1.2 高土石坝筑坝技术研究现状
无论是心墙堆石坝还是面板堆石坝，其主要的筑坝材料均为土石料，因此，在一些工程技术问题如筑坝土石料的工程特性、坝体的变形与稳定、土石料的填筑施工及质量控制、土石坝体的安全监测及评价等方面具有共性，均为以土力学为基础的岩土工程问题。而心墙堆石坝与面板堆石坝的差异之处在于防渗体的不同，前者采用位于坝体中部的心墙土料防渗，后者采用坝体上游面的混凝土面板防渗，因此在坝体结构和材料分区、细部防渗结构设计及渗流控制和计算分析等方面存在不同。
1.2.1 筑坝材料工程特性
试验是揭示土石料作为一种碎散多相材料的一般的和特有力学性质的基本方法，也是验证各种理论的正确性及实用性及确定各种理论参数的基本手段。由于工程需要，对于筑坝材料的试验技术得到了长足的发展，目前除常规的室内外物理力学试验外，还研发了多种大型及新型试验，如大型三轴试验、真三轴试验、离心机及振动台试验、流变及湿化特性试验、土体与结构物接触面特性试验、接触渗流及冲刷试验等，这些新型试验的应用及相关理论的发展为解决土石坝工程相关技术问题发挥了重要作用。
我国在“七五”“八五”“九五”攻关中结合高面板堆石坝筑坝技术攻关，对筑坝堆石料进行了较多的研究，主要是通过爆破试验获取级配石料、现场碾压与室内常规三轴试验和固结试验相结合，研究堆石料的工程特性，使之具备足够高的变形模量和抗剪强度，达到维持坝坡稳定和控制坝体变形的目的。一些面板坝工程也对堆石体的流变进行了一定试验研究，以研究坝体的长期变形对面板的影响。
对于心墙坝，随着筑坝技术及施工机械的发展，防渗土料的使用范围进一步扩大，红土、膨胀土、分散性土在一些工程中成功使用，而砾石土甚至风化料则是高心墙堆石坝的首选土料。高心墙坝对防渗土料的要求除满足防渗性外，还必须有较好的力学性能，与坝壳堆石的变形能较为协调，减小坝壳对心墙的拱效应，以改善心墙的应力应变，减少心墙裂缝的发生几率。从已建的国内外土质防渗体土石坝筑坝经验看，高土石坝防渗体采用冰碛土、风化岩和砾石土为代表的宽级配土料越来越普遍。据统计，国外100m级以上的高土石坝中，有70%以风化料或掺砾混合土的砾石土作为防渗料，世界上几座200m以上的高土石坝大部分采用砾石土或风化料作为防渗料。对防渗土料的研究，一般采用常规试验方法如击实、压缩、剪切和渗透试验，研究防渗土料的防渗性能及力学指标。而对于高心墙堆石坝，对砾石土料的工程力学性质、防渗土料的抗裂特性以及水力劈裂机理则成为研究重点。
另外，心墙堆石坝因上游坝壳蓄水后位于水下，导致心墙堆石坝堆石体的应力状态更加复杂，研究难度较面板堆石坝的堆石体更加困难，但由于其对大坝的安全影响不如面板堆石坝敏感，故大部分心墙堆石坝工程对筑坝堆石材料的研究仅进行常规试验研究或工程类比，而对于超高心墙堆石坝的筑坝堆石料仍需重点研究，特别是软岩料的特性研究、堆石材料的浸水变形等应进行专项研究。除了施工和蓄水期的加载变形之外，坝体后期变形（包括湿化变形和流变等）也是土石坝尤其是高土石坝变形的重要组成部分，对于高坝需重点关注筑坝材料的流变特性。
在面板堆石坝和心墙堆石坝工程中，存在着不同散粒体之间的接触界面如心墙土料-混凝土垫层、混凝土面板-垫层料等多种不同类型的接触界面。接触界面两侧材料由于刚度不同，会表现出不同的变形性状；在接触面附近，还可能出现脱开、滑移和张闭等非连续变形现象。不同材料接触界面的存在对坝体相关部位应力和变形的性状有较大影响，经常出现不连续变形以及由之引起的拱效应现象，通常是坝体易发生事故的薄弱环节，需要得到足够的重视，对于高坝需开展土与结构物接触面的力学特性试验研究。
另外，除了室内外试验方法以外，近年来随着数值计算技术的飞速发展，基于数值分析技术的岩土介质细观力学试验作为一门新兴的试验方法深受国内外研究者的青睐，为岩土材料的细观力学行为及变形破坏机理研究提供了有力的手段。与此同时，不断发展的数字图像技术已应用于岩土工程领域。
1.2.2 坝体结构及材料分区设计
