水循环与水资源利用

9　水利水电工程

本章导读：

●基本要求 了解水利水电工程的专业含义及其地位和作用；了解中国水资源特性；了解水利枢纽工程的含义并熟悉主要的水工建筑物；了解河流整治的主要技术手段和主要建筑物；理解水力发电的基本原理并了解水力发电的主要开发方式。

●重点　水库大坝、渡槽等水工建筑物，河流整治建筑物，水力发电的主要开发方式。

●难点　大坝的结构形式和适用范围。

9.1　水循环与水资源利用

9.1.1　水循环

地球上的水呈固态、液态或气态，但总量是一定的。地球上的水受热力和重力的作用，每时每刻都在大气和海陆之间周而复始地作循环运动，这一过程称为水循环。地球上的水因吸热而蒸发。在海洋上蒸发的水汽随大气运动进入大陆上空，然后凝结成雨雪，形成降水，一部分沿地面流动，形成地表径流；一部分渗入地下，形成地下径流。二者经过江河汇集，再流入海洋，这种海陆间的循环称为大循环。在大循环系统中还有一些小循环，如海洋蒸发的水汽不进入大陆而直接降水到海面，称为海上内循环；大陆蒸发的水汽仍降落到大陆上，称为内陆循环等。另外，两极冰山与大陆冰川的消长也参与水循环，如图9.1所示。

9.1.2　中国水资源特性

水资源的主要来源是降水，及由其转化生成的陆地表面及地下可补给更新的淡水。中国的水资源有如下特性：

①在地区上分布不均，东南多，西北少，由东南到西北递减。长江流域和长江以南地区，地表水资源占全国的70%左右，而长江以北地区仅占30%左右。从平均降雨量来看，东南沿海地区在1 500 mm以上；淮河、秦岭以南大于1 000 mm；华北、东北大部分地区在400～800 mm；西北大部分地区在400 mm以下。从地面径流看，长江多年平均径流量达9 793亿m3；而黄河多年平均径流量为560亿m3，仅占长江水量的5.7%。

图9.1　水文循环示意图

②就同一地区而论，降雨量和径流量在年内分配不均。大部分地区年降雨量和年径流量主要集中在汛期，南方地区的汛期雨量占全年雨量的50%～60%；北方汛期雨量占全年的60%～70%。多数地区河流最大4个月径流量占全年的60～70%；而松辽平原和华北平原等地区可占全年的80%以上；华北地区更进一步集中于7、8两个月，仅这两个月的径流就占全年的50%左右。年际变化也很大，而且有连续枯水年和连续丰水年的特点，最大年径流量与最小年径流量的比值，黄河干流为3～4，支流则高达5～12。

③河流泥沙问题严重。黄河流域尤为如此，黄河三门峡以上多年平均年来沙量达16亿t，居世界各河之冠，泥沙造成部分河道淤积，河床逐年抬高，成为地上悬河。长江宜昌多年平均年输沙量达5.2×108 t，在世界大河中也名列第四。

9.1.3　水资源的开发和保护

水是一切生命的源泉，是人类生活和生产活动必不可少的物资。在人类社会的生存和发展过程中，需要不断地适应、利用、改造和保护水环境。水利事业随着社会生产力的发展而不断发展，并成为人类社会文明和经济发展的重要支柱。

需水量可分为河道外需水和河道内需水两大类。河道外需水主要包括生活用水、农业用水和工业用水。这类需水量中消耗的部分称为不可恢复水量；没有消耗的部分称为回归水量，其重复利用的部分称为重复利用水量。河道内需水包括水力发电、航运及维持生态环境、排沙等的需水量，这类用水本身并不耗水，但要求有一定的流量、水量和水位。

水资源开发的对象即水源，主要是地表水和地下水。而地表水的主要水源来自江河湖泊。当需水量不大时，在河流或湖泊的附近地区可采取直接引水的方法。而当需水量较大时，则一般采用拦河筑坝等方法形成水库，然后通过河流或渠道输送至用户。我国北方地区普遍缺水，跨流域调水也属于这一范畴。地下水也是重要的水资源。但是随着地下水的大量开发（特别是北方城市附近地区）已经产生了不良影响，主要是地下水位降低、形成漏斗、沿海地区海水侵入，等等。

现代水资源开发的主流是大坝的修建。有些大坝专用于发电、农业灌溉或城市用水等，但现在的水资源开发大多是综合性的，其中包括防洪的目的，即进行洪水调节。需要注意的是大型水利工程的建设不仅要考虑技术上的问题，还必须解决各种各样的社会问题，例如移民、环境问题等。

