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【摘 要】根据对以往土石坝破坏资料的统计分析， 属于勘测设计方面原因的在国内外均占40%以上。本文结合勘测设计实践经验， 从土石坝的结构设计、土料选取等方面进行分析， 指出问题所在， 提出相应的改进措施。仅供同行借鉴！
【关键词】土石坝；结构设计；问题；措施
1 结构设计
1.1 合理设计铺土层厚，加强下游反滤设计， 减少不均匀沉陷
坝体常出现不均匀沉陷裂缝，产生集中渗流， 危及大坝安全。为防止这种险情发生， 通常采取的措施有:
1.1.1 将坝轴线布置成微拱向上游的圆弧形，以求在水压力作用下增加坝体的纵向应力；
1.1.2 对坝体两岸进行开挖，放缓边坡， 并尽量避免突变段；
1.1.3 设置上游斜墙代替心墙防渗；
1.1.4 优先选用塑性粘土料填筑心墙。在缺乏条件的情况下，尽可能提高心墙下半部分土的干容重和上半部分土料的挠性， 以避免因承受较大的应力而开裂；
1.1.5 在心墙与岸坡结合面采用含水量较高的防渗土料或用塑性粘土填筑塑性带。
尽管采取以上措施，但一方面由于近年来坝高不断增大， 建坝河谷更窄， 岸坡更陡， 坝体仍容易产生不均匀沉陷和裂缝。另一方面由于不重视铺土层厚， 使土石料随层高产生分离， 降低底部填筑密度， 导致坝体在运行过程中出现严重的不均匀沉陷。大量土石坝的运行情况表明: 只要坝内设有合乎规范规定的下游反滤层，就可避免由集中渗流所引起的冲刷和破坏；只要将全部土石料按薄层用振动压实法填筑，就能大大减少石料分离， 保证填筑密实度，将沉陷量降为最小。
1.2 改进土石坝与砼建筑物接触处的处理
过去设计要求砼建筑物要伸入到土石坝一定深度， 以增长渗径。基于这种考虑， 在土石坝内埋设的砼输水洞， 普遍要求沿洞外壁设置足够宽度的多道防渗截水环； 在与溢流道砼边墙接触处， 设置多道剌墙伸入坝体心墙内。
随着对土石坝下游反滤层安全可靠性的认识提高， 这些部位的结构处理可作如下改进:
1.2.1 坝内砼洞和溢洪道砼边墙接触处， 取消截水环和刺墙；
1.2.2 将砼结构与土石坝心墙结合处的侧面坡度由垂直改为8 1~ 10 1，以利于施工时碾压机械可沿砼壁面方向行驶，将土料压实；
1.2.3 坝内输水洞的四周和溢洪道边墙接触处的下游段均做好反滤料，即使沿管壁或接触处的砼与心墙的上游侧界面产生渗漏，其渗水也会被下游侧的反滤料有效控制；
1.2.4 加强下游侧反滤料的设计， 精心施工， 以确保防渗效果。
1.3 简化坝体结构
1.3.1 心墙坝
过去在粘土心墙的上游侧， 通常也设置反滤层，其层数和每层材料的级配均与下游反滤层相同，其目的是防止心墙土料颗粒在库水位降落时向上游移动， 进入上游坝壳的沙石空隙中。而在实际运行中， 当库水位降落时，自心墙内渗入的水量很小， 而且粘土料经过压实后有一定的强度， 在单纯的重力作用下， 粘土颗粒一般没有向上游移动的趋势。同时， 向上游侧渗水的渗透梯度一般均小于1， 而且渗流速度很小， 不致于使心墙土粘粒大量移动。美国农业部土壤保持局利用低粘性易冲刷的粘土料配上粗颗粒做反滤层， 以20 m 的水力梯度进行上游库水位骤降时土料的冲刷试验， 其结果表明， 以下游反滤的设计标准来要求上游反滤层， 显然过高。为了简化上游反滤， 首先减小其厚度， 进而将其简化为由粒径小于150 mm 的碎石料组成的过渡带， 其颗粒组成不需要符合任何反滤料的组成原则。实践证明， 对于用粘粒含量大于30%，塑性指数大于?? 的粘性土料填筑的心墙，采用碎石料过渡带是足够的。当心墙土料为非塑性粉质砂或塑性指数小于??的低塑性的粘质粉土时，在渗水和重力的共同作用下，心墙上游面的土颗粒有可能随着库水位迅速消落而移动并进入过渡带的大空隙中。
