水利工程中的泄水建筑物：消能、防蚀与抗磨

水利工程是用于控制和调配自然界的地表水和地下水,从而达到除害兴利目的而修建的工程,也称为水工程。水是人类生产和生活必不可少的宝贵资源,但其自然存在的状态并不完全符合人类的需要。只有修建水利工程,才能控制水流,防止洪涝灾害,并进行水量的调节和分配,以满足人民生活和生产对水资源的需要。水利工程需要修建坝、堤、溢洪道、水闸、进水口、渠道、渡槽、筏道、鱼道等不同类型的水工建筑物,以实现其目标。

1.1.2.1　分类

水利工程按目的或服务对象可分为：防止洪水灾害的防洪工程；防止旱、涝、渍灾为农业生产服务的农田水利工程,或称灌溉和排水工程；将水能转化为电能的水力发电工程；改善和创建航运条件的航道和港口工程；为工业和生活用水服务,并处理和排除污水、雨水的城镇供水和排水工程；防止水土流失和水质污染,维护生态平衡的水土保持工程和环境水利工程；保护和增进渔业生产的渔业水利工程；围海造田,满足工农业生产或交通运输需要的海涂围垦工程等。一项水利工程同时为防洪、灌溉、发电、航运等多种目标服务的,称为综合利用水利工程。

蓄水工程指水库和塘坝(不包括专为引水、提水工程修建的调节水库),按大、中、小型水库和塘坝分别统计。

引水工程指从河道、湖泊等地表水体自流引水的工程(不包括从蓄水、提水工程中引水的工程),按大、中、小型规模分别统计。

提水工程指利用扬水泵站从河道、湖泊等地表水体提水的工程(不包括从蓄水、引水工程中提水的工程),按大、中、小型规模分别统计。

调水工程指水资源一级区或独立流域之间的跨流域调水工程,蓄、引、提工程中均不包括调水工程的配套工程。

地下水源工程指利用地下水的水井工程,按浅层地下水和深层承压水分别统计。

1.1.2.2　组成

无论是治理水害还是开发水利,都需要通过一定数量的水工建筑物来实现。按照功用,水工建筑物大体分为三类：挡水建筑物、泄水建筑物以及专门水工建筑物。由若干座水工建筑物组成的集合体称水利枢纽。

(1)挡水建筑物

挡水建筑物是阻挡或拦束水流、拥高或调节上游水位的建筑物,一般横跨河道的称为坝,沿水流方向在河道两侧修筑的称为堤。坝是形成水库的关键性工程。近代修建的坝,大多数采用当地土石料填筑的土石坝或用混凝土灌筑的重力坝,它依靠坝体自身的重量维持坝的稳定。当河谷狭窄时,可采用平面上呈弧线的拱坝。在缺乏足够筑坝材料时,可采用钢筋混凝土的轻型坝(俗称支墩坝),但它抵抗地震作用的能力和耐久性都较差。砌石坝是一种古老的坝,不易机械化施工,主要用于中小型工程。大坝设计中要解决的主要问题是坝体抵抗滑动或倾覆的稳定性、防止坝体自身的破裂和渗漏。土石坝或砂、土地基,在防止渗流引起的土颗粒移动破坏(即所谓“管涌”和“流土”)中占有更重要的地位。在地震区建坝时,还要注意坝体或地基中浸水饱和的无黏性砂料在地震时发生强度突然消失而引起滑动的可能性,即所谓“液化现象”。

(2)泄水建筑物

泄水建筑物是能从水库安全可靠地放泄多余或需要水量的建筑物。历史上曾有不少土石坝,因洪水超过水库容量而漫顶造成溃坝。为保证土石坝的安全,必须在水利枢纽中设河岸溢洪道,一旦水库水位超过规定水位,多余水量将经由溢洪道泄出。混凝土坝有较强的抗冲刷能力,可利用坝体过水泄洪,称溢流坝。修建泄水建筑物,关键是要解决好消能、防蚀和抗磨问题。泄出的水流一般具有较大的动能和冲刷力,为保证下游安全,常利用水流内部的撞击和摩擦消除能量,如水跃或挑流消能等。当流速大于每秒10～15米时,泄水建筑物中行水部分的某些不规则地段可能出现所谓的空蚀破坏,即由高速水流在临近边壁处出现的真空穴所造成的破坏。防止空蚀的主要方法是尽量采用流线型体形,提高压力或降低流速,采用高强材料以及向局部地区通气等。多泥沙河流或当水中夹带有石渣时,还必须解决抵抗磨损的问题。(www.xing528.com)

(3)专门水工建筑物

除上述两类常见的一般性建筑物外,为某一专门目的或为完成某一特定任务所设的。渠道是输水建筑物,多数用于灌溉和引水工程。当遇高山挡路,可盘山绕行或开凿输水隧洞穿过；如与河、沟相交,则需设渡槽或倒虹吸,此外还有同桥梁、涵洞等交叉的建筑物。水力发电站枢纽按其厂房位置和引水方式有河床式、坝后式、引水道式和地下式等。水电站建筑物主要有集中水位落差的引水系统,防止突然停车时产生过大水击压力的调压系统,水电站厂房以及尾水系统等。通过水电站建筑物的流速一般较小,但这些建筑物往往承受着较大的水压力,因此,许多部位要用钢结构。水库建成后大坝会阻拦船只、木筏、竹筏以及鱼类回游等的原有通路,对航运和养殖的影响较大。因此,应专门修建过船、过筏、过鱼的船闸、筏道和鱼道。这些建筑物具有较强的地方性,修建前要做专门研究。

1.1.2.3　特点

(1)很强的系统性和综合性

单项水利工程是同一流域、同一地区内各项水利工程的有机组成部分,这些工程既相辅相成,又相互制约；单项水利工程自身往往是综合性的,各服务目标之间既紧密联系,又相互矛盾。水利工程和国民经济的其他部门也是紧密相关的。规划设计水利工程必须从全局出发,系统地、综合地进行分析研究,才能得到最经济合理的优化方案。

(2)对环境有很大影响

水利工程不仅通过其建设任务对所在地区的经济和社会产生影响,而且对江河、湖泊以及附近地区的自然面貌、生态环境、自然景观,甚至是区域气候,都将产生不同程度的影响。这种影响有利有弊,规划设计时必须对这种影响进行充分估计,努力发挥水利工程的积极作用,消除其消极影响。

(3)工作条件复杂

水利工程中各种水工建筑物都是在难以确切把握的气象、水文、地质等自然条件下进行施工和运行的,它们又多承受水的推力、浮力、渗透力、冲刷力等的作用,工作条件较其他建筑物更为复杂。

(4)效益具有随机性

水利工程的效益具有随机性,根据每年水文状况不同而效益不同,农田水利工程还与气象条件的变化有密切联系。

(5)要按照基本建设程序和有关标准进行

水利工程一般规模大,技术复杂,工期较长,投资多,兴建时必须按照基本建设程序和有关标准进行。