填水坝
背景
水坝是人类为集体使用而建造的最古老的建筑之一。大坝是跨越河流或溪流建造的屏障，可以阻挡或蓄水以供应饮用水或灌溉用水、控制洪水和发电。坝体的主要种类有填土、堆石、混凝土重力坝、混凝土拱坝和重力拱坝。后三种类型均由混凝土、钢筋混凝土或砖石制成。 （砌体一词可以指混凝土、砖块或挖掘出的岩石块。）填筑坝包括所有由压实在一起的泥土材料（土壤和岩石）制成的坝。一种称为尾矿坝的填筑坝是由采矿过程中处理岩石产生的细碎废料建造的；在矿场，这种类似土壤的废物被压实形成堤坝，为采矿和碾磨过程保水，或将尾矿本身保留在水中。
在上面列出的主要大坝类别中，尽管在 19 世纪和 20 世纪随着工程技术的改进进行了许多改进，但都是自古以来建造的。漏水的大坝未能发挥作用，要么是因为它们根本无法蓄水，要么是因为渗入其中的水吞噬了大坝内部的材料，导致大坝结构失效。在现代，大多数填筑坝还建有包括粘土中心或核心、过滤和排水层、夹在粘土核心之间的较粗的材料以及上游（水）面上的岩石以防止侵蚀的区域。当从大坝的上游到下游侧截取横截面时，可以清楚地看到这些区域。所有填充坝都依靠重量来保持稳定。
填充堤坝的建造成本通常低于混凝土坝。现场有土壤或岩石，施工技术虽然复杂，但成本也低于混凝土施工。由于可用材料、低成本和质量稳定性的这些原因，填料坝通常跨越宽阔的水道建造。它们也比混凝土结构更灵活，如果大坝下的地基材料因大坝和水的重量而压缩，则可以变形而不必破坏。
历史
很自然地，早期的大坝建造者开始使用大量材料，如沙子、木材和刷子以及砾石。他们的建造方法包括用篮子运送材料和松散地倾倒填料，因此这些水坝中的许多可能只存活了几年。科学家们无法确定最早建造水坝的日期，但他们确实知道在粮食种植和易受洪水侵袭的地区需要水坝。
填料坝的设计基于经验；虽然失败是不幸的，有时是灾难性的，但他们也是最好的老师，许多工程进步都是建立在对早期失败的仔细研究的基础上的。古印度和斯里兰卡的工程师是填筑坝设计和建造最成功的先驱，土坝遗迹在这两个国家仍然可见。在斯里兰卡，人们建造了被称为水箱的长堤来储存灌溉用水。卡拉巴拉拉坦克的周长为 37 英里（60 公里）。
最近建造的最著名的填土坝是 1970-1980 年在埃及尼罗河上建造的阿斯旺高坝。 1976 年 6 月，爱达荷州的提顿大坝由于坝内区域设计不正确，导致山谷下游渗漏、破裂和洪水，从内部侵蚀了一座填土坝。尽管土坝往往又短又宽，但塔吉克斯坦的 Nurek 坝高 984 英尺（300 米）。
原材料
用于建造填筑坝的材料包括土壤和岩石。土壤按颗粒大小从称为粘土的最小的亚微观颗粒中分类；淤泥，也很细；沙子从细到粗，细粒是我们肉眼能看到的最小的土壤颗粒；和砾石。称为鹅卵石和巨石的较粗碎片也用于大坝建设，但通常用作保护外层。
建造大坝内的区域需要特定的土壤类型和大小范围，对大坝基础区域、蓄水水库和周边区域进行勘探不仅是为了大坝的设计，而且是为了寻找建筑材料.填料施工的成本随着材料运输距离的增加而急剧上升。潜在建筑材料的样品在土壤实验室中进行粒度、水分含量、干密度（重量）、可塑性和渗透性测试。粘土不仅尺寸非常细，而且具有使其粘在一起的化学特性。精细尺寸和塑性行为的结合也导致粘土对水的渗透性降低。如果场地附近有粘土，大坝可以建有不透水的核心区或中心区，以防止水通过大坝；否则，大坝的设计必须使水可以通过其区域中不同的材料组合缓慢而安全地渗入。
