填筑坝

填筑坝

背景

大坝是人类为集体使用而建造的最古老的结构之一。大坝就是一道横跨河或溪的屏障阻挡储存其水量为饮用或灌溉供水，来调节洪流和发电。大坝的主要种类有土坝、堆石坝、混凝土重力坝和混凝土拱坝等。后三种类型的坝是混凝土，钢筋混凝土或者砖石结构（砖石结构被定义为混凝土，砖或开挖的方石砌筑的建筑）构成。填筑坝包括所有的坝都是土石料（土和石块）压实在一起构成的。有一种填筑坝称作碎石坝是有采矿产生的废弃料修建的，在采矿址处，这些在采矿中被研磨成粉的像土的废弃料压实成坝的护面用来止水。

以上列举了大坝的主要类别，从古代就开始建造大坝然而19世纪许多改良才得到发展，20世纪工程技术改进。大坝失事不是因为它们不能防水或者因为渗流带走了了坝内部的材料而导致大坝失事。在现代，大多数填筑坝都建有粘土心墙、反滤层，粘土心墙包裹在粗糙材料中，坝的上游面游块石砌筑防止侵蚀。上游到下游的大坝横断面能很清楚的看到这些区域。所有的填筑坝都是有其自重保持稳定。

建造土石坝通常比混凝土坝花费低。在坝址处土和石块都是现成的，施工工艺虽然复杂也比混凝土结构造价少。由于可获得材料，低造价和块体的稳定性等原因，填筑坝通常都建造在较宽的水域。他们也比混凝土结构更加灵活并且如果位于大坝下的地基材料在大坝自重和水的压实下其变形不会造成大坝失事。

历史

很自然的，早期大坝建造者们开始使用的原材料如砂、木材、树枝和砾石。他们的施工方法包括用篮子运送填坝材料且填筑的较松散，因此这些大坝可能仅仅存在了几年。科学家们虽然无法查明最早的大坝的建造日期，但他们的确了解到在食物种植和洪水泛滥的高发地区需要修建大坝。

设计填筑坝基于经验；而大坝失事是不幸的有时是灾难性的，他们也是最好的老师，许多工程进步都是建立在仔细研究早期的大坝失事。古印度和斯里兰卡的工程师们是填筑坝设计和施工的最成功的先驱土石坝在这两个国家现仍然可以看到。在斯里兰卡，修建的用于储存灌溉用水的长土石坝叫做水塘。卡拉巴拉拉水塘围着它的四周长60公里。

最著名的填筑坝是埃及在1970-1980年期间修建于尼罗河上的阿斯旺大坝。填筑坝也会成为牺牲品壮观失事1976年六月爱德华州的特顿坝由于不正确的设计，在水的侵蚀下大坝内部区域渗流导致失事，结果峡谷下游洪水泛滥。尽管土石坝往往矮宽，但塔吉克斯坦的诺拉克坝高达984英尺（300m）。

原料

所使用的建造填筑坝的材料包括土壤和块石。土壤从最小粒径分类，亚微观粒子的淤泥；粉砂，很细；从细到粗的砂，我们眼睛能看到的最小的土壤细颗粒：和砾石。粗糙的碎片被称作卵石和巨石也被用于大坝的建造，但通常是作为外保护层。

建造大坝的区域需要具体的土壤类型和粒径范围，并勘探大坝坝基区，水库区储水，勘探试验周边地区不仅为了设计大坝而且为找当地所能用的建筑材料。所用材料的距离决定着大坝建造成本。用于建筑材料需取样在实验室测定土壤粒径大小、含水率、干密度（重量），可塑性和渗透率。黏土不仅颗粒细小而且其化学特性使它粘结在一起。结合的细颗粒和塑性使黏土透水性很小。如果在坝址处可得到黏土，在建坝时会在中心建造粘土心墙来阻止水从其坝身穿过：否则设计大坝必须让水慢慢地、安全地渗透通过坝不同材料组合的区域。

