水库大坝剖开看：坝底渗进去的水能把大坝托轻四成，溢洪道末端的水接近时速一百公里

发布于 2027-02-06｜相关行业：水利水电

一张水库枢纽平面图上，到底画了些什么

水库的设计图，主图是一张枢纽总平面布置图：一片密密的等高线勾出一条山谷，一道粗线横截谷口——那是大坝；坝的一侧，一条细长的通道从库区沿着山坡斜斜地通到下游河道——那是溢洪道；坝前库区里一个小方块连着一根穿过坝底或山体的细线——那是取水塔和放水涵（或者泄洪洞）。图上还标着坝顶高程、正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位几条水位线。

配合平面图的是一组剖面图：大坝标准剖面告诉你坝有多高、两侧坡多陡、坝体里分了几个区；溢洪道纵剖面告诉你堰顶多高、泄槽多陡、末端怎么消能；取水建筑物剖面告诉你水从哪个高程取、从哪条管子放。

第 20 期讲河道整治，讲的是一条河；这一期讲库——在河上横着截一道坝，把水存起来，再想办法在洪水来时安全地放出去。主线是：先分清枢纽里的三类东西，再逐个剖开土石坝、重力坝、溢洪道和放水设施，每一处都把那个关键的数算给你看。

先分清三件事：挡水、泄水、放水

一座水库枢纽里的建筑物，按它在干什么分三类，比按名字记好用得多：

挡水——大坝。横截河谷，把水拦住存起来。它的任务是自己站得住、不漏水、不被水漫过坝顶。泄水——溢洪道和泄洪洞。洪水来了、库满了，多出来的水必须有一条路安全地放到下游，不然水就会从坝顶漫过去。放水——取水塔、放水涵（输水洞）。平时按需要把库里的水送出去灌溉、供水、发电，或者检修时把水库放空。

三类里最容易混的是后两类：泄水是为了保坝，放水是为了用水。溢洪道一年里大部分时间是干的，只在汛期满库时才过水；放水设施则几乎天天在用。看一张枢纽平面图，先把这三样找齐，缺了哪一样都不是一座完整的水库。下面这座沙盘里，1 是大坝，2 是溢洪道的溢流堰，3 是取水塔。

水库大坝类型有哪些：按材料分两大家

水库大坝类型有哪些？最有用的第一刀是按坝体用什么材料分成两大家：

土石坝——用当地的土、砂砾、石料一层层碾压填筑起来。坝体是松散材料堆成的梯形，两侧坡很缓，底宽常常是坝高的好几倍。它的最大优点是就地取材、对地基要求低，所以绝大多数中小水库都是土石坝。它最怕的是水从坝顶漫过去——松散材料一过水就被冲垮。

混凝土坝——又分三种形态。重力坝：一个上游面近乎竖直、下游面斜下来的三角形实体，靠自身重量压在地基上不滑不倒；拱坝：一道向上游弯出去的薄拱壳，把水压沿拱圈传给两岸山体，所以只能建在两岸岩石坚硬的窄峡谷里，用料最省；支墩坝：一排支墩撑着一块挡水面板，介于两者之间，现在新建的很少。混凝土坝能让水从坝顶的溢流段直接泄下去，土石坝不能——这一条决定了后面溢洪道放在哪。

土石坝分为哪几种：看防渗体放在哪

土石坝分为哪几种？土石坝本身的材料透水，所以每座土石坝都要有一个防渗体把水挡住。按防渗体是什么、放在哪，土石坝分四种：

均质坝：整座坝用同一种透水性小的土（黏性土）填筑，坝体本身就是防渗体。结构最简单，但黏性土填得多、施工受雨季影响大，多用于低坝。心墙坝：坝的正中间立一道竖直的黏土（或沥青混凝土）心墙防渗，两侧是透水性大、强度高的砂砾石或堆石坝壳，心墙和坝壳之间夹着反滤层。这是中高土石坝最常见的一种。斜墙坝：防渗体是一道贴在上游坡里面的倾斜黏土墙，下游大部分坝体都是透水料。面板堆石坝：整座坝是碾压堆石，防渗靠铺在上游坡面上的一层钢筋混凝土面板，面板底部接一道趾板嵌进基岩。

