19.2.3 下游有排水设备的均质土坝
为了降低坝体的浸润线及孔隙水压力，防止渗透变形，增加坝坡的稳定性，防止冻胀破坏等，常在坝体的下游设排水设备，排水设备常用的形式为褥垫排水、棱体排水、贴坡排水、管式排水和综合式排水等。本章只介绍褥垫排水和棱体排水。
1.坝下游无水时褥垫排水均质土坝渗流量和浸润线的计算[5]
坝下游无水时褥垫排水如图19.4所示，此时浸润线可以看作以褥垫排水起点G为焦点且通过A'点的抛物线，褥垫排水起点G处的浸润线高度为h0，排水起点G至浸润线与x轴交点C的水平距离为L1。以图19.4所示的B'点为坐标原点，断面A'B'与断面IG之间的水平长度为ΔL+L，两断面之间的水头差为（H1-h0），则当土坝下游无水时，两断面之间的平均水力坡度J为
图19.4 均质土坝褥垫排水（坝下游无水）分析简图
这一段坝体单位宽度渗流的平均断面面积A为
单宽渗流量为
式中：L为上游水面与上游坝坡交点A距褥垫排水起点G的水平距离；ΔL仍按式（19.7）计算。
下面推求浸润线方程和排水设备起点G处浸润线高度h0的计算式。
由式（19.5）可以看出，坝体内的自由水面线为一抛物线，因此可以应用抛物线理论来进行分析。对于有排水设备的均质土坝，设自由水面线的焦点位于排水体的起点G，抛物线的顶点位于O点，抛物线的准线距焦点的距离为2L1，如图19.5所示。
在抛物线上任找一点P，由抛物线的性质可知，焦点G至抛物线上任意一点P的长度等于GP在水平轴上的投影长度加上从焦点到准线的距离，设P点的坐标为（x，z），则根据抛物线的性质得
整理式（19.24）可得
当x=0时，z=h0，代入式（19.25）得L1=0.5h0。
将L1=0.5h0代入式（19.25）求解得
对比图19.4和图19.5，当x=L+ΔL时，z=H1，代入式（19.26）求得
图19.5 坝体浸润线分析简图
因为在实验时，ΔL、L和H1是已知的，所以可以用式（19.27）直接求出h0。(https://www.daowen.com)
浸润线可以用式（19.26）计算，计算时坐标原点在焦点G处，x以向上游为正。
对于图19.4所示的坐标系，如果将坐标原点设在B'点，x向下游为正，文献[6]给出的浸润线方程为
2.坝下游有水时褥垫排水均质土坝渗流量和浸润线的计算
坝下游有水时褥垫排水如图19.6所示。将坐标设在下游水面上，坐标原点为图19.6中的O点，由图19.6可以看出，当x=0时，z=H1-H2，为了与坝下游无水时相区别，设坝下游有水时的褥垫排水起点G处下游水面以上的浸润线高度为h01，将z=H1-H2和h01代入式（19.26）得
求出了h01，单宽渗流量和浸润线方程仍由式（19.23）和式（19.28）计算，计算时注意将h0换为h01即可。
图19.6 均质土坝褥垫排水（坝下游有水）分析简图
3.坝下游无水时棱体排水均质土坝渗流量和浸润线的计算
坝下游无水时棱体排水如图19.7所示，设棱体的上游边坡系数为m3，下游边坡系数为m4，棱体底部长度为S，坐标原点仍设在B'点，断面A'B'与断面IG之间的水平长度仍为ΔL+L，这里的L为E点至棱体排水起点G的距离，排水起点G至浸润线与x轴交点C的距离为L2，且L2=0.5h0[6]。
图19.7 均质土坝棱体排水（坝下游无水）分析简图
坝下游无水时棱体排水均质土坝渗流量和浸润线的计算方法与褥垫排水相同，仍由式（19.23）计算单宽渗流量，用式（19.28）计算浸润线，由式（19.27）计算棱体排水起点G处的浸润线高度h0。
4.坝下游有水时棱体排水均质土坝渗流量和浸润线的计算
坝下游有水时棱体排水如图19.8所示，这时棱体的高度一般超出下游水位0.5m以上。设下游水深为H2，将坐标设在下游水面上，坐标原点为图19.8中的O点，下游水面与棱体排水的上游坡面的交点为I，棱体排水的起点G距I点的水平距离为L0，仿照式（19.29）可得
图19.8 均质土坝棱体排水（坝下游有水）分析简图
其中
式中：L为E点至棱体排水起点G的距离；H2为下游水深。
单宽渗流量的计算公式为
浸润线仍由式（19.28）计算，计算时注意将h0换为h01。