑天然河岸或是海岸因受到波浪、潮汐、水雷等自然了的破坏作用会产生冲刷和侵蚀现象。但是码头的陆域边界一般是不允许冲刷的，因此产生了护岸建筑。护岸方法一般分为两大类：一类是直接护岸、一类是间接护岸。2.港口仓库与货场港口仓库与货场是港口的存储系统，主要作用是加速车船货物的周转，提高港口的吞吐能力。货场主要用来存放不拍雨淋、日晒和气温变化影响的货物，而仓库用来保管贵重的货物，不使它们受到降水和日晒的影响。3.4水工建筑物水工建筑物是指为开发、利用和保护水资源，减免水害而修建的承受水作用的建筑物。控制和调节水流，防治水害，开发利用水资源的建筑物。也指实现各项水利工程目标的重要组成部分。水工建筑物涉及许多学科领域，除基础学科外，还与水力学、水文学、工程力学、土力学、岩石力学、工程结构、工程地质、建筑材料以及水利勘测、水利规划、水利工程施工、水利管理等密切相关。它的设计和研究方法，主要有理论分析、试验研究、原型观测和工程类比等。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。 外江闸虎所避平光塔图8-12埃及阿斯旺大坝图8-13中国都江堰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。图8-14瑞士大迪克桑斯坝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。 图8-15英国英古里坝2010年8月，中国云南小湾水电站建成投产以后，已经成为世界上最高的拱坝，最大坝高达292米，水库总库容11亿m3,下游设有引水式电站，装机130万kW。图8-16中国小湾水电站坝址为石灰岩和白云岩，被裂隙和断层切割，地质条件复杂，地震烈度8度。坝型为双曲拱坝，坝面由多心圆拱组成。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。塔吉克斯坦的罗贡坝，高达335m,是20世纪80年代世界上最高的土石坝。图8-17塔吉克斯坦的罗贡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/(sm)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。 图8-18中国乌江拱形重力坝8.4.1主要特点(1)受自然条件制约多，地形、地质、水文、气象等对工程选址、建筑物选型、施工、枢纽布置和工程投资影响很大。(2)工作条件复杂，如挡水建筑物要承受相当大的水压力，由渗流产生的渗透压力对建筑物的强度和稳定不利；泄水建筑物泄水时，对河床和岸坡具有强烈的冲刷作用等。(3)施工难度大，在江河中兴建水利工程，需要妥善解决施工导流、截流和施工期度汛，此外，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。(4)大型水利工程的挡水建筑物失事，将会给下游带来巨大损失和灾难。8.4.2分类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。1.通用性水工建筑物(1)挡水建筑物，为拦截江河、渠道等水流以壅高水位，以及为防御洪水而沿河湖、海岸修建的水工建筑物。它们主要借自重或结构作用以抵御水及其他外荷载。常见的挡水建筑物有坝、水闸、堤、海塘等。拦河修建的船闸和河床式水电站等，除为专用建筑物外，也可视为挡水建筑物。有些挡水建筑物，既有挡水作用，同时又具有其他功能，如水闸及设有 泄水孔或溢流孔的坝同时具有挡水及泄水的功能。上述船闸及水电站等，既能挡水又分别供航运及发电使用。有时一个水利枢纽可包含多种挡水建筑物，如中国葛洲坝水利枢纽即由坝、泄水闸、冲沙闸、船闸及河床式水电站等组成。（2）泄水建筑物，用以排放多余水量、泥沙和冰凌等的水工建筑物。泄水建筑物具有安全排洪，放空水库的功能。对于水库、江河、渠道或前池等的运行起太平门的作用，也可用于施工导流。溢洪道、溢流坝、泄水孔、泄水隧洞等是泄水建筑物的主要形式。和坝结合在一起的称坝体泄水建筑物；设在坝身以外的常统称为岸边泄水建筑物。（3）进水建筑物，从江河、湖泊、水库或人工水道将水引入渠道、隧洞、管道的建筑物。又称取水建筑物。进水建筑物包括进水口（开敞式进水口和深式进水口卜进水闸、扬水站以及为截取河床潜流的引水工程的进水部分。开敞式进水口位于灌溉渠道或引水式水电站等的进口。深式进水口位于水工隧洞、坝下埋管或坝身泄水孔的首部，是灌溉、水力发电、城镇供水等工程中的重要组成部分。进水建筑物需要满足以下各项要求：①具有足够的过流能力，即在设计条件下能保证引用所需的流量；②结构布置和体形设计得当，进流平顺，水头损失小，避免出现不利的负压和空蚀破坏；③在多泥沙河流上，要结合实际，采用适宜的防沙措施，保证进口前免受淤积，防止推移质泥沙进入渠道；④设置闸门等控制设备，用以调节流量，或在紧急事故时关闭进口，便于维修；⑤具有足够的强度和稳定性，结构简单合理，施工方便，有利于运行和管理，造价低廉，外形美观等。