摘 要：

　　工程中經(jīng)常出現(xiàn)因水力梯度、土體細(xì)粒含量、反濾層滲透性變化等因素導(dǎo)致的機(jī)械淤堵問題。為探究不同因素作用下土-土工織物反濾體系滲透淤堵機(jī)理，對現(xiàn)有規(guī)范中的梯度比GR試驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)并補(bǔ)充試驗(yàn)方法，開展了3種水力梯度、3種細(xì)粒含量、4種土工織物規(guī)格條件下的滲透試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：改進(jìn)后的梯度比GR試驗(yàn)儀結(jié)合補(bǔ)充的試驗(yàn)方法可以區(qū)分土工織物淤堵和土體自身“淤堵”;土-土工織物反濾體系的滲透性與細(xì)粒含量、織物單位面積質(zhì)量成反比，與水力梯度成正比；通過二次篩分，發(fā)現(xiàn)土體細(xì)粒含量較多的土樣在高水頭作用下會在土體內(nèi)部形成可以截住細(xì)粒的天然濾層，導(dǎo)致天然濾層上方土體出現(xiàn)淤堵現(xiàn)象，而靠近織物土層的細(xì)粒在滲透水流作用下移向或逸出土工織物，造成梯度比GR和滲透系數(shù)均下降，通過增加織物孔徑能降低土體的淤堵程度，提高反濾體系透水能力。分析結(jié)果進(jìn)一步表明，通過改進(jìn)的淤堵試驗(yàn)儀以及二次篩分試驗(yàn)可以合理地評價(jià)土工織物反濾體系的淤堵范圍和淤堵程度，為工程中判斷反濾體系的滲透淤堵特性提供參考。

　　關(guān)鍵詞：

　　土-土工織物反濾體系;滲透淤堵機(jī)理;影響因素;梯度比GR試驗(yàn);二次篩分;

　　作者簡介：

　　呂從聰(1987—),男，講師，博士，主要從事水工材料耐久性和力學(xué)性能研究。

　　*盧曉春(1983—),男，副院長，教授，博士研究生導(dǎo)師，博士，主要從事水工程結(jié)構(gòu)長效安全研究。

　　基金：

　　新疆水利科技專項(xiàng)資金項(xiàng)目(XSKJ-2022-05);

　　國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2018YFC0407000);

　　湖北省水電工程施工與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(三峽大學(xué))開放基金(2020KSD13);

　　引用：

　　呂從聰, 劉名廣, 盧曉春, 等. 不同因素作用下的土-土工織物反濾體系滲透淤堵機(jī)理研究[ J]. 水利水電技術(shù)(中英文), 2022, 53(12): 47- 55.

　　LYU Congcong, LIU Mingguang, LU Xiaochun, et al. Study on infiltration clogging mechanism of soil-geotextile filtration system under different factors[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2022, 53(12): 47- 55.

0 引 言

　　由于土工織物具有生產(chǎn)運(yùn)輸便捷，價(jià)格低廉，耐久性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛用作壩體、海岸防護(hù)、河道治理中排水體系的反濾層。為保證巖質(zhì)邊坡及地下洞室等水工建筑物排水體系的有效性，排水體系中通常將無紡?fù)凉た椢镉米鞣礊V層并外包在透水管外，起到排水、保土和防淤堵的作用，其反濾性能和耐久性能影響著排水體系的長期穩(wěn)定。然而，在滲透水壓力作用下，土工織物附近細(xì)粒向下遷移，造成土工織物嚴(yán)重淤堵，進(jìn)而影響到工程的安全穩(wěn)定。已有研究表明，土工織物反濾性能與土體細(xì)粒含量、織物自身結(jié)構(gòu)、水力梯度等因素密切相關(guān),譬如：田卿燕等對運(yùn)行多年的斜仰式排水管進(jìn)行開挖發(fā)現(xiàn)，排水管外面包裹的土工織物表面和里面均發(fā)生嚴(yán)重淤堵，淤堵物主要是細(xì)粒黏土；唐正濤等對護(hù)坡土工織物研究發(fā)現(xiàn)，土工織物表面黏粒含量較多，且出現(xiàn)了嚴(yán)重淤堵，通過開展室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，等效孔徑越小的土工織物在試驗(yàn)結(jié)束后，織物單位體積含土量越多；STOLTZ等通過滲透試驗(yàn)來評價(jià)幾種土工織物過濾粘性污泥能力發(fā)現(xiàn)，隨著污泥濃度增加，土工織物和土體之間更容易產(chǎn)生一層濾餅，導(dǎo)致反濾層滲透系數(shù)下降；BOURGÈS等通過壓濾試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)壓延土工織物相較于針刺土工織物保土性更好，但針刺土工織物表面粗糙，不易生成濾餅。翟超等通過梯度比試驗(yàn)研究多個影響因素下反濾層滲透性能發(fā)現(xiàn)，隨著水力梯度的增大，土工織物內(nèi)部堵塞的黏粒含量增加，反濾層淤堵程度增加。