常见设计者在心墙上游侧靠近顶部的部位设置厚度一般为0. 6~ 1. 2 m 的砂层，意在当心墙上部因地震和不均匀沉陷产生裂缝时，细砂可以进入缝内， 将其封堵。对于此种设防，笔者认为:
（1）以上做法是否能够有效地充填漏水通道，现在尚无把握做出結论。但即使渗水裂缝是张开的， 由于下游反滤层的制约， 渗流速度一般也会较低。因此，裂缝的上游段应能被移动的心墙颗粒充填愈合；
（2）砂料虽然可能进入并充填裂缝， 但也会起支撑裂缝，妨碍裂缝两侧的粘土料膨胀或软化后将裂缝填实；
（3）若想通过在心墙上游侧设置填缝砂料来保护这层反滤，那么由于坝壳填料粒径不同， 还需要在它的上游设置另一较粗的过渡带。如此一来， 不但效果不明显， 而且会使结构复杂和造价增大；
（4）既然下游反滤层是控制集中渗流的主要防线已得到大家的认可，那么在设计中就应该充分把握这一关键。如认为不够标准， 就应改善其设计， 使之更安全可靠，而不应另外设置效果值得怀疑的另一道防线， 使坝体结构复杂化。
1.3.2 面板坝
对这种坝型的设计， 国内与国外在结构上差别很大。国外一般仅增设砾卵石排水层，而国内在面板与坝体砂砾之间， 除排水层外， 还设置了垫层、过渡层、反滤层等，达4 ~ 5层之多。而且，有的还在下游坝脚设置反滤排水坝址。笔者认为，这些面板坝的设计可能是没有完全恰当分析青海沟后面板坝失事的原因，而是将坝体作为类似心墙坝的渗流场设计的结果。实际上面板坝下游出现渗漏同心墙坝的渗漏相比， 其重要性大不相同。不应忽视面板有效截断渗流的防渗作用，而使得坝体断面过分复杂。
1.4 加强坝体排水
特别是面板坝，在坝体适当部位增设排水层，以排除来自面板、止水系统及帷幕等部位的局部缺陷所形成的少量渗水，不致抬高坝体浸润线，这对保证坝体稳定安全性起到了关键作用。
沟后水库溃坝的直接原因主要是该坝并没有设置专门排水设施， 在坝体无大的直接贯通上、下游的渗流通道和较小的渗流量（ 溃坝前测定下游地表排水沟总渗透量仅8 L/ s，其历年在高水位运行时间较长时， 最大渗流量达16 L/ s）的情况下，坝体基本处在不均匀饱和状态，形成渗透压力，使坝体上部区域首先失去静力稳定而滑动， 形成溃口， 冲刷砂砾石坝体， 继之破坏。 1.5 优化防浪墙设计
近年来，相当一部分设计者设计出来的防浪墙底部均高于正常蓄水位，甚至高于设计洪水位。显然这又可能强调了沟后坝坝顶防浪墙设计的某些教训。应慎重指出，该坝防浪墙止水结构的设计与施工，根本不能起到良好的防渗效果。坝顶防浪墙应按挡水原则设计，早期较低的坝，墙高一般不超1. 2 m。但随着坝高不断增大，目前墙高一般可采用4~ 6 m。结构型式可采用上游高、下游低的双墙或U 型墙， 以达到最大可能减少坝体工程量，节约投资的目的。此时，防浪墙与面板的所有连接缝及止水，应按周边缝的原则进行设计与施工。周边缝在国内已有很成熟的设计经验，从其挡水防渗的效果来看，不应怀疑防浪与面板连接缝的安全性。