（4）输水建筑物，向用水部门送水的建筑物。输水建筑物包括：弓1（供）水隧洞、输水管道、渠道、渡槽及涵洞等，是灌溉、水力发电、城镇供水、排水及环保等工程中的重要组成部分。输水建筑物除洞（管、槽）身外，一般还需包括进口和出口两个部分（发电引水隧洞在洞身后接压力水管）。有时受地形条件限制，在进口前或出口后还需增设引水渠或尾水渠。渠道线路上的输水隧洞或通航隧道，只有洞身段，但前后洞脸部分需增加护砌。输水建筑物需要满足以下各项要求。①具有设计规定的过流能力。对无压洞（管），为保证洞内为无压流态，水面以上应有足够的净空；对有压洞，为保证洞内为压力流，要求沿洞线顶部的压力余幅不小于2m；渠堤顶或边墙在水面以上需留有足够的超高。②结构布置和体形设计得当：出流平稳，水头损失小，不出现过大的负压和空蚀破坏。③不同用途的输水建筑物对水流流速各有不同的要求。发电引水隧洞的经济流速一般为3〜5m/s。为保持渠道不冲、不淤、不生水草，需结合渠道土质、水深和水流悬浮泥沙的颗粒直径，确定适宜的流速范围。④渠线上输水隧洞、暗渠等的纵坡应略陡于渠道纵坡，以减小断面和免遭淤积。 ⑤对坝下埋管，为防止由于温度变化和不均匀沉降导致管身开裂、接缝漏水或沿管身与坝体填土间产生集中渗流，应将管身置于较坚实的地基上，沿管线每隔一定距离设置带有止水的伸缩缝，并在管壁外侧做截流环(见输水管道)。⑥满足水工建筑物的一般设计要求：具有足够的强度和稳定性，结构简单，施工简便，有利于运行和管理，造价低，外形美观等。(6)河道整治建筑物，稳定或改善河势，调整水流所修建的水工建筑物。亦称河工建筑物。常用的有丁坝、矶头、护岸、顺坝、锁坝、桩坝、梢槎坝等。河道整治建筑物可以用土、石、竹、木、混凝土、金属、土工织物等河工材料修筑，也可用河工材料制成的构件，如梢捆、柳石枕、石笼、梢槎、混凝土块等修筑。1.专门性水工建筑物(1)水电站建筑物，水电站中拦蓄河水，抬高水头，装设机电设备以及将水引经水轮发电机组发电的一系列建筑物的总称。水电站建筑物有①挡水建筑物：用于拦蓄河水，集中落差，形成水库，如坝、水闸等；②泄水建筑物：用于下泄多余的洪水，或者放水以降低水库水位，如溢洪道、泄水孔等；③水电站进水口：将发电用水引入引水道；④水电站引水建筑物：将已引入的发电用水输送给水轮发电机组，如渠道、隧洞(见水工隧洞)和压力水管等；⑤平水建筑物：当水电站负荷变化时，用于平稳引水道中流量及压力的变化，如前池、调压室等；⑥尾水道：通过它将发电后的尾水自机组排向下游；⑦发电、变电和配电建筑物：包括安装水轮发电机组及其控制设备的水电站厂房、安放变压器及高压开关等设备的水电站升压开关站；⑧为水电站的运行管理而设置的必要的辅助性生产、管理及生活建筑设施。在多目标开发的综合利用水利工程中，坝、水闸等挡水建筑物及溢洪道、泄水孔等泄水建筑物为共用的水工建筑物。有时也只将从水电站进水口起到水电站厂房、水电站升压开关站等专供水电站发电使用的建筑物称为水电站建筑物。(2)渠系建筑物，为了安全输水，合理配水，精确量水，以达到灌溉、排水及其他用水目的而在渠道上修建的水工建筑物。在农田水利工程建设中，蓄水、引水等枢纽工程，只有与渠系工程配套使用，才能达到兴利的目的，故渠系建筑物又称灌区配套建筑物。灌区工程配套是挖掘现有灌溉设施潜力、发挥工程效益的重要措施。如节制闸、分水闸、渡槽、沉沙池、冲沙闸；(3)港口水工建筑物，建于水中的港口建筑物。一般包括防波堤、码头、升船和修船用的船台、滑道、船坞等。港口护岸、海上灯塔和布置在水上的导标也属于港口水工建筑物。港口水工建筑物的设计和施工，除与一般水工建筑物有许多共同之处外，也有其特点。波浪、潮汐、水流、泥沙、冰凌等动力因素对港口水工建筑物的作用及环境水(主要是海水卜海生物对建筑物的腐蚀作用，在确定建筑物荷载、平面布置和结构设计方案时应予充分考虑,采取相应的防冲、防淤、防冻、防腐蚀等措施。港口水工建筑物经常在水深、浪大、流急的 海上或洪枯水位变幅大的河流上施工，海港有时还受台风或飓风的袭击，水上工作量大，质量要求高，施工周期短，因此要求采用装配化程度高、施工速度快的工程设计、施工方案，以尽量缩短水上作业时间，并采取切实可行的措施，保证建筑物在施工期间的稳定性。港口水工建筑物的主要建筑材料有混凝土、钢筋混凝土、砂石料和钢材（见水工建筑材料）。木材由于耐久性差，有些海区还有食木虫，现已很少采用。钢材强度大，钢结构自重轻，便于施工，但由于成本高，且易于被海水腐蚀，在中国很少采用。混凝土和钢筋混凝土得到最广泛的应用。（4）过坝设施，在水利枢纽中，为船只、木材、鱼类过坝（闸）而建的设施的总称。按过坝的目的分为三类：即过船设施、过木设施和过鱼设施。实用中有两种设施合一的。如过船兼过木或兼过鱼的船闸。按上述设施的过坝方式，又可概括为两类，即水力过坝和机械过坝。（5）过船设施，又常称为通航设施。有船闸与升船机两种基本类型。船闸以水力浮运船只过坝，常见的有单、多级船闸和单、多线船闸，其闸室形式，又分为广厢式、井式和省水式（具有中间闸首）等。升船机是将船开进承船厢，利用水力或机械运送承船厢过坝，承船厢内有水为湿式，无水为干式。升船机有垂直提升和斜面提升两种。