9.2　水利枢纽工程与水工建筑物

水利的范围应包括防洪、灌溉、给水、排水、水力发电、水道、港工、水土保持、水资源保护、环境水利和水利渔业等。在水利水电工程中，常常需要修建一些建筑物，称为水工建筑物。一般用来挡水、泄水、输水、排沙等，以达到防洪、灌溉、发电、供水、航运等目的。水工建筑物的种类很多，如坝、闸、渡槽、港口等。为了综合利用水利资源，常常需要把几种不同类型的水工建筑物修建在一起，协同工作，他们的综合体称为水利枢纽。这些水工建筑物的设计施工是水利、土木工程师的主要任务。下面将介绍几种主要的水工建筑物。

（1）挡水建筑物

①坝：是一种垂直于水流方向拦挡水流的建筑物，因此也称为拦河坝，它是水利工程中用得最多、造价也较高的一种建筑物。

②水闸：是一种靠闸门来挡水的建筑物，简称闸。

③堤：是指平行于水流方向的一种建筑物，例如河堤、湖堤等。

（2）泄水建筑物

泄水建筑物是用来宣泄水库、渠道等中的多余水量，以保证其安全的一类建筑物，如河岸式溢洪道、泄洪隧洞等。

（3）输水建筑物

输水建筑物是把水从一处输引到另一处的一类建筑物，例如引水隧洞、涵管、渠道及渠系建筑物等。

（4）取水建筑物

取水建筑物也称引水建筑物。因其常位于渠道的首部，故也称渠首建筑物或进水口。它是把水库、湖泊、河渠等与输水建筑物相连系的一类建筑物，例如取水塔、渠首进水闸等。

（5）整治建筑物

整治建筑物是以改善水流条件、保护岸坡及其他建筑物安全的一类建筑物，例如顺坝、丁坝、护底等。

当然，有些建筑物的作用不是单一的。例如，溢流坝既是挡水建筑物又是泄水建筑物；水闸既可以挡水又可以泄水还可以用作取水。

图9.2　水利枢纽平面布置示意图

9.2.1　坝

坝是水库枢纽工程中的主体建筑。坝按筑坝材料可分为土石坝、混凝土坝和浆砌石坝等。而混凝土坝和浆砌石坝按结构特点又可分为重力坝、拱坝和支墩坝等。

一般大坝除坝体外，还应具有泄水建筑物，如溢洪道、消力池、取水（放水）建筑物（如隧洞涵管）等，组成水库枢纽工程。图9.2为一水利枢纽工程平面布置示意图，图9.3显示了一般水库库容的组成。

图9.3　库容组成示意图

1）重力坝

重力坝（见图9.4）主要是依靠坝体自重来抵抗水压力及其他外荷载、维持自身的稳定。重力坝的断面基本呈三角形，大坝下游面和坝基间的接触线称为坝趾；大坝上游面和坝基间的接触线称为坝踵。筑坝材料为混凝土或浆砌石。坝体在水压等荷载作用下，必须满足承载力和稳定性的要求，具体地说，坝体不能受拉（一般是坝踵处控制）、不能产生滑移（如沿坝基滑移）、不能发生倾倒（一般是绕坝趾转动）。重力坝在各种坝型中占有较大比重。目前世界上最高的混凝土重力坝是瑞士的大狄克桑斯坝，坝高285 m。

重力坝是整体结构，为了适应温度变化，防止地基不均匀沉陷，坝体应设置永久性温度缝和沉陷缝。为了防止漏水，在有些地方还应设置止水。重力坝体内一般都设有坝体排水和各种廊道，互相贯通，组成廊道系统。

作用于重力坝坝体上的主要荷载有坝体自重和水压力，此外还有扬压力、泥砂压力、风浪压力和地震作用等，如图9.5所示。

图9.4　重力坝示意图

图9.5　重力坝受力简图

重力坝常修筑在岩石地基上，相对安全可靠，耐久性好，抵抗渗漏、洪水漫溢、战争和自然灾害能力强；设计、施工技术较为简单，易于进行机械化施工；在坝体中可布置引水、泄水孔，解决发电、泄洪和施工导流等问题。其主要缺点是体积大，材料强度不能充分发挥，对稳定控制要求高等。

重力坝的型式除实体重力坝外，还有宽缝重力坝和空腹重力坝等（见图9.6）。

图9.6　重力坝的主要型式

用振动碾压实超干硬性混凝土的施工技术称为碾压混凝土施工技术；采用这种方法所筑的坝称为碾压混凝土坝。这一技术的研究起始于20世纪60年代，20世纪80年代得到了迅速发展。但是，各国的施工方法不尽相同。日本采用“皮包馅”的方法，即只在内部采用碾压混凝土，而在外部和基础部分则浇筑常规混凝土。美国采用了全断面碾压的方法，但有的碾压混凝土坝由于严重渗漏而不得不废弃。我国有的工程与日本的施工方法相似，如观音阁大坝；有的则采用了全断面碾压，但在上游面另设了防渗层，如坑口坝。

2）拱坝

拱坝（见图9.7）在平面上呈凸向上游的拱形，拱的两端支承于两岸的山体上。立面上有时也呈凸向上游的曲线形，整个拱坝是一个空间壳体结构。拱坝一般是依靠拱的作用，即利用两端拱座的反力，同时还依靠自重来维持坝体稳定。拱坝的结构作用可视为两个系统，即水平拱和竖直梁系统。水平荷载和温度荷载由这两个系统共同承担。拱坝比重力坝可比较充分地利用坝体的强度，其体积较重力坝为小，其超载能力比其他坝型为高。但是拱坝对坝址河谷形状及地基要求较高。

图9.7　拱坝示意图

目前世界上最高的拱坝是2010年建成的我国小湾电站大坝，高294.5 m。苏联于1980年建成的英古里坝，高272 m。

温度荷载对拱坝应力及稳定影响较大，必须予以考虑。

拱坝按结构作用可分为纯拱坝、拱坝和重力拱坝；按体型可分为双曲拱坝、单曲拱坝和空腹拱坝；按坝底厚度与坝高之比分为薄拱坝（比值小于0.2）和厚拱坝（比值大于0.35）等；按筑坝材料可分为混凝土拱坝和浆砌石拱坝。

3）土石坝

土石坝是利用当地土料、石料或土石混合料堆筑而成、最古老的一种坝型，但它仍是当代世界各国最常用的一种坝型。土石坝的优点是筑坝材料取自当地，可节省水泥、钢材和木材；对坝基的工程地质条件比其他坝型为低；抗震性能也比较好。主要缺点是一般需在坝体外另行修建泄水建筑物，如泄洪道、隧洞等；抵御超标准洪水能力差，如库水漫顶，将垮坝失事。

土石坝一般由坝身、防渗设施、排水设施和护坡等部分组成，如图9.8所示。按施工方法不同，土石坝可分为碾压式土石坝、抛填式堆石坝、定向爆破堆石坝、水力冲填坝和水坠坝等。其中碾压式土石坝应用最为广泛。根据土料在坝体内的分布情况和防渗体位置不同，碾压式土石坝可按下列分类（图见9.9）。

①均质坝：坝体由一种透水性较弱的土料填筑而成。

图9.8　土坝的组成

图9.9　土石坝分类

②多种土质坝：坝体由几种不同土料所构成，防渗料位于坝体上游或中间。

③心墙坝：防渗料位于坝体中间，用透水性较好和抗剪强度较高的砂石料作坝壳。

④斜墙坝：坝体由透水性较好和抗剪强度较高的砂石料筑成，防渗体位于坝体上游面。

9.2.2　水闸

水闸是一种低水头水工建筑物，既可用来挡水，又可用来泄水，并可通过闸门控制泄水流量和调节水位。水闸在水利工程中应用十分广泛，多建于河道、渠系、水库、湖泊及滨海地区。

水闸按其所承担的主要任务可分为进水闸（取水闸）、节制闸、排水闸、分洪闸、挡潮闸、排砂闸等。按结构形式可分为开敞式、胸墙式和涵洞式等。

水闸一般由闸室、上游连接段和下游连接段等组成，其中闸室是水闸的主体，如图9.10所示。

图9.10　水闸组成示意图
1—闸门；2—底板；3—闸墩；4—胸墙；5—工作桥；6—交通桥；7—上游防冲槽；8—上游防冲段（铺盖）；9—上游翼墙；10—上游两岸护坡；11—护坦（消力池）；12—海漫；13—下游防冲槽；14—下游翼墙；15—下游两岸护坡

9.2.3　渡槽

渡槽属于渠系建筑物的一种，实际上就是一种过水桥梁，用来输送渠道水流跨越河渠、溪谷、洼地或道路等。渡槽常用砌石、混凝土或钢筋混凝土建造。

渡槽主要由进出口段、槽身、支承结构和基础等构成。槽身横断面形式以矩形和U形断面居多，如图9.11所示。支承结构的形式有梁式、拱式、斜拉式等，如图9.12所示。

图9.11　槽身横断面

图9.12　渡槽布置图
1—进口段；2—出口段；3—槽身；4—收缩缝；5—排架；6—支墩；7—渠道；8—重力式槽台；9—槽墩；10—边墩；11—砌石板拱；12—肋拱；13—拱座；14—塔架；15—承台；16—斜拉索；17—井柱桩；18—填土