2 土料设计
土料设计的基本原则是根据土料性质进行合理设计，并不是根据设计指标去寻找土料。
过去，大家都认为粘土是土质心墙最好的材料，它可塑性好，能适应坝体变形， 而且抗冲能力较强。因而在修建土石坝时， 往往不惜运費，从远距离取用粘土来填筑。在实际运行中，使用粘土和非粘性不透水土料在出现裂缝内发生集中渗流情况下， 其反应是不同的。高塑性粘土虽然在一定程度上可抵抗集中渗流对裂缝壁面的冲刷， 但由于压实后的粘土具有较高的无侧限抗压强度， 因而会围绕裂缝呈现拱作用， 使裂缝保持张开状态。非粘性粉沙土基本上不具有无侧限抗压强度，因而裂缝壁面会自然坍落而使裂缝闭合，这是它的优点。勿用置疑， 心墙主要作用是防渗， 但要抵御和防止管涌冲刷， 单纯依赖粘土是明显不够的， 而主要应依靠反滤层。因此， 当前选用心墙土料应是成本最经济的当地不透水土料， 尽管这些土料有时属于非粘性土，如粉沙土、含砾粉土或残积风化土和冰碛土等， 都不宜违背土料设计的基本原则而不计造价一味追求粘性土。
3 结语
现代化的施工方法和所积累的设计与研究经验， 实际上可以对任何自然气候条件下修建土石坝做出经济的设计，并加以科学论证； 可以在最合理的期限内修建高坝和超高坝。但我们也应意识到，每座大坝的实际情况都不同，具有较强的个性， 故今后尚需坝工界同仁共同努力， 进一步深入研究其设计机理，为每一座土石坝的修建提供技术支持。
参考文献：
[1]顾淦臣 土石坝的现状水平和我国土石坝的前景[ M] . 南京: 河海大学出版社， 1984:
[2]蒋国澄 土石坝在我国进展情况[ A] . 土石坝工程论文集[ C ] .中国水利水电科学研究院. 1996. 5:
[3]顾淦臣 陈明致. 土坝设计[ M] . 北京: 水利电力出版社，1978:
【关键词】土石坝；结构设计；问题；措施
1 结构设计
1.1 合理设计铺土层厚，加强下游反滤设计， 减少不均匀沉陷
坝体常出现不均匀沉陷裂缝，产生集中渗流， 危及大坝安全。为防止这种险情发生， 通常采取的措施有:
1.1.1 将坝轴线布置成微拱向上游的圆弧形，以求在水压力作用下增加坝体的纵向应力；
1.1.2 对坝体两岸进行开挖，放缓边坡， 并尽量避免突变段；
1.1.3 设置上游斜墙代替心墙防渗；
1.1.4 优先选用塑性粘土料填筑心墙。在缺乏条件的情况下，尽可能提高心墙下半部分土的干容重和上半部分土料的挠性， 以避免因承受较大的应力而开裂；
1.1.5 在心墙与岸坡结合面采用含水量较高的防渗土料或用塑性粘土填筑塑性带。
尽管采取以上措施，但一方面由于近年来坝高不断增大， 建坝河谷更窄， 岸坡更陡， 坝体仍容易产生不均匀沉陷和裂缝。另一方面由于不重视铺土层厚， 使土石料随层高产生分离， 降低底部填筑密度， 导致坝体在运行过程中出现严重的不均匀沉陷。大量土石坝的运行情况表明: 只要坝内设有合乎规范规定的下游反滤层，就可避免由集中渗流所引起的冲刷和破坏；只要将全部土石料按薄层用振动压实法填筑，就能大大减少石料分离， 保证填筑密实度，将沉陷量降为最小。
1.2 改进土石坝与砼建筑物接触处的处理
过去设计要求砼建筑物要伸入到土石坝一定深度， 以增长渗径。基于这种考虑， 在土石坝内埋设的砼输水洞， 普遍要求沿洞外壁设置足够宽度的多道防渗截水环； 在与溢流道砼边墙接触处， 设置多道剌墙伸入坝体心墙内。
