简介
土石坝是利用当地土石料填筑而成的一种挡水坝，故又称为当地材料坝。土石坝历史悠久，应用最为广泛，具有以下的优点：就地取材，可以节省大量的水泥、钢材和木材；对地形地质适应性强，几乎任何地基经处理后均可筑土坝；施工技术较为简单，工序少，便于机械化快速施工；结构简单，工作可靠，便于管理、维修、加高和扩建。
但土石坝存在坝顶不能溢流，需另设泄水建筑物，坝体工程量大，当采用黏性土料填筑时，易受气候条件的影响等缺点。
特点
由于土石坝是由松散颗粒体填筑而成，因而与其他坝型相比，在稳定、渗流、冲刷、沉降等具有不同的特点和设计要求。
（1）坝坡稳定。在水平水压力作用下，土石坝一般不会发生沿坝基面的整体滑动。其失稳形式是坝坡滑动或坝坡连同部分地基一起滑动。造成滑坡主要原因是土粒间的抗剪强度小，而坝坡过陡，引起的剪切破坏；或坝基的抗剪强度太小，承载力低。设计时应合理选择坝坡和防渗排水设施，严格控制施工质量和做好地基处理。
（2）渗流。由于散粒体结构的颗粒间存在着较大孔隙，坝体挡水后，在上下游水位差的作用下，库水将经过坝体、坝基和两岸向下游渗透。渗流在坝体内形成的自由水面称浸润面，坝体横断面与浸润面的交线称浸润线，如图3-31所示。浸润线以下为饱和渗流区，土的抗剪强度指标较自然状态低，对坝坡稳定不利；当渗透坡降超过一定界限时，还会引起坝体或坝基土的渗透变形破坏；另外，渗透流量过大也会影响水库的蓄水。设计时应采取防渗排水措施，减少渗漏，保证渗流稳定性。
（3）冲刷。土石坝为散粒体结构，颗粒间的黏结力很小，抗冲力很弱。若库水漫顶，将对坝体产生极大危害；因此，土石坝的坝顶安全超高较混凝土坝或砌石坝大。且当坝坡受到波浪掏刷或雨水冲刷时，易产生坍塌；故设计时，应设置护坡和坝面排水设施。同时，在布置泄水建筑物时，注意进出口离坝坡要有一定的距离，以免泄水时对坝坡产生冲刷。
（4）沉降。由于土石料填筑体内存在孔隙，在坝体自重和水荷载的作用下，坝体和坝基都会由于压缩变形而产生沉降。均匀沉降使坝顶高程不足，不均匀沉降会使坝体开裂。故施工时应严格控制碾压质量，且完工后坝顶高程应较设计值高0.5%~1%。
类型
（1）按施工方法土石坝可分为碾压式土石坝、水中填土坝、水力冲填坝、定向爆破堆石坝等。其中碾压土石坝应用最多。
（2）按防渗体材料和在坝体内位置不同，土石坝可分为如下几类。
1）均质坝。坝体由同一种土料（壤土或砂壤土）填筑而成，整体自防渗。
2）土质防渗体分区坝。坝体由若干透水性不同的土料分区构成。用透水性较好的砂石料作坝壳，防渗性较好的黏土做防渗体。防渗体设在坝体中部或稍向上游的称为心墙坝或斜心墙坝，防渗体设在上游斜坡面的称为斜墙坝。另外，还有土质防渗体在中央，土料透水性向两侧逐渐增大、由几种土料构成的多种土质坝；及防渗体在上游、透水性向下游逐渐增大的多种土质坝。
3）非土质材料防渗体坝。坝的防渗体由沥青混凝土、钢筋混凝土或其他人工材料（如土工膜）构成，而其余部分由土石料构成，也称人工防渗材料坝。其中防渗体在上游面的称为面板坝；防渗体在坝体中央的称为心墙坝。
构造
（1）坝顶构造。坝顶一般宜采用砌石、碎石或砾石、混凝土或沥青混凝土等护面。如坝顶有公路交通要求，其结构应满足公路交通路面的有关规定。坝顶上游侧常设置坚固、不透水的防浪墙，墙底应与坝体中的防渗体紧密连接。坝顶下游侧宜设路缘石或栏杆。为排除雨水，坝顶应做成向下游倾斜的横坡，坡度为2%～3%，并设置纵向排水沟，以利及时排除聚集的雨水。
（2）坝体防渗设施。为减少坝体的渗流量、降低浸润线以增加下游坝坡的稳定、降低渗透坡降以防止渗透变形，除均质坝外，一般均应设专门的坝体防渗设施。