9.3　治河防洪工程

9.3.1　河流整治技术

取得淡水的最基本的方法莫过于从就近的河流取水。但是，河流的水位、流速、流量是在不断变化的，因而河流的比降、断面和主流轴线也在随时间和沿程变化。同时，洪水泛滥会给人们的生命财产带来灾难。因此，为了满足人类生活和生产的需要，人类从古代开始就一直进行着对河流的整治，人为地控制其变化过程，并防止水流的危害，现在常被称为河道治理。

河床是在水流作用和土壤抗冲刷的相互作用下形成的。河流按河段可分为河源、上游、中游、下游和河口5段。还可按照河床情况、冲刷和淤积程度、流量和流速大小等特点进行相应的分类。

根据河流的形态和演变特点，常将河流分为顺直、弯曲、分汊和游荡等4种河型（见图9.13）。

图9.13　河型示意图

（1）顺直（微弯）型河段

顺直河段平面外形比较顺直或略弯曲，两岸有交错边滩，纵剖面滩槽相间，在水流作用下，浅滩和深槽会发生周期性冲淤变化。

（2）弯曲型河段

弯曲型河段又称蜿蜒型河段，其平面外形弯曲，纵剖面滩槽交替，弯道凹岸为深槽，过渡段为浅滩。

（3）分汊型河段

平面外形比较顺直、浅宽，江心有一个或数个沙洲，水流分汊两股以上汊道。其演变特点是洲滩不断变化，汊道兴衰交替。

（4）游荡型河段

稳定性较弱，冲淤变化迅速的河段称为游荡型河段。这种河段一般河床浅宽，浅滩和汊道相互交错，水流急，河床不断变化，主流摆动不定。

冲积性河流在长期发展过程中形成了相对平衡或准平衡状态。在河流上兴建水库或其他工程设施会改变天然河道的来水来砂或河床边界条件，从而破坏了河道的平衡状态，对工程建设和国民经济产生不良影响。

以上所述各类河床的特点及其演变规律，对于人们认识和预测河床演变的趋势，对于探讨河道整治方法和措施，都是十分重要的。当然，各条河流都有自己独特的特性，如河流的形态、洪水的状况、流域的用水情况、洪水泛滥的历史，等等。所以，在河流治理中，既有一般性的规律需要遵循，又更要特别注意这些特性，采取符合实际的整治技术措施。

河道整治是一项系统工程，大力开展水土保持工作是河流上游治理的最根本措施，同时对下游河道的演变起着重要的影响。对于河道本身的整治，要按照河道的演变规律，因势利导，调整稳定河道主流位置，改善水流条件，以适应防洪、给排水、航运等需要。所以，河道整治的规划尤为重要，要在认真调查、分析研究的基础上，确定规划的重要参数，如设计流量、设计水位、比降、水深、河道平面和断面形态指标，选取优化方案。图9.14所示为一河道整治的例子。

图9.14　河道整治线
1，2—现存河岸；3—护岸；4，5—锁坝；6，7—丁坝；8—挖槽；9—引河；10—顺坝

河道整治的基本原则是：

①统筹兼顾、综合治理；分清主次，各种整治措施配套使用，以形成完整的整治体系。

②因势利导，重点整治。河道是处在不断演变过程中，要抓住其有利时机；同时要有计划、有重点地布设工程。

③对工程结构和建筑材料，因地制宜，就地取材，以节省投资。

河道整治的直接措施主要包括控制和调整河势、裁弯取直、河道展宽和疏浚等。

①控制和调整河势，如修建丁坝、顺坝、护岸、锁坝、潜坝等，加固凹岸，固定河道。

②实施河道裁弯取直，以改善过分弯曲的河道。

③实施河道展宽工程，以疏通堤距过窄或卡口河段。

④实施河道疏浚工程，可采用爆破、开挖的方法完成。

9.3.2　河流整治建筑物

1）丁坝

丁坝是从岸、滩修筑凸出于水中的建筑物，一般成组布设（见图9.15）。丁坝的主要作用是逐步束窄河道，刷深主河床，保护岸、滩。按丁坝轴线和河岸或水流方向垂直、斜向上游、斜向下游而分别成为正挑、上挑、下挑丁坝。非淹没丁坝采取下挑式，其交角一般为30°～60°；淹没丁坝采取上挑式。丁坝在平面上多为长条形，但也有其他形式，如人字、月牙、燕翅、磨盘等，如图9.16所示。

图9.15　丁坝平面形式图

图9.16　丁坝型式

2）顺坝和锁坝

顺坝修建在沿岸河中，具有束窄河槽、导引水流，调整河岸的作用。布置方向与水流相同，可以修筑于一岸，也可两岸同时修筑。顺坝的一端与岸相接，下端敞口。有时为了加速淤积，防止冲刷，可在坝身和岸边修筑格坝。

锁坝则多建在多叉河道上用以堵塞支流，保持主河道有一定的水深，以利通航。锁坝的顶部应高于平均低水位0.5～1.0 m。可布置在汊道进口中部或尾部，根据地形、水文、地质、泥砂、施工条件等择优确定方案。

3）护岸建筑物

（1）块石护岸

这是世界各河流普遍采用的一种护岸结构形式，一般由抛石护脚及上部护坡两部分组成。护坡有抛石、浆砌石、干砌石等形式，护坡的坡度范围为1∶（0.3～1.3）；护脚的坡度为1∶（1.2～3）。

（2）石笼沉排护岸

用细钢筋、铅丝、树枝条等做成六面体或圆柱体的笼子、内填块石、砾石或卵石，网格的大小以不漏石为度。这种护岸具有体积大、抗冲力强、可利用小石块等优点（见图9.17）。

图9.17　石笼护岸实例（单位：m）

此外，还可以采用柔性钢筋混凝土护岸（如格栅或沉排等结构形式）、沥青及沥青混凝土护岸（可以现场浇制，也可以采用装配式）等方式。

9.3.3　防洪工程

防洪工程就是为控制、防御洪水以减免洪灾损失所修建的工程，主要有堤、河道整治工程、分洪工程和水库等。按性质可分为挡、泄（排）和蓄等几大类。

1）堤防工程

利用河堤、湖堤防御河、湖的洪水泛滥，是最古老和最常用的防洪措施。防洪标准是设计堤防的依据。防洪标准确定后，便可沿河流分段计算其过水能力，确定堤距和堤高。确定堤距和堤高应从行洪安全和经济合理两方面考虑。例如，黄河下游段的堤距为500～1 500 m；长江下游段的堤距为1 000～2 000 m。

防洪堤一般为土质挡水建筑物，其断面设计与土坝基本相同。堤顶宽度主要取决于防汛要求与维修需要。我国的堤顶一般较宽，如黄河大堤为7～10 m，淮北大堤为6～8 m，长江荆江大堤为7.5 m，险要工段为10 m。

堤的边坡视筑坝土质、水位涨落强度和持续时间、风浪情况等确定。与土坝不同，一般大堤迎水坡较被水坡陡。淮河大堤迎水坡为1∶3，背水坡第一马道以下为1∶5（见图9.18）；黄河大堤迎水坡为1∶3，背水坡下为1∶4。

2）蓄洪分洪工程

堤防防御洪水的能力是有一定限度的。如果洪水超过堤防的防洪标准，可采用分洪或滞洪措施，将主河道的流量和水位降低到该河段安全泄量和安全水位以下。

图9.18　淮河大堤剖面图（单位：m）

分洪是把超过原河安全泄量的部分洪峰流量分流入海或其他河流。也可以利用河流中下游河槽本身滩地或沿海低洼地区短期停蓄洪水，削减洪峰流量，称为滞洪。

当洪水过大时，还可将一部分洪水引入流域内的湖泊、洼地或临时滞洪区；待河道洪峰过后，再将蓄滞的洪水放回原河道。我国著名的分洪区如荆江分洪区、黄河东平湖滞洪区等。

9.4　水力发电工程

9.4.1　水力发电原理

水力发电指在天然河流上，利用拦河坝或引水道拦截水流，在上下游之间形成落差，通过水流推动水轮发电机组生产电能。在这个过程中，水能转变成机械能是由水轮机实现的；而机械能转变为电能是由发电机实现的。理论发电功率与实际发电功率公式如下：

9.4.2　水电站开发方式

河流的开发方式应根据河段的地形、地质及水文等自然条件采用不同的水能利用方式。

1）坝式

坝式水电站是指在河流地形地质条件适宜的地方建拦河坝，抬高上游河段的水位，形成水库，与下游天然水位形成落差，即可引水发电。

坝式开发的原理在于：筑坝挡水，汇集水量，形成水库，坝前水库壅水水面线的坡降远小于原河道天然水面的坡降，因而库内水流速度甚小，水流在流动过程中的能量损耗大减，原河段的水流势能得到恢复，分散的落差积聚起来，在坝址处形成水电站的集中水头。沿河纵向同一地点库面线与原河道水面之间的高程差就形成集中的落差。在坝址处引取上游水库中的水流，通过设在水电站厂房内的水轮机，发电后将尾水引至坝下游原河道，上、下游的水位差即是水电站取得的水头H。