其垂直升降设备多为均衡式。斜面升船机有自爬式、卷扬式和水坡式等。过船设施形式的选择与布置，要根据过坝运输量、船型、船队、上下游水位差及其变幅、水文地形地质条件和枢纽建筑物的形式及其布置，经过技术经济综合比较确定。船闸通过能力大，应用较广。（6）过木设施，在江河中常见的木材流放方式有两种：①单根原木散漂流放；②编结成排（筏）流放。常见的木材过坝设施有放木道、筏道和各种过木机。每个具有过木任务的枢纽可根据过坝木材的数量、流放方式、木排形式、规格或原木的尺寸、过木季节及其强度、坝上下水位差、水位变幅、水文地形地质条件、枢纽建筑物形式等选用其适宜的过坝设施，以满足在水利枢纽建成后的木材流放工艺要求。筏道和放木道均利用水力过坝，即以水力作用使木材流放过坝至下游，是最早采用的两种木材过坝设施。它们均需耗费水量，与发电、灌溉有用水的矛盾。近代水利枢纽中，采用机械过坝方式的渐多，这种过坝方式灵活，适应性强，特别在过木与发电、灌溉等用水矛盾突出，上游水位变化较大的高水头枢纽中，多采用过木机。有的工程利用船闸过木或兴建与船闸类似的筏闸。在水利枢纽施工期，过木设施未建成前，常有用无压导流隧洞、导流底孔、导流明渠流放木材的。有的工程不采用固定的设施，而是将木材运出河，用汽车或火车运输过坝至下游，再放入河中流放。也有过坝后不再将木材放回河中流放而直接运至指定地点的。各种木材过坝设施，均可用于流放竹材过坝。(7)过鱼设施，水利枢纽中兴建过鱼设施已有数百年历史，但直到20世纪30年代，过鱼设施的研究和建设始有较大发展。中国从50年代后期陆续在水利枢纽中兴建过鱼设施。 过鱼设施主要有鱼道、鱼闸和升鱼机，可根据过坝鱼类的品种、数量和鱼的习性及枢纽的特性等条件选用。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。本章重点介绍以下几种水工建筑物。8.4.3重力坝1.重力坝的概念重力坝，在水压力及其他外荷载作用下，主要依靠坝体自重来维持稳定的坝。重力坝的断面基本呈三角形，筑坝材料为混凝土或浆砌石。据统计，在各国修建的大坝中，重力坝在各种坝型中往往占有较大的比重。在中国的坝工建设中，混凝土重力坝也占有较大的比重，在20座高100m以上的高坝中，混凝土重力坝就有10座。重力坝之所以得到广泛应用，是由于有以下优点：①相对安全可靠，耐久性好，抵抗渗漏、洪水漫溢、地震和战争破坏能力都比较强；②设计、施工技术简单，易于机械化施工；③对不同的地形和地质条件适应性强，任何形状河谷都能修建重力坝，对地基条件要求相对地说不太高；④在坝体中可布置引水、泄水孔口，解决发电、泄洪和施工导流等问题。重力坝的缺点是：①坝体应力较低，材料强度不能充分发挥；②坝体体积大，耗用水泥多；③施工期混凝土温度应力和收缩应力大，对温度控制要求高。重力坝是由混凝土或浆砌石修筑的大体积挡水建筑物，其基本剖面是直角三角形，整体是由若干坝段组成。重力坝在水压力及其他荷载作用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求；同时依靠坝体自重产生的压力来抵消由于雨水压力所引起的拉应力以满足强度要求。各种形式的重力坝。 (a)实体事力规斜腿(dJ预应力重力加(e)装配式重力堀£门紫砌百重力期图8-19重力坝的形式1.重力坝的历史重力坝是最早出现的一种坝型。公元前2900年埃及美尼斯王朝在首都孟斐斯城附近的尼罗河上，建造了一座高15m、长240m的挡水坝。中国于公元前3世纪，在连通长江与珠江流域的灵渠工程上，修建了一座高5m的砌石溢流坝，迄今已运行2000多年，是世界上现存的，使用历史最久的一座重力坝。18世纪，在法国和西班牙用浆砌石修建了早期的重力坝，横断面都很大，接近于梯形。1853年以后，在筑坝实践中，设计理论逐步发展，法国工程师们开始拟出一些重力坝的设计准则，如抗滑稳定、坝基应力三分点准则等，出现了以三角形断面为基础的重力坝断面。20世纪初，由于混凝土工艺和施工机械的迅速发展，在美国建造了阿罗罗克坝和象山坝等第一批混凝土重力坝。 图8-20美国阿罗罗克坝1930年以后，美国修建了高183m的沙斯塔坝和高168m的大古力坝以后，重力坝的设计理论和施工技术有了一个飞跃。在应力计算方面，提出了重力法和弹性理论法，包括考虑空间影响的试荷载法；在构造方面，建立了完整的分缝、排水和廊道系统，以及温度、变形、应力等观测系统；在施工方面，机械化程度有了显著增长，发展了柱状浇筑法和混凝土散热冷却以及纵缝灌浆等一整套施工工艺。1950年以后，重力坝继续得到发展，在瑞士修建了当今世界上最高的重力坝大迪克桑斯坝，坝高285m。在印度修建了高226m的巴克拉坝和高192m的拉克华坝；在美国修建了高219m的德沃夏克坝。苏联在寒冷地区多修建混凝土重力坝，如高215m的托克托古尔坝，在中国，60年代初建成高106m的三门峡重力坝和高105m的新安江宽缝重力坝；70年代建成了高147m的刘家峡重力坝和高90.5m的牛路岭空腹重力坝。80年代又建成了高165m的乌江渡拱形重力坝。1970年以后，世界上创造出碾压混凝土坝筑坝技术。