第三节　水工建筑物的设计标准

一、水工建筑物的分类

（一）按建筑物用途划分

水工建筑物按其用途可分为一般性建筑物与专门性建筑物。不仅为某一水利事业服务的水工建筑物称为一般性建筑物。仅为一个水利事业服务的水工建筑物称为专门性建筑物。

1.一般性水工建筑物

（1）挡水建筑物。用以拦截江河，形成水库或壅高水位。如各种闸坝类建筑物，以及为抗御洪水或挡潮，而沿江河、海岸修建的堤防、海塘等。

（2）泄水建筑物。用以宣泄在各种情况下，特别是洪水期宣泄多余的入库和河道水量，确保大坝和其他建筑物的安全。如溢流坝、溢洪道、泄洪洞、泄洪闸等。

（3）输水建筑物。为灌溉、发电和供水的需要从上游向下游输水用的建筑物，如输水洞、引水管、渠道、渡槽等。

（4）取水建筑物。布置在输水建筑物的首部，如进水闸、扬水站等。

（5）整治建筑物。用以整治河道，改善河道的水流条件的建筑物，如丁坝、顺坝、导流堤、护岸等。

2.专门性水工建筑物

专门为灌溉、发电、供水、过坝需要而修建的建筑物，如电站厂房、沉沙池、船闸、升船机、鱼道、筏道等。

（二）按建筑物使用时间划分

水工建筑物按使用的时间长短分为永久性建筑物和临时性建筑物两类。

（1）永久性建筑物。这种建筑物在运用期长期使用，根据其在枢纽工程中的重要性又分为主要建筑物和次要建筑物。主要建筑物是指该建筑物失事后将造成下游灾害或严重影响工程效益的建筑物，如闸、坝、泄水、输水建筑物及水电站厂房等；次要建筑物是指失事后不致造成下游灾害和对工程效益影响不大且易于检修的建筑物，如挡土墙、导流墙、工作桥及护岸等。

（2）临时性建筑物。这种建筑物仅在工程施工期间使用，如围堰、浮桥、导流建筑物等。

有些水工建筑物的作用并不是单一的，如溢流坝既能挡水，又能泄水；水闸既可挡水，又能泄水，还可作取水之用。

二、水工建筑物的特点

水工建筑物与其他建筑物相比，除了工程量大、投资多、工期较长之外，还具有以下几个方面的特点。

1.工作条件复杂

由于水的作用形成了水工建筑物特殊的工作条件：挡水建筑物蓄水以后，除承受一般的地震力和风压力等水平推力外，还承受很大的水压力、浪压力、冰压力、动水压力等荷载，对建筑物的稳定性影响极大；通过水工建筑物和地基的渗流，对建筑物和地基产生渗透压力，还可能产生侵蚀和渗透破坏；当水流通过水工建筑物下泄时，高速水流可能引起建筑物的空蚀、振动以及对下游河床和两岸的冲刷；对于特殊的地质条件，水库蓄水后可能诱发地震，进一步恶化建筑物的工作条件。

水工建筑物因其本身结构问题而损坏的比较少，因地质问题而发生事故的却屡见不鲜。由于水工建筑物的自身重量很大，基础又在水下浸泡，发生问题难以处理，所以对地质条件要求较高，只有充分了解地质条件后，才能选择合理的建筑物型式和正确的地基处理措施。

2.施工条件复杂

水工建筑物的施工条件复杂，体现在以下几个方面：①需要解决好施工导流问题，施工期间，在保证建筑物安全的前提下，河水除应能顺利下泄，还应满足必要的通航、过木等要求，这是水利工程设计和施工中的一个重要课题；②工程进度紧迫，截流、度汛需要抢时间、争进度，否则将导致工期拖延；③施工技术复杂，水工建筑物的施工受气候、环境影响较大，如：大体积混凝土的温度控制和复杂的地基比较难以处理，填土工程要求一定的含水量和较高的压实度，在雨季施工会有很大的困难；④地下、水下工程多，排水施工难度比较大；⑤交通运输比较困难，在高山峡谷地区此问题更为突出等。

