第二节　水利工程基本概念

一、水利工程、水工建筑物及水利枢纽

（一）水利工程

水利工程是指为了控制和利用自然界的地面水和地下水，以达到除害兴利目的而兴建的各项工程的总称。按其承担的任务可分为防洪工程、灌溉排水工程或农田灌溉工程、水力发电工程、供水和排水工程、水质净化和污水处理工程等；按其对水的作用可分为蓄水工程、排水工程、取水工程、输水工程、提水工程、水质净化和污水处理工程。

（二）水工建筑物及水利枢纽

1．水工建筑物

水工建筑物是为兴水利除水害而修建的建筑物。为了满足防洪要求，获得发电、灌溉、供水等方面的效益，需要在河流的适宜地段修建不同类型的建筑物，用来控制和分配水流。

2．水利枢纽

由不同类型水工建筑物组成的综合体称为水利枢纽。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。

3．水工建筑物的类型及特点

（1）水工建筑物的分类。

水工建筑物一般按其作用、用途和使用时期等来进行分类。

水工建筑物按其作用可分为挡水建筑物、泄水建筑物、输水建筑物、取（进）水建筑物、整治建筑物以及专门建筑物。

1）挡水建筑物。是用来拦截江河、形成水库或壅高水位的建筑物，如各种坝、水闸以及沿江河海岸修建的堤防、海塘等。

2）泄水建筑物。是用于宣泄多余洪水量、排放泥沙和冰凌，以及为了人防、检修而放空水库、渠道等，以保证大坝和其他建筑物安全的建筑物，如各种溢流坝、坝身泄水孔、岸边溢洪道和泄水隧洞等。

3）输水建筑物。是为了发电、灌溉和供水，从上游向下游输水用的建筑物，如引水隧洞、引水涵洞、渠道、渡槽、倒虹吸等。

4）取（进）水建筑物。是输水建筑物的首部建筑物，如引水隧洞的进水口段、灌溉渠首和供水用的进水闸、扬水站等。

5）整治建筑物。是用以改善河流的水流条件，调整河流水流对河床及河岸的作用以及为防护水库、湖泊中的波浪和水流对岸坡冲刷的建筑物，如丁坝、顺坝、导流堤、护堤和护岸等。

6）专门建筑物。如专为灌溉用的沉沙池、冲沙闸；专为发电用的引水管道、压力前池、调压室、电站厂房；专为过坝用的升船机、船闸、鱼道、过木道等。

水工建筑物按其用途可分为一般性建筑物和专门性建筑物。

1）一般性建筑物。具有通用性，如挡水坝、水闸等。

2）专门性建筑物。仅用于某一个水利工程，只实现其特定的用途。专门性水工建筑物又分为水电站建筑物、水运建筑物、农田水利建筑物、给水排水建筑物、过鱼建筑物等。

水工建筑物按使用时间可分为永久性建筑物和临时性建筑物。

1）永久性建筑物。是指工程运行期间长期使用的水工建筑物。根据其重要性又分为主要建筑物和次要建筑物。主要水工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，如大坝、水闸、泄洪建筑物、输水建筑物及电站厂房等；次要水工建筑物是指失事后将不致造成下游灾害，或者对工程效益影响不大并易于修复的建筑物，如挡土墙、导流墙、工作桥及护岸等。

2）临时性建筑物。是指工程施工期间使用的建筑物，如围堰、导流明渠等。

（2）水工建筑物的特点。

1）工作条件复杂。水工建筑物的地基有岩基，也有土基，情况往往比较复杂。在岩基中，经常会遇到节理、裂隙、断层、破碎带、软弱夹层等地质构造；在土基中，可能会遇到压缩性大的土层，也可能会遇到流动性较大的细砂层。这些地质条件必须认真进行地基处理。

受地形、地质、水文、施工等条件的影响，每座水工建筑物都有其自身的特定条件，都具有一定的个别性。

由于上、下游存在水位差，水工建筑物一般要承受相当大的水压力作用，因此水工建筑物及其地基必须具有足够的强度、稳定性。高水头的泄水在做好消能防冲工作的同时，还应防止高速水流产生的气蚀、磨损等破坏；此外，渗流不仅增加了建筑物荷载，也可能造成建筑物失事。

在多泥沙河流中，水工建筑物将长期受泥沙淤积产生的淤沙压力作用，同时在泄洪或发电时，还会受到泥沙的磨损作用，严重时将影响建筑物的正常工作甚至降低其寿命。

2）施工难度大。在河道中修建的水工建筑物，需要首先解决好施工导流和截流工作，施工技术复杂、难度大。截流、导流、度汛需要抢时间，争进度，而且往往是在水中施工，施工程度、施工强度和施工组织出现丝毫疏漏，将延误工期，并造成损失。

水工建筑物的工程量一般都比较大，建筑物往往需要开挖一定深度的基坑，还要做一些相当复杂的基础处理。另外，水工建筑物中的大体积混凝土结构，面临必须解决混凝土施工及大体积混凝土温度控制措施问题。水工建筑物多为水下工程、地下工程，施工条件差，施工干扰多，施工期限长，施工场地狭窄，交通运输困难，施工难度相当大。

3）环境影响大。水工建筑物，尤其是大型水利枢纽，具有显著的经济效益、社会效益和环境效益，但也会对环境造成负面影响，如蓄水区的土地淹没、移民、水生生态系统的破坏、建筑物上游泥沙淤积、下游河道冲刷、诱发地震等问题，需要进行严格的环境影响评价，并采取有效措施，保护环境。

