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第三章　水库相关基础知识

第一节　水库分类与组成

一、水库的定义

在山谷、河道或低洼地区用挡水工程建筑物形成的人工湖称为水库（图3－1）。拦截江河水流以抬高水位或调节流量的挡水建筑物一般称为坝或闸。水库具有调节径流、集中落差和调整上游回水区内水面比降的作用，可用于防洪、城镇供水、灌溉、水力发电、提供或改善航运条件、发展养殖、旅游和改善环境等。

图3－1　小型水库

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；中国也于公元前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；中国最大水库为三峡水库，总库容393亿m3，发电装机26台，总装机容量1812万kW，年发电量847亿kW·h。

二、水库分类

根据库区河谷所在位置与形态，水库的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，抬高水位而形成的人工湖称为山谷水库，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、洼地的出口处修建闸、坝，抬高水位形成的水库称平原水库。必要时还在水库周圈筑围堤，如当地水源不足还可以从邻近的河流引水入库。平原水库在辽宁省的盘锦地区较为常见。

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。

4.其他

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

三、挡水建筑物

水库的挡水建筑物称挡水坝或拦河坝，一般简称为大坝。它是横拦河道的建筑物，其作用是拦蓄江河径流，抬高水位形成水库。

（一）大坝分类

水库大坝的类型很多，一般主要按筑坝材料、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。

（1）按大坝在水库的位置分类。可分为主坝、副坝，位于主河床上的挡水坝称为主坝。由于水库库区的地形条件复杂，在库岸低凹部分或天然垭口处为阻止库水流失而修建的挡水坝称副坝。

（2）按水库坝顶水流条件分类。水可由坝顶溢出的称为溢流坝，水不通过坝顶溢出的称非溢流坝。

（3）按使用目的分类。可分为灌溉、发电、航运、蓄水、取水、拦沙及利用水库淤积造地、存储尾矿或粉煤灰而修建的坝。

（4）按建筑材料分类。根据坝体所用材料不同，可分为土石坝、混凝土坝、砌石坝、橡胶坝、钢坝、木坝和土石混合坝等类型。筑坝材料以土石料为主的坝称为土石坝；又可为均质土坝、心墙坝、斜墙坝、面板坝等。筑坝材料以混凝土为主的坝称为混凝土坝；又可分为混凝土重力坝、混凝土拱坝、混凝土连拱坝、混凝土重力拱坝、混凝土双曲拱坝、混凝土宽缝重力坝等。筑坝材料以石料为主的坝称为浆砌石坝；又可分为浆砌石重力坝、浆砌石重力拱坝等。随着科学技术的进步，水库挡水坝的建筑材料、结构形式、施工工艺不断发展和更新，坝的类型将会越来越多。

（5）按防洪标准分类。可分为一类坝、二类坝和三类坝。①一类坝：实际抗御洪水标准达到部颁规范规定。大坝性态正常，能按设计要求发挥功能，或者存在某些问题，不影响大坝整体安全，能按设计正常运行的坝。②二类坝：实际抗御洪水标准不低于部颁近期运用标准，大坝性态正常，能按设计正常运行，或者工程存在某些质量问题，但不影响大坝整体安全的坝。③三类坝：实际抗御洪水标准低于部颁标准，或者是工程存在较严重的质量问题，影响大坝整体安全，不能正常运行的坝。

（二）土石坝

1.土石坝类型

土石坝按施工方法的不同可分为：碾压式土石坝、抛填式堆石坝、定向爆破堆石坝、水中倒土坝和水力冲填坝等。按土料在坝体中的配置和防渗体的位置不同，又可分为以下坝型。

（1）均质坝。坝体的绝大部分由均一的透水性较弱的黏性土填筑而成；整个坝体起防渗作用，如图3－2（a）所示，其优点是材料单一、工序简单；缺点是坝坡较缓，剖面大。

图3－2　土石坝类型

（2）土质防渗体坝。坝体由土质防渗体及若干透水性不同的土料分区所构成。其中土质防渗体设在坝体中部或稍向上游倾斜的称为心墙坝，如图3－2（b）所示。土质防渗体设在坝体上游面或接近上游面的称为斜墙坝，如图3－2（c）、（d）所示。坝中心向外透水性逐渐增大的土石混合坝和上游为防渗土料、下游为透水料的土石混合坝，如图3－2（e）～（h）所示。为便于施工，改善坝体应力状态，避免裂缝，也有斜心墙坝，如图3－2（i）所示。