它的特点是采用干硬性混凝土，用自卸汽车运料入仓，推土机平仓，振动碾碾压，通仓薄层浇筑，不设纵缝，不进行水管冷却，横缝用切缝机切割。它具有节省水泥，简化温度控制和施工工艺，缩短工期，降低造价的优点。美国威洛克里克坝（又译柳溪坝）、日本岛地川坝、中国福建坑口坝和南盘江天生桥二级水电站首部枢纽都采用了这种施工技术。坑口坝坝高56.8m,通仓浇筑，不设横缝，但在迎水面增设防渗面，简化了坝体构造。 图8-21日本岛地川坝3.分类重力坝按其结构形式分为：①实体重力坝；②宽缝重力坝；③空腹重力坝。重力坝按泄水条件可分为非溢流坝和溢流坝两种剖面。*近段平・岳力。港度京f电站双反》总再＜£图8-22实体重力坝实体重力坝因横缝处理的方式不同可分为三类。①悬臂式重力坝：横缝不设键槽，不灌浆；②较接式重力坝：横缝设键槽，但不灌浆；③整体式重力坝：横缝设键槽，并进行灌浆。8.4.4拱坝拱坝是一种建筑在峡谷中的拦水坝，做成水平拱形，在平面上呈凸向上游的拱形挡水建筑物，借助拱的作用将水压力的全部或部分传给河谷两岸的基岩,是一个空间壳体结构。与重力坝相比，在水压力作用下坝体的稳定不需要依靠本身的重量来维持,主要是利用拱端基。忐应用汽步忐裨才做孔 因此，拱岩的反作用来支承。拱圈截面上主要承受轴向反力，可充分利用筑坝材料的强度。坝是一种经济性和安全性都很好的坝型。(a)拱坝平面国粱有我(b)垂宜捌而(■悬财梁)图(c)水平概面(拱)图8-23拱坝平面和剖面图1.拱坝的历史人类修建拱坝具有悠久的历史。早在一、二千年以前，人们就已意识到拱结构有较强的拦蓄水流的能力，开始修建高10余米的圆筒形垮工拱坝。13世纪末，伊朗修建了一座高60米的砌石拱坝。到20世纪初，美国开始修建较高的拱坝，如1910年建成的巴菲罗比尔拱坝，高99m。20~40年代，又建成若干拱坝，其中有高达221m的胡佛坝(HooverDam)。与此同时，拱坝设计理论和施工技术也有较大的进展，如应力分析的拱梁试何载法、坝体温度计算和温度控制措施、坝体分缝和接缝灌浆、地基处理技术等。50年代以后，西欧各国和日本修建了许多双曲拱坝，在拱坝体形、复杂坝基处理、坝顶溢流和坝内开孔泄洪等重大技术上又有新的突破，从而使拱坝厚度减小，坝高加大，即使在比较宽阔的河谷上修建拱坝也能体现其经济性。进入70年代，随着计算机技术的发展，有限单元法和优化设计技术的逐步采用，使拱坝设计和计算周期大为缩短，设计方案更加经济合理。水工及结构模型试验技术、混凝土施工技术、大坝安全监控技术的不断提高，也为拱坝的工程技术发展和改进创造了条件。目前世界上已建成的最高拱坝是前苏联英古里双曲 拱坝，高271.5m,坝底厚度86m,厚高比为0.33。其次是意大利的瓦依昂拱坝，高261.6m,坝底厚22.lm,厚高比为0.084。最薄的拱坝是法国的托拉拱坝法国的托拉拱坝，高88m,E厚2m,厚茴比为0.023。——潜t270.0*—271.5il7L5/f?।铿独色工Xij潞一帮1：即墙辞1//Jft7“nRU/他送：£*西田快》一谪坛竟二/一徵GF总J袋!—.0英古里坟平面布■和刖两圈1图8-24前苏联英古里双曲拱坝L1LQIIG图8-25意大利瓦依昂拱坝 图8-26法国托拉拱坝近40多年来，中国修建了许多拱坝。据不完全统计，至1985年底，全国①已建坝高15m以上的各种拱坝总数达800余座，约占全世界已建拱坝总数的1/4强。在拱坝设计理论、计算方法、结构型式、泄洪消能、施工导流、地基处理及枢纽布置等方面都有很大进展，积累了丰富的经验，目前中国已建成的最高拱坝是台湾省德基双曲拱坝(高180m)和青海省龙羊峡重力拱坝(高178m),最高的砌石拱坝是新疆石河子拱坝，高112m；正在施工的四川省二滩抛物线双曲拱坝，高240m,居世界第四位，标志着中国在高拱坝的勘测、设计、施工和科研方面已达到一个新的水平。2.工作特点(1)拱与梁的共同作用；(2)稳定性主要依靠两岸拱端的反力作用，因而对地基的要求很高；(3)拱是一种推力结构，承受轴向压力，有利于发挥碎及浆砌石材料的抗压强度；(4)拱梁所承受的荷载可相互调整，因此可以承受超载；(5)拱坝坝身可以泄水；(6)不设永久性伸缩缝；(7)抗震性能好；(8)几何形状复杂，施工难度大3.分类控制拱坝形式的主要参数有：拱弧的半径、中心角、圆弧中心沿高程的迹线和拱厚。按 照拱坝的拱弧半径和拱中心角，可将拱坝分为：单曲拱和双曲拱。中心角的影响：中心角大一些，拱圈厚度小一些，拱圈内力小一些，因此适当加大中心角是有利的，但过大的中心角将使拱端弧面的切线与河岸等高线的夹角变小，降低拱座的稳定形性。图8-27白山水电站一单曲拱坝图8-28滩滩水电站一双曲拱坝图(1)单曲拱又称为定外半径定中心角拱。对U型或矩形断面的河谷，其宽度上下相差不大，各高程中心角比较接近，外半径可保持不变,仅需下游半径变化以适应坝厚变化的要求o特点：施工简单，直立的上游面便于布置进水孔和泄水孔及其设备，但当河谷上宽下窄时，下部拱的中心角必然会减小，从而降低拱的作用，要求加大坝体厚度，不经济。对于底部狭窄的“V”字形河谷可考虑采用等外半径变中心角拱坝。