1.2　水库工程

水库工程作为最重要的蓄水水利工程,是我国优化水资源配置,解决或缓解水资源供需矛盾的重要基础设施,也是我国防洪广泛采用的工程措施之一。它是指在山谷、河道或低洼地区用挡水和泄水等水工建筑物形成的人工水域(湖)。由于水库以上流域的洪水受到控制,泄流量可以小于下游安全流量,从而使下游城市和耕地免受洪水灾害的威胁。水库也能够把汛期内所蓄的洪水在枯水期内按计划泄放以用于灌溉、发电、航运和城乡供水等方面。

水库历史悠久,公元前2650年前后,埃及在杰顿维干河上修建异教徒坝,形成防洪水库;我国也于公元前598～前591年在安徽省寿县南修建了芍陂灌溉水库。截至目前,世界上最大的水库是俄罗斯的布拉茨克水库,总库容1694亿m3;我国最大水库为三峡水库,总库容393亿m3,发电装机34台,总装机容量22500MW,多年平均发电量882亿kW·h。1949年以前,我国只有少数河流上修建了有防洪功能的水库,如东辽河二龙山水库、柳河闹德海水库和第二松花江丰满水库,如今,我国建成各类共有水库98002座(2011年底的统计数据)。

1.2.1　水库作用

水库作为一种重要的蓄水枢纽,主要有以下两个方面的作用。

(1)防洪作用。在防洪区上游河道适当位置兴建水库,利用水库库容拦蓄洪水,削减进入下游河道的洪峰流量,能够达到减免洪水灾害的目的。水库对洪水的调节作用有两种不同方式:一种起滞洪作用;另一种起蓄洪作用。①滞洪作用:滞洪指仅仅利用大坝抬高水位,增大库区调蓄能力,当入库洪水流量超过水库泄流设备下泄能力时,将部分洪水暂时拦蓄在水库内,削减洪峰,待洪峰过后,所拦蓄的洪水,再逐渐泄入河道。当水库的溢洪道上无闸门控制,水库蓄水位与溢洪道堰顶高程平齐时,则水库只能起到暂时滞留洪水的作用。②蓄洪作用:在溢洪道未设闸门情况下,在水库管理运用阶段,如果能在汛期前用水,将水库水位降到水库限制水位,且水库限制水位低于溢洪道堰顶高程,则限制水位至溢洪道堰顶高程之间的库容,就能起到蓄洪作用。当溢洪道设有闸门时,水库就能在更大程度上起到蓄洪作用,水库可以通过改变闸门开启度来调节下泄流量的大小。由于有闸门控制,所以这类水库防洪限制水位可以高出溢洪道堰顶,并在泄洪过程中随时调节闸门开启度来控制下泄流量,具有滞洪和蓄洪双重作用。

(2)兴利作用。降落在流域地面上的降水(部分渗入地下),由地面及地下按不同途径汇入河槽后的水流,称为河川径流。由于河川径流具有多变性和不重复性,在年与年、季与季以及地区之间来水都不同,且变化很大。大多数用水部门(例如灌溉、发电、供水、航运等)都要求比较固定的用水数量和时间,它们的要求经常不能与天然来水情况完全相适应。人们为了解决径流在时间上和空间上的重新分配问题,充分开发利用水资源,使之适应用水部门的要求,往往在江河上修建一些水库工程。水库的兴利作用就是进行径流调节,蓄洪补枯,使天然来水能在时间上和空间上较好地满足用水部门的要求。

对防洪与兴利相结合的综合利用水库来说,当入库洪水为中小洪水时,一般以蓄洪为主,以便为兴利之用;而在大洪水年份,则兼有蓄洪滞洪的作用。入库洪水经水库调蓄后,其泄流量的变化情况与水库的容积特性,泄洪建筑物形式,尺寸以及下游防洪标准,水库运行方式等有关。

兴利与防洪是水库的两个冲突的作用,既要确保水库防洪安全,又要尽可能地拦蓄洪水,增加水库有效蓄水量,提高当地水资源和水环境承载能力,是新时期对水库运用的要求。在我国,水资源相对短缺,人均水资源占有量仅为2350m3,在世界149个国家中排第110位。面对不断增长的水资源需求和日益严重的水环境污染问题,如何充分合理的开发利用有限的水资源,已经成为关系到国民经济是否能够实现可持续发展的一个紧迫任务。随着我国经济社会的发展,水资源问题将会变得更加紧张。在我国许多已建水库的地区,也常常因水库在运行管理中出现的一些问题而使水资源得不到充分利用,主要是为防洪安全,汛期不敢蓄水,以至于汛期之后库水位常常达不到正常蓄水位,影响了水库的供水。充分利用天然洪水是缓解水资源供需矛盾、水生态环境恶化等问题的一个有效途径。在不影响水库防洪目标的前提下,在利用水文预报技术的基础上,通过调整水库汛限水位等手段来实现对洪水的资源化利用。以现有水库工程为点,以水库控制流域的上下游河道为线,以水库控制流域为面,根据水库上游控制流域的汛期降水状况和上游河道的来水情况,利用水库工程调控洪水的能力,有针对性的合理调节天然来水,充分利用下游河道的作用,调节水库下游控制流域的地表水、地下水水资源状况,实现天然洪水的资源化利用,最终实现水库控制流域内的天然洪水与控制流域内社会经济的协调发展的目标。洪水资源化是人与洪水、人与自然和谐共处、协调发展的重要体现。科学合理的实现洪水资源化可以为流域社会经济的可持续发展提供有力支撑。

