[拼音]：shuigong jianzhuwu

[外文]：hydraulic structure

控制和調(diào)節(jié)水流、防治水害、開(kāi)發(fā)利用水資源的建筑物。水工建筑物是實(shí)現(xiàn)除害興利的各項(xiàng)水利工程的重要組成部分。水利工程與國(guó)計(jì)民生息息相關(guān)，而水工建筑物又決定著水利工程能否安全有效地運(yùn)行。大型或重要的水工建筑物失事，常會(huì)造成重大災(zāi)害。水工建筑物的設(shè)計(jì)與研究涉及許多學(xué)科領(lǐng)域，諸如水力學(xué)、水文學(xué)、固體力學(xué)、工程結(jié)構(gòu)、巖土力學(xué)、工程地質(zhì)、建筑材料以及水利勘測(cè)、水利規(guī)劃、水利工程施工、水利管理等。水工建筑物直接為防洪、灌溉和排水、水力發(fā)電、航道和港口、 城鎮(zhèn)供水、 水土保持和環(huán)境保護(hù)等部門(mén)服務(wù)，是一門(mén)綜合性很強(qiáng)的應(yīng)用學(xué)科。

沿革

水工建筑物歷史悠久。早在公元前2900年，埃及就在尼羅河上建造了一座高 15m、長(zhǎng)240m的擋水壩。在中國(guó)，從春秋時(shí)期開(kāi)始，就在黃河下游沿岸修建堤防，經(jīng)歷代整修加固，形成長(zhǎng)約1500km的黃河大堤。公元前256～前251年興建并延用至今的都江堰工程，利用魚(yú)嘴分水，飛沙堰泄洪、排沙，寶瓶口引水，是引水灌溉工程的典范。從春秋時(shí)期開(kāi)始興建至公元1293年全線通航的京杭運(yùn)河是世界上最長(zhǎng)的運(yùn)河。

中世紀(jì)及其以前的水利工程建設(shè)，大都憑借經(jīng)驗(yàn)，缺乏理論分析。19世紀(jì)中期特別是進(jìn)入20世紀(jì)以后，由于生產(chǎn)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，水工設(shè)計(jì)理論不斷完善，施工技術(shù)水平逐步提高，水工建設(shè)取得了較快的進(jìn)展。如重力壩剖面的底寬與壩高之比在逐漸減??；在適宜的條件下，改變結(jié)構(gòu)形式（如腹拱壩）或采用減壓排水系統(tǒng)，以減小壩體工程量;而碾壓混凝土筑壩等技術(shù)的出現(xiàn)，又為簡(jiǎn)化壩體施工、加快工程進(jìn)度和降低造價(jià)提供了有利條件。20世紀(jì)80年代最高的重力壩是瑞士的大迪克桑斯壩，高285m。20世紀(jì)60年代以來(lái)，拱壩建設(shè)發(fā)展較快，對(duì)壩址地形和地質(zhì)條件的要求逐漸放寬，在寬高比大于5和地質(zhì)條件復(fù)雜的地基上也能修建拱壩；為改善壩肩穩(wěn)定條件，拱圈已從過(guò)去的單圓弧拱發(fā)展為多圓心拱、橢圓拱、拋物線拱和對(duì)數(shù)螺線拱等多種形式；對(duì)不太對(duì)稱的河谷，常采用周邊縫(見(jiàn)雙曲拱壩)將壩體與地基分開(kāi)，以改善壩體應(yīng)力和減少工程量。世界最高的拱壩是蘇聯(lián)的英古里壩，高度已達(dá)272m。隨著土力學(xué)理論的發(fā)展，施工技術(shù)水平的提高和大功率、高效施工機(jī)械的采用，以及對(duì)上壩土料要求放寬，加之有些國(guó)家地質(zhì)條件較好的壩址已經(jīng)不多等原因，致使高土石壩的修建越來(lái)越多。蘇聯(lián)的羅貢壩，高達(dá)335m，是20世紀(jì)80年代世界上最高的土石壩。鋼筋混凝土面板堆石壩也在迅速發(fā)展。巖石力學(xué)的發(fā)展，促使采用隧洞等地下結(jié)構(gòu)的工程日益增多，規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，施工技術(shù)和機(jī)械化水平不斷提高，預(yù)應(yīng)力襯砌隧洞、錨噴支護(hù)、在軟基上用高壓噴射灌漿開(kāi)挖洞室等都在發(fā)展。利用混凝土防滲墻或帷幕灌漿解決壩基滲漏，在深厚覆蓋層地基上修建土石壩，在巖溶地區(qū)和復(fù)雜地基修建高壩均獲得了成功。埃及阿斯旺高壩的帷幕深170m;加拿大馬尼克三級(jí)土壩，防滲墻深達(dá)131m。中國(guó)在巖溶地區(qū)成功地建成了高165m的烏江渡拱形重力壩，灌漿帷幕深達(dá)260m。由于高壩建設(shè)增多，大流量泄洪消能設(shè)施發(fā)展迅速，單寬流量不斷加大，有些工程高達(dá)300m³/（s?m）以上。為解決由于高速水流引起的空蝕問(wèn)題，除作好體型設(shè)計(jì)外，還采用了摻氣減蝕等措施。在高山峽谷地區(qū)，為適應(yīng)泄水建筑物與水電站廠房的布置，廠房頂溢流式、挑越式廠壩聯(lián)合泄洪以及廠房位于壩內(nèi)的腹拱式等形式也逐漸付諸實(shí)施。大容量電子計(jì)算機(jī)和有限元方法的采用，又為解決過(guò)去用人工難以完成的許多計(jì)算課題和數(shù)據(jù)處理創(chuàng)造了良好條件。