(2)双曲拱坝①变外半径等中心角，对底部狭窄的“V”字形河谷，宜将各层拱圈外半径，上至下逐渐减小，可大大减少坝体方量。变外半径等中心角拱的特点：拱坝应力条件较好，梁呈弯曲形状，兼有拱的作用，更经济，但有倒悬出现，设计及施工较复杂，对“V”、“U”型河谷都适用。②变外半径变圆心，让梁截面也呈弯曲形状，因此悬臂梁也具有拱的作用；这种形式更能适应“V”、梯形及其他形状的河谷，布置更加灵活，结构复杂，施工难度大。变外半径变圆心拱的特点：应力状态尽一步改善，节省工程量，结构更加复杂，施工难度更大，被广泛采用为桐坑溪双曲砌石拱坝。2.4.5支墩坝由一系列倾斜的面板和支承面板的支墩(扶壁)组成的坝。面板直接承受上游水压力和泥沙压力等荷载，通过支墩将荷载传给地基。面板和支墩连成整体，或用缝分开。1.发展简史16世纪西班牙修建的埃尔切砌石连拱坝，坝高23m,是世界上第一座支墩坝。进入20 世纪以后，连拱坝有较大发展，1968年加拿大修建的马尼克五级连拱坝，坝高214m,是当前世界上最高的支墩坝。大头坝是F.A.内茨利在1926年首先提出的。1975年巴西和巴拉圭修建的伊泰普水电站大头坝，坝高196m,是当前世界上最高的大头坝。1903年安布生设计并建造了第一座有倾斜盖面的平板坝。1948年阿根廷建造了艾斯卡巴坝，坝高83m,是当前世界上最高的平板坝。中国自1949年以来也建造了很多高支墩坝。1956年建成的梅山连拱坝，坝高88.24mo1958年建成的金江平板坝，坝高54m。1960年建成的新丰江大头坝，坝高105m。1980年建成的湖南镇梯形坝，坝高129m,是中国最高的支墩坝。1.分类根据面板的形式，支墩坝可分为三种类型。嬴平版责b.谗拱旗c、大头埔图8-29支墩坝类型(1)平板坝由平板面板和支墩组成的支墩坝。自1903年修建了第一座有倾斜面板的安布生平板坝以后，世界各国修建了很多中、低高度的平板坝。阿根廷在1948年修建的埃斯卡巴平板坝，坝高83m,是世界上最高的平板坝。苏联修建了一些土基上的溢流平板坝。中国在1958及1973年分别建成高54m的金江平板坝和高42m的龙亭平板坝。面板与支墩的连接有以下三种形式分类：①简支式：面板简支在支墩托肩(牛腿)上，接缝涂沥青玛蹄脂等柔性材料，并设置止水。简支式能适应地基和温度变形，采用最多。②连续板式：面板跨过支墩，每隔两三跨设一道伸缩缝。连续式可以减小板的跨中弯矩，但在跨过支墩处产生负弯矩，易在迎水面产生裂缝，所以较少采用。③悬臂式：面板与支墩刚性连接，在跨中设缝，要求变形小，以防接缝漏水，只能用于低坝。平板坝支墩有单支墩和双支墩两种形式，双支墩用于高坝。(2)连拱坝由拱形面板和支墩组成的支墩坝。与其他形式的支墩坝比较，连拱坝有下列特点： ①拱形面板为受压构件，承载能力强，可以做得较薄。支墩间距可以增大。混凝土用量最少，但钢筋用量较多。混凝土平均含钢筋量可达30〜40kg/m3。施工模板也较复杂。混凝土单位体积的造价高。②面板与支墩整体连接，对地基变形和温度变化的反应比较灵敏，要求修建在气候温和地区，且地基比较坚固。③上游拱形面板与溢流面板的连接比较复杂，因此很少用作溢流坝。(3)大头坝面板由支墩上游部分扩宽形成，称为头部。相邻支墩的头部用伸缩缝分开，为大体积混凝土结构。对于高度不大的支墩坝，除平板坝的面板外，也可用浆砌石建造。大头坝与宽缝重力坝结构体型相似，其区别为①大头坝支墩间的空距一般大于支墩厚度，而宽缝重力坝则相反；②大头坝上游面的倾斜度一般较宽缝重力坝大；③大头坝支墩下游部分可以不扩宽，坝腔是开敞的，而宽缝重力坝则是封闭的。大头坝头部有以下三种形式：平板式：上游面为平面，施工简单。但在水压力作用下，上游面易产生拉应力，引起裂缝。圆弧式：上游面为圆弧。作用于弧面上的水压力向头部中心辐集，应力条件好，但施工模板较复杂。钻石式：上游面由三个折面组成，兼有平板式和圆弧式的优点，最常采用。大头坝支墩有单支墩和双支墩两种形式，高坝多采用双支墩以增强其侧向稳定性。为了提高支墩的侧向劲度或为了防寒，也可将下游部分扩宽，使坝腔封闭，这时在结构体形上接近宽缝重力坝。8.4.6溢流坝和泄水孔溢流坝(overflowdam),坝顶可泄洪的坝。亦称滚水坝。溢流坝一般由混凝土或浆砌石筑成。按坝型有溢流重力坝、溢流拱坝、溢流支墩坝和溢流土石坝。后者仅限于溢流面和坝脚有可靠防护设施、单宽流量比较小的低坝。和厂房结合在一起，作为泄洪建筑物的坝内式厂房溢流坝、厂房顶溢流和挑越厂房顶泄流的厂坝联合泄洪方式，可用在高山狭谷地区，是宣泄大流量时，解决溢洪道和电站厂房布置位置不足的一种途径，也是从溢流坝发展起来的新形式。溢流重力坝是溢流坝中修建较多、运行经验丰富的坝型。巴西图库鲁伊水电站的重力坝，最大坝高86m,23个溢流孔，总泄流量104400m3/s；中国河北省潘家口水利枢纽重力坝，坝高107.5m, 设计最大泄流量56200m3/s,部分采用宽尾墩形式的新型消能工。它们都是世界上泄量较大的高水平的溢流重力坝，具有很好的消能防冲效果。支墩坝中溢流大头坝与溢流重力坝相近。高溢流平板坝，由于溢流面板较单薄，不利抗震，采用不多。