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孔隙压力计算中潜水面与测压面的区别

1. 引言

在地下水模拟特别是 计算孔隙水压力计算时,“潜水面( phreatic surface )[977]”与“测压面 ( piezometric surface )[260]"是密切关联的概念,但其定义与应用存在本质区别。 潜水面是坡体内自由地下水位的高程面,即 边坡内的自由地下水位 测压面( 压力面/ 测压管水位面 )是 相对于边坡内部某一基准面的实际压力水头的 等势面 反映坡体内部各点实际孔压高程 。二者混淆将直接影响孔隙压力计算与边坡稳定性判断。

2. 潜水面

潜水面(地下水位)代表非承压含水层中水压等于大气压(孔隙水压力为零)的位置,通常称为地下水位(water table)。 潜水面可用于定义边坡/开挖面上方的积水( ponded water 】。如果在边坡表面上方定义了地下水位,则会自动形成积水。支持特定功能,如设置潜水面上下不同的重度、快速降水( rapid drawdown )分析以及模拟张拉裂缝( tension cracks )中的水。一个模型中只能定义一个 潜水面( 地下水位)。

3. 测压面

测压面( piezometric/piezo surface )指的是水在水井或测压管中所能上升到的水位,它通常与承压含水层( confined aquifer )中的压力水头相对应, 代表承压含水层中的孔隙压力。孔隙压力与距水面的垂直距离成正比。 测压面无法定义积水、饱和重度、水面以上的强度、快速降水或张拉裂缝中的水。若需实现这些功能,必须使用地下水位。测压面的数量没有限制,可在一个项目中模拟多种地下水条件。在承压含水层中,测压面可能高于地表,而这种情况下通常不希望出现积水。这就是测压面“不会产生积水”的原因。

4. 区别小结

潜水面(Phreatic surface)或地下水位是自由水面的物理体现,而 测压面(piezometric surface)是实际水压头的等势线位置。 潜水面是水压为零的水平,压水面则反映特定点的压力头,正确区分两者对有效应力计算至关重要。 在均质的孔隙压力分布条件下, 测压面与地下水位 是相同的,但在结构面或节理中存在非均质孔压分布时,两者可能显著不同。混淆这两个概念,容易导致错估滑动面上的孔隙水压力分布,进而影响稳定性计算。

5. 控制浸润线

在二维状态下,浸润线是水从坝体迎水面经过坝体向 游渗透所形成的自由水面和坝体横剖面的相交线。 按照 《尾矿库安全规程》( GB39496-2020)的定义, 控制浸润线 (controled position of the phreatic line)指的是 既满足临界浸润线要求、又满足尾矿堆积坝下游坡最小埋深浸润线要求的坝体最高 浸润线 。这个定义表达了3层意思:

(1) 临界浸润线要求:浸润线的高度必须达到一个临界值,以确保坝体的稳定性和安全性。
(2) 下游坡最小埋深浸润线要求: 浸润线的位置还必须满足尾矿堆积坝下游坡的最小埋深要求,以防止渗透破坏和坝体失稳。
(3) 坝体最高浸润线: 控制浸润线是指在上述两个条件下,坝体中最高的浸润线位置。 这意味着在设计和运行过程中,必须确保浸润线始终维持在这个最高点,以确保坝体的安全性。
控制浸润线是一个综合性的标准,旨在通过确保浸润线的高度既满足临界值又满足下游坡最小埋深的要求,来保障尾矿库的安全运行。
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