水也是一种原料。各种土壤类型具有可在实验室中确定并在施工期间使用的压实特性。通过增加水分、重量和冲击力，可以将土壤压实至其最佳功能密度，称为压实效果。加入适量的水后，大型振动压路机将薄薄的土壤层压入到位。水和重力将土壤颗粒结合在一起，迫使较小的颗粒进入较大颗粒之间的空间，从而消除空隙或使空隙尽可能小以限制渗漏。
越来越多的填料坝还包括土工布和土工膜。土工布是一种坚固且抗穿刺的无纺布。当大坝升高以加强弱材料时，它们可以放置在升降机之间。它们还用作过滤织物来包裹较粗的排水岩石并限制细土迁移到排水材料中。土工膜由高密度聚乙烯 (HDPE) 塑料制成，不透水。它们可用于填埋坝上游面的衬里，甚至可以用于整个水库的衬里。
可行性及
初步设计
对大坝的特定需求，无论是供水、尾矿或其他材料的储存，还是防洪，都会刺激设计和建造填充坝的过程。需要和位置通常是紧密相连的，所以可以考虑几个站点。在可行性研究期间，工程师确定这些地点，进行初步成本比较，决定可能的设计，并选择最佳地点进行勘探。可行性当然是指建造大坝的成本，但也包括场地适宜性、设计、施工以及长期维护和安全的技术实用性。
在选择了一个可行的地点后，对大坝进行了初步设计。大坝的位置叠加在地形图上，因此可以显示大坝顶部相对于相邻山丘顶部的尺寸和建议的水位，以及大坝底部在溪流中的范围渠道。建议的水位高程显示了水库的范围，并与盆地的形状一起确定了水库将容纳的水量。用于建造大坝的蓄水量和材料有助于确定项目的价值及其成本。有时需要多次迭代选址、预设计和成本估算。理想情况下，坝下基础区不需要大量开挖或注浆以防止渗漏，库区内的材料可以开挖用于筑坝，从而在获得更多的水库储存量的同时获得更多的土壤或岩石被挖掘以建造堤防。
当在纸上选择了最佳地点时，就会制定并执行勘探计划。在勘探过程中，沿大坝轴线穿过其拟定宽度、沿或靠近拟定的大坝上游和下游趾部、拟建溢洪道现场和库区钻探试验孔。钻孔深入地基，以评估其强度和渗透性（渗漏潜力）特性。当钻孔穿过上覆土壤时，也会在实验室中进行取样和测试，因此可以将其评估为潜在的大坝建筑材料。渗透率的现场测试也在大坝现场和库区进行。如果它是建筑材料的来源，还要在库区挖试验坑，以便估算可用土壤的体积（和相关成本）。
设计
现场勘探和实验室测试完成后，工程团队根据初步假设、现场调查结果以及基于现场调查结果的任何设计或经济变化开始大坝的最终设计。在设计填筑坝时，工程师会考虑五个关键因素：使坝体稳定的坝体质量；设计核心区和其他内部区域以防止通过大坝渗漏；在大坝下设计防渗墙或其他防渗措施；上游工作面的侵蚀保护；和经济学。
填料坝通常呈三角形，其顶点或点位于坝顶或坝顶，而宽阔的底部位于河道底部。底部横截面的宽度提供摩擦力以防止滑动，而大坝的总质量使其足够坚固以抵抗其后水的重量。地基区域清除柔软、可渗透和可压缩的土壤；截流墙被切割成岩石或坚硬的土壤。防渗墙可以用钢板桩或混凝土建造，但是，对于大约 1960 年以来建造的大多数填土坝，防渗墙只是粘土芯的延伸。在地基岩石或土壤中含有空隙或裂缝的地方，可以在地基上钻一系列孔，然后在孔中注入混凝土灌浆以密封裂缝并帮助切断渗漏。
填筑坝的区域可能由许多不同的层组成，这些层从坝的中心向上游向水移动，以及从中心向下游移动的一组不同的层。区域的材料是根据强度特性和渗透特性选择的，一个区域与另一个区域相邻的位置由基于这些属性的一组计算仔细控制。包括过滤器和排水区，以便任何成功到达大坝内部的水都被引导到核心周围，并通过大坝底部的排水层排出。