对于黏土心墙，其顶部宽度不宜小于3m，两侧边坡1：0.15～1：0.3，底部厚度不宜小于作用水头的1/4，顶部高程应高于设计洪水位0.3～0.6m，且不低于校核洪水位；对于黏土斜墙，其厚度以垂直于斜墙方向量取，顶部宽度不宜小于3m，底部厚度不宜小于作用水头的1/5，内坡不陡于1∶2，外坡不陡于1∶2.5。对于设有可靠防浪墙的土坝，心墙或斜墙顶部高程也应不低于正常运用情况下的静水位。心墙或斜墙顶部与坝顶之间应设置厚度不小于1.0m的保护层，且为防止墙体发生渗流破坏及满足变形要求，黏土防渗体两侧均设反滤层和过渡层。
非土质防渗体主要有：钢筋混凝土（顶部厚度不小于0.3m，底部厚度一般为坝高的1/20~1/40）和沥青混凝土（顶部厚度不小于0.3m，底部厚度一般为坝高的1/40~1/60，且不小于0.4m）防渗体等。
（3）坝体排水设施。排水设施的作用是及时排除坝体及坝基的渗水，降低浸润线，增加坝体及坝基的稳定性，防止发生渗透破坏。
排水
坝体排水常用的形式有以下几种。
1）贴坡排水。贴坡排水又称表层排水，布置在下游坝坡底部，用1～2层堆石或干砌石筑成，在石块与坝坡之间设置反滤层。贴坡排水顶部应高于浸润线的逸出点1.5~2.0m，并应超出下游波浪爬高。当坝体为黏土料时，排水体厚度应大于本地的冻深。贴坡排水底部应设排水沟，其深度要满足结冰后仍有足够的排水断面。
贴坡排水构造简单，便于维修，用石料少，可防止渗流出逸处的渗透破坏，保护下游免受尾水冲刷，但不能降低浸润线，且易因冰冻而失效。一般用于中小型工程。
2）棱体排水。棱体排水是在下游坝脚处堆成棱体状块石体（图3-28)，其顶部高程应超出下游最高水位0.5～1.0m，并高于下游波浪的爬高。排水体顶宽视施工、检查观测需要确定，但不小于1.0m。堆石棱体内坡一般为1：1.25~1：1.5，外坡为1：1.5~1：2.0。
棱体排水能有效降低浸润线，防止坝体受渗透变形和冻胀破坏，保护坝坡不受尾水冲刷，并可支撑坝体，增加下游坝坡稳定。缺点是用石料较多、造价较高，与坝体施工有些干扰，且维修不便。多用在较高的坝和石料较丰富的地区。
3）褥垫式排水。用厚度约40cm块石、砾石平铺在靠下游侧的坝基上，排水体伸入坝内的长度一般不大于1/4～1/3坝底宽，倾向下游的纵向坡度约为0.005～0.01，并在其周围布置反滤层而构成的水平排水体，以利渗水排出。
褥垫式排水能显著降低浸润线，有助于地基的排水固结，可避免冰冻。但石料、反滤料需要量大；且对不均匀沉降的适应性差，检修、维护困难。适用于下游无水、坝体和坝基为含水量大、透水性小的软土。
4）综合型排水。为充分发挥各种排水的优点，实际工程中，常将两种排水组合在一起应用，称综合式排水，如棱柱排水与贴坡排水结合，褥垫排水与棱柱排水结合等。
护坡
为防止波浪淘刷、雨水冲刷、冰层冻胀、漂浮物撞击、干裂、动物洞穴对土石坝的破坏，则应对坡面进行保护。对护坡的要求是坚固耐久，尽可能就地取材，施工简单和检修方便。
上游护坡有砌石、堆石、干砌石、混凝土板、沥青混凝土等型式。上游护坡范围应由坝顶护至最低库水位以下1.5～2.5m。
下游护坡有砌石、堆石、卵石、混凝土框格填石或草皮护坡等。气候温和湿润地区的黏性土均质坝，可用草皮护坡，草皮的厚度一般为0.05~0.1m；若坝坡为砂性土，可先在坝坡上铺一层0.2~0.3m厚的腐殖土，再铺植草皮。当坝址附近石料丰富时，可采用单层干砌石护坡。下游护坡范围，应从坝顶护至下游排水设施。
单层干砌石的石块直径不小于0.2～0.35m，下面垫0.15～0.25m厚的碎石或砾石层。若采用双层干砌石，其上层采用大于0.25～0.35m的块石，下层块石直径为0.15～0.25m。干砌石护坡适用于浪高小于2m的情况。当浪高较大时，可采用水泥砂浆砌石或用混凝土勾缝，提高抗风浪能力，但要设置排水管。
各种护坡均应在马道及护坡最下端设置基脚，以增强护坡的稳定性，为了防止雨水漫流而造成坝坡表面冲刷，在下游坝坡上需设置纵横连通的排水沟。
筑坝材料
1.均质坝