1.2.2　水库分类

根据水库库容大小可以分为以下四类:①大型水库:总库容在1亿m3以上;②中型水库:总库容在1000万m3以上;③小(1)型水库:总库容在100万m3以上;④小(2)型水库:总库容在10万m3以上。

根据水库的位置与形态,其类型一般可分为以下几种:①山谷水库:用拦河坝横断河谷,拦截天然河道径流,抬高水位而成,绝大部分水库属于这一类型。②平原水库:在平原地区的河道、湖泊、洼淀的出口处修建闸、坝,抬高水位形成,必要时还在库周圈筑围堤,如当地水源不足还可以从邻近的河流引水入库。通常水面开阔,岸线较平直,库湾少,底部平坦,岸线斜缓,水深一般在10m以内,通常无温跃层。③地下水库:在潜流丰富的季节性河流河床下修建截流墙等水工建筑物形成的潜流汇集区域称为地下水库。

根据水库调节性能可分为日调节、周调节、年调节和多年调节水库;按水库用途可分为单一用途水库和综合利用水库。

1.2.3　水库建筑物分类

水库组成建筑物中包括挡水、泄水、引水及其他专门建筑物等,这些建筑物称为水工建筑物,按功能可将其分为通用性水工建筑物和专门性水工建筑物两大类。

通用性水工建筑物主要有: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,又称取水建筑物,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。

专门性水工建筑物主要有: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。施工导流隧洞也可以与泄水或引水隧洞等结合。

1.2.3.1　挡水建筑物

挡水建筑物是指横控河道的拦水建筑物,用以拦蓄水量,抬高水位。水库的挡水建筑物称挡水坝或拦河坝,一般简称为坝。

大坝的类型很多,一般按筑坝材料、结构性质、施工方法、防渗体形式进行划分,但也有按工作状况和使用目的划分的。此外,还可以由两种或多种坝构成混合坝型。大坝分类如图1.1所示。

土石坝历史悠久,利用当地土、石料铸成的一种坝型,是现代世界各国所普遍采用的一种坝型。据统计,至20世纪末,我国坝高15m以上的大坝中,85%以上为土石坝。

土石坝是传统的坝型,具有以下特点:①筑坝材料就地取材。可节省大量钢材、水泥、木材等建筑材料。②适应地基变形能力强。土石坝散粒体结构具有适应地基变形的良好条件,对地基的要求比混凝土坝低。③施工方法选择灵活性大。能适应不同的施工方法,从简单的人工填筑到高度机械化施工都可以;且工序简单、施工速度快,质量也易保证。④结构简单、造价低廉、运行管理方便、工作可靠,便于维修加高。

由于土石坝是由松散颗粒土石料填筑碾压而成的,土石料颗粒间的联结力较低,水力、自重及其他外力对散粒结构的稳定性影响很大,所以土石坝剖面构造形式的要求不同于其他坝型,在设计时应考虑稳定、渗流、冲刷、沉降等几个方面的问题。而其安全运行也需要以下条件:

1)绝对不允许水流漫顶。由于对洪水估计偏低,坝顶高程不足,溢洪道尺寸偏小,或水库控制运用不当等,都会造成土石坝漫顶溃坝的严重事故。因此,要充分估计水库风浪及坝的沉陷值,预留足够的超高;库区内岸坡的滑坡体在水库内坍滑产生的涌浪对土石坝极为不利;对于可能发生的特殊洪水,也应有应急的泄洪保坝措施。据国外对土石坝失事资料的分析,由于水流漫顶而失事的占30%。

2)满足渗流控制要求。渗流量过大,影响水库效益;坝体和坝基产生危害性渗透变形,导致大坝失事。如美国高93m的提堂坝(1975年建成)建成不足一年,由于坝基透水性大,防渗帷幕施工质量不佳而导致溃坝;浸润线过高,也会降低坝的稳定性。

3)坝体坝基稳定可靠。土石坝为散粒体结构,局部范围内土体的抗剪强度不足时,土体开始滑动。边坡稳定是坝安全的基本保证。据统计,过去失事的土石坝中1/4是由于滑坡破坏造成的。

