土石坝是一个复杂的结构体，大坝中心位置的心墙是由防渗性极强的黏土填充而成，其施工难度随坝体高度增加而升高。而起保护作用的外壳则是由抗压性极高的砂石填筑，这些砂石都经过严格筛选，本身的强度要非常高，还要大小搭配均匀、级配良好。
出品| 网易新闻
作者| 须臾千秋，清华大学土木工程博士
在中国的西部，由于山势险峻，水量充沛，这里大大小小的江河中一直蕴含着巨大的水电资源。
近年来，随着中国经济的发展，国家对电力的需求越来越大，对西部地区的水电开发也越玩越“高端”：从长江中游海拔185米的三峡，到上游金沙江海拔834米的白鹤滩水电站，再到海拔2010米高的虎跳峡水电站……海拔越高，山势越险峻，落差越大，蕴藏的水能资源越丰富，开发起来收益也越大。
可是再往上，到了海拔3000米，连人都会有高原反应的地方，这水电站该怎么修呢？位于四川省甘孜州雅江县境内的雅砻江两河口水电站，正是在这样的海拔上修建起来的土石坝。
它不仅海拔高，自身也高。通常70米以上的土石坝就被称为高坝，而两河口水电站则高达295米，比美国的胡佛大坝还要高出15层楼那样的高度。
这样一座水电站是怎么修建起来的呢？
（一）海拔高自身也高，土石坝是如何修建的？
顾名思义，土石坝就是利用当地土料、石料或混合料筑成的挡水坝，与混凝土修建的拱坝和重力坝很不相同。
一座混凝土大坝的浇筑量少说也要几百万吨，如三峡大坝这样的巨型大坝，混凝土的浇筑量甚至超过7000万吨。每吨混凝土的造价要一百多元，因此光是混凝土的造价就高达数亿元。
要是在平原地带或者公路运输通畅的地方，这个混凝土价格尚且可以接受；但两河口水电站位于高山深谷之中，交通极不便利，不仅使得混凝土的运费大幅上涨，一旦因为恶劣天气和路况阻碍了交通，混凝土在供应量上也很难跟得上，会严重影响工程的进度。
因此，建设者们只好就地取材，利用当地最常见的碎石进行建设。
虽然名为土石坝，但大坝不可能完全由土石建成。土石的简单堆积体透水性极强，起不到挡水作用，在长期水流冲击下也很容易被水冲溃。因此，现实中的土石坝是一个复杂的结构体。
大坝中心位置的心墙是由防渗性极强的黏土填充而成，而起保护作用的外壳则是由抗压性极高的砂石填筑。这些砂石都经过严格筛选，不仅本身的强度要非常高，而且还要大小搭配均匀，级配良好，这样才可以在堆积过程中将砂石之间的缝隙填充得尽可能密实，提高大坝整体的强度。
（土石坝所用砂石）
土石坝中心的心墙，向来是土石坝的核心技术，其施工难度随坝体高度的增加而升高。它不仅要起到重要的防渗作用，而且还兼具着维持坝体稳定的重要作用。其施工难度大，对材料要求高，因此常常成为决定工期和工程质量的重要指标。
经过多方勘察、比选上下游的14个土料场发现，两河口大坝周边土料的抗渗性能虽然可以满足超高坝防渗要求，但总体颗粒偏细，压缩模量、力学指标偏低，协调变形性能不能满足超高坝的要求，需要掺加砾石改性。
（土石坝心墙示意图）
在心墙中掺加砾石会提高心墙的强度，但同时也会降低抗渗性能。此外，掺加砾石的种类也会对心墙的性能造成影响。
经过反复实验，工程师们最终找到了最佳的填充方式，使得心墙的强度和抗渗性能都能达到要求。
（二）砂石填筑量达一亿吨，砂石中的学问可不小
松散的砂石本身并不具有强度，土石坝需要依靠砂石层层向上倾斜的堆积维持强度，因此土石坝的厚度往往很大，相同规模的土石坝所用砂石量远远大于混凝土坝的材料用量。