均质坝常用砂质黏土和壤土作为筑坝材料，要求土料的渗透系数不大于1×10-4cm/s，粒径小于0.005mm的颗粒含量不大于40%，一般为10%~30%，有机质含量（按质量计）不大于5%，可溶盐含量不大于3%。
2.防渗体
防渗体要求土料的渗透系数不大于1×10-5cm/s，与坝壳材料的渗透系数之比不大于1/1000，有机质含量（按质量计）不大于1%，可溶盐含量不大于3%。
用于填筑防渗体的砾石，粒径大于5mm的颗粒含量不宜超过50%，最大粒径不宜大于150mm或铺筑厚度的2/3，0.075mm以下的颗粒含量不应小于15%。填筑时不得发生粗骨料集中架空现象。
3.坝壳材料
坝壳填料应使坝体具有足够的稳定性、较高的强度、并具有良好的排水性。砂、砾石、卵石、漂石、碎石等无黏性土料，料场开采的石料、开挖的石渣料，均可作为坝壳填料。
均匀的中砂、细砂和粉砂，不均匀系数Cu=1.5~2.6时，极易发生液化破坏。因此，只可用于中低坝坝壳的干燥区，不宜用于地震区域的坝。
4.排水体
排水体应采用具有较高抗压强度，良好抗水性、抗冻性和抗风化性的块石。块石料重度应大于22kN/m3，岩石孔隙率不应大于3%，吸水率（按孔隙体积比）不应大于0.8，块石饱和抗压强度不应小于30MPa，软化系数不应大于0.75~0.85。
填筑标准
（1）对不含砾石或砾石含量很少的黏性土料，以压实干容重作为设计标准，等于击实试验的最大干容重乘以压实度。对于1级坝和高坝，压实度为0.98~1.00；对于2、3级坝和中坝，压实度为0.96~0.98。对含砾石的黏性土料，以最大干密度和最优含水量作为设计标准。
（2）砂砾石和砂的填筑标准以相对密度为设计控制指标。其中，砂砾石的相对密度不应低于0.75，砂的相对密度不应低于0.70，反滤料的相对密度宜为0.70。
（3）堆石的填筑标准宜以孔隙率为设计控制指标。其中，土质防渗体分区坝的堆石料，其孔隙率宜为20%~28%。
地基处理
1.砂砾石地基处理
砂砾石地基的处理主要是控制渗流，其处理原则“上堵下排”。
防渗措施主要有：黏土截水槽、混凝土防渗墙、灌浆帷幕、水平黏土铺盖等；排水减压设施有：排水沟、减压井、透水盖重等。
（1）黏土截水槽。截水槽是均质坝、斜墙或心墙向透水地基中延伸的部分。当砂砾石深度在15m以内，在坝轴线处或略偏上游的坝基上，平行坝轴线方向开挖一梯形槽，槽深直达不透水层或基岩，槽内回填黏土与坝体防渗体连成整体。
截水槽底宽不应小于3.0m。边坡一般不陡于1：1～1：1.5。截水槽两侧设置过渡层或反滤层。对于均质坝，可将截水槽设于距上游坝脚1/3～1/2坝底宽度内。
截水槽底部与不透水层接触面是防渗的薄弱环节。不透水层为岩基时，常在接触面上修建混凝土齿墙。若不透水层为黏土，则将截水槽底部嵌入黏土层0.5～1.0m。截水槽结构简单，工作可靠，防渗效果好，应用广泛。
（2）混凝土防渗墙。当砂砾石深度在15～80m以内，可采用混凝土防渗墙。混凝土防渗墙是在平行坝轴线方向打圆孔或槽孔，在槽中浇筑混凝土，形成一道地下防渗墙。混凝土防渗墙的厚度一般为0.6～0.9m，最大为1.3m，墙底嵌入基岩石0.5～1.0m，墙顶插入坝身防渗体内的深度，宜为坝高的1/10，低坝应不低于2m。
（3）灌浆帷幕。当砂卵石厚度很深或采用其他措施不合理时，可采用灌浆帷幕。一般用钻孔灌浆的办法，将水泥浆或水泥黏土浆压入砂砾石的孔隙中，胶凝成帷幕。灌浆帷幕的适宜深度为30～100m。也可深层采用灌浆帷幕，上部采用黏土截水槽或混凝土防渗墙。
（4）防渗铺盖。铺盖是一种水平防渗设施，它是从坝体防渗体向上游延伸而成。铺盖不能完全截断渗流，但可增长渗径，减小渗透坡降和渗流量。铺盖的长度一般为设计水头的4～6倍。上游端最小厚度取0.5～1.0m，向下游逐渐加厚，与斜墙连接处长达3～5m。铺盖与地基粗粒土接触时，应设置反滤层或垫层，铺盖表面应设保护层。