四种的分界是防渗体的位置：均质坝是整座坝，心墙在正中，斜墙在上游坡里，面板在上游坡表面。剖面图上找到那条颜色不同的带子在哪，就知道这是哪一种。

土石坝剖面图：从上游到下游七样东西

以最常见的心墙坝为例，把土石坝剖面图从左（上游、库区）到右（下游）读一遍：

上游护坡——迎水坡表面铺一层干砌石、浆砌石或混凝土板，挡住风浪淘刷坡面；上游坝壳——砂砾石或堆石，撑住心墙、保证坝坡稳定；反滤层——心墙两侧各夹几层由细到粗的砂和砾石；黏土心墙——坝体正中的防渗体，顶部高出正常蓄水位，底部插进地基的截水槽；下游坝壳；下游护坡——通常是草皮或碎石，坡上每隔一段高度有一条水平的马道；坝脚排水——下游坝脚一堆大块石头的排水棱体（或贴坡排水、褥垫排水），把渗过坝体的水收走。坝顶有路面，靠上游一侧常立一道防浪墙。

图上这些分区是用不同的填充图例画的，外行看是一堆斜线和点点。三维剖切把它们立起来之后就一目了然：心墙是中间一道深色的楔子，坝壳是两边大块的浅色石料，反滤层是夹在中间的几条细带。配图里的编号 1–5 依次是上游护坡、上游坝壳、反滤层、黏土心墙、排水棱体。

反滤层：土和石头之间为什么要夹几层砂

心墙是细颗粒的黏土，坝壳是粗颗粒的石料。水从心墙里渗出来进入坝壳时，如果两者直接贴着，细土颗粒会被水一点点带进石缝里——心墙越渗越空，最后形成一条渗水通道，这就是管涌和接触冲刷。第 21 期讲基坑时讲过管涌怎么从桩脚下面把砂掏空，道理一样，只是这里被掏的是坝。

反滤层就是夹在中间的几层由细到粗的砂砾，每一层都要同时满足两个互相矛盾的要求：孔隙要足够小，挡住前一层的颗粒不被带走；又要足够透水，让水顺利通过、不在界面上憋出压力。经典的太沙基反滤准则把这两条写成颗粒粒径之比，大意是反滤料的细颗粒粒径要落在被保护土粗颗粒粒径的 4 到 5 倍以内，同时又要大于被保护土细颗粒粒径的 4 到 5 倍——一层做不到就分两三层逐级过渡。

所以反滤层在剖面图上是薄薄的几条带子，却是土石坝里最不能省的一件东西。画成心墙直接贴着堆石的，内行一眼就知道少了反滤。

浸润线：水在坝身里走的那条线

土石坝不是不透水的——再好的土也会渗水，只是慢。水从上游坡渗进坝体，一路往下游走，渗流区的顶面是一条从上游水面斜着往下弯到下游的曲线，叫浸润线。线以下的坝体是饱和的湿土，线以上是干的。

浸润线的位置决定了两件事：一是下游坡稳不稳——饱和的土又重又软，浸润线越高，下游坡越容易滑；二是水从哪出来——如果浸润线在到达坝脚之前就碰到了下游坡面，水就会从坡面上渗出来，坡面湿一大片，这叫散浸。散浸本身不一定马上出事，但渗出点附近的土被水泡着、被水流带走颗粒，是溃坝的常见前兆。

工程上算浸润线最常用的是卡萨格兰德法：把浸润线近似成一条抛物线，焦点放在渗水最后的出口。出口在哪，抛物线就往哪弯。下一节算给你看同一座坝两种出口的差别。

坝脚堆一座石头棱体，渗水就不从坡上冒出来

拿一座 20 米高的均质土坝算：坝顶宽 6 米，上游坡 1:3，下游坡 1:2.5，库水深 17 米（坝顶留 3 米超高）。

不设排水时，抛物线的焦点只能放在下游坝脚。按卡萨格兰德的出逸点公式 a = √(d² + H²) − √(d² − H²·cot²α)（下游坡角小于 30° 时适用），渗水在下游坡面上的出逸点离地 5.2 米，从那里到坝脚一段 14 米长的坡面都是湿的。

在坝脚堆一座 5 米高的块石排水棱体，焦点就移到棱体的内坡脚——离坝脚 22 米的坝体里面。浸润线还没碰到下游坡面就落进了石堆，水顺着石缝流走，下游坡面整个是干的。

这一笔账说明了排水棱体的本质：它不是把水挡住，是给水一条更近的出路。土石坝的防渗靠心墙、斜墙或面板，排水靠坝脚这一堆石头，两件事分工不同，缺一不可。剖面图上坝脚那个小三角形不是护脚装饰，是渗流设计的终点。