　　上述研究主要針對的是出現(xiàn)在土工織物表面或內(nèi)部的淤堵問題，然而不少研究表明,在滲透水壓力作用下土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化也會造成反濾體系的滲透性能改變，目前判斷反濾層淤堵情況最常用的方法主要是應(yīng)用梯度比GR或滲透系數(shù)這兩個參數(shù)。胡丹兵、杜春雪、余巍等認(rèn)為規(guī)范中以GR=3作為土-土工織物反濾體系的淤堵程度的標(biāo)準(zhǔn)不夠完善，適用范圍較為局限，且當(dāng)測壓管間距選取不同時，GR值也會發(fā)生改變，因此建議利用GR變化趨勢來判別反濾層的滲透性變化；龐小朝等通過梯度比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)土工織物和上方土層之間形成一層弱透水濾餅，導(dǎo)致GR值增加，反濾體系淤堵嚴(yán)重，通過在貼近織物處加增測壓管來監(jiān)測濾餅的生成；徐超等通過梯度比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在土工織物過濾黏土過程中，GR值在試驗(yàn)初期上升較快，到達(dá)峰值后下降并且趨于穩(wěn)定，反濾體系淤堵程度降低。上述研究表明，GR值的選取與土體性質(zhì)和環(huán)境密切相關(guān)，而且試驗(yàn)過程中GR變化趨勢也極具參考價(jià)值。

　　與此同時，反濾層的施加使得滲透水壓力作用下土體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，細(xì)粒在土體內(nèi)部發(fā)生聚集，此時淤堵的主要部位可能發(fā)生在土體內(nèi)部，且反濾體系滲透性能改變與具體淤堵位置有關(guān)，需要進(jìn)一步對淤堵成因進(jìn)行分析。付長生等通過土柱模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，靠近進(jìn)出水口的兩側(cè)土體受到的不平衡力較強(qiáng)，細(xì)粒在滲透力拖曳下容易出現(xiàn)不規(guī)則移動，從而改變土層的結(jié)構(gòu)，引起滲透系數(shù)變化，其中水力梯度對土層滲透性變化影響程度較大；易進(jìn)榮等通過梯度比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在滲透水流和壓重作用下土體細(xì)粒與相鄰級配顆粒重新排列，使得土體出現(xiàn)淤堵；榮臻等基于土柱試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土體滲透性降低是影響流量變化的主導(dǎo)因素；鄒錫云等通過變水頭試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，黃土滲透性降低主要是由于黃土顆粒間膠結(jié)物質(zhì)溶解，顆粒發(fā)生移動填充粒間孔隙導(dǎo)致黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變。由此可見，利用傳統(tǒng)土工織物淤堵試驗(yàn)儀可以對土工織物和貼近織物的土體進(jìn)行有效監(jiān)測，但難以對土體內(nèi)部出現(xiàn)的淤堵現(xiàn)象進(jìn)行描述，有必要對該儀器進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)。

　　因此，本文擬將被保護(hù)土體的細(xì)粒含量、水力梯度以及土工織物等效孔徑等條件作為變量，對現(xiàn)有規(guī)范中的梯度比GR試驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，并利用改進(jìn)后的淤堵試驗(yàn)儀進(jìn)行多組土工織物滲透淤堵試驗(yàn)，探究不同因素作用下的土-土工織物反濾體系滲透特性，并對各土層滲透性變化、顆粒遷移規(guī)律進(jìn)行分析，進(jìn)而揭示土-土工織物反濾體系的滲透淤堵機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料和方法

　　1.1 改進(jìn)的試驗(yàn)裝置

　　為了測得土體自身的滲透性能變化，同時保留原有試驗(yàn)的所有功能，在傳統(tǒng)梯度比試驗(yàn)儀的基礎(chǔ)上增加了5號測壓管(見圖1),將原儀器中的Ⅱ部分土體由下至上分為Ⅱ-1、Ⅱ-2兩層，由5號與3號、5號與2號測壓管水頭差即可分別得到Ⅱ-1、Ⅱ-2部分土體滲透系數(shù)，由此即可分析各部分土體滲透系數(shù)的變化，并對土體淤堵的位置做更準(zhǔn)確的判斷；由于土工織物和相鄰?fù)馏w滲透性均會發(fā)生變化，能夠共同承擔(dān)反濾作用，所以本文中將土與土工織物構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為土-土工織物反濾體系。