随着对土石坝下游反滤层安全可靠性的认识提高， 这些部位的结构处理可作如下改进:
1.2.1 坝内砼洞和溢洪道砼边墙接触处， 取消截水环和刺墙；
1.2.2 将砼结构与土石坝心墙结合处的侧面坡度由垂直改为8 1~ 10 1，以利于施工时碾压机械可沿砼壁面方向行驶，将土料压实；
1.2.3 坝内输水洞的四周和溢洪道边墙接触处的下游段均做好反滤料，即使沿管壁或接触处的砼与心墙的上游侧界面产生渗漏，其渗水也会被下游侧的反滤料有效控制；
1.2.4 加强下游侧反滤料的设计， 精心施工， 以确保防渗效果。
1.3 简化坝体结构
1.3.1 心墙坝
过去在粘土心墙的上游侧， 通常也设置反滤层，其层数和每层材料的级配均与下游反滤层相同，其目的是防止心墙土料颗粒在库水位降落时向上游移动， 进入上游坝壳的沙石空隙中。而在实际运行中， 当库水位降落时，自心墙内渗入的水量很小， 而且粘土料经过压实后有一定的强度， 在单纯的重力作用下， 粘土颗粒一般没有向上游移动的趋势。同时， 向上游侧渗水的渗透梯度一般均小于1， 而且渗流速度很小， 不致于使心墙土粘粒大量移动。美国农业部土壤保持局利用低粘性易冲刷的粘土料配上粗颗粒做反滤层， 以20 m 的水力梯度进行上游库水位骤降时土料的冲刷试验， 其结果表明， 以下游反滤的设计标准来要求上游反滤层， 显然过高。为了简化上游反滤， 首先减小其厚度， 进而将其简化为由粒径小于150 mm 的碎石料组成的过渡带， 其颗粒组成不需要符合任何反滤料的组成原则。实践证明， 对于用粘粒含量大于30%，塑性指数大于?? 的粘性土料填筑的心墙，采用碎石料过渡带是足够的。当心墙土料为非塑性粉质砂或塑性指数小于??的低塑性的粘质粉土时，在渗水和重力的共同作用下，心墙上游面的土颗粒有可能随着库水位迅速消落而移动并进入过渡带的大空隙中。
常见设计者在心墙上游侧靠近顶部的部位设置厚度一般为0. 6~ 1. 2 m 的砂层，意在当心墙上部因地震和不均匀沉陷产生裂缝时，细砂可以进入缝内， 将其封堵。对于此种设防，笔者认为:
（1）以上做法是否能够有效地充填漏水通道，现在尚无把握做出結论。但即使渗水裂缝是张开的， 由于下游反滤层的制约， 渗流速度一般也会较低。因此，裂缝的上游段应能被移动的心墙颗粒充填愈合；
（2）砂料虽然可能进入并充填裂缝， 但也会起支撑裂缝，妨碍裂缝两侧的粘土料膨胀或软化后将裂缝填实；
（3）若想通过在心墙上游侧设置填缝砂料来保护这层反滤，那么由于坝壳填料粒径不同， 还需要在它的上游设置另一较粗的过渡带。如此一来， 不但效果不明显， 而且会使结构复杂和造价增大；
（4）既然下游反滤层是控制集中渗流的主要防线已得到大家的认可，那么在设计中就应该充分把握这一关键。如认为不够标准， 就应改善其设计， 使之更安全可靠，而不应另外设置效果值得怀疑的另一道防线， 使坝体结构复杂化。
1.3.2 面板坝
对这种坝型的设计， 国内与国外在结构上差别很大。国外一般仅增设砾卵石排水层，而国内在面板与坝体砂砾之间， 除排水层外， 还设置了垫层、过渡层、反滤层等，达4 ~ 5层之多。而且，有的还在下游坝脚设置反滤排水坝址。笔者认为，这些面板坝的设计可能是没有完全恰当分析青海沟后面板坝失事的原因，而是将坝体作为类似心墙坝的渗流场设计的结果。实际上面板坝下游出现渗漏同心墙坝的渗漏相比， 其重要性大不相同。不应忽视面板有效截断渗流的防渗作用，而使得坝体断面过分复杂。
