什么是土坝?

[拼音]：tuba

[外文]：earth dam

利用当地土料和砂、砂砾、卵砾、石碴、石料等筑成的坝。它是一种古老而至今还不断发展并得到广泛使用的挡水建筑物，有时也称土石坝。土坝优点是：

（1）筑坝材料取自当地，可节省水泥、钢材和木材；

（2）对坝基工程地质条件要求比其他坝型低；

（3）抗震性能较好等。其缺点是：

（1）一般需在坝外另行修建昂贵的泄水建筑物，如溢洪道、隧洞等；

（2）如库水漫顶，将垮坝失事，故抵御超标准洪水能力较差。

公元前2200多年，巴比伦人已在幼发拉底河修建土坝。公元前印度和埃及也建了一些土坝。为了防御黄河洪水，早在春秋（公元前770～前476）以前中国人民就沿黄河两岸修建土堤，经历代扩充加固，至今总长已达1498km。就结构而言土堤也是土坝。公元前598～591年在安徽省寿县修建堤堰，形成安丰塘水库。17和18世纪俄国在乌拉尔等地修了 200多座土坝。19世纪末美国修建一些水力冲填坝，到1900年，美国土坝总数超过100座。

土力学于20世纪成为一门独立学科，其理论实践和测试手段日臻完善。近年来大功率高工效的大型土方机械相继出现，加之土坝本身所具有的上述优点，遂使土坝得到迅速发展，在世界坝工中所占比例日益增加。在1961～1968年世界修建的100m以上高坝中，土坝仅占38％，而1975～1977年迅速提高到62％。苏联罗贡坝高335m，为世界最高的坝。自1949～1980年底，在中国已建约2600座大中型水库大坝中，土坝约占90％。

依其在坝内功用可分为三类。

用以填筑土坝防渗体，减少库水渗漏。防渗土料应有较小的渗透系数、较好的渗透稳定性和一定的塑性。粘性土一般都可用作防渗料，但沼泽土、班脱土、地表土及含有未完全分解有机质的土料不宜采用。防渗料盐类含量不得超过规范的允许值。上坝土料的含水量(水和干土的重量比)应控制在最优含水量附近，使施加相同的压实功能可获得最大干容重（单位体积干土重）。如料场的天然含水量过干或过湿应进行处理。近年来世界上广泛采用砾石土作为高土坝的防渗料。这种土同时含有粒径大于5mm的粗粒和小于5mm的细粒，但粗粒含量一般不要超过50％，以满足防渗要求。砾石土同时具备粗粒土和细粒土的特点，强度高，压缩性低，透水性小，为理想的防渗料。缺点是抗裂性能差一些。由于砾石土的采用，使防渗土料级配范围大为扩大（图1）。除土料外，混凝土、钢筋混凝土、沥青混凝土亦可用作防渗料。

用来填筑坝壳，支撑防渗体，保持坝坡稳定，将通过防渗体和坝基的渗水排往下游。砂、砂砾、卵砾石、碎石、石料以及从基坑挖出来的石碴均可用作坝壳料。均匀粉细砂不易压实，遇地震易液化，应慎用。20世纪60年代以后采用大型震动平碾分薄层压实坝壳料，使开挖出来的风化岩和软岩都可上坝，扩大了坝壳料的使用范围。

设在坝内粗细料之间，要求质地致密坚硬，含泥量不超过 5％。反滤料应既能排水通畅又不让被保护材料流失。材料级配和层数由计算或试验确定。反滤料可来自筛分天然砂砾料或人工轧碎的骨料，也可直接采用天然砂砾料。为防止刚度突变而在坝体设置的过渡料，兼具反滤作用，且一般较厚，有利于施工。

按施工方法土坝可分为三类。

（1）碾压坝：利用碾压机具分层压实筑坝材料。碾压坝比较密实，完工后沉陷量较小，一般不超过坝高的1％，抗剪强度较高，坝坡较陡，节省工程量。这种坝历史悠久，使用最广。世界上绝大部分土坝都是碾压坝。以干容重作为控制碾压的标准，上坝土料的含水量应控制在最优含水量附近。碾压坝所用的碾压机具多种多样，从人工硪夯到各种不同功率的机械夯碾，可根据筑坝材料和气象条件选用，并通过现场碾压试验确定最优碾压参数，如碾压层厚度和碾压遍数等。

（2）水中填土坝：分层将土填入静水中，土的团粒结构被水崩解，在运土及填土自重作用下得到压实。所用土料要求遇水容易崩解湿化。水中填土坝塑性大适应变形能力强，基本不用碾压机具，填筑受气候影响小，对料场含水量要求不严格；但施工工序较复杂，填土干容重低、含水量高，其强度低、压缩性高，坝坡比碾压坝缓，完工后沉陷量较大。施工期坝坡稳定为控制大坝安全的关键，应严格控制填土含水量和坝体上升速度并需设坝内排水。水中填土坝先在苏联得到发展，中国已建成700多座。坝高达61.4m的山西汾河水库水中填土坝建于1960年，为当时世界上最高的水中填土坝。

（3）水力冲填坝:利用水q、挖泥船等水力机械挖掘土料，和水混合一起，用泥浆泵通过输泥管送到坝面由土埝围成的地块中，水经由排水管排到坝外，土粒沉淀下来，在自重及排水产生的渗透压力作用下得到压实。如地形适宜，泥浆可经由渠道自流进入坝面，这在中国被称为水坠坝。水力冲填坝适用于透水性较强的砂性土，可连续作业，工效高，不用运输及碾压机具。这种坝施工期间填土完全被水饱和，干容重和强度均低，压缩性高，并在坝体上部形成“流态区”，对上下游坝坡施加泥水推力，易招致滑坡和裂缝，需放缓坝坡，设坝内排水，并限制大坝上升速度。第二次世界大战后苏联曾在齐姆良、古比雪夫等一些大型水利枢纽上修建规模巨大的水力冲填坝。中国建造了很多水坠坝，其中以广东省68m的高坪坝为最高。

按照筑坝材料在坝内的配置可将土坝分为：

（1）均质土坝:坝体主要由一种筑坝材料筑成。

（2）多种土质坝:坝体由几种筑坝材料筑成；防渗料位于坝体中间或上游。

（3）心墙土坝：防渗料位于坝体中间，上下游坝壳为单一的透水料。

（4）斜墙土坝：防渗料位于坝体上游，下游为单一的透水坝壳。

根据自然条件、运用要求和工程设计标准决定。

为了防止风浪和雨水冲刷，以及冻胀干裂等有害作用，应设上下游护坡。上游护坡材料可用：抛石、干砌石、浆砌石、混凝土、钢筋混凝土、沥青混凝土等。下游护坡材料可用：干砌石、碎石、卵石、草皮等。

为了排除坝面雨水，应在下游坝坡设纵横向排水沟，用以拦截汇集雨水，排到坝下游。

土坝一般不允许坝顶过水，故坝顶应超出库水位一定高度，具体超高由计算确定。通常在坝顶上游侧用浆砌石、混凝土或钢筋混凝土等修建坚固不透水的防浪墙。坝顶宽度由施工、运行和交通等要求确定。坝顶盖面材料常用碎石、单层砌石或预制混凝土块。

与土坝连接的岸坡应处理成上下均匀平顺，不得过陡，不出现突变、台阶或倒坡，以免土坝因不均匀沉陷而产生裂缝。在岸坡接头处常将心墙或斜墙局部扩大，以延长接触面渗径。对于岩石岸坡通常沿土坝防渗体与基岩接触面设混凝土齿墙，并在墙底设灌浆帷幕向岸内延伸一定距离，以增加绕坝渗径。与土坝连接处的附近岸坡，蓄水后应保持稳定，否则应挖成稳定坡或填筑压坡棱体。

土坝与混凝土建筑物连接多采用重力墙。按其平面形状通常分为L型、侧墙式和插入式 (图2)。插入式多用于高坝，其余多用于中低坝。对于侧墙式及插入式常设深入土坝防渗体的刺墙。沿重力墙与土坝防渗体接触面一定宽度范围内，最好填筑粘性高的土料，以提高抗接触冲刷能力。为避免不均匀沉陷，重力墙与防渗体接触不采取垂直坡。

目的是为蓄水后，保证坝基渗透稳定，控制渗流量。

（1）土基：清除腐植土层，然后将表土压实，沿土坝防渗体与土基接触面设置若干小齿槽回填防渗料，以延长渗径加强连接。

（2）岩基：清除表面松动岩石，用水泥砂浆或喷浆封堵表面裂隙；对防渗体下面岩石进行帷幕灌浆。

（3）砂砾地基：如砂砾层不厚，一般开挖截水槽（图3a<），用防渗料回填并压实，将砂砾层截断。截水槽上下分别与防渗体及基岩连接，必要时在基岩中设置灌浆帷幕。如砂砾层比较厚，可用防渗料填筑上游水平铺盖与土坝防渗体连接（图3b），以延长坝基渗径，保证渗透稳定，但一般对减少坝基渗流量的作用不如垂直防渗。

深厚砂砾坝基常采用垂直防渗，建造混凝土防渗墙截断砂砾层（图3c）。防渗墙上部插入土坝防渗体，下部与基岩连接，必要时在基岩中设灌浆帷幕。加拿大马尼克三级坝防渗墙深达131m，为世界最深者。如砂砾级配合适，具备适宜吸浆能力，可对砂砾层进行灌浆，形成防渗灌浆帷幕截断砂砾层（图3d）。

汇集坝基和坝体渗水排出坝外。排水设施的透水性应远大于周围材料并满足过渡要求。常用的排水形式有：

（1）棱体排水：设于下游坝址，降低坝体浸润线，排除坝体和坝基渗水，增加下游坝坡稳定（图4a）。

（2）贴坡排水：沿下游坝坡铺设（图4b），施工和维修均方便但不能降低坝体浸润线。

（3）坝内排水：常用的有褥垫排水，从下游坝址伸入坝内一定距离（图4c），常用于弱透水基上的均匀土质坝，降低坝体浸润线的作用显著。如排水料不足，可改用网状排水，由纵向连续排水带及横向间隔排水组成（图4d）。纵向排水带降低坝体浸润线并汇集渗水，经横向间隔排水导出坝外。

（4）减压井：常设于上下层分别为弱透水层和强透水层，且弱透水层较厚，或强、弱透水层互为夹层的透水基础中。减压井一般伸入强透水层一定深度，或将其穿透直抵基岩面，以对坝基排水减压。渗水经井中滤管和出水管导至地面。如基岩存在几个强透水层，应分别设置减压井。

（5）排水沟：如表层弱透水层较薄，常将其挖穿直抵下面强透水层，形成排水沟，以排除坝基强透水层中的渗水。

一般包括以下四个方面。

确定坝体浸润线、坝体及坝基流网、渗流量及出逸比降、库水位下降时上游坝体自由水面位置及孔隙压力(土孔隙中超出大气压力的相对压力值)，以供坝坡稳定分析使用，及了解渗漏量并确保渗透稳定。根据坝体和坝基的渗透系数、边界条件及上下游各种水位组合，通过手绘流网、数值计算和模拟试验求解。解算时，一般简化为二向问题，对于三向渗流场如岸边绕流，可用数值分析或模拟试验求解。

土坝体积很大，在水压力作用下整个坝体产生水平滑动的可能性通常不存在，故仅需核算上下游坝坡的抗滑稳定。一般分施工期、稳定渗流期和库水位降落期三种类型。土体抗剪强度由下式确定：

式中τ为土体抗剪强度；σ为垂直于滑动面的法向总应力；μ为孔隙水压力；σ′为法向有效应力；σ′、φ′为土料有效抗剪强度指标，分别代表凝聚力和内摩擦角，由试验确定。

均质土坝、厚心墙和厚斜墙坝常用滑动圆弧法计算坝坡稳定（图5a）。假定滑动面为圆弧，分成若干土条，不计条块间作用力，计算公式：

式中K为抗滑安全系数，不低于规定值;N、T分别为作用在土条底部的法向和切向应力；W为任一土条重；U为作用在土条底部的孔隙压力;α为土条重力线与通过土条底面中点的圆弧半径之间夹角;L为滑弧穿过的有凝聚力部分的弧长。试算若干滑弧，求得最小安全系数K。20世纪50年代A.W.毕肖甫等人还提出计入条块间作用力的计算方法。

对于坝基有软弱夹层或薄心墙、薄斜墙坝，宜用滑楔法（图5b）：假定滑动面为折线，滑楔间作用力假定平行于坡面或为水平向。沿折线将各种材料的抗剪强度除以K后，滑楔处于极限平衡状态，此K值即所求安全系数。最小的安全系数由假设不同滑动面试算求得。如在地震区，应将地震力作为外力加入计算。

确定坝体和坝基在自重作用下的总沉降量、沉降量与时间的关系及完工后的沉降量。据此计算竣工后为抵消沉降而预留的坝顶超填，预测不均匀沉降量，判断坝体产生裂缝的可能性和预防措施。计算方法是根据坝体和坝基土的压缩曲线，及时刻t坝体和坝基的竖向总应力和孔隙压力分布，用分层总和法计算。即把坝体坝基分为若干层，计算时刻t各层中心所受竖向有效应力（等于竖向总应力减孔隙压力）及相应沉降量，将各层沉降量迭加，得时刻t及完工后坝体和坝基的沉降量。

用有限单元法计算坝体坝基及岸坡接头在填土自重及其他荷载作用下的填土应力应变，以判断是否发生剪切破坏、有无过量变形、是否存在拉力区和裂缝、防渗土体是否发生水力劈裂，以及为坝体稳定分析和与土坝衔接建筑物的设计提供依据等。

参考书目

水利电力部第五工程局、水利电力部东北勘测设计院：《土坝设计》，上册、下册，水利电力出版社，北京，1978。J.L.Sherard，et al.，Earth and Earth-Rock dams，John Wiley & Sons，New York，1963.