连拱坝由于拱筒和溢流面、边墙连接结构复杂，很少做为溢流坝。溢流拱坝除坝体结构常较单薄外，由于平面呈拱形，泄流朝径向集中是明显不利的水力条件。早期的拱坝，担心下游冲刷和坝体振动，都不敢采用大流量坝身泄洪，而另辟坝外溢洪道。1950年以来，中国修建了各种类型的溢流拱坝，如溢流跌坎式、挑坎式、溢流面板滑雪道式以及高低坎对冲、窄缝、转向挑坎等消能工形式，较好地解决了拱坝消能防冲、抗震减蚀等问题，使得溢流拱坝建设在中国有了较大的发展。湖南凤滩水电站腹拱式溢流拱坝，设计泄洪流量达32600m3/s,是世界上泄流量最大的溢流拱坝，采用独特的高低坎对冲消能，效果甚佳。坝身设有溢流面、底孔、中孔的重力坝称为泄水重力坝。它既是泄水建筑物，又是挡水建筑物。因此它除了应满足挡水建筑物的稳定强度要求外，还应满足水流条件、解决好下泄水流对建筑物可能产生的空蚀、振动以及对下游的冲刷。1.泄水重力坝的泄水方式(1)坝顶溢流式①从坝顶过水，闸门承受水头较小，孔口尺寸可以较大；②闸门全开时，下泄流量与水头的二分之三次方成正比；③闸门启闭方便，易于检查修理；④可以排冰及其他漂浮物，但不能预泄；(2)大孔口溢流式①为满足预泄要求将堰顶高程降低；②利用胸墙挡水减小闸门高度；③低水位时胸墙不影响泄流，和堰顶泄流相同；④胸墙可以做成活动式的，当遇特大洪水时，可将胸墙吊起来；⑤库水位较低时，不能供水和放空检修；(3)深式泄水孔按孔内流态可分为有压泄水孔和无压泄水：①流量与水头的二分之一次方成比例，超泄能力小；②闸门承受水头高，操作、检修都比较复杂；③可向下游供水、预泄、放空、排沙和施工导流； 以上三种方式各有特色，应结合具体情况比较选择，一般可配合使用，但为简化结构、便于施工和运用，类型不宜过多.8.4.7土石坝1.概念土石坝泛指由当地土料、石料或混合料，经过抛填、辗压等方法堆筑成的挡水坝。当坝体材料以土和砂砾为主时，称土坝、以石渣、卵石、爆破石料为主时，称堆石坝；当两类当地材料均占相当比例时，称土石混合坝。土石坝是历史最为悠久的一种坝型。近代的土石坝筑坝技术自20世纪50年以后得到发展，并促成了一批高坝的建设。目前，土石坝是世界坝工建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型。如甘肃文县白龙江碧口水电站(图8.16)、北京的密云水库。图8-30碧口水电站图8-31密云水库2.土石坝广泛应用的原因优点：(1)筑坝材料可以就地取材，可节省大量钢材和水泥，免修公路；(2)较能适应地基变形，对地基的要求比碎坝要低；(3)结构简单，工作可靠，便于维修和加高、扩建；(4)施工技术简单，工序少，便于组织机械化快速施工。不足之处：坝顶不能过流，必须另开溢洪道，施工导流不如碎坝便利，对防渗要求高，因为剖面 大，所以填筑量大而且施工容易受季节影响。1.土石坝的工作特点(1)稳定方面：不会沿坝基面整体滑动，失稳形式主要是坝坡滑动或连同部分地基一起滑动；(2)渗流方面：坝体为散粒体结构，在上下游水位差作用下经坝体和地基向下游渗透，产生渗透压力和渗透变形，严重时会导致坝体失事，浸润面和浸润线的概念；(3)冲刷方面：颗粒间粘结力小，因此土石坝抗冲能力较低；(4)沉降方面：颗粒间存在孔隙，受力后产生沉陷，分为均匀沉降和非均匀沉降；(5)其他方面：冰冻、地震、动物筑窝等.2.土石坝的设计要求为使土石坝能安全有效地工作，在设计方面的一般要求：(1)不允许水流漫顶，要求坝体有一定的超高；(2)满足渗流要求；(3)坝体和坝基必须稳定；(4)应避免有害裂缝及必须能抵抗其他自然现象的破坏作用；(5)安全使用前提下，力求经济美观。3.土石坝的类型(1)按施工方法分类：碾压式、水力冲填式、水中填土式、定向爆破。(2)按材料在坝体内的配置和防渗体的位置分类①均质土坝：坝体剖面的全部或绝大部分由一种土料填筑。按材料在坝体内的配置和防渗体的位置分类②塑性心墙坝：用透水性较好的砂或砂砾石做坝壳，以防渗性较好的粘性土作为防渗体设在坝的剖面中心位置，心墙材料可用粘土也可用沥青混凝土和钢筋混凝土。③塑性斜墙坝：防渗体置于坝剖面的一侧。④多种土质坝：坝址附近有多种土料用来填筑的坝。⑤土石混合坝：如坝址附近砂、砂砾不足，而石料较多，上述的多种土质坝的一些部位 可用石料代替砂料。(0黜士料塘垠⑷*岩土周垠(e)多种土质加(f)土布混合现侬粘土心墙土石混合块(h)轮土斜墙土石就告以U)粘土斜心塘土石混仔坝(J)而*混受土心墙现断青混粮土⑺沥青混凝土斜堵垠纲筋混凝土(1)辆就赛凝土斜墙堀图8-32按材料在坝体内的配置和防渗体的位置分类8.4.8河岸溢洪道1.泄水建筑物用来宣泄洪水期间或其他情况下水库(或渠道)中多余水量以保证大坝安全的建筑物。包括河床溢洪道(如溢流坝、泄洪闸、泄水孔等)和河岸溢洪道(明渠和泄水隧洞等) 1.河岸溢洪道的适用条件②坝体不宜作河床溢洪道；③有城口①河谷狭窄，洪峰流量大，采用河床布置有困难；地形；④利用施工导流洞改建。2.溢洪道分类①正槽溢洪道；②侧槽溢洪道；③井式溢洪道；④虹吸溢洪道；⑤泄洪隧洞。