土石壩

石門水庫土石壩。原圖鏈接

土石壩（英語：Embankment dam），是大型人工大壩，通過放置和壓實各種土壤，沙子，粘土或岩石組成的複雜半塑料土堆而產生的水壩。它的表面具有半透水的天然防水覆蓋層，並且芯層緻密，不透水，主要是防滲表面或滲水侵蝕。

目錄

概述

土石壩是用土、砂、石頭建造的寬壩，斷面一般為梯形，因為底部承受的水壓比頂部的大的多，所以底部較頂部寬，適合建在寬谷的基岩或軟土地基上。土石壩依使用材料可分為土壩（earth-fill dam）與堆石壩（rock-fill dam）兩類。方法是用壓實土製成的土石壩（又稱土壩）或堆石壩，也就是建在堅硬的岩石或較軟的土壤上。堆石壩的建立是使用炸藥將石塊破碎成較小的等級，以得到在堤壩中使用的尺寸。顆粒的摩擦和相互作用將顆粒粘合在一起形成穩定的團塊，而不是通過使用膠結物質。

由於物料較鬆散，水會慢慢滲入堤壩，降低堤壩的堅固程度。因此，會在堤壩表面加上一層防水的黏土；或在壩體內修築透水性更小的防滲層（黏土、混凝土或瀝青混凝土等材質防滲層，有心牆和斜牆兩種類型）；或設計一些通道，讓一部分的水流走。土石壩的橫截面顯示出類似堤岸或丘陵的形狀。大多數都具有由不滲透材料組成的中央部分或核心，以阻止水滲入大壩。芯可以是粘土，混凝土或瀝青混凝土。這種類型的水壩是大河谷地區的理想選擇。

起源

1924 年土壤力學之父 Carl von Terzaghi 發表了壓密理論，開啟了大地工程研究的蓬勃發展，近百年來，對土壤材料的特性，例如黏滯性、壓縮性、滲透性、安定性、有效應力、剪力強度等，已有充分的研究瞭解，並對各參數賦予科學的定義。故近代土石壩多採用分區型滾壓土石壩，考量大壩內各分區不同的力學行為及阻水、透水、保土、抵抗外力之需求，將不同的土石材料，例如粉土黏土、砂、礫石，塊石等，依其特性及比例分區堆填輾壓，以得到最安全最經濟的大壩構造，石門大壩即是分區輾壓型土石壩。

水壩類型

石門水庫大壩

石門水庫大壩是土石壩，是將土石分層輾壓夯實而成。以土石築壩是人類為引水蓄水、調節利用水量，最早採用的築壩自然材料。19 世紀 20 年代發明了水泥，而於 20 世紀初期，才有了完全用混凝土澆築的混凝土壩。一般而言，水壩以築壩材料區分，有土壩、土石壩、堆石壩及混凝土壩，但以水壩抵擋水壓力及地震力的結構力學行為區分，又可分為重力壩，扶壁壩及拱壩。

石門水庫於係採中央不透水心牆分區分層滾壓土石壩，也就是說石門大壩完全是由土石堆積而成的，是將土石依功能需求分級分類或篩選，或加工，依不透水及安定之需要分區分層滾壓填築而成。中央是以高塑性黏土構成的不透水心牆），負責阻止水的滲透，再來兩側是過濾層負責保護中央不透水心牆材料之流失，再外層也是最大的一層是半透水殼層負責大壩的安定，最外層是大石壩的保護層，分區分層各司其責結合而成安定的大壩；而土石壩最忌洪水漫流壩身導致毀壞，溢洪道不可與壩身在一起，故石門水庫溢洪道建於大壩右側山脊，設有弧形閘門6座，最大溢洪量每秒11,400立方公尺，另設有緊急排洪隧道及排砂隧道，最大溢洪量每秒2,700立方公尺，總計排洪量共每秒14,100立方公尺，可確保颱洪期間大壩安全。

材料分類

土石材料的分類-興建土石大壩涉及的科學技術相當廣泛，本文係就土石之一般物理性質來解析分區型土石壩各區所須的材料特性。首先即須瞭解土石材料是如何分類的？填築大壩之土石材料須要給予適當的分類，才能標準化的充分利用不同土石的特性。1952 年，美國墾務局及陸軍工兵署修正了哈佛大學 Arthur Casagrande 教授之飛機場土壤分類，並命名為統一土壤分類系統 (Unified Soil Classification System ; USCS)。

該分類系統為目前台灣大地工程界普遍採用。其分類土壤係考慮兩個要素：

1. 土壤的粒徑分布：粗粒料以美國標準篩來分析土壤粒徑分布，細粒料以比重計分析之，依粒徑分布曲線可瞭解該土壤的級配狀況。
2. 細粒土壤的塑性及壓縮性：以阿太堡限度試驗及 Casagrande 塑性圖來分類。

功能

土石壩由零散的獨立材料顆粒組成，由於土石壩龐大的自重與蓄水壓應力，需要嚴格計算其地基設計與處理。對於土石壩如果洪水漫壩，將造成潰壩。因此土石壩必須具有處理500年最大可能洪水的泄洪能力。修建水壩和在其後方蓄水給山谷的地面和兩側增加了新的重量。因此，必須在建築之前計算大壩的應力水平，以確保不超過其破壞水平閾值。

安全性

水的應力隨著深度的增加而線性增加。水也推向水壩的上游面，這是一種非剛性結構，在應力作用下具有半塑性作用，與淺水位相比，在水壩底部附近需要更大的調節需求。土石壩的溢流或溢流超出其溢洪道能力將導致其最終失效。大壩頂面徑流對大壩材料的侵蝕將清除其重量使大壩保持在適當位置的材料塊，並克服作用於移動大壩的水力。即使是持續不斷的小流量，也可以在數小時內從大壩中清除數千噸的表土。由於仍然被擋在水壩後面的水量壓在路堤的減輕的質量上，該質量的去除使使水壩抵靠其水庫的穩定力失衡，而路堤的減輕的質量因表面侵蝕而變輕。

調節水量

隨著大壩的侵蝕，蓄水池施加的力開始移動整個結構。幾乎沒有彈性強度的路堤將開始分裂成幾小段，使蓄積的水庫水在它們之間流動，侵蝕並清除更多的物質。在破壞的最後階段，路堤的其餘部分幾乎不會對水流產生任何阻力，並繼續破裂成越來越小的土或岩石段，直到它們分解成泥土，岩石和水。

因此，對溢洪道的安全要求很高，並且要求溢洪道能夠容納最大洪水位。編寫規範通常是這樣，至少可以包含一百年的洪水。在第三個千年之交前後，開發了許多堤壩防溢系統。這些技術包括混凝土漫頂保護系統，片樁，亂石和金屬筐，加筋土，最小能量損失堰，堤溢出台階式溢洪道和預製混凝土塊保護系統。

影片

嘉義仁義潭水庫~為離槽式人工土石壩水庫，是散步欣賞風景的好地方