水工建築物,涉及許多學科領域,除基礎學科外,還與水力學、水文學、工程力學、土力學、岩石力學、工程結構、工程地質、建築材料以及水利勘測、水利規劃、水利工程施工、水利管理等密切相關。
定義:水工建築物就是在水的靜力或動力的作用下工作,並與水發生相互影響的各種建築物。控制和調節水流,防治水害,開發利用水資源的建築物。實現各項水利工程目標的重要組成部分。水工建築物涉及許多學科領域,除基礎學科外,還與水力學、水文學、工程力學、土力學、岩石力學、工程結構、工程地質、建
築材料以及水利勘測、水利規劃、水利工程施工、水利管理等密切相關。它的設計和研究方法,主要有理論分析、試驗研究、原型觀測和工程類比等。
水工建築物歷史悠久。早在公元前2900年,埃及就在尼羅河上建造了一座高15m、長240m的擋水壩。在中國,從春秋時期開始,就在黃河下游沿岸修建堤防,經歷代整修加固,形成長約1500km的黃河大堤。公元前256~前251年興建並延用至今的都江堰工程,利用魚嘴分水,飛沙堰洩洪、排沙,寶瓶口引水,是引水灌溉工程的典範。從春秋時期開始興建至公元1293年全線通航的京杭運河是世界上最長的運河。
中世紀及其以前的水利工程建設,大都憑借經驗,缺乏理論分析。19世紀中期特別是進入20世紀以後,由於生產發展和科學技術進步,水工設計理論不斷完善,施工技術水平逐步提高,水工建設取得了較快的進展。如重力壩剖面的底寬與壩高之比在逐漸減小;在適宜的條件下,改變結構形式(如腹拱壩)或採用減壓排水系統,以減小壩體工程量;而碾壓混凝土築壩等技術的出現,又為簡化壩體施工、加快工程進度和降低造價提供了有利條件。20世紀80年代最高的重力壩是瑞士的大迪克桑斯壩,高285m。20世紀60年代以來,拱壩建設發展較快,對壩址地形和地質條件的要求逐漸放寬,在寬高比大於5和地質條件複雜的地基上也能修建拱壩;為改善壩肩穩定條件,拱圈已從過去的單圓弧拱發展為多圓心拱、橢圓拱、拋物線拱和對數螺線拱等多種形式;對不太對稱的河谷
,常採用周邊縫(見雙曲拱壩)將壩體與地基分開,以改善壩體應力和減少工程量。世界最高的拱壩是蘇聯的英古裡壩,高度已達272m。2010年8月,中國雲南小灣水電站建成投產以後,已經成為世界上最高的拱壩,最大壩高達292米。
最大壩高272m,水庫總庫容11億m3,下游設有引水式電站,裝機130萬kW。壩址為石灰岩和白雲巖,被裂隙和斷層切割,地質條件複雜,地震烈度8度。壩型為雙曲拱壩,壩面由多心圓拱組成。隨著土力學理論的發展,施工技術水平的提高和大功率、高效施工機械的採用,以及對上壩土料要求放寬,加之有些國家地質條件較好的壩址已經不多等原因,致使高土石壩的修建越來越多。蘇聯的羅貢壩,高達335m,是20世紀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展。岩石力學的發展,促使採用隧洞等地下結構的工程日益增多,規模也在不斷擴大,施工技術和機械化水平不斷提高,預應力襯砌隧洞、錨噴支護、在軟基上用高壓噴射灌漿開挖洞室等都在發展。利用混凝土防滲牆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,在巖溶地區和複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;加拿大馬尼克三級土壩,防滲牆深達131m。中國在巖溶地區成功地建成了高165m的烏江渡拱形重力壩,灌漿帷幕深達260m。由於高壩建設增多,大流量洩洪消能設施發展迅速,單寬流量不斷加大,有些工程高達300m3/(s·m)以上。為解決由於高速水流引起的空蝕問題,除作好體型設計外,還採用了摻氣減蝕等措施。在高山峽谷地區,為適應洩水建築物與水電站廠房的佈置,廠房頂溢流式、挑越式廠壩聯合洩洪以及廠房位於壩內的腹拱式等形式也逐漸付諸實施。大容量電子計算機和有限元方法的採用,又為解決過去用人工難以完成的許多計算課題和數據處理創造了良好條件。