土石坝

石门水库土石坝。原图链接

土石坝（英语：Embankment dam），是大型人工大坝，通过放置和压实各种土壤，沙子，粘土或岩石组成的复杂半塑料土堆而产生的水坝。它的表面具有半透水的天然防水覆盖层，并且芯层致密，不透水，主要是防渗表面或渗水侵蚀。

目录

概述

土石坝是用土、砂、石头建造的宽坝，断面一般为梯形，因为底部承受的水压比顶部的大的多，所以底部较顶部宽，适合建在宽谷的基岩或软土地基上。土石坝依使用材料可分为土坝（earth-fill dam）与堆石坝（rock-fill dam）两类。方法是用压实土制成的土石坝（又称土坝）或堆石坝，也就是建在坚硬的岩石或较软的土壤上。堆石坝的建立是使用炸药将石块破碎成较小的等级，以得到在堤坝中使用的尺寸。颗粒的摩擦和相互作用将颗粒粘合在一起形成稳定的团块，而不是通过使用胶结物质。

由于物料较松散，水会慢慢渗入堤坝，降低堤坝的坚固程度。因此，会在堤坝表面加上一层防水的黏土；或在坝体内修筑透水性更小的防渗层（黏土、混凝土或沥青混凝土等材质防渗层，有心墙和斜墙两种类型）；或设计一些通道，让一部分的水流走。土石坝的横截面显示出类似堤岸或丘陵的形状。大多数都具有由不渗透材料组成的中央部分或核心，以阻止水渗入大坝。芯可以是粘土，混凝土或沥青混凝土。这种类型的水坝是大河谷地区的理想选择。

起源

1924 年土壤力学之父 Carl von Terzaghi 发表了压密理论，开启了大地工程研究的蓬勃发展，近百年来，对土壤材料的特性，例如黏滞性、压缩性、渗透性、安定性、有效应力、剪力强度等，已有充分的研究了解，并对各参数赋予科学的定义。故近代土石坝多采用分区型滚压土石坝，考量大坝内各分区不同的力学行为及阻水、透水、保土、抵抗外力之需求，将不同的土石材料，例如粉土黏土、砂、砾石，块石等，依其特性及比例分区堆填辗压，以得到最安全最经济的大坝构造，石门大坝即是分区辗压型土石坝。

水坝类型

石门水库大坝

石门水库大坝是土石坝，是将土石分层辗压夯实而成。以土石筑坝是人类为引水蓄水、调节利用水量，最早采用的筑坝自然材料。19 世纪 20 年代发明了水泥，而于 20 世纪初期，才有了完全用混凝土浇筑的混凝土坝。一般而言，水坝以筑坝材料区分，有土坝、土石坝、堆石坝及混凝土坝，但以水坝抵挡水压力及地震力的结构力学行为区分，又可分为重力坝，扶壁坝及拱坝。

石门水库于系采中央不透水心墙分区分层滚压土石坝，也就是说石门大坝完全是由土石堆积而成的，是将土石依功能需求分级分类或筛选，或加工，依不透水及安定之需要分区分层滚压填筑而成。中央是以高塑性黏土构成的不透水心墙），负责阻止水的渗透，再来两侧是过滤层负责保护中央不透水心墙材料之流失，再外层也是最大的一层是半透水壳层负责大坝的安定，最外层是大石坝的保护层，分区分层各司其责结合而成安定的大坝；而土石坝最忌洪水漫流坝身导致毁坏，溢洪道不可与坝身在一起，故石门水库溢洪道建于大坝右侧山脊，设有弧形闸门6座，最大溢洪量每秒11,400立方公尺，另设有紧急排洪隧道及排砂隧道，最大溢洪量每秒2,700立方公尺，总计排洪量共每秒14,100立方公尺，可确保台洪期间大坝安全。

材料分类

土石材料的分类-兴建土石大坝涉及的科学技术相当广泛，本文系就土石之一般物理性质来解析分区型土石坝各区所须的材料特性。首先即须了解土石材料是如何分类的？填筑大坝之土石材料须要给予适当的分类，才能标准化的充分利用不同土石的特性。1952 年，美国垦务局及陆军工兵署修正了哈佛大学 Arthur Casagrande 教授之飞机场土壤分类，并命名为统一土壤分类系统 (Unified Soil Classification System ; USCS)。

该分类系统为目前台湾大地工程界普遍采用。其分类土壤系考虑两个要素：

1. 土壤的粒径分布：粗粒料以美国标准筛来分析土壤粒径分布，细粒料以比重计分析之，依粒径分布曲线可了解该土壤的级配状况。
2. 细粒土壤的塑性及压缩性：以阿太堡限度试验及 Casagrande 塑性图来分类。

功能

土石坝由零散的独立材料颗粒组成，由于土石坝庞大的自重与蓄水压应力，需要严格计算其地基设计与处理。对于土石坝如果洪水漫坝，将造成溃坝。因此土石坝必须具有处理500年最大可能洪水的泄洪能力。修建水坝和在其后方蓄水给山谷的地面和两侧增加了新的重量。因此，必须在建筑之前计算大坝的应力水平，以确保不超过其破坏水平阈值。

安全性

水的应力随著深度的增加而线性增加。水也推向水坝的上游面，这是一种非刚性结构，在应力作用下具有半塑性作用，与浅水位相比，在水坝底部附近需要更大的调节需求。土石坝的溢流或溢流超出其溢洪道能力将导致其最终失效。大坝顶面径流对大坝材料的侵蚀将清除其重量使大坝保持在适当位置的材料块，并克服作用于移动大坝的水力。即使是持续不断的小流量，也可以在数小时内从大坝中清除数千吨的表土。由于仍然被挡在水坝后面的水量压在路堤的减轻的质量上，该质量的去除使使水坝抵靠其水库的稳定力失衡，而路堤的减轻的质量因表面侵蚀而变轻。

调节水量

随著大坝的侵蚀，蓄水池施加的力开始移动整个结构。几乎没有弹性强度的路堤将开始分裂成几小段，使蓄积的水库水在它们之间流动，侵蚀并清除更多的物质。在破坏的最后阶段，路堤的其馀部分几乎不会对水流产生任何阻力，并继续破裂成越来越小的土或岩石段，直到它们分解成泥土，岩石和水。

因此，对溢洪道的安全要求很高，并且要求溢洪道能够容纳最大洪水位。编写规范通常是这样，至少可以包含一百年的洪水。在第三个千年之交前后，开发了许多堤坝防溢系统。这些技术包括混凝土漫顶保护系统，片桩，乱石和金属筐，加筋土，最小能量损失堰，堤溢出台阶式溢洪道和预制混凝土块保护系统。

影片

嘉义仁义潭水库~为离槽式人工土石坝水库，是散步欣赏风景的好地方