水利工程的复杂性体现在以下几个方面。

（1）技术问题的复杂性。工程建设涉及基础岩土、上部结构、流体等方面的技术问题，且相互影响。

（2）非技术问题的复杂性。工程建设涉及经济、环境、社会影响甚至国际影响，有些因素甚至制约工程建设。

（3）功能效益的复杂性。工程的效益主要有防洪、发电、灌溉、航运、养殖等，有些效益之间相互矛盾。

我国西部和重要河流在建或将要修建若干大型水电站和水利控制工程，地质条件复杂，地基处理难度大，坝高库大，如小湾、溪洛渡、锦屏水电站，坝高都达300m级高度，库容为百亿立方米以上。要确保水利工程在正常运用条件下的安全性，并有效担负起挡水、输水或其他功能，在遭遇难以预见的意外荷载作用下，具有必要的超载潜力，必须解决好水利工程涉及的大量复杂的科学问题和技术问题。如溪洛渡水电站，设计洪水达43700m3/s，最大坝高278m，泄洪功率近100000MW，泄洪能量集中，消能难度大；多数坝址处于强震区，地震强度高，如小湾水电站（按6000年概率设计）地震强度为0.308g，溪洛渡水电站为0.321g，故需要研究强震对高坝的影响；地下厂房装机容量大，如溪洛渡水电站为12600MW，小湾水电站为4200MW，均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。

水利工程建设与水资源开发利用涉及众多学科领域，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。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。

从以下两个典型案例也可展现水利工程的复杂性。

【案例1】重力坝设计

在河流上设计一座用于防洪、发电、灌溉等具有综合功能、效益的大坝，如图1.31所示，需要考虑多方面的技术、非技术和其他因素，对当地的地形、地质、筑坝材料、水文气象、施工条件等进行深入的分析，才能完成各方利益不一致的众多功能建筑物的综合设计。其设计内容除了完成坝轴线选择及坝型选择、调洪演算、挡水建筑物设计、泄水建筑物设计、地基处理等（图1.32），还包括细部结构设计、安全监测设计、水土保持和环境影响评价等。

1.确定工程等别和设计安全标准

（1）工程等别及主要建筑物级别。依据GB 50201-2014《防洪标准》和DL 5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》确定工程等别、建筑物级别、防洪标准及设计标准。

（2）洪水标准。依据GB 50201-2014《防洪标准》和DL 5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》，确定主要水工建筑物的洪水设计标准。

图1.31　长江三峡水利枢纽工程全貌

图1.32　重力坝设计流程

（3）抗震设防标准。依据GB 18306-2015《中国地震动参数区划图》、中国水利水电科学研究院完成的《工程场地地震安全性评价和水库诱发地震评价报告》、DL 5073-2000《水工建筑物抗震设计规范》，进行抗震设计。

2.枢纽布置

坝址、坝型选择和枢纽布置是水利枢纽设计的重要内容，三者相互联系，不同的坝址可以选择不同的坝型和枢纽布置方案。

（1）坝轴线选择。依据《水利工程地质》《水利水能规划》《工程水文》等并结合相关实际地质资料确定坝轴线。

（2）坝型选择。依据《水利工程地质》《水利水能规划》《工程水文》《水工建筑物》等确定坝型。

（3）枢纽布置。依据《水利工程地质》《水利水能规划》《工程水文》《水工建筑物》等并结合实际工程需求确定枢纽布置。(www.daowen.com)

3.调洪演算

依据《工程水文》《水利水能规划》等进行调洪演算。

4.挡水建筑物设计

依据《材料力学》《水工建筑物》、SL 319-2005《混凝土重力坝设计规范》、DL 5077-1997《水工建筑物荷载设计规范》、DL 5073-2000《水工建筑物抗震设计规范》，确定挡水建筑物的剖面，进行荷载计算、抗滑稳定分析、应力分析与计算。

5.泄水建筑物设计

依据《材料力学》《水力学》《水工建筑物》、SL 319-2005《混凝土重力坝设计规范》、DL 5077-1997《水工建筑物荷载设计规范》、DL/T 5166-2002《溢洪道设计规范》、SL 265-2001《水闸设计规范》、JTG D60-2004《公路桥涵设计通用规范》《水工钢结构》，确定泄水建筑物的剖面及消能方式，进行荷载计算、抗滑稳定分析、应力分析与计算。

6.地基处理

依据《水利工程地质》《水工建筑物》、SL 319-2005《混凝土重力坝设计规范》进行地基处理。

【案例2】土石坝碾压的施工组织与设计问题

土石坝是指采用当地的土料、石料或混合料，经过抛填、碾压方法堆筑成的挡水坝。随着大型运输车和碾压设备的改进，使得碾压式土石坝的工期缩短、成本降低。在建设过程中，土石填料填筑压实得越密实，其整体抗剪强度、抗渗性能、抗压缩性就越好，因不均匀沉降引起裂缝的可能性就越小，坝体的稳定性和安全性也越高，但造价高，技术要求也高。因此，结合筑坝材料的性质、筑坝地区的气候条件、施工条件以及坝体不同部位的具体要求，制定适宜的土石料填筑压实方案，既可获得设计期望的稳定性和安全性，又可降低工程造价。

对某特定的土石坝选择最合适的填筑压实方案，见图1.33和图1.34，涉及下列需要解决的子问题。

（1）确定土石填料在施工和运行过程中的物理力学参数与渗透参数变化。涉及《建筑材料》《土力学》《水力学》等。

图1.33　土石坝施工现场

图1.34　土石坝碾压填筑压实方案确定过程

（2）校核土石坝设计基本剖面的受力情况与稳定情况。涉及《水工建筑物》《土力学》《材料力学》等。

（3）确定不同坝段的基础承载能力和沉降，合理确定不同坝段的碾压方案。涉及《水工基础工程》《水利工程施工》《水利工程地质》等。

（4）解决不同碾压填筑方案的质量与经济相互矛盾问题。涉及《工程造价》《水利工程经济》等。

（5）确定适用于设计剖面和设计材料的施工方案，给出具体方案的施工组织设计图，保障大坝的安全和经济施工。涉及《水利工程施工》《工程制图》等。

（6）在施工过程中，需要进行施工放样和沉降监测。涉及《测量学》《大坝安全监测》等。

在解决上述子问题时，需要用到一系列的国家和行业标准，包括DL/T 5395-2007《碾压式土石坝设计规范》、SL 303-2004《水利水电工程施工组织设计规范》、DL/T 5348-2006《水电水利工程水工建筑制图标准》等。