1.4 加强坝体排水
特别是面板坝，在坝体适当部位增设排水层，以排除来自面板、止水系统及帷幕等部位的局部缺陷所形成的少量渗水，不致抬高坝体浸润线，这对保证坝体稳定安全性起到了关键作用。
沟后水库溃坝的直接原因主要是该坝并没有设置专门排水设施， 在坝体无大的直接贯通上、下游的渗流通道和较小的渗流量（ 溃坝前测定下游地表排水沟总渗透量仅8 L/ s，其历年在高水位运行时间较长时， 最大渗流量达16 L/ s）的情况下，坝体基本处在不均匀饱和状态，形成渗透压力，使坝体上部区域首先失去静力稳定而滑动， 形成溃口， 冲刷砂砾石坝体， 继之破坏。 1.5 优化防浪墙设计
近年来，相当一部分设计者设计出来的防浪墙底部均高于正常蓄水位，甚至高于设计洪水位。显然这又可能强调了沟后坝坝顶防浪墙设计的某些教训。应慎重指出，该坝防浪墙止水结构的设计与施工，根本不能起到良好的防渗效果。坝顶防浪墙应按挡水原则设计，早期较低的坝，墙高一般不超1. 2 m。但随着坝高不断增大，目前墙高一般可采用4~ 6 m。结构型式可采用上游高、下游低的双墙或U 型墙， 以达到最大可能减少坝体工程量，节约投资的目的。此时，防浪墙与面板的所有连接缝及止水，应按周边缝的原则进行设计与施工。周边缝在国内已有很成熟的设计经验，从其挡水防渗的效果来看，不应怀疑防浪与面板连接缝的安全性。
2 土料设计
土料设计的基本原则是根据土料性质进行合理设计，并不是根据设计指标去寻找土料。
过去，大家都认为粘土是土质心墙最好的材料，它可塑性好，能适应坝体变形， 而且抗冲能力较强。因而在修建土石坝时， 往往不惜运費，从远距离取用粘土来填筑。在实际运行中，使用粘土和非粘性不透水土料在出现裂缝内发生集中渗流情况下， 其反应是不同的。高塑性粘土虽然在一定程度上可抵抗集中渗流对裂缝壁面的冲刷， 但由于压实后的粘土具有较高的无侧限抗压强度， 因而会围绕裂缝呈现拱作用， 使裂缝保持张开状态。非粘性粉沙土基本上不具有无侧限抗压强度，因而裂缝壁面会自然坍落而使裂缝闭合，这是它的优点。勿用置疑， 心墙主要作用是防渗， 但要抵御和防止管涌冲刷， 单纯依赖粘土是明显不够的， 而主要应依靠反滤层。因此， 当前选用心墙土料应是成本最经济的当地不透水土料， 尽管这些土料有时属于非粘性土，如粉沙土、含砾粉土或残积风化土和冰碛土等， 都不宜违背土料设计的基本原则而不计造价一味追求粘性土。
3 结语
现代化的施工方法和所积累的设计与研究经验， 实际上可以对任何自然气候条件下修建土石坝做出经济的设计，并加以科学论证； 可以在最合理的期限内修建高坝和超高坝。但我们也应意识到，每座大坝的实际情况都不同，具有较强的个性， 故今后尚需坝工界同仁共同努力， 进一步深入研究其设计机理，为每一座土石坝的修建提供技术支持。
参考文献：
[1]顾淦臣 土石坝的现状水平和我国土石坝的前景[ M] . 南京: 河海大学出版社， 1984:
[2]蒋国澄 土石坝在我国进展情况[ A] . 土石坝工程论文集[ C ] .中国水利水电科学研究院. 1996. 5:
[3]顾淦臣 陈明致. 土坝设计[ M] . 北京: 水利电力出版社，1978: