水工建筑学

水工建筑学，也称为水工结构学（hydraulics structure），是研究水工建筑物在水和其他外力作用影响下的稳定性、结构安全和挡水能力的相关设计理论与方法的工程应用学科。水工结构学研究的目的就是保障水工建筑物在正常运用条件下的安全性，能够有效担负起挡水、输水或其他功能，并在遭遇难以预见的意外荷载作用下，具有必要的超载潜力。本学科涉及诸多学科领域，除数学等基础学科以外，还与水力学、水文学、工程力学、土力学、岩石力学、工程地质、建筑材料以及水利勘测、水利规划、水利工程施工、水利管理等密切相关。水工结构学的研究方法主要有理论分析、数值计算、试验研究、原型观测和工程类比等。

巨型工程

20世纪以来，我国水利水电建设事业进入了一个快速发展的新时期。水能资源的开发，迫切需要建设一批巨型工程，如已经建成的三峡水利枢纽工程是世界上规模最大的水电站，在三峡上游的金沙江上的向家坝、溪洛渡水电站已投入运行，乌东德、白鹤滩水电站正在建设。同时，大渡河、雅砻江、澜沧江等也兴建了一批水电站。这些巨型工程的建设，对水工结构学科提出了新的挑战，其建设规模和技术难度已超过世界水平，这些梯级枢纽全生命周期内的安全运行是关系国计民生的重大课题。

这些巨型工程具有如下主要特点：

▌1. 坝高库大

如小湾、溪洛渡、锦屏水电站，坝高达300m 级，库容超过百亿立方；在工程取得巨大经济效益的同时，高坝大库的安全事关国计民生。

▌2. 泄洪流量巨大

如溪洛渡水电站，设计洪水达43700m3/s，最大坝高278m，泄洪功率达近100000MW，居世界首位，泄洪能量集中，消能难度极大。

▌3. 多数坝址位于强震区，设计地震烈度高

如小湾水电站设计地震峰值加速度为0.308g，溪洛渡水电站设计地震峰值加速度为0.321g，大岗山水电站的设计地震峰值加速度更高达0.5575g，强震作用下，高坝的抗震安全和极限承载力研究必须进一步深化。

▌4. 坝址区地质条件复杂

西部水电资源丰富地区，受地质构造运动影响，断层等各种地质构造发育，再加上地形陡峻，地基处理难度很大。如小湾水电站工程高边坡高达700m。

▌5. 地下厂房装机容量大

西部巨型水电站大多河谷狭窄，泄洪量大。采用地下水电站是经济可行的选择，如溪洛渡水电站地下厂房装机为12600MW，存在大跨度地下厂房设计、施工及围岩稳定（地应力高）等问题。

重点研究领域

为应对这些挑战，水工结构学科需要深化对高速水流的运动规律以及水工结构与地基力学行为的机理和规律的认识，需要重点开展研究的领域包括：

▌1. 高坝消能

高坝水电站工程具有高水头、大流量和窄河谷的特点，不仅存在消能、冲刷及空化空蚀，还有掺气雾化对岩坡稳定的影响和流激振动等问题。这些问题涉及高速水流、气流与边壁、结构、岩体的动力相互作用，迄今已有的计算方法多属简化模型，主要还是依靠模型试验、原型运行观测等手段来取得一定的经验公式，在高坝泄流、高速水流与消能的计算数值模拟方面仍处于半试验半理论阶段。鉴于该问题与地形、地质、结构形态及过流边界条件密切相关的复杂性，研究工作仍需大力深入开展。

▌2. 高坝混凝土材料

300m 级的混凝土双曲拱坝，其库水总推力达到千万吨级水平，坝体混凝土最大静动拉应力达5~6MPa，已超过了一般混凝土强度，需要开发适应高坝建设的混凝土材料，并对其在多轴应力状态、高水压饱和状态及在静动荷载联合作用下的强度与本构关系开展深入研究。高坝混凝土的温控与裂缝稳定性也是值得高度关注的关键问题。此外，水工特种混凝土、高强耐磨混凝土以及掺和料、高效减水剂等外加剂的研究也具有重要的工程应用价值。