目前在200m级以上高土石坝的坝料与结构中，面临的主要技术难题有4个方面：①确定与坝高、河谷形状及堆石原岩特性相适应的堆石体密实度指标、坝体断面分区；②在确保坝坡抗滑稳定和坝体渗透稳定的同时，准确预测坝体变形，明确变形控制指标；③提出增强高土石坝防渗体的抗裂及抗渗能力；④制定符合200m级高土石坝设计要求的安全控制措施。
对于高心墙堆石坝，根据收集到的国内外高土石坝的工程实例资料，多数已建和拟建的高土石坝的心墙均采用天然砾质土或黏性土掺合砾石的人工掺砾土料，以减小心墙与坝体堆石间的沉降差，从而减小拱效应，防止心墙产生水平裂缝。也有采用冰碛土料作心墙料，如麦加坝。有4座坝的坝壳采用砂砾料，上游坝坡为1：2.25~1：2.6，下游坝坡为1：2.0~1：2.2。其余大都采用堆石料填筑坝壳，上游坝坡为1：1.8~1：2.2，下游坝坡为1：1.8~1：2.0。已建坝高200m以上的心墙堆石坝中，有5座采用直心墙，其余7座（含因故未建成的罗贡）均采用斜心墙的型式。在强地震区修建成的奇科森坝、凯班坝和努列克坝均采用直心墙。其中，奇科森坝原采用斜心墙作为防渗体，后根据抗震科研成果，考虑强地震的原因，在坝体心墙填筑到高程200m时，改成直心墙。在目前正在设计的坝高200m以上的心墙堆石坝中，无一例外均采用直心墙型式。已建的糯扎渡以及目前正在设计的其宗、双江口、古水、两河口等均对坝壳堆石料进行了分区，一般均在下游坝壳内部及上游坝壳围堰高程以下部位采用了强度指标稍低的次堆石料。
对于面板堆石坝，经过多年的工程实践，在坝体材料分区及结构设计方面已逐渐形成成熟经验。坝体分区均按照上堵下排的原则进行分区。各区坝料间满足水力过渡的要求，从上游向下游坝料的渗透系数递增，相邻区下游坝料对上游区有反滤保护作用，以防止产生内部管涌和冲蚀，同时注重各分区之间的反滤保护。重视坝体变形协调控制、坝体填筑断面应尽量均匀上升，填筑碾压标准不得大于现行面板堆石坝设计规范要求的指标值，注意控制上下游堆石的模量差，对于300m级高坝，应使堆石体具有较高密实度和压缩模量；并要求上下游堆石料模量尽量接近。
另外，国内外超高面板堆石坝的工程实践表明，面板的结构性破损问题已成为了影响超高面板堆石坝安全的核心问题，墨西哥阿瓜米尔巴坝（坝高187m）的面板出现了结构性裂缝，发生了较大的漏水量。天生桥一级面板坝（坝高178m）在坝体施工的过程中发生了较大规模的面板脱空和弯曲性结构裂缝的现象，在运行过程中又发生了面板沿垂直缝压损的现象。因此，如何通过坝体的结构设计和施工程序的改进尽量避免面板结构性裂缝或压损破坏的发生，成为超高面板堆石坝研究的重要关键技术课题。对此，巴西专家对于超高面板堆石坝设计提出了增加碾压遍数及加水量、改进堆石分区、增加中央区面板厚度、压性缝填充可压缩填料、防止挤压边墙与面板的黏结等建议措施。我国面板堆石坝工程界根据近期开展的超高面板堆石坝适应性及安全性研究等课题，认为坝体变形控制关键是控制面板浇筑后的坝体变形增量和不均匀变形，并提出相应的对策措施，如选择优质硬岩堆石料、提高坝料压实密度等措施控制坝体总变形量，通过优选后期变形小的坝料和压实参数、采用面板浇筑前超高填筑堆石坝体、延长面板浇筑前坝体预沉降时间或选取较小的沉降速率等施工控制措施控制面板浇筑后的坝体变形增量，通过优化坝体分区（期）、控制不同区域坝料模量差、施工时采取平衡上升的填筑方式、分期蓄水预压等措施控制坝体不均因变形。
1.2.3 大坝计算分析理论与方法
1.堆石料的本构模型
有关堆石体本构模型的研究多年来是我国具有特色的一个研究领域，多年来众多学者结合国家科技攻关项目以及多个重大土石坝工程的实践在该领域进行了卓有成效的研究工作，提出了多个带有鲜明特点的本构模型，其中许多至今仍在土石坝工程中得到较为广泛的应用。例如，清华非线性解耦KG模型、沈珠江双屈服面弹塑性模型、殷宗泽双屈服面弹塑性模型、四川大学KG模型和清华弹塑性模型等。此外还有美国的邓肯和张提出的非线性弹性EB模型在土石坝变形计算中得到了广泛应用。
