浸润线的计算方法

上游式尾矿堆积坝浸润线计算探讨一、前言根据《选矿厂尾矿设施设计规范》（ZBJ1-90)(下简称《尾矿规范》）规定,尾矿坝设计必须进行渗流计算。

渗流计算的目的是提供各种工况的浸润线、逸出渗透坡降和渗透流量，以供分析坝坡静力(动力)抗滑稳定性和渗透稳定性，确定排渗设施的结构断面。

对渗流计算的方法，《尾矿规范》提出:1、2级山谷型尾矿坝应按三维计算或由模拟试验确定；3级以下尾矿坝应按附录三进行；渗流计算中要考虑尾矿滩面放矿水流的影响。

首先应指出，尾矿堆积类型除上游式外还有中线法和下游式(包括一次筑坝法）,规范提出的浸润线计算方法仅针对上游式是因为上游式尾矿库占我国尾矿库总数的绝大多数，本应是规范的重点，同时中线式尾矿库因下游坝体是旋流分级的粗尾砂，颗粒较均匀，渗透系数大,坝基设置可靠的排渗层,浸润线基本上在排渗层内。

而下游式或一次筑坝的尾矿库,尾矿不堆坝，堆存尾矿的浸润线对基本坝体的安全已不重要。

其次，尾矿库的类型除山谷型外，还有傍山型和平地型，它们与山谷型的区别就是堆积坝体浸润线面的前沿宽度与下游逸出宽度基本一致，不存在山谷型尾矿库平面上渗流集中的三维问题。

《尾矿规范》通过化引滩长和化引库水位仅解决滩面放矿水流的问题。

既然着重提出山谷型尾矿库就必然有三维计算问题,关于三维计算是否必须进行,未要求论证。

第三，上游式尾矿库以中、低浓度放矿时,滩面（包括水下）尾矿沿程自然分级，按平均粒经大小，渐变形成尾中砂、尾细砂、尾粉砂、尾粉土、尾粉质粘土和尾粘土.因其物理力学指标有明显变化，可以进行概化分区。

上游式尾矿库尾矿排放按规定在堆积坝轴线长度上定间距轮流进行均匀放矿，实践早已证明,均匀是相对的,即使在放矿口间距范围相对于放矿口仍是集中放矿，矿浆进入滩面，迅速成为毫米级厚度薄层流体,由于放矿顺序、放矿时间、每次堆积高度、滩面水流的游弋，都有一定的随意性，尾矿各土层必然会普遍形成毫米级年轮状夹层和局部较厚层的粗、细透镜体。

水工专业浸润线计算的理论分析作者：姜连超来源：《今日湖北·下旬刊》2015年第04期摘要通过已知水库以及土石坝资料，根据坝内各部分渗流状况相同的特点，将坝体分为若干段，应用达西定理解决土坝渗流问题，用简易的Excel计算，得出该土石坝的浸润线方程。

本文为实践教学提供数据和理论支撑，保证了水工教学的实用性。

关键词达西定理浸润线实用性土石坝的渗流计算主要确定坝体的浸润线的位置，为坝体的稳定分析和布置观测设备提供依据；同时确定坝体与坝基的渗透流量，以估算水库的渗漏损失，而且还要确定坝体和坝基渗流区的渗透坡降，检查产生渗透变形的可能性，以便取适合的控制措施。

一、斜墙土石坝浸润线计算（一）已知材料水库水位（1）正常蓄水位 475.50m（2）设计洪水位（P=1%）480.00m（3）校核洪水位（P=0.1%）. 481.00m（4）汛期运行水位 472.00m（5）极限死水位 467.00m2、挡水坝下游水位（1）设计洪水位 458.70m（2）校核洪水位 460.30m（3）正常尾水位 452.00m（4）最高尾水位 450.00m上游坝坡坡率为：1：2.5下游坝坡坡率为：1：2.25（二）计算示意图（图1）（三）基本公式根据达西定理，假定任一铅直过水断面内各点渗透坡降均相等，可推出公式：式中S为浸润线的水平投影长度，m；H1为上游水深，m；为下游水深，m；H1为渗透系数，其中k1=0.3，k2=0.01；m1为大坝上游坡率，m1=2.5；m2为棱体排水内侧坡率，m2=1；h为溢出点高度，€%a为斜墙与坝底夹角，。

其中s=d-m1H1+e；e=（0.5～0.6）h；€%d=。

（四）浸润线计算使用CAD软件，根据已知条件绘制大坝剖面简图，式中，€%]值，€%a值，d值都由图上直接量出，单宽流量q值由Excel表格试算得出。

带入浸润线方程y2=h2-x中，得出浸润线方程，最终计算表格如表1：通过以上计算，即可求出该土石坝在正常水位，设计水位以及校核水位下的浸润线方程，从而进行接下来的渗流稳定分析。