（3）非土质防渗体坝。坝的防渗体由沥青混凝土、钢筋混凝土或其他人工材料（如土工膜等）组成，其余部分由土石料筑成。其中防渗体在上游的称为斜墙坝（面板坝），防渗体在坝体中央的称为心墙坝，如图3－2（j）所示。

2.土石坝的剖面和构造

土石坝的基本尺寸包括坝坡、坝顶高程、坝顶宽度、防渗体及排水设备、护坡等，需满足土石坝的工作要求，并达到既安全又经济的目的。

（1）坝顶高程由水库静水位加波浪爬高及安全超高决定，根据坝的等级及运用情况按规范计算，并要有足够的预留沉陷值。一般坝体沉降值约为坝高的0.2%～0.4%。坝顶宽度与坝的稳定没有直接的关系，主要取决于构造、交通、施工及运行等要求。对于有交通要求的坝顶宽度，应按道路等级遵照交通部门的要求而定，高度30m以下的坝顶最小宽度应不小于3.0m。坝顶设路面，如坝顶有交通要求，则应按道路要求设计；如没有交通要求，则可用单层砌石或砾石护面以防雨水冲蚀。

坝顶上游通常设防浪墙（图3－3），防浪墙一般用浆砌石或钢筋混凝土筑成。墙的基础应牢固埋入坝的防渗体内。为排除雨水，坝顶路面通常向两侧或一侧做1%～3%的斜坡。有防浪墙时坡向下游，并在坝顶下游侧设纵向排水沟，以便汇集雨水，经坡面排水沟排至下游。

（2）土石坝坝坡对坝的稳定和工程有着直接的影响，主要取决于坝型、坝高、坝的等级、坝体及坝基的材料性质、所承受的荷载、施工和运用条件等因素。

1）对碾压式土坝，砂、壤土类坝坡，其平均坡度一般为1ϒ2.0～1ϒ4.0。在一般情况下土质斜墙坝的上游坡比心墙坝缓些，而下游坡则可比心墙坝陡些。

图3－3　建有防浪墙的土石坝坝顶

2）砂壤土、壤土的均质坝坝坡比砂或砂砾料的坝坡缓些。

3）黏性土均质坝的坝坡与坝高有一定关系，其高度越大，坝坡应越缓。砂或砂砾料坝体的坝坡与坝高的关系很小。当坝体较高或坝坡比不一致时，可在下游坝坡上设置马道。马道的宽度视其用途而定，但其最小宽度不得小于1.5～2.0m。马道上设置排水沟以汇集雨水防止冲刷，还可用于观测、检修和交通。

4）土石坝的上、下游坝面一般都要设置护坡，其作用是为防止雨水和波浪淘刷、风浪、冰层和漂浮物碰撞、顺坝水流冲刷、动物、冻胀干裂等对坝坡的危害。对护坡的要求是坚固耐久，能抵抗各种因素的破坏作用，并保证底层不受淘刷，尽可能就地取材，施工简单，维修方便。

5）上游护坡的形式有堆石护坡、砌石护坡、混凝土或钢筋混凝土护坡、沥青混凝土护坡；下游护坡的形式有砌石、堆石、碎石和草皮护坡等。

6）护坡覆盖的范围，上游由坝顶护至水库最低水位以下一定距离，一般在最低水位以下2.5m（图3－4）。下游面则由坝顶护至排水棱体，无排水棱体时则护至坝脚（图3－5）。