上游坡为什么比下游坡缓，坝坡放缓一档要多填多少土

和第 20 期的堤防一样，土石坝两侧的坡不对称，而且方向相同：上游坡（迎水坡）更缓。理由比堤防还多一条：上游坡长年泡在水里，土是饱和的、强度低；而且水库放水时库水位下降得快，坡体里的水来不及排出去，反过来往外推坡面——这叫水位骤降，是上游坡最危险的工况。所以上游坡常比下游坡缓半档到一档，上面算例取的 1:3 对 1:2.5 就是这个道理。

坡比放缓也有代价。那座 20 米高的坝，下游坡从 1:2.5 放缓到 1:3，坝脚往外推 10 米，每延米坝多填 100 方土；坝长 300 米的话，多填 3 万方、坝基多占 4.5 亩。第 20 期算过 3 米高的堤从 1:2 放到 1:3 一公里多占 9 亩，坝比堤高得多，同样放缓一档，每米坝多出来的量要大得多。

至于坝坡站不站得住，第 25 期讲路基边坡时算过：同一个坡，泡透了水安全系数直接打对折。土石坝的坡比、浸润线和排水，说到底都是在跟这一条较劲。

土石坝最怕的一件事：水从坝顶漫过去

土石坝是松散材料堆起来的，坝坡能扛住渗流、扛住风浪，唯独扛不住水从坝顶漫过去。一旦漫顶，水流顺着下游坡往下冲，很快就冲出一道缺口，缺口越冲越宽，整座坝可能在几个小时里溃掉。土石坝失事最主要的原因之一就是漫顶。

所以土石坝的设计里有一条铁律：坝顶高程必须高出最高洪水位一截（和第 20 期堤顶高程一样，是洪水位加波浪爬高再加安全加高），而且必须另有一条泄洪的路，保证再大的洪水来了，库水位也涨不到坝顶。这条路就是溢洪道。

混凝土坝就不一样——它可以在坝身上开溢流表孔，让洪水从坝顶的溢流段直接泄下去，坝体本身不怕水冲。这就是为什么土石坝水库几乎都有一条单独的岸边溢洪道，而混凝土坝的泄洪设施常常就长在坝身上。

重力坝剖开：廊道、帷幕、排水孔

混凝土重力坝的剖面是一个上游面近乎竖直、下游面斜下来的三角形。外形简单，要看的都在坝底附近：

基础灌浆廊道——坝体底部靠上游一侧，一条沿坝轴线贯通整座坝的方形隧道，人能走进去。它不是运输通道，是施工和维护用的工作面。防渗帷幕——从廊道里向下钻孔、往基岩裂隙里压水泥浆，在坝踵下方的岩体里形成一道深入地下的竖直防渗墙，挡住库水从坝底绕过来。坝基排水孔——在帷幕下游一侧、也是从廊道里向下钻的一排孔，把穿过帷幕的残余渗水收集起来排走。

三样东西合起来干一件事：不让坝底憋着一层有压力的水。坝体里往往还有几层廊道和一排竖向的坝体排水管，管的是同一件事。为什么这件事这么要紧，下一节算。配图里 1 是基础灌浆廊道，2 是防渗帷幕，3 是坝基排水孔。

坝底的水能把大坝托轻四成：扬压力和抗滑稳定

重力坝靠自重站住：库水从上游往下游推它，它靠自重压在地基上产生的摩擦力扛住。抗滑稳定用最简单的纯摩公式算：K = f·(ΣW − U) / ΣP，ΣW 是坝的自重，ΣP 是水平水压力，f 是坝底和基岩之间的摩擦系数，U 就是扬压力——坝底渗进去的水往上托坝的那个力。

拿一座 30 米高的三角形重力坝算（上游水深 30 米、底宽 22.5 米、混凝土重度 24 kN/m³，每延米计）：自重 8100 kN，水推力 4414.5 kN，f 取 0.70。不计扬压力，K = 1.28，看起来很稳。

但坝底一定会渗水。不做帷幕和排水孔，坝底的水压从坝踵的满水头线性降到坝趾的零，往上托 3311 kN——自重的四成就这样被水托走了，K 掉到 0.76，小于 1，坝会被推着滑出去。做了帷幕加排水孔（排水孔距上游面 3 米，那里的扬压力按折减系数 0.25 计），扬压力只剩 1269 kN，砍掉六成，K 回到 1.08。K 大于 1 只说明不会滑，规范还要求留出一截安全余量，具体要多少按坝的级别和荷载组合查设计规范——这座示例坝的余量并不宽裕。