分類(lèi)

水工建筑物可按使用期限和功能進(jìn)行分類(lèi)。按使用期限可分為永久性水工建筑物和臨時(shí)性水工建筑物，后者是指在施工期短時(shí)間內(nèi)發(fā)揮作用的建筑物，如圍堰、導(dǎo)流隧洞、導(dǎo)流明渠等。按功能可分為通用性水工建筑物和專(zhuān)門(mén)性水工建筑物兩大類(lèi)。

通用性水工建筑物

主要有：

（1）擋水建筑物，如各種壩、水閘、堤和海塘；

（2）泄水建筑物，如各種溢流壩、岸邊溢洪道、泄水隧洞、分洪閘；

（3）進(jìn)水建筑物，也稱取水建筑物，如進(jìn)水閘、深式進(jìn)水口、泵站；

（4）輸水建筑物，如引（供）水隧洞、渡槽、輸水管道、渠道；

（5）河道整治建筑物，如丁壩、順壩、潛壩、護(hù)岸、導(dǎo)流堤。

專(zhuān)門(mén)性水工建筑物

主要有：

（1）水電站建筑物，如前池、調(diào)壓室、壓力水管、水電站廠房；

（2）渠系建筑物，如節(jié)制閘、分水閘、渡槽、沉沙池、沖沙閘；

（3）港口水工建筑物，如防波堤、碼頭、船塢、船臺(tái)和滑道；

（4）過(guò)壩設(shè)施，如船閘、升船機(jī)、放木道、筏道及魚(yú)道等。

有些水工建筑物的功能并非單一，難以嚴(yán)格區(qū)分其類(lèi)型，如各種溢流壩，既是擋水建筑物，又是泄水建筑物；閘門(mén)既能擋水和泄水，又是水力發(fā)電、灌溉、供水和航運(yùn)等工程的重要組成部分。有時(shí)施工導(dǎo)流隧洞可以與泄水或引水隧洞等結(jié)合。

特點(diǎn)

水工建筑物的主要特點(diǎn)歸結(jié)如下。

受自然條件制約多

地形、地質(zhì)、水文、氣象等自然因素對(duì)工程選址，建筑物選型、設(shè)計(jì)、施工，樞紐布置和工程投資等影響很大，特別是水文和地質(zhì)條件更為突出。水文條件直接關(guān)系到水工建筑物的規(guī)模和工程效益。水工建筑物地基常面臨很復(fù)雜的情況：巖基經(jīng)常有斷層破碎帶、軟弱夾層、巖溶等地質(zhì)構(gòu)造；土基間或有壓縮性大的軟弱土層或流動(dòng)性大的細(xì)砂層等情況。對(duì)不同的地基，需要在摸清地質(zhì)情況的基礎(chǔ)上，結(jié)合建筑物的類(lèi)型、規(guī)模和重要性，采取妥善的地基處理措施。

工作條件復(fù)雜

水和建筑物的相互作用是水工建筑物工作條件復(fù)雜化的基本因素，也是水工建筑物有別于一般土木結(jié)構(gòu)的重要特點(diǎn)。例如:由于上下游水位差，擋水建筑物要承受相當(dāng)大的水壓力，要求建筑物及其地基必須具有足夠的抵抗水壓力的能力，以確保建筑物的安全；在建筑物及其兩側(cè)岸邊和地基內(nèi)形成的滲流，產(chǎn)生滲透壓力，對(duì)建筑物的強(qiáng)度和穩(wěn)定不利；泄水建筑物泄水時(shí)，下泄水流的巨大能量，對(duì)河床和岸坡具有強(qiáng)烈的沖刷作用；對(duì)高水頭泄水建筑物還應(yīng)研究解決由于高速水流引起的脈動(dòng)、振動(dòng)、空蝕、摻氣以及水流挾沙對(duì)建筑物表面的磨蝕等。

施工難度大

在江河中興建水利工程，需要妥善解決施工導(dǎo)流、截流和施工期渡汛。通常工期緊迫，技術(shù)難度大，降雨、 冰凍、 高溫等氣候條件都對(duì)土方工程和混凝土工程施工有不同程度的影響。大體積混凝土溫度控制、復(fù)雜地基的處理以及地下工程、水下工程等的施工技術(shù)都較復(fù)雜。水利工程的建筑材料一般數(shù)量較大，交通運(yùn)輸比較困難，特別是在深山峽谷地區(qū)更為突出。

設(shè)計(jì)和研究?jī)?nèi)容

水工建筑物設(shè)計(jì)包括：

（1）選址，即壩址、閘址、洞線、渠線等的選擇；

（2）選型，即選定建筑物的結(jié)構(gòu)形式，如壩型可在各種混凝土壩、土石壩以及其他合適的形式中進(jìn)行選擇比較，而對(duì)某一種壩型還需在各種不同的形式中進(jìn)行遴選；

（3）樞紐布置，即確定樞紐中各個(gè)建筑物之間的合理位置；

（4）水力計(jì)算，即校核過(guò)流能力、計(jì)算水面曲線或壓坡線等；

（5）結(jié)構(gòu)計(jì)算，即計(jì)算建筑物的強(qiáng)度、穩(wěn)定和剛度等；

（6）進(jìn)行工程細(xì)部設(shè)計(jì)、確定地基處理方案和觀測(cè)設(shè)計(jì)等。對(duì)大中型工程還應(yīng)有水力模型試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)試驗(yàn)配合驗(yàn)證。

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算之前，需要確定建筑物承受的荷載。作用在水工建筑物上的荷載主要有：自重（包括建筑物自身和永久設(shè)備的重量）、靜水壓力、揚(yáng)壓力、動(dòng)水壓力、冰壓力、 泥沙壓力、 浪壓力、地震力、溫度荷載、土壓力等。設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況，按其出現(xiàn)的機(jī)率進(jìn)行不同的組合。設(shè)計(jì)不同類(lèi)型的水工建筑物對(duì)荷載的考慮不盡相同。如溫度荷載，在重力壩設(shè)計(jì)中除施工期的溫度控制措施外，一般可以不予考慮，而在拱壩設(shè)計(jì)中，則必須列為一項(xiàng)主要荷載。

為使水工建筑物的安全度與其重要性和工程造價(jià)相協(xié)調(diào)，即在保證一定安全度的前提下，做到經(jīng)濟(jì)合理，需要對(duì)樞紐中的各個(gè)建筑物按其作用和重要性進(jìn)行分級(jí)。對(duì)不同級(jí)別的建筑物，在抗御洪水能力、強(qiáng)度和穩(wěn)定安全系數(shù)、建筑材料和運(yùn)行可靠性等方面應(yīng)有不同的要求。級(jí)別高，要求也高；級(jí)別低，則可適當(dāng)降低要求。在中國(guó)，水工建筑物分為五級(jí)（見(jiàn)水利樞紐）。

水工建筑物涉及許多學(xué)科領(lǐng)域，工作條件各有不同，不少問(wèn)題需要通過(guò)科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐逐步完善和提高，如：

（1）在一定的自然環(huán)境和給定的建筑目標(biāo)、材料、施工等條件下，如何選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工程量小，便于運(yùn)行管理和造型美觀的結(jié)構(gòu)形式和體形；

（2）建筑物與地基的相互作用及軟弱地基的處理和建筑物設(shè)計(jì)的相應(yīng)改進(jìn)；

（3）結(jié)構(gòu)超過(guò)彈性階段后的工作性態(tài)；

（4）新型消能工和在高速及高含沙條件下抗磨和減蝕的研究；

（5）峽谷地區(qū)高壩大泄量樞紐的布置；

（6）水工建筑物的抗振研究；

（7）新型材料的利用；

（8）筑壩施工新技術(shù)研究；

（9）小型水工建筑物的標(biāo)準(zhǔn)化和裝配化；

（10）水庫(kù)及河道沖淤以及治河建筑物的研究等。

設(shè)計(jì)和研究方法

歸納起來(lái)有以下幾種。

理論分析

運(yùn)用力學(xué)等方面的知識(shí)，通過(guò)分析計(jì)算，設(shè)計(jì)和研究水工建筑物，是基本的也是最主要的方法，但不是所有問(wèn)題都能依靠計(jì)算來(lái)解決。

試驗(yàn)研究

建立物理模型（水力模型和結(jié)構(gòu)模型），通過(guò)試驗(yàn)，研究整個(gè)樞紐、建筑物整體或局部在各種不同條件下的工作狀況，它能解決許多用理論分析不能解決的問(wèn)題。

原型觀測(cè)

由于理論分析和試驗(yàn)研究都不能做到與實(shí)際情況完全一致，為了驗(yàn)證上述兩種方法的研究成果，并指導(dǎo)今后的實(shí)踐，可對(duì)建造中或建成使用中的水工建筑物埋設(shè)各種觀測(cè)儀器，通過(guò)對(duì)原型觀測(cè)和分析研究，找出一般規(guī)律。

工程類(lèi)比

參照與本工程條件相近，運(yùn)用情況良好的已建工程選定有關(guān)尺寸和參數(shù)，也是較常采用的一種方法。

上述各種方法是相輔相成的，一般需要配合應(yīng)用。

展望

20世紀(jì)以來(lái)，水工建筑物在世界各國(guó)發(fā)展迅速，規(guī)模也越來(lái)越大。如中國(guó)在建及擬建水工建筑物與已建成的相比，無(wú)論在形式上、規(guī)模上都有較大的改進(jìn)和提高:土石壩的高度將從100m提高到近200m，而混凝土壩的高度則將達(dá)到250m左右;電站裝機(jī)容量將達(dá)到300～400萬(wàn)kW甚至1000萬(wàn)kW以上;一些中、低水頭的抽水蓄能或混合式抽水蓄能電站已開(kāi)始興建；一些大規(guī)模的引水、供水、灌溉等工程亦將相繼投入實(shí)施。從全世界而言，水工建筑物的前景是向高水頭、大容量、新材料、新結(jié)構(gòu)等方面發(fā)展。隨著施工技術(shù)不斷提高和大型、高效施工機(jī)械及高速、大容量電子計(jì)算機(jī)的采用，高拱壩、高土石壩、碾壓混凝土壩、深埋隧洞及大型地下建筑物等的設(shè)計(jì)和研究將會(huì)有較快的進(jìn)展。此外，預(yù)制構(gòu)件裝配化的中小型水工建筑物的應(yīng)用，以及水工建筑物監(jiān)測(cè)和管理調(diào)度技術(shù)等也將隨之有較大發(fā)展。

參考書(shū)目

1. 天津大學(xué)祁慶和主編：《水工建筑物》，第2版，水利電力出版社，北京，1986。
2. Μ.Μ.格里申，水利水電科學(xué)研究院譯：《水工建筑物》，上冊(cè)、下冊(cè)，水利電力出版社，北京，1984、1986。

參考文章

• 水工建筑物的分類(lèi)有哪些?電氣技術(shù)
• 水工建筑物按其功能可分為哪幾類(lèi)?電氣技術(shù)

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