图3－4　上游毛石护坡

图3－5　土石坝下游砌石护坡

（3）坝的防渗体（图3－6）必须满足渗透坡降、坝体浸润线及渗流量在允许范围内，还要满足结构和施工的要求。防渗体的材料有土质防渗体、人工材料（沥青混凝土、钢筋混凝土）等。

（4）排水设备是土石坝的一个重要组成部分。主要目的是防止渗流逸出处的渗透变形，降低坝体浸润线及孔隙压力，改变渗流方向，增加坝体稳定。保护坝坡，防止冻胀破坏。坝体排水设备须保证充分的排水能力，能自由地向下游排出全部渗水，同时应按排水反滤原则，保证坝体及地基土不发生渗透破坏。一般有棱体排水、贴坡排水、褥垫排水和综合式排水等，在实际工程中常将几种排水形式组合应用。

图3－6　坝的防渗体示意图

1）棱体排水（图3－7）是在坝脚处用块石堆筑而成，适于下游有水的情况，能降低坝体浸润线、防止坝坡冻胀和渗透变形，保护下游坝脚，且有支持坝体增加稳定的作用，是一种可靠的排水形式。其顶部高程应超出下游最高水位，并保证坝体浸润线距坡面的距离大于该地的冻结深度；顶部宽度不得小于1.0m；棱体排水一般不作道路用，以免排水堵塞。在排水与坝体及坝基之间应设反滤层。

图3－7　棱体排水

2）贴坡排水又称表层排水，排水设在下游坝坡底部，由1～2层堆石或砌石筑成。在石块与坝坡间设反滤层。这种排水结构简单、省料且便于检修，可防止渗透破坏，保护下游坝脚。但不能降低浸润线，且防冻性较差，常用于中小型水库且下游无水的均质坝。其顶部应高于坝体浸润线的逸出点；底脚处必须设置排水沟或排水体，其深度或厚度应使水面结冰后，排水沟（排水体）的下部仍有足够的排水断面。

3）褥垫排水是将排水体平铺在坝下游的部分地基上，形似褥垫，一般向下游做成0.005～0.01的坡度以利排水，褥垫排水的厚度一般不宜小于30cm。其降低浸润线效果显著，有利于坝基排水。

土石坝又称当地材料坝，主要由坝址附近的土石料填筑而成（图3－8）。根据坝体所用材料不同又可分为土坝和堆石坝。坝体材料以当地土料和砂、砂砾、卵砾为主的称为土坝；以石渣、卵石、爆破石料为主的称堆石坝。土石坝是传统的坝型，历史悠久，使用最为普遍，辽宁省以土石坝为水库挡水建筑物的约占水库大坝总数的95%以上。

图3－8　土石坝水库

3.土石坝的优点

土石坝具有以下优点：

（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。

4.土石坝的缺点

（1）坝顶不能溢流，须另开溢洪道。

（2）施工导流不如混凝土坝方便，因而相应也增加了工程造价。

（3）坝体断面大，土料填筑的质量易受气候影响。这给施工带来困难，甚至延长工期、增加造价。

5.土石坝的工作条件

土石坝是由松散颗粒土石料填筑碾压而成的挡水建筑物。由于土粒间的抗剪强度小，上、下游坝坡如不维持一定的坡度，就可能发生坍塌现象。失稳的形式则是坝坡滑动或坝坡连同地基一起滑动，这是与其他建筑物的不同之处。此外，还有以下一些特性。

（1）在上、下游水位的作用下，水流经过坝身及坝基（包括两岸）的结合面和坝体土与混凝土等建筑物的结合面易产生渗漏。渗流在坝体内形成自由水面，浸润线以下的土体全部处于饱和状态，使土的有效重量减轻，并减小土的内摩擦角和凝聚力。同时，渗透水流对土体还有动水压力的作用，这些力增加了坝坡滑动的可能性。渗透水流在土壤中运动时，如渗透坡降超过允许渗透坡降，还会引起坝体、坝基的渗透变形，严重时会导致大坝的失事。