4)能抵抗其他自然界的破坏作用:库水风浪将淘刷坝坡;雨水冲刷坝体;冬季冰冻膨胀影响产生裂缝;夏季日晒龟裂裂缝;还有白蚁危害等,都应采取防护措施。

1.2.3.2　泄水建筑物

在江河上修建水库,要求经过水库调节的江河径流与建库取得的各种效益得到最佳适应,同时要求建库投入与建库效益达到最佳比例,为此,任何水库都只能按照一定的标准修建。正因为有标准,水库不可能,也没有必要将江河洪水全部拦蓄,而只能在一定标准的范围内调节洪水,所以,修建水库既要修建拦蓄洪水的挡水建筑物,又要修建宣泄洪水的泄洪建筑物。

水库的泄洪建筑物是用来宣泄超过水库调蓄能力洪水及泥沙、冰凌等的水工建筑物,保证挡水建筑物——坝的安全及减少和避免库区超标准淹没损失,减少水库淤积的水工建筑物。由于地形地貌条件及水库挡水建筑物的形式,水库泄洪建筑物的形式是多种多样的,主要有坝身泄水道(包括溢流坝、中孔、深孔泄水孔和坝下涵管)和河岸泄水道(包括河岸溢洪道和泄洪隧洞)。其中溢洪道与泄洪洞是比较常用的形式。

(1)溢洪道,溢洪道按位置分有河床式和河岸式两种。①河床式溢洪道按照挡水建筑物结构形式又可分为两种:混凝土型重力坝和部分浆砌石溢流坝,可以将部分坝段建成溢流坝段,在溢流坝顶建泄洪闸门(也有不建闸门的),通过坝顶泄洪。其他结构形式挡水建筑物的河床式溢洪道则是将其设置在挡水建筑物的一端与坝相连。河岸式溢洪道一般在河道一侧马鞍形的山凹部(垭口处),有正槽式、侧槽式、井式和虹吸式等四种形式。一般进口位于水流顺畅处,且与土石坝保持一定距离,避免横流对坝的冲刷。小型水库的溢洪道一般不设闸门,多布置在河岸,且其泄流水面通常都是开敞的,故称为河岸开敞式溢洪道。②河岸开敞式溢洪道具有结构简单,水流平顺,容易施工,管理方便和安全可靠的特点。这种溢洪道由引水渠、溢流堰和泄水陡槽等几部分组成,陡槽后一般还设置消力池和尾水渠,以减轻溢流洪水的冲刷作用。

为了确保水库挡水建筑物安全,避免因洪水而发生溃坝,造成巨大灾害,溢洪道又有正常溢洪道与非常溢洪道两种。①正常溢洪道:用来泄放水库设施标准内,保证水库挡水建筑物安全必须泄放的洪水的泄洪建筑物。②非常溢洪道:用来泄放水库在发生超标准特大洪水情况下,保证水库挡水建筑物安全必须泄放洪水的泄洪建筑物。

(2)泄洪洞。泄洪洞按其位置可分为建在坝内的泄洪洞和建在挡水建筑物一侧的山体内泄洪洞两种;按其洞内水流状态可分为无压洞和有压洞两种。有的水库泄洪洞兼有排沙功能,用以减轻多沙河流上的水库淤积;有的水库泄洪洞兼有放空水库功能,用以放空库水以利人防和检修。输水建筑物是指从水库向下游输送灌溉、发电或工业用水的建筑物,如输水洞、引水管、渠道等。取水建筑物是输水建筑物的首部,如进水闸和抽水站等。

1.2.3.3　输水建筑物

水库的输水建筑物亦叫输水道、输水洞,也是水库泄水建筑物的一种,是满足灌溉、发电、供水等需要,从水库中取水的通道,有的输水建筑物还同时具有排沙或放空水库的功能。输水建筑物一般都是水工隧洞,按其位置可分为建在坝体内或在坝端两侧山岩中开凿隧洞两种。输水建筑物都设置闸门以控制放水。

小型水库的放水涵洞是利用库水进行灌溉的重要建筑物,通过它把库内水引入下游灌溉渠道,以保证农田的灌溉,一般都埋在土坝底部,要求建在坚实的土质或石质基础上,以避免折裂。另外,由于其应用频繁,故要求其启闭设备灵活可靠,防止损坏或冻坏。

小型水库放水设施主要由进水口建筑物和出水口建筑物组成。进水口建筑物主要有三种结构型式。①分级卧管式。这种进口形式广泛地应用于小型水库引水灌溉工程中,进口建筑物结构由进水卧管、卧管下部的消力井组成。这种形式的进口建筑物结构简单,施工方便,引取水库表层水,对农作物生长有利。但不如闸门控制方便,引水流量不易准确控制。②塔式。塔竖立于输水涵洞的进口处,塔底部设有闸门,塔顶设操纵千台和启闭机,用工作桥与岸相连。这种形式布置比较紧凑,闸门开启比较方便可靠:缺点是工程造价较高。③斜拉闸门式。这种形式是沿库区山坡或上游坝面斜坡布置,在斜坡上设置闸门轨道,进水口在斜坡底部,启闭机安装在山坡平台上或坝顶。这种布置方式结构简单、操作方便、造价小、启闭力小;缺点是闸门不易关闭、检修困难。