浸润线的计算方法
上游式尾矿堆积坝浸润线计算探讨
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
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。
在河水位骤降条件下某滑坡浸润线计算与稳定性研究
第４ ９卷 第 ３期 ２ ０ １ ３ 年 ３月
甘 肃 水 利 水 电 技 术
ＧＡ ＮＳ Ｕ ＷＡ Ｔ Ｅ Ｒ Ｒ Ｅ ｓ ＯＵ Ｒａ Ａ ＮＤ ＨＹＤ ＲＯＰ ＯＷＥ Ｒ Ｔ Ｅ ｃＨ ＮＯＬ ＯＧＹ
Ｖｏ １ ． ４ ９． Ｎｏ ． ３ Ｍａ ｒ ． ． ２ ０ １ ３
组 砂岩 中 ，富水 性受 构造 和地 貌等 因素 控制 。研 究 区地下 水赋 存 于极不 均匀 黏性 土夹 碎块 石 土 中。滑 坡 区地 下水 主要 接受 大气 降水 补 给 。河 流 为最低 侵 蚀 基 准面 ， 大气 降水 入渗第 四系地层 ， 经 渗 流后 主要 以泉 的形式 排 泄至河 流 。简分 析试 验得 出滑 坡堆 积 体 地 下水 和地表 河水 对混 凝土 无腐 蚀 。
性 的主要 因素 ， 揭 示了该 滑坡 的形成机制 。 提 出了在 河水位 变化条件 下该滑坡 地下水浸润线与滑坡稳定性计算模型 与计算方法 ， 得 出 了在 河水位骤 降条件 下该 滑坡 地下水浸润 线曲线 图， 计算 出了该 滑坡在 不 同工况下的稳定性 系数 及 剩余下滑力。河流水位升降影响坡体地下水浸润线 ， 改 变岩 土体非饱和 区， 影 响岩 土体软弱层抗 剪强度和滑坡稳
水 和基 岩裂 隙水 两类 。松 散岩 类孔 隙水 主要 赋存 于
第 四系粉质 黏 土夹碎 块石 土 中 。 孔 隙度 较大 ． 透水 性 较 好 。基岩 风化 裂 隙水 主要赋 存 于 白垩 系下 统苍 溪
内。 仪 陇一 巴 中一 平 昌莲 花状 构 造带 之 鼻状 背斜 南 东
翼 近核 部 。该滑 坡处 于 阶梯状 宽 台一 峡 谷低 山 区 ， 出 露 地层 主要 为第 四系残 坡积 土 （ Ｑ 柑 ） 和 白垩 系下 统
浸润线名词解释
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。
土石坝浸润线计算
坝体渗流量 总渗流量
0 5 0.25 21 0 4.621595 37 8.4 2 2 4.621595 115.5399 115.5399
cm/s m cm/s m m m m m
X Y
-2.31 -1.63 0.394 3.775 10.82 14.59 22.03 30.82 40.96 52.46 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5
K0： T： K： H1： H2： h0： L： △L1： m1： m2： h'0： qd： q：
地基渗透系数 透水地基厚度 坝体渗透系数 坝前水深 坝后水深
褥垫始点垂线上至浸润线高（考虑渗透地基） 褥垫始点至游水位与坝坡交点垂线的水平距离
[m1/(2m1+1)]*H1 上游坝坡比1∶m1 下游坝坡比1∶m2
注：坐标原点为褥垫起始点(坝内 )(x轴向上游为正，y轴向上为正) 坝前水位至坝底距离 坝后水位至坝底距离 h0＝q/(K+K0/0.44) 褥垫起始点：褥垫在坝内最靠近上游点 复核： x=0时，y=1.7144=h0 L‘=L+△L1= 45.4 m 等于当y=H1时对应的X值
m h‘0＝[(△L1+L)2+H12]0.5-(△L1+L) cm2/s qd＝K*h0'*100 cm2/s qj＝K0*T*100*(H1-H2)/(L+m1*H1+0.88*T)
翁闹水库正常水位浸润线及渗流量计算
计算方法：有限渗透水地基上有水平排水（下游无水）的均质土坝 浸润线坐标值计算公式：X=K0T(y-h0)/q'+K(y2-h02)/(2q') q'=K0T(H1-h0)/(L+△L1)+K(H12-h02)/2(L+△L1)= 有关计算数据输入 1.1553988 翁闹水库正常水位浸润线坐标曲线表( 翁闹水库正常水位浸润线坐标曲线表(m)
渗流分析 浸润线
------------------------------------------------------------------- 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。
库水作用下浸润线的确定
公式的修正 (消除用一维代替二维引起的误差)
当水平距离大于一倍 下降高度时，坡角对 浸润线的影响很小 当水平距离大于一倍 下降高度时，一维公 式的计算结果大于有 限元的结果，并且两 者的曲线大致相互平 行。