坝式水电站的水头取决于坝高。显然，坝越高，水电站的水头越大。但坝高常常受地形、地质、水库淹没、工程投资等条件的限制，所以，与其他开发方式相比，坝式水电站的水头相对较小。目前，坝式水电站的最大水头只接近于300 m。

坝式水电站开发的显著优点是由于形成蓄水库可以同时用来调整流量，故坝式水电站引用流量大，电站规模也大，水能的利用较充分。目前，世界上装机容量超过200万kW的巨型水电站大都是坝式水电站。我国的三峡水电站就是其中的代表。此外，坝式水电站因有蓄水库，综合利用价值高，可同时满足防洪、渔业、水利、旅游等部门的要求。

当然，一般来说，由于建坝的工程量大，尤其是形成蓄水库会带来淹没问题，造成库区土地、森林、矿产等的淹没损失和城镇居民的搬迁，要投入大笔费用，所以坝式水电站一般投资大、工期长、单价高。

坝式水电站适用于河道坡降较缓，流量较大，有筑坝建库条件的河段。它又有河床式和坝后式之分。

在平原河段上，用低坝开发的坝式水电站，由于水头不高，安装水轮发电机组的电站厂房本身能承受上游水压力，起挡水作用，通常和坝或水闸一起建筑在河床中，成为挡水建筑物的一个组成部分，故称河床式水电站。这类水电站水头低（一般不超过25～35 m），流量大，大都安装直径较大，转速较低的轴流式水轮发电机组，机组台数多，整个厂房的长度较长，令其起挡水作用，从而可节省挡水建筑物的投资。

水头较高的坝式水电站因厂房本身不挡水，常布置在坝的后面，与坝分开，故称坝后式水电站。坝后式水电站的特点是水头较高，厂房本身不承受上游水压力。中高水头的坝后式水电站大都属此类型。坝后式水电站厂房在水利枢纽总体布置中的位置大都靠河一岸，以利于布置变电装置和对外交通。厂房可以根据坝址的地形、地质、坝的形式等条件，建在坝后，通过坝体的引水管道引水；或置于坝体内（坝内式厂房）、溢流坝坝趾后（溢流式厂房）；也可以在坝下游河岸的一边或分设在河岸两边，通过绕过坝体的引水管道将水引入厂房，这时水电站建筑物自成系统，与其分开；有时将自成系统的水电站厂房布置在地下（地下式厂房），通过隧洞引水。三峡水电站就是一座坝后式水电站，坝高175 m，设计水头80.6 m，装机182万kW，年发电量84 TW·h，其结构示意图如图9.19所示。

2）引水式

河流坡降陡的河段上游修建一低坝（或无坝）取水，通过人工建造的引水道（明渠、隧洞、管道等）引水到河段下游，集中落差，再经压力管道，引水至厂房。这种开发方式称为引水式开发，用引水道集中水头的电站称为引水式水电站。

引水道可以是无压的（明渠、无压隧洞等），如图9.20所示；也可以是有压的（有压隧洞、压力管道等），如图9.21所示。

引水式开发适用于河道坡降较陡，流量较小的山区性河段。

图9.19　坝后式水电站示意图

图9.20　无压引水式水电站示意图
1—原河道；2—明渠；3—取水渠；4—进水口；5—前池；6—压力管道；7—水电站厂房；8—尾水渠

图9.21　有压引水式水电站示意图

无压引水开发由于引水道的坡降（或流速）小于原河道的坡降（或流速），所以随着引水道的增长，逐渐集中水头。显然，引水道的坡降愈小，引水道越长，集中的水头也越大。当然，引水道坡降不宜太小，否则引水流速过小，引取一定流量时就要求很大的过水断面，从而造成引水建筑物的不经济。

与坝式水电站相比，引水式水电站的水头较高。目前最大水头已达2 030m（意大利劳累斯引水式水电站），但引水流量较小，又无水库调节径流，水量利用率较低，综合利用价值较差，电站规模相对较小。然而，因无水库淹没损失，工程量又较小，所以单位造价也往往较低。

截弯取水和跨河流引水，常采用有压引水隧洞集中落差。有压引水式水电站有压系统较长，为减小水击值和改善机组调节保证条件，往往要采用调压措施，如在有压引水水道末端建调压室（井或塔），或者在厂房内装调压阀（空放阀）等。

3）混合式

在一个河段上同时采用坝和有压引水道共同集中落差的开发方式称为混合式开发，混合式水电站水头的取得一部分是利用拦河坝提高水位，一部分是利用引水道集中水头。这种开发方式的水电站称为混合式水电站，可建地面或地下厂房，其布置图如图9.22所示。

图9.22　混合式水电站示意图
1—坝；2—进水口；3—隧洞；4—调压井；5—竖井；6—钢管；7—地下厂房；8—尾水洞；9—水库

混合式开发因有水库可调节径流，兼有坝式开发和引水式开发的优点，但必须具备适合的条件。一般来说，河段前部有筑坝建库条件，后部坡降大（如有急滩或大河湾），宜用混合式开发。东北镜泊湖、广东流溪河等水电站都属于混合式开发。

9.4.3　抽水蓄能电站

前面介绍的都是一般形式的水电站，它们的发电量决定于引水量、落差、河流的天然径流量、汇水面积等因素。水库的径流调节是水电站管理的重要内容，它利用水库控制和调节径流在时间上重新分配。丰水年以发电为主，发蓄兼顾；平水年发蓄并举，充分利用水头水量；枯水年细水长流，以水定量，提高水量利用率。对于多年调节的水库，应以丰补枯，尽量做到年际发电量相差不大。

现代社会尤其是城市用电量急剧增加，而且昼夜间负荷相差很大。在这种情况下，抽水蓄能电站应运而生。

抽水蓄能发电是水能利用的另一种形式。它不是为了开发水能资源向系统供电，而是以水体为储能介质，起调节电能的作用。抽水蓄能式电站的工作包括抽水蓄能和放水发电两个过程。其建筑物的组成中必须有高低两个水池，与有压引水建筑物相连。蓄能电站厂房位于低水池处，如图9.23所示。当夜间用电负荷低落，系统内其他电厂出力有余时，该电站就吸收多余电量，带动水泵，将低水池中的水抽送到高水池，以水的势能形式储存起来（抽水蓄能过程），等到系统负荷高涨其他电厂出力不足时，就将高水池中的水放下来推动水轮机发电，以补电力系统出力的不足（放水发电过程）。抽水蓄能电站又可分为纯抽水蓄能电站和非纯抽水蓄能电站两大类。

图9.23　抽水蓄能电站原理示意图

（1）纯抽水蓄能电站

这是指不依靠天然河道的落差和径流，完全用人工的方法修建一个上池，利用一个小水库作为下池的抽水蓄能电站。这种电站的位置往往选择水头高、岩石好的地方。水头高意味着上池容积可以小些，而且机组、厂房、管道等建筑物可以小些；岩石好意味着可以比较经济地建造地下厂房及地下压力管道。著名的卢森堡维昂丁抽水蓄能电站就属于这种类型。

（2）非纯抽水蓄能电站

电站中既有常规水轮发电机组，又有抽水蓄能机组。丰水时，利用天然径流及落差发电，不往上水库抽水。枯水期，在用电高峰时发电，在低谷再将水由下池抽到上库。这种既抽水蓄能，又利用天然径流落差发电的电站称为非纯抽水蓄能电站。这种电站除了有水库外，下游还要有一个调节池。

由于与一般水电站的功能、原理的不同，抽水蓄能电站对选点、地质、地形等有特殊的要求。抽水蓄能电站的水头变幅越小越好，因为水泵效率对水头变化的反映很灵敏。落差越大，则变幅相对越小。但一般上下池水位变幅仍可达20～30 m，且涨落很快，水库要能适应水位骤降的要求。下池一般利用水库，上池则最好能利用山沟筑坝成库。

广州抽水蓄能电站是配合广东电网和大亚湾核电站的要求建立的。该电站设计装机容量为120 kW，年发电23.8亿kW·h，它可以有效地保证电力系统的安全和经济运行，改善电能供应的质量。

张河湾抽水蓄能电站位于河北省井陉县境内，该工程是2008北京奥运会供电保障项目之一。电站设计安装4台25万kW的单级混流可逆式水泵水轮发电机组，总装机容量100万kW，设计年发电量16.75亿kW·h，年抽水用电量22.04亿kW·h。

9.5　长江三峡水利枢纽工程介绍

长江三峡水利枢纽工程简称“三峡工程”（见图9.24），是当今世界最大的水利枢纽工程，是治理和开发长江的关键性骨干工程。三峡工程位于长江三峡之一的西陵峡的中段，坝址在宜昌市的三斗坪，三峡工程建筑由大坝、水电站厂房和通航建筑物三大部分组成，具备防洪、发电、航运、供水等综合功能。