浸润线名词解释
浸润线是渗透水流表面与土坝横断面的交线。

其以下土体处于饱和状态，颗粒重量为有效重量，同时受渗流水的渗透力作用，故坝体内浸润线位置的高低及形状对坝体的应力、土料的抗剪强度、坝坡稳定及土料的渗透稳定性影响较大。

其位置的确定是土坝渗流分析及稳定分析的重要内容，如何有效地降低浸润线的位置也是实际工程中的研究课题。

浸润线是水从土坝（或土堤）迎水面，经过坝体向下游渗透所形成的自由水面和坝体横剖面的相交线；土体中渗流水的自由表面的位置，在横断面上为一条曲线。

渗流在坝体内的自由面称为浸润面，坝体横剖面与浸润面的交线称为浸润线。

压渗流中重力水的自由表面线。

它属于平面问题。

------------------------------------------------------------------- 计算项目: 渗流问题公式法 1-------------------------------------------------------------------[ 计算条件 ]土堤顶部宽度b = 4.000(m)土堤顶部高度h = 10.000(m)上游坡坡率1:m1 = 2.000下游坡坡率1:m2 = 2.000堤身渗透系数k = 0.240(m/d)上游水位h1 = 9.000(m)下游水位h2 = 0.000(m)心墙上游堤顶宽度 = 0.500(m)心墙顶部宽度 = 3.000(m)心墙底部宽度 = 7.000(m)心墙渗透系数 = 0.005(m/d)不透水地基[ 中间计算结果 ]L = 261.000(m)腖= 3.600(m)浸润线计算公式原点= 43.234(m)浸润线起点x坐标 = 18.000(m)浸润线终点x坐标 = 43.234(m)注：中间计算结果的含义参见规范E.2.1条。

[ 最终计算结果 ]下游出逸点高度h0 = 0.383(m)单位宽度渗流量q = 0.037(m3/d.m)浸润线计算结果:X(m) Y(m)心墙上游土堤段浸润线:18.456 8.93118.912 8.92319.368 8.91519.824 8.90720.280 8.899心墙下游土堤段浸润线:25.021 2.39328.664 2.14832.306 1.87035.949 1.54239.591 1.12443.234 0.383比降计算结果:下游出溢点A的比降: 0.447 下游坡脚B的比降: 0.500。

三、渗流计算内容（一）不透水地基均质坝渗流分析(1)下游有水而无排水或设贴坡排水情况(2)下游设有褥垫排水的情况或下游设有棱体排水且下游无水的情况(2)下游有堆石棱体排水且下游有水的情况（二）不透水地基心墙坝渗流分析计算时忽略上游坝壳段的水头损失，并将心墙简化为等厚的矩形断面，下游坝壳段与均质坝同样处理。

心墙简化为矩形，心墙段的单宽渗流量为：(1)假定下游坝壳逸出点位于下游水位与堆石内坡的交点A ，则坝壳内单宽流量表达式为：(2)由q= q1=q2，联立方程（1）和（2），可求出q 和h 。

下游坝壳的浸润线方程为：（三）有限深度透水地基土石坝渗流分析计算有限深透水地基上土石坝的渗流时，为简化计算，坝体内渗流仍可用上述不透水地基上土石坝的渗流计算方法确定渗流量及浸润线，坝基渗流则按有压渗流计算。

坝体渗流量与坝基渗流量之和即为总渗流量。

1、均质坝假设坝体的单宽流量为q1，坝基的渗透系数为kT ，透水地基深度为T ，单宽流量为q ′，上下游水头分别为H1和t 。

由达西定理可得地基内单宽流量q ′：将上式从上游面（x=0，y=H1）到下游面（x=L ，y=t ）积分得：)2/()(2211δh H k q c -=Lt h k q 2/222）（-=)2/(22q y h k x ）（-=LL可表示为L= L0+0.88T，式中0.88T为考虑进出口流线弯曲的影响的修正系数。

则通过坝体与坝基的总单宽流量为：2、心墙坝①地基上有混凝土防渗墙的心墙坝设心墙、砼防渗墙、下游坝壳、透水地基的渗透系数分别为kc、kD、k、kT 。

通过防渗心墙和地基砼防渗墙的渗流量为：(1)通过防渗心墙后的坝壳和地基防渗墙后的地基的渗流量为:(2)由q=q1=q2，联立求解式(1)和(2)即可得q和h 。

②地基上有截水槽的心墙坝，截水墙与心墙材料相同。

通过防渗心墙和地基截水墙的渗流量为：通过防渗心墙后的坝壳和地基截水墙后的地基的渗流量与地基中有混凝土防渗墙的心墙坝相同。