30 浸润线高度(m) 25 20 15 10 5 0 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 计算公式 有限元(坡角为56.3°) 有限元(坡角为28.6°) 有限元(坡角为90°) 有限元(坡角为45°)
h x ,t
水平距离(m)
h0,t + ηV0 t (−0.1091λ4 + 0.7501λ3 − 1.9283λ2 + 2.2319λ ) = (λ ≥ 2) h0,t + ηV0 t
(0 ≤ λ < 2)
修正系数
9 . 2989 β η = 0 . 0066 β + 0 . 8218 ( β < 0 . 088 ) ( β ≥ 0 . 088 )
1 修正系数η 0.8 η= 0.0066β+ 0.8218 0.6 η= 9.2989β 0.4 0.2
β =
µv
k
0 0 1 2 3 4 5 6 7 下降速度指标β 8 9 10 11
7
试验验证
1.50 1.35 水头高度(m) 1.20 1.05 0.90 0.75 0.60 4 5 6 7 8 测压管编号 9 10 11 12 t=0min t=10min t=20min t=5min t=15min
8
试验验证
结论： 结论： 计算公式与试验值吻合，表明计算公式是正确的。 9
3、 程序编制及算例分析 、
堤防渗流计算(有详细的计算过程和程序)
q/k = (7.8^2-2.8^2)/(2×(65.943-5×2.8)) = 0.5102 m
q/k = 0.5011 = 0.5011 m
平均q/k = (0.5102+0.5011)/2 = 0.5057 m
平均渗流量qD = 0.5057×0.00001 = 5.06E-06 m3/s/m
透水地基底高程▽底 = 7 = 7 m 不透水地基顶高程
上游水位▽1 = 24.8 = 24.8 m
下游水位▽2 = 18 = 18 m
棱体顶高程 = 19 = 19 m 到下游堤脚
棱体临水坡坡率m3 = 2 = 2 / 1:m3
渗透系数k = 1.00E-05 = 1.00E-05 m/s
浸润线方程 y=SQRT(6.4516+1.4144x)
下游坝坡最大渗出坡降J = 1/3 = 0.333 / 1/m2
附录E.2.2 不透水堤基 均质土堤 下游设褥垫式排水
项目 计算式 数值 单位 备注
上游坡度m1 = 3 = 3 / 1:m1
下游坡度m2 = 5 = 5 / 1:m2
4.总渗流量 = 0.00000506+0.0000308 = 3.59E-05 m3/s/m
5.浸润线计算
h01 = 1 = 1 m
h02 = 10 = 10 m
步长 = 0.001 = 0.001 m
精度 = 0.001 = 0.001 m
试算得到h0 = 2.0361 = 1.894 m 程序计算
q/k = (7.8^2+1.398^2)/(2×51.943) = 0.604 m
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浸润线的计算
7.4.1 瑞典条分法
7.4.1.1基本假定与公式
条分法是将滑动土体竖直分成若干土条，把土条当成刚体，分别求作用于各土条上的力对圆心的滑动力矩和抗滑力矩，然后按下式求土坡的稳定安全系数F s。
其原理是条分法可认为整体圆弧法s n是
l(x,y)的函数，无法求理论解，是一个边值问题，应通过数值计算解决。
一个简化解决方法是将滑动土体分成条。
实际是一种离散化计算方法。
代替法：用浸润线一下，坡外水位以上所包围的同体积的水重对滑动圆心的力矩来代替渗流力对圆心
7.4.2.3 安全系数
7.4.2.4简化毕肖普法的特点
①假设条块间作用力只有法向力没有切向力；
②满足滑动土体整体力矩平衡条件；
③满足各条块力的多边形闭合条件，但不满足条块的力矩平衡条件；
④满足极限平衡条件；
⑤得到的安全系数比瑞典条分法略高一点。
7.4.3 普遍条分法
7.4.3.1条分法基本原理
条分法的基本思路就是将滑动土体沿竖向分成若干土条，视所有土条为刚体，对每个土条进行受力分析，分别求出作用在各土条上的滑动力（矩）和抗滑力（矩），然后得到土坡的稳定安全系数。
很显然，要求解土条的受力，是一个超静定的问题。
划分的土条数越多，则超静定次数越高。
要使问题以求解，常用的做法是对土条间的作用力进行一些可以接受的简化假定，以减少未知量个数或增加方程数。
目前的多种条分法，其差别就在于采用了不同的简化假定。
这些简化假定大体上分为三类：①不考虑土条间作用力或仅考虑其中的一个作用力，如瑞典条分法和简化毕肖普法；②假定土条间力的作用方向或规定Pi与hi的比值，折线滑动面方法则属于此类；③假定土条间的作用位位置，即规定hi的大小，如等于侧面高度的1/2或1/3，通用条分法就属于这一类。