大坝的上游（水）面有时用混凝土板或沥青面保护。更常见的是，鹅卵石和巨石大小的石头被放置在靠近水面的这个面上；这种饰面称为抛石，可防止水面的波浪作用侵蚀大坝建筑材料。其他用于控制水位和任何通过或越过大坝的水流动的设施，如紧急溢洪道，也专门针对大坝的位置、用途、建筑类型和材料以及流入水库的水量而设计。
在整个设计过程中都考虑了大坝建设的经济性。施工材料必须在现场或附近可用。岩石可以比土壤更陡峭的角度放置，并且它的重量更大；因此，主要由岩石建造的大坝在设计截面上可以更小。然而，挖掘和移动岩石可能比土壤更昂贵，因此设计工程师必须考虑成本因素。其他用于灌浆的材料，如沥青、混凝土、钢材和水泥也很昂贵。安全性和经济性的适当平衡必须由工程师决定。大型土方机械已使更多的分区填筑水坝建设 
典型填筑坝的横截面。比在许多地点建造混凝土坝更经济。
施工过程
- 填料水坝建于旱季，此时河流或溪流中的水位较低，填料源上降雨的可能性较小，且条件更适合操作大型建筑设备。在实际开始施工之前，对场地进行调查，以确定现有地面上的大坝路线、将要开挖的区域以及施工中使用的土壤或岩石的取土区或来源。建设管理设施已设置；通常，施工经理（具有多年类似经验的现场工程师）将在现场使用拖车进行工作。根据现场的不同，可能需要安装仪器来监测大坝建设对相邻山坡或其他特征的影响，并在整个施工过程中测量地基和周围的地下水位。而且，当然，必须阻止流经该地点的水流。这可以通过多种方法来完成，包括使河流改道，也许流过相邻的渠道，或者用临时大坝或围堰阻止上游。
- 在开始建造大坝之前，必须准备好基础区域。在极少数情况下，可以直接在渠道底板的现有材料上建造水坝；在大多数地点，这些材料是可压缩的（并且会导致大坝不规则沉降）和可渗透的（允许水从大坝下方通过）。基础区域还包括桥台，桥台是形成大坝两端的山坡。土壤和软或高度破碎的岩石被挖掘出来，按类型分类，并储存起来以备以后用于大坝建设。地基基岩表面清洁到令人惊讶的程度；用水对它进行扫帚和软管冲洗，以便可以看到任何空隙或不规则处，并清除软土。在任何施工工作之前，都会仔细检查地基；如果对地基状况有任何疑问，可能会进行额外的勘探钻井。如果岩石破裂或包含空隙或孔洞，则在称为牙科工作的过程中，通过小直径钻孔注入水泥浆将其密封。
- 大坝的底部必须先沉入地下，然后才能升起。一条与大坝全宽（穿过渠道）的沟渠被切割成坚固的岩石。沟渠被称为键槽或截止墙，可能有几个进入岩石的长凳或凹口。它可以防止大坝沿着光滑的地基滑动，并为任何试图在大坝下方流动的渗漏创造更长的路径。将构成大坝核心的不透水粘土放置在键槽中并逐层压实和升高，直到到达键槽的顶部或大部分地基的底部。
- 键槽和大坝所有区域的土壤同时升高到相同的水平。坡道可能需要削减
计划中的填充坝的空中视图。进入施工设备的键槽区，然后必须将它们搭建到坝顶的工作面。尽可能从大坝两侧（桥台）挖出道路，以方便进入；最终，一条通路将建在大坝的顶部，并延伸到这些桥墩上。 大型推土机拖运特定类型的土壤，以抬高他们正在施工的大坝区域。将土壤铺成薄层，通常为 6-8 英寸（15.2-20.3 厘米）厚，喷水至适当的含水量，然后用羊脚压路机压实（压实的压路机具有类似动物蹄的叉子，围绕着压路机成排安装将土壤压实并振动到位）。如果在建筑中使用砾石，则使用振动压路机将颗粒振动在一起，使它们的角度相互啮合并且不会留下任何开口。