这就是重力坝底部那条廊道存在的全部理由：帷幕和排水孔是从那里打的，也要从那里常年检查、清淤、补孔。排水孔一堵，扬压力就回来。和第 25 期「泡了水安全系数打对折」是同一件事的另一张脸：水不推你，它把你托轻。

溢洪道的作用，和泄洪洞、泄洪道有什么区别

溢洪道的作用只有一个：水库满了以后，把多出来的洪水安全地放到下游，保证库水位永远涨不到坝顶。它是水库的安全阀，平时干着，汛期才用得上，但一次都不能失灵。

「溢洪道和泄洪道的区别」是这个题目下搜得最多的问题之一。简单说：泄洪道是口语里的统称，凡是用来泄洪的通道都常被叫作泄洪道（规范里更严谨的说法是泄水建筑物）；溢洪道特指从库区引水、水流漫过堰顶再顺着一条开敞的明槽泄下去的那一种，多修在坝旁的岸坡或垭口上，所以也叫岸边溢洪道；泄洪洞是穿过山体的隧洞，进口可以放得很低，除了泄洪还能放空水库、排沙。混凝土坝上还有长在坝身上的溢流表孔和泄水中孔、底孔，也都属于泄洪设施。

有些水库还会另设一条非常溢洪道（也叫备用溢洪道）：平时用一段较低的土堤或自溃坝封着，只有遇到超过设计标准的特大洪水、正常溢洪道泄不及时才启用，牺牲这一段来保住主坝。

溢洪道分为哪几段：引水渠、控制段、泄槽、消能段、出水渠

溢洪道分为哪几段？沿着水流方向，一条正槽式岸边溢洪道从头到尾是五段：

一、引水渠（也叫进水渠）——从库区把水平顺地引到堰前，渠底低、流速小，两侧常做成喇叭口。二、控制段——溢洪道的咽喉，一道横跨的溢流堰，堰顶高程决定库水位涨到多少才开始泄洪；堰上常有闸墩分孔、装弧形闸门，可以控制泄量。三、泄槽——堰后一条又长又陡的混凝土明槽，把水从高处送下山坡，水在这里越跑越快。四、消能防冲设施——泄槽末端，要么是一个挑流鼻坎把水抛向下游，要么是一个消力池让水跃在池里完成。五、出水渠——把已经消了能的水平顺地送回下游河道。

五段里控制段定「放多少」，泄槽定「怎么下来」，消能段定「下来以后别把河床和坝脚啃了」。配图里的编号 1–5 就是这五段，4 画的是挑流鼻坎。下面两节分别算前两件事。

溢洪道有哪几种：正槽、侧槽、井式、虹吸

按水流进出的方向，岸边溢洪道分四种。正槽式：水流过堰的方向和泄槽方向一致，一条直线下去，最常见、水流最顺，上面讲的五段就是这一种。侧槽式：溢流堰顺着库岸等高线修，水从侧面翻过堰落进一条与堰平行的侧槽，再转弯进泄槽——适合两岸山坡陡、没地方摆一条正对库区的长堰的地方。井式：库里立一个喇叭形的竖井口，水从四周溢进井里，顺竖井和一条隧洞泄到下游，占地最小。虹吸式：利用虹吸原理，库水位一超过某个高度就自动启动大流量泄水，现在用得少。

判别方法很简单：看水翻过堰以后是直着走、转个弯走，还是掉进井里走。

溢洪道能泄多少水：还是第 20 期那条堰流公式

控制段的泄流量，用的就是第 20 期讲水闸时那条堰流公式：Q = m · b · √(2g) · H^1.5，自由出流、不计行近流速，口径完全一样。b 是溢流总净宽，H 是堰上水头（库水位高出堰顶的那段高度），m 是流量系数。第 20 期那座闸 m 取 0.40 作示意；溢洪道的控制段多做成曲线型实用堰，堰面贴着水舌的形状，m 更高——落在第 20 期写过的「实用堰约 0.42–0.50」那一档，这里取 0.48，闸墩的侧收缩一并折进 m 里。

一条 3 孔、每孔净宽 10 米的溢洪道：堰上水头 1 米，泄量 64 立方米每秒（63.8）；2 米，180；3 米，331。水头从 1 米涨到 3 米，泄量不是翻 3 倍，是翻 5.2 倍——3 的 1.5 次方。拆开看更直观：第一米水头泄 64，第二米多泄 117，第三米多泄 151，水位越高，每多涨一米放得越多。