2.细砂及软弱土基的处理
（1）细砂地基。细砂和可能产生液化地基的处理，可采用挖除、人工加密、围封等工程措施。对表层或较浅的细砂层，可采用挖除的方法；当砂层较厚挖除有困难时，可采取爆炸压实、夯击压实、振动水冲等方法进行人工加密；还可采用板桩、截水墙或沉箱等围封法处理，但这些方法造价高，应用较少。
（2）软黏土地基。对于厚度不大的淤泥层，可全部挖除。如淤泥层或软弱土层较厚，分布范围较广时，可采用加荷预压、振冲置换或打砂井法处理。
3.土石坝与地基、岸坡的连接
土石坝与地基的接触面，容易发生集中渗流而造成渗透破坏。因此，对于均质坝，当坝体与土基连接时，应在坝基开挖齿槽，回填坝体土料。齿槽深度不小于1.0m，槽宽2～3m，接合槽沿接触面增加的渗径长度，应为坝底宽的5%～10%。当坝与岩石地基连接时，需先对岩石表面进行清理和缺陷堵塞。为使坝体与基岩紧密结合，可在接合面处设置混凝土齿墙。
土石坝与岸坡连接时，为防止不均匀沉陷产生裂缝，岸坡的开挖应大致平顺，不得开挖成台阶形，坡度不宜太陡，岩石岸坡应不陡于1：0.5；土质岸坡不陡于1：1.5。土石坝的坝体与混凝土坝、溢洪道、船闸、涵管等建筑物连接时，必须防止接触面的集中渗流、不均匀沉降所产生的裂缝以及下泄水流对下游坝脚的冲刷等。
渗透变形
土体由于渗透的作用而出现的破坏称为渗透变形。渗透变形有管涌、流土、接触冲刷、接触流土等四种型式。实际工程中发生的渗透变形主要是管涌和流土。
管涌是指在一定水力坡降的渗透水流作用下，土坝中的细颗粒土穿过骨架孔隙流失的现象。管涌只发生在无黏性的土中，对于没有凝聚力的砂土、砾石砂土容易出现管涌。在坝基、坝坡下游渗流逸出处，渗透坡降较大，容易产生管涌破坏。
流土是指在一定水力坡降的渗透水流作用下，局部土体从坝坡或坝基表面掀起的现象。流土主要发生在黏性土及均匀非黏性土体的渗流出口处。
土体发生渗透变形的原因取决于渗透坡降、土颗粒的性质。设计时，一方面降低渗透坡降，从而减小渗流流速和渗透压力；另一方面，增加渗流出逸处土体抵抗渗透变形的能力。其具体措施是设置防渗设施、反滤排水、减压设施和盖重。
稳定计算
1.滑裂面的形状
由于坝体结构、坝基地质及工作条件不同，土石坝可能出现滑裂面形状也不同，一般滑裂面可归纳为圆弧形、直线或折线形、复合形几种。
（1）圆弧滑裂面。当滑裂面通过黏性土的坝体或坝基时，滑裂面的形状呈一个上陡下缓的曲面。分析时，该曲面常用圆弧面代替。（2）直线或折线滑裂面。当滑裂面通过无黏性土时，其滑裂面可能是直线或折线；当坝坡部分浸在水中时，滑裂面也呈折线形；当有斜墙时，折线面常通过斜墙的顶面或底面。（3）复合滑裂面。当滑裂面通过几种性质不同的土体时，可能呈现由直线和曲线组成的复合形状的滑裂面。
2.坝坡稳定计算工况
（1）施工期的上、下游坝坡稳定计算。
（2）稳定渗流期的下游坝坡稳定计算（正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位）。
（3）水库水位降落（骤降、缓降）期的上游坝坡稳定计算。
（4）正常运用遇地震时上、下游坝坡稳定计算。
3.滑坡分析的原理
一般情况下，将滑坡体视为刚体，利用刚体极限平衡理论进行分析。计算时，先判断破坏面(滑动面)的形式，然后选取某可能的危险滑动面，求出其抗滑稳定安全系数。改变相关参数，假设若干个可能的滑裂面，分别计算，最后求出最小抗滑稳定安全系数。当求出最小的安全系数大于规范允许值时，则说明坝体边坡是稳定的。
圆弧法稳定计算原理是：假定坝坡或坝坡连同部分坝基的土体沿某一圆柱面滑动，其破坏滑动面简化为圆弧面，将滑动体分成若干竖直土条，每个土条上作用力简化到滑弧面上，分别求出各力对圆心的力矩，并分别归并为滑动力矩∑Ms和抗滑力矩∑Mr。