水也是一种原材料。各类土壤有其各自的压实特性在施工期间可在实验室内测定。压实土壤可以通过添加水分增重影响达最有含水率压实，称作压实系数。最有含水率下的土壤铺成薄的层用大型振动碾压实。土壤通过自重和自由水结合在一起，土的空隙越小越不易渗水。

可行性和初步设计

一个特定的大坝，无论它是供水、储存碎石或者其他材料，或者防洪，促进了设计和建造填筑坝的过程。这需要当地的位置密切相关，通常是考虑几个地点。在可行性研究，工程师确定这些坝址，制定初步的成本，确定合适的设计，选择最佳的坝址进行探测。经济型是建造大坝的成本，也包括现场实际的技术适用性，设计，施工及长期维护和安全。

选择了一个可行的坝基后，紧接着就是坝的初步设计

设计

待现场勘察和实验室试验完成，工程师们在初步假定的基础上开始设计大坝，实地调研，设计或经济的任何改变都是基于实地的调研结果。在设计填筑坝时，工程师们侧重这五个因素：坝体的稳定;设置粘土心墙或其它的内部区域以防止渗流通过坝体；在坝体下设计防渗墙或其它防渗体系；上游坝面修建防侵蚀保护层；和经济性。

填筑坝的典型形状像带顶的三角形或上部的点或大坝的顶部和小溪面上宽阔的坝基。宽的坝基横断面可提供摩擦力防止坝体滑动，而坝体块可以有足够的力量抵抗它身后的水重。坝基础处要清理软，渗透性和可压缩的土壤，和建造深达岩层或坚硬土层的防渗墙。防渗墙可以是钢板桩或混泥土结构。但自1960年左右大多数填筑坝，防渗墙是简单的延伸至粘土心墙。岩石或者土壤基础有空隙或裂隙，可能在基础上钻一系列的洞来灌注混凝土浆以密封裂隙和防渗。

填筑坝从中心到上游面到下游面的区域可能是不同的层次构成。选择的筑坝材料考虑其强度和渗透率特征，铺置一个区域到另一个区域要小心的遵守基于这些特性的计算。过滤排水区域要能使水成功的绕过坝内心墙通过其内的排水层排出。

大坝的上游面有时用混凝土面板或沥青面保护。普遍是在临水面坝面砌筑卵石或巨石；这个面被称作砌石护坡阻止浪侵蚀坝建筑材料。其它易于控水和通过或在坝顶泄水，如紧急泄洪道，在设计时也要确定建在坝体得具体部位、用途，类型和建筑材料和水流入水库。

大坝的造价在设计的过程中是一直考虑的问题。建筑材料必须易得或在坝址附近。岩石比土壤结构陡峭且还重得多；因此有岩石建造的大坝设计的可以小些。但开挖和运输岩石比土壤要昂贵得多，因此设计师们必须考虑成本因素。其它材料，如沥青、混凝土、钢材和灌浆用的水泥也都很贵。安全和经济平衡须有工程师确定。现大型土方机械已经用于施工，在许多坝址建造填筑坝比混凝土坝更经济。

施工过程

1.土石坝通常在干旱季节施工，这时河流水位较低，填筑材料区很少降雨，也便于使用大

型施工机械。在实际施工前，需要在料源先开挖和运输施工用的土或石料。设立灵活的施工管理体系，通常，项目经理（有多年现场经验的工程师）

将会从一辆拖车在现场工作。根据现场,也许有必要设置仪器监测大坝建设的影响,在临近的山坡上或者其他特征以及测量地下水水位在建设的基础和周围的环境。当然,水流的流,通过这个地点被阻塞必须被阻止。这可以通过各种各样的方法包括导流小溪,也许流过相邻通道, 2.在大坝施工前，基础必须准备好。很少情况下，大坝可以直接在渠基材料上施工；大多