第一节 概述

土石坝是土坝、堆石坝和土石混合坝的总称，是人类最早建造的坝型，具有悠久的发展历史，在各国使用都极为普遍。由于土石坝是利用坝址附近土料、石料及砂砾料填筑而成，筑坝材料基本来源于当地，故又称为“当地材料坝”。

土石坝根据坝高（从清基后的基面算起）可分为低坝、中坝和高坝，低坝的高度为30m以下，中坝的高度为30～70m，高坝的高度为70m以上。

一、土石坝的特点及发展概况

土石坝在实践中之所以能被广泛采用并得到不断发展，与其自身的优越性是密不可分的。同混凝土坝相比，它的优点主要体现在以下几方面：

    ①筑坝材料能就地取材，材料运输成本低，还能节省大量“三材”(钢材、水泥、木材)。

    ②适应地基变形的能力强。土石坝的散粒体材料能较好地适应地基的变形，对地基的要求在各种坝型中是最低的。

    ③构造简单，施工技术容易掌握，便于机械化施工。

    ④运用管理方便，工作可靠，寿命长，维修加固和扩建均较容易。

另一方面，同其他的坝型类似，土石坝自身也有其不足的一面：

    ①施工导流不如混凝土坝方便,因而相应地增加了工程造价。

    ②坝顶不能溢流。受散粒体材料整体强度的限制，土石坝坝身通常不允许过流，因此需在坝外单独设置泄水建筑物。

    ③坝体填筑工程量大，土料填筑质量受气候条件的影响较大。

土石坝是一种古老的坝型，在全球所建造的众多的挡水坝中，大多为土石坝。根据土石坝的发展进程，大致可将其分为三个阶段，即：古代土石坝阶段（19世纪中期以前）、近代土石坝阶段（19世纪中期至20世纪初期）和现代土石坝阶段（20世纪初期以后）。

1.古代土石坝

人类筑坝的历史很长，早在5000年前古埃及就曾建造土坝，用来灌溉、防洪。我国人民也大约在公元前600年就开始填筑土堤，防御洪水，并创造了多种不同型式的土石坝，如堰、埭、陂、圩、埝等。

受技术条件的限制，古代土石坝多数仅是凭经验建造，在坝体断面形状、筑坝材料以及坝体构造等方面都存在很大的任意性。坝坡一般为1:6～1:7，有的甚至更缓，坝顶也较宽；在筑坝材料和坝体构造方面，各地往往都是根据当地材料来源及筑坝经验而定。另外，土料的开采和运输全靠人力，土料的压实也靠人力或畜力，建坝方法极为原始。

2.近代土石坝

在近代土石坝发展阶段，土石坝的设计理论一直落后于其它坝型。在总结建坝经验和失事教训的基础上，积累了一些应遵守的施工规则和合理的断面尺寸。同时土石坝在高度方面发展加快。

从坝体断面形状来看，近代土石坝的上下游坝坡有所变陡。但基本上还是凭借经验而定，仍带有一定任意性。如1850年法国工程师科林曾提出，应该在土料强度的试验成果基础上确定土坝边坡和一种很类似于现在使用的稳定分析方法。但并未引起当时人们的重视和应用。在坝体构造方面，1820年苏格兰的土木工程师特尔福德提出了用夯实粘土作土石坝的防渗心墙。继粘土心墙之后，又出现了砌石心墙土石坝，到20世纪初这种砌石心墙坝被混凝土心墙取代。此后，便逐渐形成了土石坝的三大基本坝型——均质坝、心墙坝和斜墙坝。

3.现代土石坝

在近代土石坝阶段，虽然土石坝的某些基本理论已经被设计人员考虑，但由于受技术条件的限制，并未能对这些复杂问题进行深入研究。1925年太沙基的《土力学》专著问世，使得“土力学”成为一门独立的学科，并逐渐被应用于土石坝工程中。之后，随着岩土力学、动力分析、施工技术和计算机的发展，土石坝技术出现了较快的发展。特别是应用有限元分析方法，对土石坝的应力、变形、稳定等问题的分析都逐步深入，并取得了满意的结果。

从现代土石坝的发展情况来看，有以下几个主要特点：

(1)坝高迅速发展，土石坝在高坝中所占比例逐渐增大

     自20世纪30年代美国建成高度100m以上的盐泉坝之后，高土石坝便不断被设计采用。资料统计表明：全世界100m以上的高坝中，土石坝所占的比重随年代的增长在逐步增大，20世纪50年代以前为31%，60年代为38%，70年代为56%，80年代为65%。目前世界上已建成高度超过300m的唯一挡水坝为土石坝，前苏联的努列克坝，高300m。出现这一趋势，首先是由于土石坝能充分利用当地材料、降低工程造价；其次，由于坝工技术的发展，使建造高土石坝更加安全可靠；再次，土石坝对地质条件要求相对较低，而具有良好地质条件的高坝坝址逐渐减少，建造土石坝则更加合理。

(2)对筑坝材料的要求有所放宽

    由于设计和施工技术的发展，现在几乎所有的土料包括砾石料、风化料等，只要其不含大量的有机物和水溶性盐类，都可用于筑坝。在防渗料方面，以往各国多用粘土筑心墙，现在除了用细粒料作防渗体外，不少工程还采用粗粒料作防渗体（如砾石土），在缺乏砾石料的地区，甚至还有用人工掺合的砾石料，如我国援建的阿尔巴尼亚菲尔泽心墙堆石坝，心墙就是用砂砾石和红粘土掺合而成。

(3)坝型不断发展

20世纪30年代，美国和南美一些地区曾一度盛行水力冲填坝，40年代苏联在平原河道筑坝也盛行这种坝。到50年代后，由于大型运输车辆和碾压设备的出现，使得碾压式土石坝单价降低，加上水力冲填坝筑坝速度慢、施工期易发生滑坡等原因，除填筑尾矿坝外，水力冲填技术已不再采用。对早期较高的抛投式面板堆石坝，因堆石体挡水后变形量大，当坝高较大时混凝土面板常因变形太大发生裂缝漏水，所以改用土心墙作为防渗体。60年代，将重型振动碾应用于压实堆石和砂卵石，有效地减小了堆石体变形，解决了混凝土面板开裂漏水问题，而且坝体填筑单价降低，于是混凝土面板堆石坝又被采用，并得到迅速发展。

随着化学工业的发展，土工薄膜的物理力学性质和抗老化能力得到提高，并被应用于低坝防渗，目前应用土工膜防渗的土石坝坝高已达百米级。另外，前苏联曾采用爆破技术修筑定向爆破堆石坝，但一般坝高较低，我国也积累了丰富的修筑定向爆破堆石坝的经验。

现代土石坝中还采用大流量高流速泄洪洞和溢洪道以及施工期堆石坝坝面过水等新技术。既能有效解决枢纽布置和施工导流问题，同时还可大量节省泄洪建筑物和施工导流工程的造价，充分体现了高土石坝的优越性。

二、土石坝的工作条件

1．渗流影响

由于散粒土石料颗粒间孔隙率大，坝体挡水后，在上下游水位差作用下，库水会经过坝身、坝基和岸坡及其结合面处向下游渗漏。在渗流影响下，浸润线以下土体全部处于饱和状态，使得土体有效重量降低，且内摩擦角和粘聚力减小；同时，渗透水流也对坝体颗粒产生拖曳力，增加了坝坡滑动的可能性，进而对坝体稳定造成不利影响。若渗透坡降大于材料允许坡降，还会引起坝体和坝基的渗透破坏，严重时会导致大坝失事。

2．冲刷影响

降雨时，雨水自坡面流至坡脚，会对坝坡造成冲刷，甚至发生坍塌现象，雨水还可能渗入坝身内部，降低坝体的稳定性。另外，库内风浪对坝面也将产生冲击和淘刷作用，使坝坡面易造成破坏。

3．沉陷影响

由于坝体孔隙率较大，在自重和外荷载作用下，坝体和坝基因压缩产生一定量的沉陷。如沉陷量过大会造成坝顶高程不足而影响大坝的正常工作，同时过大的不均匀沉陷会导致坝体开裂或使防渗体结构遭到破坏，形成坝内渗水通道而威胁大坝的安全。

4．其他影响

除了上面提及的影响外，还有其他一些不利因素危及土石坝的安全运行。如在严寒地区，当气温低于零度时库水结冰形成冰盖，对坝坡产生较大的冰压力，易破坏护坡结构；位于水位以上的粘土，在反复冻融作用下会造成裂缝；在夏季高温作用下，坝体土料也可能干裂引起集中渗流。

对于修建在地震区的大坝，在地震动作用下也会增加坝坡滑动的可能性；对于粉砂地基，在强地震动作用下还容易引起液化破坏。

另外，动物（如白蚁、獾子等）在坝身内筑造洞穴，形成集中渗流通道，也严重威胁大坝的安全，需采取积极有效的防御措施。

三、设计和建造土石坝的原则要求

土石坝在正常和非常荷载组合情况下，必须保证能长期安全运用和充分发挥经济效益。与重力坝不同，土石坝是由散粒土石料填筑而成，颗粒间孔隙率大、粘聚力小，而且散粒体材料的整体抗剪强度小。正是由于筑坝材料的这一特殊性，决定了土石坝在设计、施工和运用中有其自身的特点。如：为了维持坝体稳定，常需要设置较缓的上下游边坡；在水头差的作用下水流易通过坝身孔隙向下游渗透，需采取有效的坝身防渗措施等。因此土石坝的设计需满足如下要求：

1．坝体和坝基在施工期及各种运行条件下都应当是稳定的。设计时需要拟定合理的坝体基本剖面尺寸和施工填筑质量要求，采取有效的地基处理措施等。

2．土石坝是由散粒材料填筑而成，颗粒之间粘聚力小，通常设计时不允许坝顶过流。若设计时对洪水估计不足，导致坝顶高程偏低，或泄洪建筑物泄洪能力不足，或水库控制运用不当，都会造成土石坝漫顶事故，严重时可能发生溃坝灾难。因此在设计时，首先应保证泄水建筑物具有足够的泄洪能力，能满足规定的运用条件和要求；另外需合理确定波浪要素，充分估计坝体沉陷量（对大型工程需经计算确定），并预留足够的超高。

3．土石坝挡水后，在坝体、坝基、岸坡内部及其结合面处会产生渗流。渗流对大坝的运行会造成许多不利影响：水库水量损失、坝体稳定性降低、发生渗透变形及溃坝事故。为此，设计时应根据“上堵下排”的原则，确定合理的防渗体型式，加强坝体与坝基、岸坡及其他建筑物连接处的防渗效果，布置有效的排水及反滤设施，确保工程施工质量，避免大坝发生渗流破坏。

4．对坝顶和边坡采取适当的防护措施，防止波浪、冰冻、暴雨及气温变化等不利自然因素对坝体的破坏作用。

5．进行大坝安全监控系统设计，布置观测设备，监控大坝的安全运行。

四、土石坝的类型

按施工方法的不同，土石坝可分为：碾压式土石坝、抛填式堆石坝、定向爆破坝、水力冲填坝和水中倒土坝，其中应用最广的是碾压式土石坝。

1.碾压式土石坝

碾压式土石坝按坝体横断面的防渗材料及其结构，可划分为以下几种主要类型：

(1)均质坝

坝体绝大部分由一种抗渗性能较好的土料（如壤土）筑成，如图7-1（a）所示。坝体整个断面起防渗和稳定作用，不再设专门的防渗体。

均质坝结构简单，施工方便，当坝址附近有合适的土料且坝高不大时可优先采用。值得注意得是：对于抗渗性能好的土料如粘土，因其抗剪强度低，且施工碾压困难，在多雨地区受含水量影响则更难压实，因而高坝中一般不采用此种型式。

(2)分区坝

与均质坝不同，在坝体中设置专门起防渗作用的防渗体，采用透水性较大的砂石料作坝壳，防渗体多采用防渗性能好的粘性土，其位置可设在坝体中间（称为心墙坝）或稍向上游倾斜（称为斜心墙坝）；或将防渗体设在坝体上游面或接近上游面（称为斜墙坝）。