3.对国民经济的影响巨大

水利枢纽工程和单项的水工建筑物可以承担防洪、灌溉、发电、航运等任务，同时又可以绿化环境，改良土壤和植被，发展旅游，甚至建成优美的城市等，但是，如果处理不当也可能产生不利的影响。如：水库蓄水越多，则效益越高，淹没损失也越大，不仅导致大量移民和建筑物搬迁，还可能引起库区周围地下水位的变化，直接影响到工农业生产，甚至影响生态平衡和环境恶化；库尾的泥沙淤积，可能会使航道变浅。堤坝等挡水建筑物万一失事或决口，将会给下游人民的生命财产和国民经济带来灾难性的损失。1975年8月我国河南省遭遇特大洪水，造成板桥水库、石漫滩水库两座水库垮坝，使下游约1100万亩农田受淹，京广铁路中断，死亡约9万余人。

三、水工建筑物的级别划分

水利枢纽用工程等别划分，建筑物按级别划分。水利枢纽中的不同建筑物通常按其所属工程的等别和重要性进行建筑物级别划分。级别高的建筑物，对设计及施工的要求也高，级别低的建筑物则可以适当降低。单项用途的永久性水工建筑物，应根据其用途相应的等别和其本身的重要性按表3-2确定级别。多用途的水工建筑物，应根据其相应的等别中最高者和其本身的重要性按表3-2确定级别。

失事后损失巨大或影响十分严重的水利水电枢纽工程，经论证并报主管部门批准，其2～4级主要建筑物可提高一级设计，并可按提高后的级别确定洪水标准；失事后造成损失不大的水利水电枢纽工程，经论证并报主管部门批准，其1～4级主要水工建筑物可降低一级设计，并按降低后的级别确定洪水标准。水利水电枢纽工程挡水建筑物高度超过表3-3数值者，2、3级建筑物可提高一级设计，但洪水标准不予提高。

当水工建筑物为实践经验较少的新型结构、其基础的地质条件复杂时，2～5级建筑物可提高一级设计，但洪水标准不予提高。

四、永久性水工建筑物洪水标准

设计永久性建筑物所采用的洪水标准分为正常运用（设计情况）和非常运用（校核情况）两种情况。

（一）正常运用情况

设计永久性水工建筑物所采用的正常运用洪水标准，应根据工程规模、重要性和基本资料等情况，按表3-4规定的洪水标准范围内分析确定。

（二）非常运用情况

设计永久性水工建筑物所采用的非常运用洪水标准，按下列原则确定：

（1）失事后对下游将造成较大灾害的大型水库、重要的中型水库以及特别重要的小型水库的大坝，当采用土石坝时，应以可能最大洪水作为非常运用洪水标准；当采用混凝土坝、浆砌石坝时，根据工程特性、结构形式、地质条件等，其非常运用标准较土石坝可适当降低。

（2）失事后不致对下游造成较大灾害的水利枢纽工程的大坝和其他影响水库安全的水工建筑物，其非常运用洪水标准应根据工程规模、重要性及基本资料等情况，按不低于表3-5规定的数值分析确定。

（3）水利枢纽工程中不影响水库安全的建筑物，如引水式、坝后式水电站的厂房等，其非常运用洪水标准可按表3-5规定的数值适当降低。

（4）水利枢纽工程的泄洪设施，必须满足非常运用时的泄洪要求。在有条件时泄洪设施应尽量分为正常和非常泄洪设施两部分。其中，正常泄洪设施的泄洪能力应不小于正常运用时的泄洪要求；而非常泄洪设施根据工程特性、洪水标准、枢纽布置、坝型及地质条件，可全部或部分适当简化，以降低造价。

（5）当非常泄洪设施规模较大或具有两个以上的非常泄洪设施时，应考虑能够部分启用或先后启用，以控制下泄流量。

工程案例

丹江口水利枢纽

1.工程概述

丹江口水利枢纽位于湖北省丹江口市、汉江与丹江交汇口以下800m处，是开发汉江的第一个控制性大型骨干工程，具有防洪、引水、灌溉、航运、养殖等综合效益。枢纽分为两期开发，第一期正常蓄水位157.0m，总库容290.5亿m3。平均每年可向华北调水145亿m3以上。坝址河谷宽500～600m，河床中部和左部有一条深槽。河床覆盖层一般厚度2～5m，最大厚度22m（深槽处）。坝址出露的地层主要为元古界片岩（左岸）和岩浆岩（河床和右岸）。断裂构造极为发育，较大断裂带多与坝轴线斜交，工程地质条件复杂。各类完整新鲜的变质岩浆岩平均极限抗压强度为87～148MPa，弹性模量72400～74300MPa。地震烈度Ⅵ度，大坝按Ⅷ度地震设防。

坝址控制流域面积95217km2，多年平均径流量378亿m3，多年平均流量1200m3/s。按千年一遇设计，万年一遇校核。设计洪水流量64900m3/s，初期规模时相应的库水位159.8m；校核洪水流量82300m3/s，相应库水位161.4m，相应总库容209.7亿m3。1978年改为按万年一遇洪水加20%洪量作为保坝标准，相应库水位164m，因此已将两岸土石坝顶加高至165.2m，两岸混凝土坝有19个坝段需结合后期加高要求进行加固。

丹江口水库初期和后期主要特征指标见表3-6。

2.枢纽布置和主要建筑物

丹江口水利枢纽由混凝土坝、土石坝、泄洪建筑物及坝后式厂房等建筑物组成，如图3-6所示。

河床布置混凝土坝、泄洪建筑物及坝后式厂房，左右两岸为土石坝、通航建筑物及坝后式厂房。坝顶高程162m时，挡水建筑物总长2494m，其中混凝土坝长1141m，左岸土坝1223m，右岸土坝130m。

泄洪建筑物包括泄洪深孔和溢流坝两部分，泄洪深孔位于河床右部，设置12个宽5m、高6m的深孔，孔底高程113m，供泄放中、小流量兼作放空、排沙之用（其中1孔在1990年被备用电源电站占用），最大泄流量9680m3/s。溢流坝位于河床中部，总长264m，设有20个宽8.5m、堰顶高程138m的开敞式溢流孔，中间有一个坝段布置成隔墙（由施工时纵向围堰改建而成），将溢流坝分割成两部分，只有在洪水超过1935年的洪量时，才开始运用左部分（共12孔），以保护电厂尾水少受泄洪干扰，最大泄量39900m3/s。

坝后式厂房位于河床左部，厂房坝段长174m，安装6台单机容量为15万kW的竖轴混流式水轮发电机组，转轮直径5.5m，额定转速100r/min，额定出力15.4万kW，最高效率92.8%。初期单独运转时，最大水头71.5m，最小水头44m，设计水头63.0m；后期运转时最大水头81.5m，最小水头45.4m，设计水头63.5m。机组最大过流量275m3/s和277m3/s。发电机为伞式空冷型，额定电压15.75kV，额定容量17.65万kVA，额定功率因数0.85，定子铁芯内径12.8m，转子重572t和490t。引水压力钢管直径7.5m，埋设在坝内，进口高程115m。

左岸土石坝全长1223m，最大坝高56m，为黏土心墙及黏土斜墙、砂砾料坝壳土石混合坝。左岸土石坝与河床混凝土坝之间的左岸连接段长220m，为实体重力坝。为避开片岩区，混凝土坝轴线向下游转弯。左岸土石坝在连接段混凝土坝上游面与其正交连接。连接处设有上、下游挡土墙。

右岸土石坝坝长130m，为黏土心墙土石混合坝。右岸连接段长339m，为实体重力坝。

通航建筑物布置在右岸，越过右岸混凝土连接坝段，采用垂直升船机与斜面升船机相结合的形式。全线由上游导航防护建筑物、垂直升船机、中间隧道、斜面升船机和下游引航道等5部分组成，中心线成一折线，总长1093m。垂直升船机为干式，包括承重结构、桥式提升机、提升架和直流电器控制设备等部分。最大提升高度45m（远景59m），最大提升重量450t，提升速度8m/min，平移速度30m/min。中间渠道长410m。斜面升船机包括斜坡道、斜架车、提升绞车、摩擦驱动装置和直流电器控制系统等部分。斜坡道全长395.5m，坡度1：7。过船时间分别为：垂直升船机单向运船时，干运24.2min，湿运26.2min；双向运行时，干运33.8min，湿运37.8min；斜面升船机单向运行时，干运28.5min，湿运30.5min；双向运行时干运38.1min，湿运42.1min。设计的年单向通过能力：下水为82.38万t；上水为73.55万t。

在坝址上游左岸30km处已建两座灌溉取水渠首。陶岔渠首，引水流量500m3/s，无压隧洞宽7m、高7m、长6775m，进口高程143m。清泉沟渠首，引水流量100m3/s。