工程经验表明，除了施工和蓄水期的加载变形之外，坝体后期变形（包括湿化变形和流变等）也是土石坝尤其是高土石坝变形的重要组成部分。国外学者在20世纪70年代初提出了土石坝湿化变形的计算方法。在国内，湿化变形的研究起步于“七五”期间，主要结合小浪底堆石坝进行。目前国内外学者已建立起多种可用于进行土石坝湿化变形计算的模型和方法，如基于双线法的初应变求解方法（Nobari等，1987）、殷宗泽的增量初应力法（钱家欢，1996）、李广信（1990）提出的割线模型和塑性模型、沈珠江（1988）湿化模型等。我国学者提出了多个堆石体流变模型，并已应用于具体的土石坝工程。其中多为基于应力应变速率关系的经验函数型流变模型，如采用指数衰减函数的沈珠江模型（1994）和采用双曲函数的王勇和殷宗泽（2000）模型等。
对于不同散粒体之间如心墙土料-混凝土垫层、混凝土面板-垫层料等的接触面力学问题，国内外学者提出了多种接触面本构模型，包括刚塑性模型、理想弹塑性模型、Clough-Duncan非线性模型等。在糯扎渡心墙堆石坝工程实践中，根据求得的接触面本构模型参数，采用有限元计算程序对散粒体间接触面单剪试验进行数值模拟，以比较不同本构模型的特点。结果表明，刚塑性模型参数少，容易确定，能够反映应力-位移关系的非线性特征，在模拟不同材料接触面力学性质方面具有一定的优越性。
2.高土石坝变形计算与控制
200m级高土石坝工程的建设和运行历史尚短，相关的监测资料还比较缺乏，另外，高土石坝工程规模宏大，结构复杂，其变形演化规律受到坝料、分区、水位、环境、气候等众多因素的影响非常复杂。因此，虽然进行数据分析的数学工具很多，但是对于坝体变形长期规律的研究成果还较少。
土石坝后期变形越来越受到大家的关注。在目前的计算中，通常分别考虑土石料的湿化和流变变形，首先通过试验确定相应应力状态下的附加变形，再在有限元计算中采用初应变的方法进行变形计算。在现有的坝体后期变形计算方法中，认为坝体在运用期发生的变形均为流变变形。除了未考虑雨水入渗产生的湿化变形等因素外，也没有区分土石料随时间逐步劣化的过程。尤其对于工程开挖软岩料，其风化过程对材料特性的影响非常值得关注。出于经济和环境友好等因素，坝体填筑时应尽量多地使用开挖料是进行坝体分区设计的趋势。对许多软岩料在充分压实的条件下，所得到的变形参数并不差，此时这些软岩料可否使用的关键主要取决于其长期的破损特性。目前对堆石体抗风化特性的研究尚很少见到。
大量计算经验表明，在100m以下级低土石坝的计算中，和现场监测所得到的坝体变形相比，邓肯-张模型计算的变形通常偏大，尤其是计算所得坝体的水平变形明显偏大。对此，学者们将其原因主要归结为邓肯-张模型对应力路径的反应能力差以及无法模拟土石料的剪胀性等缺点上，因此有学者认为，沈珠江双屈服面弹塑性模型和清华非线性解耦KG模型应用于土石坝应力变形计算时比邓肯-张模型更加合适。进入21世纪之后，随着我国数目众多高土石坝工程的成功建设，陆续取得了非常丰富的现场变形的监测结果。当把这些高坝变形的现场监测结果和原设计阶段变形计算结果进行比较时发现，其变形特性在变形量级方面和100m以下级土石坝具有明显的差异，现场坝体监测变形一般会大于邓肯-张模型事先预测的计算结果（杨泽艳等，2008）。上述结果表明，用于高土石坝的现有变形计算方法可能还存在较大的缺陷，“低坝算大，高坝算小”的问题目前依然存在，在土石料计算方法特别是体应变的数值模拟方面仍需开展进一步的研究。
心墙堆石坝的水力劈裂一直是人们最为关注同时也是最有争议的问题之一。多年来，国内外学者对工程中发生水力劈裂的现象、水力劈裂发生的机理和判别方法以及水力劈裂的计算方法等方面进行了大量的研究工作，也取得了不少有价值的成果，例如黄文熙提出的发生水力劈裂的准则等。近年来，结合糯扎渡心墙堆石坝工程建设，提出了在心墙中可能存在的渗水弱面以及在快速蓄水过程中所产生的渗透弱面“水压楔劈效应”为水力劈裂发生的重要条件的论点，并通过模型试验加以验证。将弥散裂缝理论引入水力劈裂问题的研究中，与比奥固结理论相结合，推导和建立了用于描述水力劈裂发生和扩展过程的有限元数值仿真模型和算法，提出了基于有效应力计算的水力劈裂分析的总应力判别方法。