4）失事后果严重。作为蓄水、挡水的水工建筑物，其破坏和失事，往往会给国家和社会造成巨大灾害和损失。例如1975年8月，河南驻马店地区的板桥水库决口，导致全地区大小26座水库相继崩堤垮坝，9县1镇东西150km、南北75km范围内一片汪洋，400多万群众被洪水围困，10多万群众死亡，30多万头大牲畜漂没，300多万间房屋倒塌，直接经济损失34．97亿元，被列为“全球科技灾害第一名”。

二、水库中的特征水位与特征库容

水库中的特征水位与特征库容如图1－2－1所示。

（一）水库特征水位

（1）校核洪水位。水库遇大坝的校核洪水时在坝前达到的最高水位。

（2）设计洪水位。水库遇大坝的设计洪水时在坝前达到的最高水位。

（3）防洪高水位。水库遇下游保护对象的设计洪水时在坝前达到的最高水位。

（4）防洪限制水位（汛前限制水位）。水库在汛期允许兴利的上限水位，也是水库汛期防洪运用时的起调水位。

（5）正常蓄水位（正常高水位、设计蓄水位、兴利水位）。水库在正常运用的情况下，为满足设计的兴利要求在供水期开始时应蓄到的最高水位。

（6）死水位。水库在正常运用的情况下，允许消落到的最低水位。

（二）水库特征库容

（1）静库容。坝前某一特征水位水平面以下的水库容积。

（2）总库容。校核洪水位以下的水库静库容。

（3）防洪库容。防洪高水位至防洪限制水位之间的水库容积。

（4）调洪库容。校核洪水位至防洪限制水位之间的水库容积。

（5）兴利库容（有效库容、调节库容）。正常蓄水位至死水位之间的水库容积。

（6）共用库容（重复利用库容、结合库容）。正常蓄水位至防洪限制水位之间汛期用于蓄洪、非汛期用于兴利的水库容积。

（7）死库容。死水位以下的水库容积。

三、水利枢纽的分等与水工建筑物的分级

为使工程的安全可靠性与其造价的经济合理性适当统一起来，水利枢纽及其组成建筑物要分等分级，即先按工程的规模、效益及其在国民经济中的重要性，将水利枢纽分等，而后再对各组成建筑物按其所属枢纽等别、建筑物作用及重要性进行分级。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，等级越高者要求也越高。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。

（一）水利枢纽的分等

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2000）的规定，水利水电工程根据其工程规模、效益以及在国民经济中的重要性，划分为五等，适用于不同地区、不同条件下建设的防洪、灌溉、发电、供水和治涝等水利水电工程。水利水电枢纽工程分等指标见表1－2－1，拦河闸分等指标见表1－2－2，灌溉、排水泵站分等指标见表1－2－3。

（二）水工建筑物的分级

水利水电工程中水工建筑物的级别，反映了工程对水工建筑物的技术要求和安全要求，应根据所属工程的等别及其在工程中的作用和重要性分析确定。

1．永久性水工建筑物级别

水利水电工程的永久性水工建筑物的级别应该根据建筑物所在工程的等别以及建筑物的重要性确定为五级，见表1－2－4。

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1－2－5中数值者提高一级，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。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）抵御洪水能力。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。如建筑物各部分尺寸裕度及是否专门设备等。

2．临时性水工建筑物级别

对于水利水电工程施工期使用的临时性挡水和泄水建筑物的级别，应根据保护对象的重要性、失事造成的后果、使用年限和临时建筑物的规模，按表1－2－6确定。对于同时分属于不同级别的临时性水工建筑物，其级别应按照其中最高级别确定。但对于3级临时性水工建筑物，符合该级规定的指标不得少于两项。

（三）洪水标准

在水利水电工程设计中不同等级的建筑物所采用的按某种频率或重现期表示的洪水称为洪水标准，包括洪峰流量和洪水总量。

永久性水工建筑物所采用的洪水标准，分为设计洪水标准和校核洪水标准两种情况。临时性水工建筑物的洪水标准，应根据建筑物的结构类型和级别，结合风险度综合分析，合理选择，对失事后果严重的，应考虑超标准洪水的应急措施。各类水利水电工程的洪水标准应按SL 252—2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》确定。

1．永久性水工建筑物的洪水标准

水利水电工程永久性水工建筑物的洪水标准，应按山区、丘陵地区和平原、滨海地区分别确定。江河采取梯级开发方式，在确定各梯级永久性水工建筑物的洪水标准时，还应结合江河治理和开发利用规划，统筹研究，相互协调。

（1）山区、丘陵地区水利水电工程永久性水工建筑物的洪水标准，应按表1－2－7确定。

（2）平原地区水利水电工程永久性水工建筑物洪水标准，应按表1－2－8确定。

（3）潮汐河口段和滨海地区水利水电工程永久性水工建筑物的洪水标准，应按表1－2－9确定。

当山区、丘陵地区的水利水电工程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，其洪水标准宜按平原、滨海地区标准确定。当平原、滨海地区的水利水电工程永久性水工建筑物的挡水高度高于15m，且上下游最大水头差大于10m时，其洪水标准宜按山区、丘陵地区标准确定。

2．临时性水工建筑物的洪水标准

临时性水工建筑物的洪水标准见表1－2－10，应考虑风险度综合分析，合理选用。