（2）土石坝抗冲能力较低，雨水一方面侵入坝内降低坝的稳定性，另一方面将沿坝坡面下流而冲刷坝面。库内风浪对坝面也将产生冲击和淘刷作用，使坝面容易受到破坏，甚至滑坡。因此，上、下游坝坡均需采取有效的保护措施。

（3）在坝体自重和水荷载作用下，坝体和地基（土基）都会由于压缩而产生沉陷。过大的不均匀沉陷量还会引起坝体开裂，甚至造成渗水通道而危及大坝安全。

（4）辽宁省地处严寒地区，冬季由于冰层的膨胀，对坝坡产生很大冰压力，易导致护坡的破坏；位于水位以上的坝体，在冻融作用下会造成孔穴、裂缝。在夏季，由于含水量的损失，土壤也可能干裂引起集中渗流。在地震区筑坝，地震的作用增加了坝坡坍滑的可能性。粉沙地基在强烈振动作用下还容易引起液化破坏。

6.土石坝的安全运行条件

（1）绝对不允许水流漫顶。设计标准偏低、坝顶高程不足、溢洪道尺寸偏小，或水库控制运用不当等因素，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。据对土石坝失事资料的分析，由于库水漫顶而失事的占30%。

（2）渗流量过大，会影响水库效益，坝体和坝基产生危害性渗透变形，会导致大坝失事，浸润线过高，也会降低坝的稳定性。

（3）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，在过去失事的土石坝水库中有1／4是由于滑坡破坏造成的。

（4）水库水风浪会淘刷坝坡，雨水会冲刷坝体，冬季冰冻膨胀会使坝体产生裂缝，夏季日晒会使龟裂产生裂缝，鼠蚁危害等也会造成坝体的破坏。

（三）混凝土坝坝型及其工作原理

混凝土坝有三种基本结构形式：重力坝、支墩坝和拱坝。此外，重力坝或支墩坝有时建成混合坝。

图3－9　重力坝剖面示意图

1.重力坝

以自身重量承受上游水、冰、淤泥压力和坝基扬压力保持稳定的挡水坝称重力坝（图3－9）。重力坝是最常用的混凝土坝型（图3－10），其设计和施工均简单。重力坝按结构形式又可分为实体重力坝、宽缝重力坝和空腹重力坝。重力坝一般为大体积三角形断面，借助其重量及形状承受水荷载，并将荷载传给地基。在重力坝中，需注意渗压管中扬压力的变化，以防倾覆或滑动。

图3－10　混凝土重力坝

2.支墩坝

由一系列倾斜的面板和支承面板的支墩（扶壁）组成的坝称支墩坝。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。支墩坝是重力坝的一种形式，借其本身的重量及水重维持稳定（图3－ 11）。支墩坝由两个基本构件组成，不透水的上游坝面和一系列支墩或直立墙。支墩或直立墙，用来支撑上游坝面，并将荷载自坝面传至地基。支墩坝按其结构形式又可分为连拱坝、大头坝、钢筋混凝土平板坝等。

图3－11　支墩坝

支墩坝是一种敏感的坝型。面板状况或设计的缺陷可导致瞬时破坏。由于面板底宽较薄，库水头通过此处要削减为零，所以地下渗透也是个需注意的问题。虽然支墩坝的混凝土量较重力坝少，但施工时模板工程要求大量的劳动力。许多支墩坝建于20世纪30年代，当时的劳动力费用与材料费用之比相对较低。后来，随着劳动力成本的上涨，支墩坝的建设日趋减少。

3.拱坝

拱坝是一种建筑在峡谷中的拦水坝，做成水平拱形，凸边面向上游弯曲，呈曲线形、能把一部分水平荷载传给两岸的挡水建筑，两端紧贴着峡谷壁（图3－12）。拱坝是拱向上游的实体混凝土坝，一般薄于重力坝。虽然拱坝借其自重将小部分库水荷载传给地基，但主要还是通过拱作用将荷载传给峡谷两壁（坝肩）而保持其稳定。由于拱坝较薄，所以混凝土的应力是否超限是大坝安全最为关注的因素。拱坝按其结构形式又可分为重力式拱坝、双曲拱坝等。

图3－12　拱坝

4.混合坝

混合坝一般由重力坝段或支墩坝段与土坝或堆石坝段相结合组成。混合坝兼有混凝土坝的优点——具有溢洪坝能力（即安全漫顶）和土石坝的优点——采用当地材料，造价低。

5.砌石坝

砌石坝主要由块石、条石、岩块或混凝土用砂浆砌筑而成（图3－13）。最早发展的砌石坝大多为重力坝，也有少量拱坝。其优点是施工操作技术易于掌握，施工期安排较灵活。缺点是施工机械化较困难，施工速度较慢，使用劳力较多造价相对较高，所以现已极少修建。

四、泄水建筑物

泄水建筑物是水利枢纽的重要组成部分，是用来宣泄超过水库调蓄能力洪水及泥沙、冰凌等，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和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）。混凝土坝一般采用溢流式泄洪，利用溢流坝和坝身泄水孔等泄洪（图3－14）。这样坝体既是挡水建筑物又是泄水建筑物。而土石坝一般是不容许从坝身溢流或大量泄洪，往往需要在坝体外岸边或天然垭口处建筑河岸溢洪道或开挖泄洪隧洞。

图3－13　砌石坝

图3－14　溢流坝

（一）溢洪道

溢洪道为宣泄超过水库调蓄能力的洪水或降低库水位，把多余洪水或径流从上游一定高程安全地泄放到下游的河床或渠道中，是保证水库安全的重要设施。溢洪道实际上也是水库的一个安全门。溢洪道按照其布置位置，可分为河床式和河岸式两种。

1.河床式溢洪道

河床式溢洪道利用建在原河床上的溢流坝段溢洪，它既是挡水建筑物，又是泄水建筑物。在溢流坝顶建泄洪闸门（也可不建闸门），通过坝顶泄洪（图3－15）。

图3－15　河床式溢洪道

2.河岸式溢洪道

辽宁省小型水库的坝体多为土石坝，因坝身不允许溢洪，往往需要在坝体外岸边河道一侧马鞍形的山凹部（垭口处）修建溢洪道（图3－16），即多采用河岸式溢道。溢洪道形式有正槽式、侧槽式、井式和虹吸式等四种。

（1）正槽溢洪道，泄槽与溢流堰正交，过堰水流与泄槽轴线方向一致。

（2）侧槽溢洪道，溢流堰大致沿等高线布置，水流从溢流堰泄入与堰轴线大致平行的侧槽后，流向作近90°转弯，再经泄槽或隧洞流向下游。

（3）井式溢洪道，水流过环形溢流堰，经竖井和隧洞泄入下游。

图3－16　河岸式溢洪道

（4）虹吸溢洪道，利用虹吸作用泄水，水流出虹吸管后，经泄槽流向下游，可建在岸边，也可建在坝内。建在岸边的虹吸溢洪道通常由进口段、控制段、陡坡段、消能段组成。

图3－17　泄洪洞

（二）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（图3－17）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，以利人防和检修。

五、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涵洞，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（管）大部分为坝下埋管，管的材料有钢筋混凝土管、铸铁管、钢管和石砌方涵和石砌拱涵等（图3－18）。大都是为灌溉农田放水设置的，通过它把库内水引入下游灌溉渠道，以保证农田的灌溉。涵管一般都埋在土坝的底部，所以必须放在牢固的基础上，除要防止不均匀沉陷造成管身断裂外，还要注意与坝体结合，防止水流沿管体侧渗流，否则不但影响灌溉，还会危及坝体的安全。