土石坝裂缝是土石坝常见的隐患和主要破坏类型之一，目前用于估算土石坝裂缝的方法主要有变形倾度法、Leonards法、有限元数值计算方法等3种。其中，前两种主要是经验的方法，也是目前工程中最常使用的方法。长期以来，在土工数值计算分析中很少关注黏土的拉伸及裂缝问题。主要原因之一是因为绝大多数的土石结构处于受压的工作状态。另外，由于土体裂缝会造成土体材料的几何不连续以及力学性质上的各向异性，使得在土工数值计算分析中难以处理。但国内外土石坝的建设经验表明，高土石坝发生裂缝的工程实例较为常见，因此，发展土石坝裂缝的数值模拟方法具有重要的工程应用价值。近年来，清华大学提出了心墙黏土基于无单元法的弥散裂缝模型，发展了基于无单元-有限元耦合方法的土石坝张拉裂缝三维仿真计算程序系统。
变形控制是高土石坝设计中的核心问题，从目前已建成的几座高土石坝的运行状况来看，变形问题及其导致的防渗体裂缝和大坝渗漏等问题依然是影响高土石坝安全运行的重要因素。在土石坝的变形控制方面，通常规定沉降比需满足小于1%，这对于100m级的堆石坝通常是能够实现的。但近年我国高土石坝工程实践表明，大多200m级高土石坝的实测沉降变形超过了1%的界限。如果采用相同的变形控制标准，相比100m级土石坝，200m级高土石坝变形控制难度会很大，有时甚至要付出巨大的代价。高土石坝的坝料选用、结构设计与优化等问题需进一步深入研究，且目前针对高土石坝变形控制的标准是笼统的，并没有和具体的坝体的破坏形式相关联，有必要针对坝体可能的表现行为探讨坝体的变形控制标准。
面板堆石坝的面板结构性破损问题的计算分析近年来也取得进展，张丙印（2003）等将接触力学的分析方法应用于面板坝混凝土面板-坝体接触问题的计算分析。接触力学分析方法将相互作用的面板和坝体结构物看成是相互作用的不同物体，通过物理几何关系的准确描述来判别物体之间的接触关系，这类方法对处理位移不连续现象具有本质上的优越性，计算结果可反映混凝土面板的脱空现象以及面板-坝体的接触应力。
3.高土石坝渗流计算与控制
水利水电枢纽的土石坝渗控体系包括坝体防渗结构、坝基防渗反滤层以及排水设施，它们的正常工作是保证土石坝免受渗透侵蚀和破坏的基本条件，对于土石坝运行至关重要。随着社会需求的提高和施工技术的发展，我国所建土石坝越来越高，高土石坝在建设、蓄水和运行过程中要经受极其复杂的应力状态和渗流状态的变化，并且相互影响。
通过将近大半个世纪的建设发展历程，心墙堆石坝在渗流控制方面累积了许多成功的经验。防渗土料的压实理论和防止土料渗透变形的反滤层理论的提出和广泛应用，特别是采用大型施工机械对堆石体、心墙土料的分层碾压技术，使安全度低、渗漏量大的早期堆石坝发展成真正意义上的安全经济的心墙堆石坝。随着土力学、渗流力学、水文学、工程水文地质等科学理论的发展和应用和20世纪40—80年代心墙堆石坝设计施工技术的进一步深入推广、堆石用料和防渗土料的选用范围放宽，以及反滤层设计的更具针对性，各国的心墙堆石坝在规模上和数量上得到迅速发展，成功建设了许多大型的高心墙堆石坝。未来的大坝高度会往更高方向发展，从渗流控制角度考虑，由于土料的宝贵，薄心墙坝会更受重视，相应的心墙允许渗透坡降会需要提高，心墙土料选择会更加多样化，反滤层的设计会往更个性化方向发展（防止裂缝的发展，并能促使裂缝自愈的控制措施等）。对于岩体渗流的控制技术还有很大的研究发展空间，除了对岩体渗流的基本理论、岩体渗流基本特性以及渗流与应力耦合效应进行深入研究外，还应发展更深的钻孔技术、灌浆材料的多样化、灌浆有效范围的控制、帷幕透水率的合理确定等，以便进一步提高灌浆岩体的抗渗强度，减少灌浆排数，节约工程投资。保障高坝基础处理质量的评价检查技术将进一步受到重视。
鉴于高土石坝渗控体系是长期正常使用的必备设施，高坝渗流发生、发展的作用原理、演变过程及破坏机制均是需要深入研究的重要内容。目前在多座高土石坝的施工和运行过程中实测到的应力、变形和超孔隙水压力及其变化过程与计算值相差较大（陈立宏等，2005），坝体在高水头复杂条件下的孔隙水压力传递机理仍难以解释，根据现有的理论和方法也难以模拟，其原因可能是在施工和蓄水过程中，坝体内的物态场、渗流场、变形场和应力场以及周围环境之间存在着复杂的耦合关系，说明高土石坝多场耦合分析方面的研究还有待进一步深入。