图9.24　三峡工程效果图

1992年4月，全国人大七届五次会议通过《关于兴建长江三峡工程的决议》。1994年12月，三峡工程正式开工；1997年11月，成功实现大江截流；2003年6月和7月，按期实现135 m蓄水、船闸通航、首批机组发电三大目标；2005年9月，左岸电站14台机组整体提前一年全面投产；2006年5月，三峡大坝全线浇筑到设计高程，大坝基本建成；2006年10月，三峡水库实现156 m蓄水目标，提前一年进入初期运行期；2008年10月，右岸电站12台机组整体提前一年全面投产；2008年11月，三峡水库试验性蓄水至172.8 m；2009年8月，三峡三期工程顺利通过175 m蓄水验收。

大坝为混凝土重力坝，总混凝土量1 486万m3，总方量居世界第一。坝轴线全长2 309.47 m，坝顶高程185 m，最大坝高181 m。三峡水库全长600多km，正常蓄水位高程175 m，总库容393亿m3，其中防洪库容221.5亿m3。

水电站左岸设14台、右岸12台，共26台水轮发电机组。水轮机为混流式，单机容量均为70万kW，总装机容量为1 820万kW，年平均发电量1 000亿kW·h。后又在右岸大坝“白石尖”山体内建设地下电站，设6台70万kW的水轮发电机。

通航建筑物包括永久船闸和垂直升船机，均布置在左岸。永久船闸为双线五级连续船闸（见图9.25），位于左岸临江最高峰坛子岭的左侧，单级闸室有效尺寸为280 m×34 m-5 m（长×宽-坎上水深），可通过万吨级船队，年单向通过能力5 000万t。升船机为单线一级垂直提升式，承船箱有效尺寸为120 m×18 m×3.5 m，一次可通过一艘3 000 t级客货轮或1 500 t级船队。

图9.25　三峡船闸

9.6 黄河小浪底水利枢纽工程介绍

黄河小浪底水利枢纽工程（见图9.26）位于河南省洛阳市孟津县小浪底，上距三门峡水利枢纽130 km，下距河南省郑州花园口128 km，是黄河干流三门峡以下唯一能取得较大库容的控制性工程。它是黄河干流上的一座集减淤、防洪、防凌、供水灌溉、发电等为一体的大型综合性水利工程。小浪底工程浩大，水库面积达272.3 km2，控制流域面积69.4万km2；水库总库容126.5亿m3，其中调水调沙库容10.5亿m3，死库容75.5亿m3，有效库容51.0亿m3。电站总装机容量为180万kW，年平均发电量为51亿kW·h。防洪标准为千年一遇。每年可增加40 亿m3的供水量。

1994年9月主体工程开工，1997年10月28日实现大河截流，1999年底第一台机组发电，2001年12月31日全部竣工，总工期11年。

小浪底工程由拦河大坝、泄洪建筑物和引水发电系统组成。

小浪底工程拦河大坝采用斜心墙堆石坝，设计最大坝高154 m，坝顶长度为1 667 m，坝顶宽度15 m，坝底最大宽度864 m。坝体启、填筑量51.85万m3、基础混凝土防渗墙厚1.2 m、深80 m。其填筑量和混凝土防渗墙均为国内之最。坝顶高程281 m，水库正常蓄水位275 m。水库呈东西带状，长约130 km，上段较窄，下段较宽，平均宽度2 km，属峡谷河道型水库。坝址处多年平均流量1 327 m3/s，输沙量16亿t，该坝建成后可控制全河流域面积的92%以上。

泄洪建筑物包括10座进水塔、3条由导流洞改造而成的孔板泄洪洞、3条排沙洞、3条明流泄洪洞、1条溢洪道、1条灌溉洞和3个两级出水消力塘。由于受地形、地质条件的限制，所以均布置在左岸。其特点为水工建筑物布置集中，形成蜂窝状断面，地质条件复杂，混凝土浇筑量占工程总量的90%，施工中大规模采用了新技术、新工艺和先进设备。

引水发电系统也布置在枢纽左岸，包括6条发电引水洞、地下厂房、主变室、闸门室和3条尾水隧洞，厂房内安装6台30万kW混流式水轮发电机组。

图9.26　黄河小浪底工程全景

思考讨论题

1.简述中国的水资源特性。

2.列举几种主要的水工建筑物。

3.修建拦河坝的目的是什么？

4.列举坝的主要形式。

5.试作出重力坝的受力图。

6.列举土石坝的主要类型。

7.河道的4种主要型式是什么。

8.试述河道整治的基本原则。

9.列举几种主要的河道整治建筑物。

10.简述水电站开发的两种基本形式。

11.谈谈你对抽水蓄能电站的看法。

12.试简单描述长江三峡水利枢纽工程。

13.试简单描述黄河小浪底水利枢纽工程。