图8-33正槽溢洪道布置图 图8-34侧槽溢洪道典型布置1.4.9水工地下洞室1.水工隧洞概念在地基内开挖而成，四周被围岩包围起来的水工建筑物。刘家峡水电站由混凝土重力坝、黄土副坝、电站厂房及泄洪排沙等建筑物组成，是以发电为主，兼有防洪、防凌等作用的枢纽。由于河谷狭窄，导流及泄洪量大，除布置有开敞式河岸溢洪道外，还设有大断面的导流兼泄洪隧洞。南水水电站由定向爆破堆石坝、导流兼泄洪隧洞引水隧洞、调压井和地下厂房等组成。由于拦河坝处于峭壁狭窄中，故采用隧洞导流、泄洪。白山水电站拦河坝为三心等厚重力拱，设有三条引水隧洞和三条尾水隧洞。2.功能泄洪，发电、灌溉、给水等所需的引水，检修或其他原因需要放空水库，排沙，施工导流。图8-35刘家峡水电站枢纽平面布置图 图8-36南水水电站枢纽平面布置图GO平面由的m地下厂房横例曲图8-37白云山水电站枢纽布置图1.类型(1)按功能分：泄洪、泄水、引水、输水、放空、排砂、施工导流。 （2）按流态分：有压和无压。（3）按衬砌方式分：不衬砌隧洞，喷锚、混凝土衬砌或钢筋混凝土衬砌等。（4）按流速分：高速（＞16m/s）,低速（＜16m/s）1.工作特点开挖前：岩体处于整体稳定状态，开挖后：原由的地应录平衡被打破，引起变形，严重时可能导致岩石崩塌，需进行开挖衬砌支护。2.采用水工隧洞的条件水工隧洞不是过水建筑物的唯一形式，还存在以下形式：①山岭起伏地区的引水式电站；②过水建筑物设计高程在地面以下，采用明渠挖方大不经济时；③修建明渠可能受到滑坡、塌方、泥石流、雪崩和冰冻威胁时；④深山峡谷中修建当地材料坝无条件采用其他导流及泄洪建筑物时；⑤水电站厂房采用地下结构时。3.4.10水闸1.概念（1）水闸：是调节水位、控制流量的低水头水工建筑物，主要依靠闸门控制水流，具有挡水和泄（引）水的双重功能，在防洪、治涝、灌溉、供水、航运、发电等方面应用十分广泛。（2）低水头水工建筑物：一般指水头不超过30m的水工建筑物，主要有水闸、低坝、橡胶坝、船闸等，多数建在软基上，也有建在岩基上的。2.水闸的类型（1）按担负的任务（作用）分：节制闸（拦河闸）：拦河兴建，调节水位，控制流量。进水闸（渠首闸）：在河、湖、水库的岸边兴建，常位于引水渠道首部，引取水流。排水闸（排涝闸、泄水闸、退水闸）：在江河沿岸兴建，作用是排水、防止洪水倒灌。分洪闸：在河道的一侧兴建，分泄洪水、削减洪峰洪、滞洪。挡潮闸：建于河流入海河口上游地段，防止海潮倒灌。冲沙闸：静水通航，动水冲沙，减少含沙量，防止淤积。排冰闸：在堤岸上建闸防止冬季冰凌堵塞。 图8-38水闸的类型（2）按闸室结构分①开敞式：闸室露天，又分为有胸墙；无胸墙两种形式②涵洞式：闸室后部有洞身段，洞顶有填土覆盖。（有压、无压）（3）按操作闸门的动力分①机械操作闸门的水闸②水力操作闸门的水闸1.水闸等级划分及洪水标准（以平原区水闸枢纽为例）（1）工程等别及建筑物级别平原区水闸枢纽工程是以水闸为主的水利枢纽工程（表8.1）,一般由水闸、泵站、船闸、水电站等水工建筑物组成，有的还包括涵洞、渡槽等其它泄（引）水建筑物，应根据水闸最大过闸流量及其防护对象的重要性划分等别（表8.2）。其中水工建筑物的级别应根据其所属枢纽工程的等别、作用和重要性划分。表8.1平原区水闸枢纽工程分等指标表工程级别InmV规模大（1）型大⑵型中型小（1）型小（2）型最大过闸流量二5000500〜10001000〜100100〜20<20 防护对象的重要性特另重要重要中等表8.2水闸枢纽建筑物级别划分表工程等别永久性建筑物级别临时性建筑物级别主要建筑物次要建筑物I134n234m345w455V55（2）洪水标准平原区水闸的洪水标准应根据所在河流流域的防洪规划规定的防洪任务，以近期防洪目标为主，并考虑远景发展要求，按下表所列标准综合分析确定（表8.3）。表8.3洪水标准水闸级别12345洪水重现期设计100〜5050〜3030〜2020〜1010校核300〜200200〜100100〜5050〜3030〜204.水闸的组成及各部分的功用上游连接段（引导水流平顺进入闸室）一闸室段（调节水位和流量）一下游连接段（消能、防冲）（图8.25）。（1）闸室：底板、闸墩、闸门、（胸墙）、工作桥、交通桥。（2）上游连接段：翼墙、铺盖、护底、上游防冲槽、上游护坡。（3）下游连接段：翼墙、护坦、海漫、下游防冲槽、下游护坡、下游排水（反滤、排水孔）。 mo图8-39土基上水闸立体示意图7.4.11水电站典型布置1.水电站的典型布置型式水电站的分类方式很多，如按工作水头分为低水头、中水头和高水头水电站；按水库的调节能力分为无调节（径流式）和有调节（日调节、年调节和多年调节）水电站；按在电力系统中的作用分为基荷、腰荷及峰荷水电站等。本教材着重讲述水电站的组成建筑物及其特征，根据这一原则，水电站可以有坝式、河床式及引水式三种典型布置型式。（1）坝式水电站坝式水电站靠坝来集中水头。其中最常见的布置方式是水电站厂房位于非溢流坝坝趾处，此称为坝后式水电站，如湖北丹江口水电站。我国正在兴建的三峡水电站也采用这种布置。这种水电站常建于河流中、上游的高山狭谷中，集中的落差为中、高水头。