4.高土石坝坝坡稳定计算与控制
坝坡稳定分析是土石坝设计的重要内容之一，而刚体极限平衡法是工程上应用最广泛和最成熟的计算方法。经过近百年的运用，瑞典圆弧法、简化毕肖普法和采用线性强度指标分析得到土石坝稳定安全系数已经积累了丰富的工程经验，其成果的可信度较高，可以保证大坝的安全。土的抗剪强度指标是影响土坡稳定的重要参数，其参数变化对坝体稳定计算结果有很大的影响。大量三轴试验结果表明，堆石料的抗剪强度具有明显的非线性，随着围压的增加，堆石料发生颗粒破碎，并引起颗粒间应力重新分布、连接力变弱以及颗粒移动，使内摩擦角降低，摩尔强度包线呈下弯趋势，即在较大应力范围内堆石的抗剪强度与法向应力呈非线性关系。《碾压式土石坝设计规范》（SL 274—2001）中规定，粗粒料抗剪强度指标应采用非线性准则计算，可见，粗粒料强度参数采用非线性指标的必要性已得到确认。但是在以往的计算实践中，人们发现采用非线性强度指标，坝坡稳定安全系数往往较大。对一级坝，在很多情况下，安全系数的计算值在1.70～1.90之间，而规范规定的允许安全系数是1.50。现行规范中规定的允许安全系数是依据多年的大量线性强度稳定计算结果总结得到，是与线性强度相适应的，那么在进行非线性稳定分析时，规范关于各等级大坝的允许安全系数标准是否要作适当的调整，这是一个值得研究的关键技术问题。
基于刚体极限平衡理论的坝坡稳定分析方法，经过多年的发展，已积累了丰富的使用经验。但是，在处理坝坡的稳定问题时，该方法存在以下几个主要问题：①将滑动土体作为理想的刚塑性体看待，完全不考虑土体的应力-应变关系，而土体是变形体，用分析刚体的办法，不满足变形协调条件，因而计算出滑动面上的应力状态不真实。②不进行应力分析，其滑动面上的正应力、剪应力一般由条块的自重来确定，这不符合坝坡工程的实际应力状态。近年来，随着电算技术的进步，有限元数值计算方法有了不少突破，有限元法恰恰可以克服刚体极限平衡法的上述缺陷。实践经验表明，稳定和变形有着相当密切的关系，一个土坡在发生整体稳定破坏之前，往往伴随着较大的垂直沉降和侧向变形。这在一定程度上表明，利用有限元的应力变形结果进行坝坡稳定分析在理论上是合理可行的，这也是高土石坝坝坡抗滑稳定研究和发展的一个主流方向。
5.高土石坝抗震计算分析
土石坝抗震设计目前在相当程度上仍是基于传统的经验方法进行，已经难以适应我国日益增多的强震区高土石坝工程建设的需要。当前世界各国现行坝工抗震设计规范对土石坝抗震设计采用的方法、标准颇不统一，这实际上反映了人们对高土石坝抗震能力认识的不一致。造成这种局面主要原因是高土石坝遭受实际震害的实例较少，坝体地震动力特性、破坏机理与承载能力目前还未被充分认识。
国内外土石坝震害调查结果表明，土石坝的震害源于两个方面：①坝基砂层或坝壳砂液化引起的震害；②由于土石坝结构振动导致的破坏。1964年美国阿拉斯加地震和日本新瀉地震中饱和无黏性土和少黏性土的液化造成的建筑物的损坏引起工程界的广泛重视。1971年美国San Fernando地震中Lower San Fernando充填坝的大规模塌滑事故引起了土石坝抗震安全评价方法的变革。发现传统方法在评价土石坝抗震能力方面所出现的矛盾日益增多，难以预测土石坝所可能出现的多种震害。以土石坝地震变形为基础的新的抗震设计方法得到迅速发展。但是新的方法在定量方面仍有一定困难，付诸工程实践仍有一定距离。所以，目前土石坝的抗震安全评价标准尚未定型，各国的作法也不完全相同。
目前，国内外土石坝抗震研究工作主要集中在筑坝堆石料动力特性、大坝地震响应分析方法、地震变形与抗震措施等方面。筑坝材料的动力特性是通过大型动力三轴仪研究筑坝材料的强度和变形特性、动模量和阻尼特性。目前，筑坝材料动力特性国内主要采用经验公式及试验曲线描述其非线性和滞回性。这类模型属经验类模型，不研究土体动力变形的物理本质与机理，难以把握土体在复杂应力路径上的力学行为。近来也有学者将弹塑性模型用于描述土石坝料的动力特性，但目前尚不成熟，亦缺乏成熟的参数求取方法。虽然基于弹塑性模型的计算方法也有尝试，但程序设计复杂、计算的收敛性差，难以满足实际需要。由于缺乏强震区高土石坝的实际震害资料和地震反应记录，土石坝的动态模型试验成为研究其抗震性能及措施的有利辅助手段，其中振动台模型试验被广泛采用。各国学者根据振动台类比模型试验观测的坝体响应和破坏形式，提出了抗震措施，并通过适当的计算验证其有效性。但筑坝材料工程特性的高度非线性、设备条件和场地条件的制约、地震动的随机性都导致了目前研究成果的局限性。近年来，随着国家对水坝抗震防震工作的加强，已有学者开始重视土石坝的极限抗震能力和破坏模式的研究，但目前还没有形成成熟的方法与准则。
1.2.4 大坝施工与质量控制
1.心墙土料改性技术
对于高心墙堆石坝，从已建的国内外土质防渗体土石坝筑坝经验看，心墙防渗体采用冰碛土、风化岩和砾石土为代表的宽级配土料越来越普遍。一般来说，这些土料难以满足高心墙堆石坝对心墙土料压缩性或渗透性的要求，需要改性处理。目前，对于土料中黏粒较多、强度较低的情况，大多工程采用掺砾的方式，在保证渗透性的前提下提高心墙料的压缩性及强度；对于粗粒土较多的土料，有些工程采用筛分方式进行处理。
在糯扎渡水电站高心墙堆石坝工程建设中，当地天然防渗土料偏细，需进行人工碎石掺砾，在满足防渗条件下尽可能提高压缩模量和抗剪强度。对不同掺砾量防渗土料的压实性、渗透及抗渗稳定性、压缩特性、三轴抗剪强度及应力应变特性等进行了系列比较试验研究，从防渗土料渗透性及抗渗性能看，掺砾量不宜超过50%，从变形协调及压实性能看，掺砾量宜在30%～40%，由此综合确定掺砾含量为35%。在掺砾施工工艺方面，为保证上坝填筑时人工掺砾土料的均匀性及碾压施工质量，施工前对掺砾工艺、填筑铺层厚度、碾压机械及碾压遍数进行了多方案研究，并进行了大规模的现场碾压试验验证，最终推荐成套施工工艺，经实践证明效果良好。
在古水水电站工程的心墙堆石坝比选方案研究中，开展了土料筛分改性技术的研究，针对土料粗粒径含量偏多、天然含水率偏低和抗渗坡降较低的特点，在工程设计中通过剔除大于60mm的颗粒，在堆料场采取掺水、保湿的措施，并在填筑时采用反滤保护处理，使得土料达到防渗土料要求，并通过研究，拟定了黏土心墙筛分施工工艺流程。
2.施工质量实时监控
土石坝填筑施工质量控制是土石坝施工质量控制的主要环节，而大坝填筑施工质量主要与碾压质量和坝料质量有关。因此，在土石坝的填筑施工中，有效地控制碾压过程质量和坝料性质是保证大坝填筑施工质量的关键。现有土石坝施工质量控制的方法和手段主要遵循《碾压式土石坝施工规范》（DL/T 5129—2013）规定。根据该规范规定，土石坝填筑碾压质量主要通过施工过程中的压实参数（铺层厚度、土石料性质、碾压遍数、碾压行车速度、激振力等）以及试坑检测的压实标准（压实度或干密度、含水量和级配等）来控制；前者属过程控制，后者属事后控制。然而，常规的依靠监理和施工人员人为事中控制这些压实参数，由于受人为因素干扰大，管理粗放，故难以实现对压实参数的精准控制，难以确保碾压过程质量。常规的质量控制手段往往易于造成欠压和超压。过度碾压会使土层表面翻松，并致使骨料（粗颗粒）破碎。同时，施工质量试坑检测一方面会对大坝仓面施工作业带来干扰，另一方面由于试验结果无法快速获得，从而影响施工进度，故难以满足以高强度、高机械化为特点的大型土石坝工程施工的要求。
在糯扎渡水电站高心墙堆石坝工程建设中，开发了“糯扎渡水电站数字大坝-工程质量与安全信息管理系统”，该系统可对心墙堆石坝填筑施工过程进行精细化的全天候实时监控；对工程质量、安全监测、施工进度等信息进行集成管理，构建大坝综合数字信息平台；为堆石坝建设过程的质量监控、运行期坝体的安全分析提供支撑平台；提高工程质量，为打造优质精品工程服务。在施工建设过程中，该系统有效地提高了土石坝施工质量监控的水平和效率，确保大坝施工质量始终处于受控状态，为高土石坝施工质量的高标准控制开辟了一条新的途径，取得了显著的经济效益和社会效益，具有广阔的应用前景。
3.填筑质量检测方法