在整个压实过程中，检查员会批准在现场拖运到大坝特定区域的土壤。他们拒绝被草、根、垃圾或其他碎片污染的材料；并且他们还拒绝那些看起来不适合大坝区域的颗粒大小的土壤。为了质量控制，样品在实验室收集和测试（对于大型水坝，现场土壤实验室安装在施工拖车中）进行各种分类测试。同时，当土壤被放置和压实时，检查员使用核密度计测试土壤的密度和水分含量。核密度计使用非常微小的放射源将放射性粒子发射到土壤中；颗粒弹回探测器板上并指示土壤的湿度和密度。该过程对环境或操作员（佩戴徽章以监测放射性暴露）无害，并且无需挖掘和采样即可提供数据。如果不满足压实要求，则挖掘该层土壤，再次放置并重新压实，直到其水分和密度合适。
填土坝的建设逐层逐区进行，直到每个区的高度，最终达到坝顶。如果不能在一个施工季节建成整座大坝，则通常分阶段或分阶段设计大坝。完成一个施工阶段（或整个大坝）通常是与时间、天气和项目预算赛跑。
- 一些土坝在填充填充物的同时在其中安装了工具，并且这些工具像填充物一样按层和区域构建到地表。根据联邦、州和地方法律以及工程实践标准的要求，在整个生命周期内对大坝的状况进行监测。仪器的类型因大坝的位置而异；几乎所有大坝都有沉降纪念碑，用于测量大坝表面或区域的任何沉降，坡度指示器以显示大坝内部或表面上的斜面是否在移动，以及用于监测水的水位指示器大坝区域内的水位。地震活跃地区的大坝也可能配备测量地面震动的仪器。
- 水坝可能有各种其他设施，具体取决于它们的大小、用途和位置。所有大坝都需要紧急溢洪道，以允许洪水流过逃生路线，而不是流过大坝顶部。其他用于生产水力发电的溢洪道可能会在发电大坝上设计和建造，并且需要在为此目的建造的堤坝上放水用于灌溉和饮用水供应。在填筑坝上，通常希望通过地基或桥台岩石将这些其他设施放置在开挖中；将土壤压实到实际穿过填充物的结构的过程是棘手的，并且允许渗漏路径。
- 有时，当蓄水区要注满水时，也会被清理干净，尤其是在可以收获木材的情况下。没有必要（而且成本太高）清除所有灌木和草。水库的注水过程比较缓慢，所以大部分野生动物会随着水位的上升而移动；令人关注的领域包括稀有或濒危物种的栖息地，这些栖息地的淹死一直是建造一些大坝的一个问题。
大坝建成后，从河道分流的水被允许填充水库。随着水位上升，大坝的部分水位也在上升，在蓄水期间仔细监测大坝内的仪器。通过仪器和简单观察对大坝的性能进行常规监测；向当地应急服务部门提交安全计划，以便仪器读数的突然变化或大坝或其水库的外观触发行动，以提醒和疏散生活在下游洪水路径上的人员。维修也是例行的。
质量控制
质量工程对于建造填筑坝至关重要，因为所用材料的强度特性低于混凝土坝所需的钢材和混凝土，并且因为浇筑最终决定了强度、渗漏和沉降等问题的可能性，以及最终的性能和安全性。岩土工程工程师在确保设计和土方材料匹配以制造安全产品方面发挥着关键作用；但许多其他专业人士，包括地质学家、施工技术人员、其他工程师以及监督机构的代表，都完全致力于同一目的。
副产品/废物
填土坝建设中没有副产品，尽管有时会产生填土用于建造通路和其他支撑结构。浪费也很少甚至不存在；挖掘多余的土壤，尤其是岩石是非常昂贵的，因为运输这些材料是非常昂贵的，因此废物被排除在设计之外。
未来
主要是由于环境问题，未来任何大坝的设计和建造都将是一个经过大量研究和争议的过程。然而，填充水坝往往被认为更环保，因为它们由泥土材料制成，比整体混凝土结构更好地融入风景。事实证明，水坝已被证明是满足人类供水需求的有用且成本更低的解决方案，工程技术的巨大进步改善了 20 世纪后期的安全记录。尽管在建造水坝时必须考虑许多成本和议程，但在提供饮用水、灌溉供应和防洪需求方面，蓄水坝已经并将继续证明自己是盟友。
制造工艺