心墙坝由于心墙设在坝体中部，施工时就要求心墙与坝体大体同步上升，因而两者相互干扰大，影响施工进度。又由于心墙料与坝壳料的固结速度不同（砂砾石比粘土固结快），心墙内易产生“拱效应”而形成裂缝；斜墙坝的斜墙支承在坝体上游面，可滞后坝体施工，两者相互干扰小，但斜墙的抗震性能和适应不均匀沉陷的能力不如心墙。斜心墙坝可不同程度克服心墙坝和斜墙坝的缺点，故我国154m高的小浪底水利枢纽即采用斜心墙型式。

(3)人工防渗材料坝

防渗体采用混凝土、沥青混凝土、钢筋混凝土、土工膜或其他人工材料制成，其余部分用土石料填筑而成。防渗体设在上游面的称为斜墙坝（或面板坝），防渗体设在坝体中央的称为心墙坝。

采用复合土工膜防渗的土石坝，坝坡可以设计得较陡，使土石工程量减少，从而降低工程造价；施工方便工期短、受气候因素影响小，是一种很有发展前景的新坝型。如1984年西班牙建成的波扎捷洛斯拉莫斯（Poza de Los Ramos）坝，高97m，后用复合土工膜防渗加高至134m，至今运行良好。1991年我国在浙江鄞县修建的坝高36m的小岭头复合土工膜防渗堆石坝，防渗效果较好，下游坝面无渗水。

2.抛填式堆石坝

抛填式堆石坝施工时一般先建栈桥，将石块从栈桥上距填筑面10～30m高处抛掷下来，靠石块的自重将石料压实，同时用高压水枪冲射，把细颗粒碎石冲填到石块间孔隙中去。采用抛填式填筑成的堆石体孔隙率较大，所以在承受水压力后变形量大，石块尖角容易被压裂或剪裂，抗剪强度较低，在发生地震时沉降量更大。随着重型碾压机械的出现，目前此种坝型已很少采用。

3.水力冲填坝

借助水力完成土料的开采、运输和填筑全部工序而建成的坝。典型的冲填坝是用高压水枪在料场冲击土料使之成为泥浆，然后用泥浆泵将泥浆经输泥管输送上坝，分层淤填，经排水固结成为密实的坝体。这种筑坝方法不需运输机械和碾压机械，工效高，成本低；缺点是土料的干容重较小，抗剪强度较低，需要平缓的坝坡，坝体土方量较大。图7-2为自流式水力冲填坝施工布置示意图。我国西北地区建造的一种小型水坠坝实际上也是一种冲填坝。它与典型水力冲填坝的区别仅在于泥浆的输送不是借助水力机械，而是利用天然有利地形开挖成输泥渠，使泥浆在重力作用下自流输送上坝。其土料开采可用水枪冲击，也可用人工挖土配合爆破松土进行。

4.水中倒土坝

这种坝施工时一般在填土面内修筑围埂分成畦格，在畦格内灌水并分层填土，依靠土的自重和运输工具压实及排水固结而成的坝。这种筑坝方法不需要有专门的重型碾压设备，只要有充足的水源和易于崩解的土料都可采用。但由于坝体填土的干容重较低，孔隙水压力较高，抗剪强度较小，故要求坝坡平缓，使得坝体工程量增大。

5.定向爆破坝

在河谷陡峻、山体厚实、岩性简单、交通运输条件极为不便的地区修筑堆石坝时，可在河谷两岸或一岸对岩体进行定向爆破，将石块抛掷到河谷坝址，堆筑起大部分坝体，然后修整坝坡，并在抛填堆石体上加高碾压堆石体，直至坝顶，最后在上游坝坡填筑反滤层、斜墙防渗体、保护层和护坡等，故得名定向爆破坝。

我国广东南水堆石坝，坝高81.8m，坝顶长215m，两岸坡度45°~65°，采用定向爆破施工，抛投至设计断面内的堆石量共100万m3，形成的堆石体平均高度65m，上下游坡度约1:3，顶部宽40m，平均孔隙率小于30%，并用岸坡上爆破漏斗中的剩余石料将坝加高到81.8m，然后在坝体上游面填筑粘土斜墙防渗体，斜墙上面设护坡、下面设反滤层。