针对土石坝坝料压实填筑控制标准及填筑质量检测方法等关键技术，目前我国《碾压式土石坝设计规范》（DL/T 5395—2007）中对砾石土等含粗粒的土料要求采用全料压实度控制。一般工程中土料的最大粒径已超出现有试验击实筒的允许粒径范围，需采用缩尺等方法处理后方可进行击实试验，其试验成果与原级配全料压实特性之间是否存在差异，全料与细料对应的压实填筑标准如何，值得深入研究。此外，在全料压实度检测方法方面，室内全料三点击实试验存在所需土料数量多、试验时间长、试验工作量过大等问题，难以满足现场施工进度的要求，因此需要通过研究寻求一种既准确又能快速检测掺砾土料压实度的方法。
在糯扎渡心墙堆石坝工程实践中，研制出φ600mm超大型击实仪，开展了大量的击实试验研究及分析论证工作。研究证明了糯扎渡土料采用大型击实成果（替代法全料）代替超大型击实成果（原级配全料）对掺砾土全料进行质量控制是合适的。在掺砾土料填筑质量检测方法方面，对比分析了全料压实度控制法、全料压实度预控线法和细料压实度控制法，根据糯扎渡土料的实际情况及上述各种控制方法的优缺点，推荐糯扎渡现场检测采用细粒低击实功能进行三点快速击实试验确定细料压实度的控制方法，研究成果在糯扎渡工程实践中得到了良好应用，可在其他类似工程中推广。
1.2.5 大坝安全监测评价指标和预警系统
1.安全监测技术（变形、应力、渗流等新型安全监测技术）
高土石坝安全监测技术发展明显滞后于筑坝技术的发展，不少监测仪器适应性、耐久性、抗冲击等性能仍停留在100m级坝高的水平，对于200m级以上的高坝传统监测仪器已难以适应。
高土石坝外部变形监测传统技术为采用表面变形监测点人工观测方式，存在效率低、数据人为误差大、以点代面等缺点，同时人工观测需要建立工作基点，全面监测高土石坝下游坝坡需要分高程建立不同的工作基点，点位选择较困难。为此，需求具有自动、实时、全天候的智能监测模式成为高土石坝表面变形监测一个方向和趋势。结合目前激光、卫星遥感等三维3S技术，高土石坝表面变形目前新兴技术主要包括GNSS、INSAR等，需通过研究以便满足高土石坝监测要求。目前土石坝表面变形监测手段主要为全站仪+棱镜的人工监测方式和GNSS自动变形监测，根据GNSS的实测数据计算得到实测精度0.6～3.3mm，与表面变形监测点（全站仪人工测量）测值的比较，可以看出数据的规律性一致、量值接近，表明GNSS满足高土石坝外部变形监测要求。
国内200m级面板堆石坝内部变形均采用传统水管式沉降仪和引张线式水平位移计，从其运行情况来看，主要存在仪器失效、维护困难、观测成果不准确等问题。其中引张线水平位移计沿基床带必然凹状分布，由于沿程不均匀变形必然导致引张线回缩产生测量误差，同时高坝导致长引张线沿程阻力将大幅增加，传统钢丝配套重锤重量必然同步增加，钢丝折断几率大大增加。水管式沉降仪由于坝体中部沉降大、上下游侧沉降小，位于面板下部沉降测点所引管线沿程为凹形分布，在沉降最大部位至观测房必然形成“倒坡”，容易产生管路中的气泡，长管线存在回水困难，可能导致观测无法正常进行；管内环境适宜微生物的生存，易产生影响管道畅通的物质，导致测量系统失效。
近年来，国内专家依托相关课题针对高土石坝安全监测技术开展了进一步的研究，例如，建立了测量机器人、GNSS监测系统、内观自动化系统于一体的超高土石坝大型安全监测自动化系统，解决了高土石坝工程难以全面实现动化监测的问题；采用四管式水管式沉降仪监测超高土石坝内部沉降，采用弦式沉降仪对高土石坝内部沉降变形进行监测，采用电测仪器横梁式沉降仪对堆石坝进行分层沉降监测，采用六向土压力计组对心墙的空间应力分布情况进行监测等。根据工程需要，下一步需开展高土石坝监测廊道、管道机器人、超长距离水平及沉降位移计等方面的研究工作。
2.大坝安全评价指标体系