这正是溢洪道能削洪峰的原因：洪水进库，库水位上涨，溢洪道泄量跟着水头的 1.5 次方自动加大，涨得越高放得越快，最后进出平衡，库水位停在某个高度——设计就是要保证这个高度在坝顶以下。第 20 期那个「水头翻一倍流量翻 2.83 倍」和这里的「5.2 倍」是同一个 1.5 次方。

泄槽末端的水有多快，鼻坎把它甩多远

水从堰顶进入泄槽，一路往下掉，势能变成速度。不计损失，末端流速就是自由落体那个式子：v = √(2g·Δz)，Δz 是库水位到泄槽末端的落差。落差 40 米，理想流速 28.0 米每秒，折合时速 101 公里；扣掉沿程摩擦，乘一个流速系数（这里取 0.95 作示意），也还有 26.6 米每秒——时速 96 公里。泄槽末端的水，接近时速一百公里。

这么快的水要是直接冲进下游河道，河床和坝脚都会被啃出深坑。第 20 期讲过底流消能——让水在消力池里完成水跃。同样的算法套过来：泄槽单宽流量 11.0 立方米每秒每米、流速 26.6，跃后水深要到 7.5 米，按第 20 期同一个经验系数，池长要铺 43 米——比那座闸的 2.32 米、11 米大了好几倍。

所以高水头、下游是坚硬岩石的溢洪道，更常用挑流消能：泄槽末端做一个向上翘起的鼻坎，把水像滑雪跳台一样抛到空中。按挑角 25°、鼻坎唇口高出下游水面 5 米算水舌中心的抛体轨迹，水舌最高处高出下游水面 11.4 米，在 64.5 米外才落进下游水垫。水在空中散开、掺气，砸进下游的深水里消能，冲刷坑离坝脚和鼻坎都足够远。岩基差、冲刷坑会威胁建筑物安全的地方，才老老实实用消力池。

放水设施：取水塔和放水涵

泄洪是为了保坝，放水是为了用水——灌溉、城市供水、发电，以及检修时把水库放空。放水设施有两种常见的样子：

取水塔（进水塔）：立在坝前库区里的一座塔，塔身上下开着几层进水口，可以按库水位和水质选择从哪一层取水（表层水温高、水质好，底层水凉、泥沙多）；塔后接一条穿过坝底或山体的输水洞（管），把水送到下游。塔顶一座工作桥连着坝顶或岸边，闸门启闭机装在塔顶。放水涵（卧管）：小型水库常见的做法，沿上游坝坡铺一根斜卧的管子，管上每隔一段高度开一个带塞子的放水孔，库水位降到哪就拔开哪个塞子；卧管底部接一根埋在坝下的涵管穿过坝体通到下游。

埋在土石坝底下的涵管有一个老问题：管外壁和填土之间是天然的渗水薄弱面，水容易沿着管子外壁一路渗过坝体。所以管外每隔一段要套一圈截水环把这条缝截断，新建的大中型水库更倾向于把输水洞放在岸边的山体里，不从坝下穿。

水库大坝安全鉴定：三类坝和除险加固

水库大坝建好以后不是一劳永逸。按水利部的《水库大坝安全鉴定办法》，大坝实行定期安全鉴定：首次鉴定在竣工验收后 5 年内进行，以后每隔 6 到 10 年进行一次；遇到大洪水、强地震或者发现重大隐患，要随时鉴定。

鉴定的结论把大坝分成三类：一类坝——实际抗御洪水的标准达到规范要求、工程质量合格，能按设计正常运行；二类坝——基本达标但有缺陷，在加强监控、一定控制运用的条件下能安全运行；三类坝——达不到要求、存在较严重的安全隐患，不能按设计正常运行，就是常说的病险水库，必须除险加固或者降等、报废。

除险加固针对的正是前面讲的那几处：坝体渗漏、浸润线抬高、下游坡散浸——在坝里做一道混凝土防渗墙、在坝脚加排水；溢洪道泄量不够、库水位可能涨到坝顶——加宽溢洪道或者降低堰顶；放水涵老化、沿管壁渗漏——封堵老涵、在山体里另打输水洞。鉴定报告里的每一条问题，都能在这一期的某张剖面上找到它发生的位置。

常见问题

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