▌3. 堆石坝材料

目前黏土心墙堆石坝已发展到300m 级，面板堆石坝也正从250m 级往300m 级发展，制约堆石坝设计水平的关键因素在于堆石坝的应力应变分析精度不足。堆石材料的力学行为依赖于应力路径，还存在剪涨剪缩等特性，加上遇水软化、颗粒破碎等复杂因素影响，且受制于试验试件尺寸，土石材料的本构关系及堆石坝应力变形分析模型还有大量工作需要深化，仍然是未来堆石坝研究的重点课题。

▌4. 高坝地基系统分析模型

近半个世纪以来，高坝结构强度稳定分析理论和方法已得到了很大的发展，如有限元方法已在混凝土重力坝、拱坝和土石坝的结构计算分析中得到广泛应用，但现行的设计方法仍停留在半经验、半理论的阶段。现代计算力学与计算技术的发展为高坝力学性能与结构强度稳定分析提供了良好的基础，特别是近年来计算机技术的发展大大提高了水工结构分析的计算能力，未来水工结构地基系统的整体稳定性与极限承载力、混凝土坝施工运行全过程全坝段仿真和高坝裂缝稳定性等方面的研究值得关注。

▌5. 高坝抗震分析模型

近年来，高坝抗震分析模型在无限地基辐射阻尼，接触非线性、材料非线性等方面的模拟都取得长足的进步，高坝混凝土材料的动力特性研究也有很多进展，但混凝土坝的抗震极限承载力、拱坝系统地震破坏机理、高土石坝地震弹塑性反应与残余变形、地震非均匀输入、库水动力影响等研究需要进一步加强。

▌6. 新坝型、新结构与新型筑坝技术

碾压混凝土坝、面板堆石坝等新坝型的发展有力推动了水工结构学科的进步，土耳其、日本等国采用胶凝砂砾石筑坝技术建设的大坝坝高已超过100m，我国设计的胶凝砂砾石大坝坝高已超过60m，我国自主研发的堆石混凝土筑坝技术经过10年的发展，坝高已达90m。新型筑坝技术的发展，对材料性能、本构模型、设计分析方法等都提出了新的挑战。

▌7. 大型地下结构建设技术

由于我国水能开发集中在西部高山峡谷地区，大型地下厂房是众多巨型水电站的主要建设形式。在复杂地质条件下，建设大跨度的地下洞室群仍然具有很大的挑战性。巨型引水式电站与跨流域调水工程还需要在大埋深、高地应力、复杂水文地质条件下建设长距离输水隧洞，其设计、施工技术也需要进行深入研究。

▌8. 环境友好的水工结构

水工结构对环境、生态的影响日益受到重视，分层取水等环境友好的水工结构设计不仅需要发展传统的结构分析方法，还需要通过与生物、生态和环境等进行学科交叉，建立环境友好的水工结构设计理论，这一领域的研究任重道远。

随着锦屏一级、小湾、溪洛渡等混凝土双曲拱坝，糯扎渡黏土心墙堆石坝，水布垭面板堆石坝，龙滩碾压混凝土重力坝等一批具有世界领先水平的高坝相继建成，我国的水工结构学科取得了长足的进步，在特高坝结构设计、大流量高水头泄洪消能、超大型地下洞室群设计等领域已跻身国际领先水平。

但是，在水工结构学科的基础研究领域，如现行的设计分析理论模型与方法、现代高坝的新技术和新坝型等，大多由西方发达国家首先提出，我国的水工结构学科尚需继续努力。

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本文由刘四旦摘编自国家自然科学基金委员会、中国科学院编《中国学科发展战略·水利科学与工程》一书“第十章 水工建筑学——梯级枢纽工程全生命期性能演化与安全”金峰、张楚汉撰写“第一节 概述”，有删减，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-047110-9

以《国家中长期科学和技术发展规划纲要》为基础，突出水利科学自身发展规律和特点，兼顾近期进展和未来展望、传统学科与新兴学科的交叉趋势和发展方向，重视国家重大需求与科学前沿的统一，强调变化自然环境条件下应用与基础研究的前瞻性，形成内容丰富、观点鲜明、前瞻性、指导性强的研究报告，起到指导把握学科方向，引导研究选题，为科研管理部门提供重要的咨询意见的重要作用。具体包括：（1）通过对水利学科发展战略研究，对其未来发展方向和趋势做出科学的判断和预测；（2）指导学术界和科研机构把握学科发展方向；（3）为科研管理部门决策提供咨询意见；（4）引导科研人员选择前沿课题和围绕国家重大需求开展创新研究。

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