安全评价指标是评价和监测大坝安全的重要指标，对于馈控大坝等水工建筑物的运行相当重要。拟定安全监控指标的主要任务是根据大坝和坝基等建筑物已经抵御荷载的能力，来评估和预测抵御可能发生荷载的能力，从而确定该荷载组合下效应量的警戒值和极值。由于有些大坝可能还没有遭遇最不利荷载，同时大坝和抵御荷载的能力在逐渐变化，因此，安全监控指标的拟定是一个相当复杂的问题，也是国内外坝工界研究的重要课题。通常对于大坝应力和扬压力是以设计值作为监控指标，因此，目前研究的重点和难点是对大坝变形监控指标的确定。国外对变形监控指标的研究报道较少，而在国内，吴中如、顾冲时、沈振中等在利用安全监测资料反馈大坝的安全监控指标方面进行了系统的研究，提出拟定变形监控指标的原理和方法，并成功地应用于佛子岭连拱坝等实际工程的监控。目前，对坝体和坝基变形监控指标的拟定方法主要有置信区间法、典型监控效应量的小概率法、极限状态法、仿真计算法和力学计算法等。
土石坝安全控制（预警）指标主要包括坝坡稳定、应力与变形、大坝裂缝、大坝渗流及工程抗震等方面，各方面安全指标不是完全独立的，而是相互联系、相互制约的，有些指标是以坝体局部控制，有些指标则是以坝体整体控制。因此，大坝安全指标的制定较为困难，需要具备丰富的工程经验及科研成果。
在糯扎渡心墙堆石坝工程实践中，针对库水位、渗透稳定、结构稳定、坝坡稳定及坝体裂缝等问题，提出了建设期、蓄水期及运行期的安全综合评价指标体系，其中，整体安全指标是根据目前现行规范已有的规定、发表文献中的研究成果、业内专家的相关意见，对坝体各方面安全指标进行初步整理制定，然后将安全指标与实际监测值进行对比，来判断大坝的工作性态。分项安全指标则是利用有限元计算程序对糯扎渡大坝进行工作性态的预测，提出系统完整的预测安全指标。糯扎渡大坝施工过程中已完整地布置了各种监测仪器系统，将采集到的监测数据成果与预测安全指标进行对比，可以更为细致地（细化到坝体局部点）进行大坝安全评价及预测。
结合近年来开展的超高土石坝安全性关键技术课题，我国专家归纳总结提出适用于300m级面板堆石坝的安全控制原则及标准，主要包括防洪标准、抗震设计标准、坝顶安全超高、大坝渗流控制指标、坝体变形控制指标、面板变形及应力控制指标、接缝变形安全控制指标、抗滑稳定控制指标等，为300m级高面板堆石坝的安全评价及安全控制提供参考。
但是，由于土石坝工程问题的复杂性，其安全指标的制定带有半经验性，其合理性尚有待工程实践的进一步检验。
3.安全监控及预警系统
国内外工程界对大坝的性能评估，主要是对检测和监测等实测资料进行分析，然后对建筑物进行安全评价和监控。很少考虑大坝的性态演化过程、病变机理、各种因素的相互影响、多源信息的融合等。有些方法是针对低坝建立的，多不适用于高坝。很多理论是针对混凝土坝建立的，与混凝土坝相比，土石坝具有更多的不确定性，因而这些理论不一定适用或者实用性较差；很多检测方法过于简单，自动化程度低，精度较差，如面板裂缝、土坝裂缝检测，主要靠巡视发现，手工方法检测。
随着自动化监测技术、现代计算理论和方法、人工智能、计算机科技等的发展，20世纪末国内外开始研发水工结构安全综合分析评价的专家系统。我国在20世纪80年代，结合“七五”和“八五”国家科技攻关项目，研发了基于微机的大坝监测数据管理系统，主要用于存储和管理监测数据、制作图表、统计分析及异常值的识别等。其中河海大学与电力部大坝安全监察中心合作，研发了“一机四库”（即综合推理机、知识库、方法库、工程数据库和图库）的大坝安全综合评价专家系统，并开发了重大水工混凝土结构病害诊断预警系统（吴中如等，2005）。
在糯扎渡高心墙堆石坝工程建设中，开发了高土石坝工程安全评价与预警信息管理系统。该系统由系统管理模块、安全指标模块、监测数据与工程信息模块、数值计算模块、反演分析模块、安全预警与应急预案模块和数据库及管理模块共7个模块构成。目前糯扎渡工程中实施开发的工程安全评价与预警信息管理系统中，对每一个安全指标分为红色、橙色、黄色三级预警，对于正常状态下为绿色。系统中每个安全指标用户均可以随意进行添加或修正，也可以参考整体安全指标来修正完善预测指标，使得整体安全指标和监测安全指标协调统一，各指标分级阈值可通过系统指定输入。实现了实时在线、可视化和智能化的安全评价、预测预报、预警信息发布、预警方案启动等功能。目前该系统已成功应用于261.5m高的糯扎渡高心墙堆石坝工程的安全评价与预警信息管理。