两河口水电站的砂石填筑量就达到了一亿吨，比三峡大坝还多。为了维持如此巨大的砂石供应，两河口水电站建设项目专门开辟了几座山做为采石场。为了修建整座土石坝，需要消耗两万吨炸药，这相当于一颗广岛原子弹的当量。
然而，由于土石坝对于砂石的质量要求很高，能够为大坝提供堆料的山并不多。
传统的平行起爆方法爆破方法比较差，产生的碎石最大尺寸太大，级配不合格。因此，工程改用了较为少见的斜线起爆的方式。
经过艰苦的跟踪试验，反复调整爆孔和炸药的技术参数，爆破工程师们找到了最佳的解决方案，将碎石的最大粒径降低到了0.8米以下。
（石料开采爆破现场）
每次爆破可以炸出5万立方米、十万吨左右的砂石，这些砂石搅拌均匀后会被运到山下的填筑场。
光有质量合格的砂石还不够，在填筑过后，这些砂石料还要经过反复的碾轧才能达到足够的致密程度，这样才足以抵挡相当于三万台推土机的江水压力，并起到保护大坝心墙的作用。
如果碾轧不紧实，大坝就会在使用的过程中发生不均匀沉降，严重影响大坝的质量，甚至容易被水冲溃。在碾轧的过程中，工程中的每台碾压机都要碾过相当于绕地球六圈的路程才能将大坝夯实成合格的状态。这会将整座大坝压低30米，相当于10层楼的高度。
但是，施工现场有那么多台碾压机，应当如何控制碾压机的轨迹和工作程度，以使得坝体得到充分碾轧呢？
工程师们研发了一种能够通过卫星定位系统来追踪碾压机轨迹的方法，能够直接监控每一台碾压机的工作情况，精确指导碾压机的每个动作。
在碾轧完成后，现场工程师还要对每一处碾压成果进行精密的检测。设计图纸上的坐标信号被传送到RTK基站，信号和太空中的北斗卫星进行比对，再反馈到现场的质检工程师手中。如此一来，填筑的平整度和密实度误差就能被控制在厘米级以内，大坝的质量得到保障。
（三）维持边坡稳定的近5万吨钢材，全靠人拉肩扛
横断山脉的高耸山峰和狭隘崖壁形成1000多公里长的雅砻峡谷，这样的地形很适合修建拦河大坝。
勘探人员们用了半个多世纪的时间找到了两河口这个建设大坝的最佳地点，两河口之间的花岗岩强度极高，可以作为基岩支撑这座世界最高的土石坝。
尽管两岸岩土坚实，然而一座上亿吨重的土石坝凭空出现在河谷当中，还是会打破原有的岩体结构和受力平衡，对区域内的地质条件造成巨大改变。
两河口水电站位处横断山脉中央，是印度洋板块和亚欧板块碰撞的交汇处，正处于地震带上。因此，在这六百多米高的尺度上，陡峭的边坡稳定性仍然无法保障，需要进行人为的支护。
对整座山进行支护，需要将钢锚索插入山体中，将山体岩石牢牢拉住，这原本是一项十分成熟的技术。但这项工程总共要消耗一万五千根锚索，钢材总重近5万吨，相当于一座“鸟巢”的用钢量。将这些钢材运送到海拔3000米、交通不便的山上，很大程度上并不依赖什么高科技，而是依赖最原始的人拉肩扛。
靠这种最原始的建设手段，两河口水电站的工人们建成了世界上最高的边坡支护，并能抵御8级地震，创下了世界纪录。
（四）土石坝的发电布置，不仅仅是一座大坝那么简单
不同于整体性的混凝土坝可以将发电设备直接嵌入坝体内，土石坝的内部是实心堆积的砂土，因此水坝只是将水拦住，再通过一条引水洞将水引出，在下游布置电站。这样，相当于将整条河流装进了一条密闭通道中，最大限度地利用河水的动能。