当河谷较窄而水电站机组较多、溢流坝和厂房并排布置有困难时，可将厂房布置在溢流坝下游：或者让溢流水舌挑越厂房顶泄人下游河道，或者让厂房顶兼作溢洪道渲泄洪水。前者称为挑越式水电站，贵州乌江渡水电站；后者称为厂房顶溢流式水电站，浙江新安江水电站。当坝体足够大时，还可将厂房移至坝体空腹内，成为坝内式水电站，如厂房位于溢流坝坝体内的江西上犹江水电站和厂房位于空腹重力拱坝内的湖南凤滩水电站。 田H安昙、事京0%——■图8-40丹江口（坝后式）水电站枢纽布置图（单位：m）图8-41丹江口（坝后式）水电站横剖面图（单位：m）图8-42乌江渡水电站图8-43新安江水电站图8-44上犹江水电站图8-45凤滩水电站采用当地材料坝时，厂房可布置在坝趾，由穿过坝基的引水道供水；或布置在坝下游河岸上，由穿过坝肩山体的引水隧洞供水。采用轻型坝时，厂房位置可因坝型、地形的不同 而异，布置更为灵活，除上述各种布置方式外，还有颇具特色的安徽佛子岭水电站的连拱坝拱内厂房等。（2）河床式水电站河床式水电站的特点是：位于河床内的水电站厂房本身起挡水作用，从而成为集中水头的挡水建筑物之一，如广西西津水电站。这类水电站一般见于河流中、下游，水头较低，流量较大。图8-46西津（河床式）水电站枢纽布置图图8-47西津（河床式）水电站厂房横剖面图（单位：m）河床式水电站枢纽最常见的布置方式是泄水闸（或溢流坝）在河床中部，厂房及船闸分踞两岸，厂房与泄水闸之间用导流墙隔开，以防泄洪影响发电。当泄水闸和厂房均较长，布置上有困难时，可将厂房机组段分散于泄水闸闸墩内而成为闸墩式厂房，如宁夏青铜峡水电站；或通过厂房渲泄部分洪水而成为泄水式厂房（也称混合式厂房），如湖北葛洲坝水利枢纽大江、二江电厂的厂房内均设有排沙底孔，泄水冲沙。这两种布置方式在泄洪时还可因射流获得增加落差的效益。（3）引水式水电站引水式水电站的引水道较长，并用来集中水电站的全部或相当大一部分水头。根据引水道中的水流是有压流或明流，又分为有压引水式水电站及无压引水式水电站.这种水电站常见于流量小、坡降大的河流中、上游或跨流域开发方案，最高水头已达1767m（奥地利莱塞克水电站），我国广西天湖水电站最大静水头也达1074m。有压引水式水电站水电站的建筑物包括水库、拦河坝、泄水道、水电站进水口、有压引水道(压力隧洞)、调压室、压力管道、厂房枢纽(含变电、配电建筑物)以及尾水渠。 图8-48有压引水式水电站示意图无压引水式水电站的特点是采用了无压引水道一渠道(也有采用无压隧洞的)。无压引水道和压力管道的连接处设有压力前池，图示电站还设有日调节池。是由坝、进水口、沉沙池、引水渠道、日调节池、压力前池、压力管道、厂房、尾水渠、配电所、泄水道。图8-49无压引水式水电站示意图坝式、河床式及引水式水电站虽各具特点，但有时它们之间却难以明确划分。从水电站建筑物及其特征的观点出发，一般把引水式开发及筑坝引水混合式开发的水电站统称为引水式水电站。此外，某些坝式水电站也可能将厂房布里在下游河岸上，通过在山体中开凿的引水道供水，这时水电站建筑物及其特征与引水式水电站相似。因此，掌握引水式水电站的组成建筑物及其特性对研究各类水电站有举一反三的重要作用。8.4.12水电站组成建筑物水电站枢纽一般由下列七类建筑物组成：(1)挡水建筑物：用以拦截河流，集中落差，形成水库，如坝、闸等。(2)泄水建筑物：用以渲泄洪水，或放水供下游使用，或放水以降低水库水位，如溢洪道、泄洪隧洞、放水底孔等。(3)水电站进水建筑物：用以按水电站的要求将水引人引水道，如有压或无压进水口。(4)水电站引水及尾水建筑物：分别用以将发电用水自水库输送给水轮发电机组及把发电用过的水排入下游河道，引水式水电站的引水道还用来集中落差，形成水头。常见的建筑物为渠道、隧洞、管道等，也包括渡槽、涵洞、倒虹吸等交叉建筑物。 (5)水电站平水建筑物用以平稳由于水电站负荷变化在引水或尾水建筑物中造成的流量及压力(水深)变化，如有压引水道中的调压室、无压引水道中的压力前池等。水电站的进水建筑物、引水和尾水建筑物以及平水建筑物统称为输水系统。(6)发电、变电和配电建筑物：包括安装水轮发电机组及其控制、辅助设备的厂房、安装变压器的变压器场及安装高压配电装置的高压开关站。它们常集中在一起，统称为厂房枢纽。(7)其他建筑物：如过船、过木、过鱼、拦沙、冲沙等建筑物。8.4.12展望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。在我国，目前建成世界上最大的大坝——三峡大坝，它是世界第一大的水电工程，位于西陵峡中段的湖北省宜昌市境内的三斗坪，距下游葛洲坝水利枢纽工程38公里。三峡大坝工程包括主体建筑物工程及导流工程两部分，工程总投资为954.6亿元人民币。大坝为混凝土重力坝，坝顶总长3035米，坝顶高程185米,正常蓄水位175米，总库容393亿立方米，其中防洪库容221.5亿立方米，能够抵御百年一遇的特大洪水。图8-50中国三峡大坝一些中、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。'