　　圖1 改進(jìn)的土工織物淤堵試驗(yàn)儀

　　1.2 試驗(yàn)方法

　　1.2.1 梯度比試驗(yàn)

　　梯度比試驗(yàn)主要用于測定一定水流條件下，反濾過程中土-土工織物反濾體系的淤堵特性，即通過對比土工織物與土體所構(gòu)成反濾體系中的水頭損失與被保護(hù)土體中的水頭損失，進(jìn)而分析該反濾體系的淤堵情況，換言之，如果梯度比增大，則表明土和土工織物構(gòu)成的反濾體系淤堵程度增大。

　　根據(jù)《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50290—2014),首先將浸水飽和后的土工織物放置于透水板上，將土樣分4層填入透明圓桶中并分層夯實(shí)，對裝填完畢的試樣采用排水法飽和靜止12 h以上，試驗(yàn)過程每1～2 h記錄各測壓管的讀數(shù)以及滲流流量，測量試驗(yàn)時間不少于34 h, 待測壓管讀數(shù)和單位時間滲流量不發(fā)生變化時認(rèn)為土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)達(dá)到相對穩(wěn)定，結(jié)束滲流試驗(yàn)。

　　在試驗(yàn)過程中，通過不同時刻2號、3號、4號測壓管的水頭數(shù)據(jù)和測壓管之間滲流路徑長度計(jì)算3號和4號、2號與3號測壓管之間水力梯度，其比值即為GR值，即

　　式中，iⅠ為土和土工織物構(gòu)成的反濾體系的水力梯度；iⅡ?yàn)楸槐Ｗo(hù)土體的水力梯度；H2-3和H3-4分別為2號—3號、3號—4號測壓管讀數(shù)之間的差值；L2-3 和L3-4分別為2號—3號、3號—4號測壓管間距，有L2-3=50 mm, L3-4=25 mm; δ為土工織物的厚度。

　　不計(jì)織物厚度，式(1)可以表示為

　　隨著細(xì)粒向下遷移，土工織物表面和內(nèi)部逐漸出現(xiàn)淤堵，導(dǎo)致水力梯度H3-4增大，梯度比GR也隨之增大，而當(dāng)淤堵發(fā)展到上方土層造成土層內(nèi)部淤堵時，GR值可能下降，其淤堵部位需要結(jié)合各測壓管滲透系數(shù)和補(bǔ)充的試驗(yàn)方法來進(jìn)行判斷。

　　1.2.2 二次篩分試驗(yàn)

　　試驗(yàn)采用的IOS標(biāo)準(zhǔn)砂顆粒粒徑分布均勻，滲流前后質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持不變，而粉土粒徑較小，在滲透水流作用下向土工織物方向遷移；利用標(biāo)準(zhǔn)砂和粉土的物理特性，將試驗(yàn)結(jié)束后的土樣橫向分割成均勻4份，在恒溫干燥箱干燥8 h后取出稱重，并通過0.075 mm篩網(wǎng)水洗濾掉細(xì)粒，然后對濾網(wǎng)上的標(biāo)準(zhǔn)砂再次烘干稱重；結(jié)合計(jì)算得到的各層土細(xì)粒含量和改進(jìn)的土工織物淤堵試驗(yàn)儀測得的各土層滲透系數(shù)，評價(jià)土-土工織物反濾體系內(nèi)部淤堵情況。

　　1.3 試驗(yàn)土樣和織物基本參數(shù)

　　為進(jìn)一步探究土體細(xì)粒運(yùn)移規(guī)律，選取云南大理某巖質(zhì)邊坡土樣，篩選出顆粒粒徑小于0.075 mm的細(xì)粒，采用粒徑0.075～2 mm的標(biāo)準(zhǔn)砂作為骨架顆粒，兩者級配曲線如圖2(a)所示，通過均勻混合得到3種級配土樣如圖2(b)所示，物理性質(zhì)如表1所列。土樣最大干密度為1.71 g/cm3,其中細(xì)粒占土樣總質(zhì)量的比例分別按20%、30%、40%配比，為便于說明，將其分別記為S1、S2、S3。

　　圖2 顆粒級配曲線

　　為研究土工織物有效孔徑對土-土工織物反濾體系淤堵特性的影響，試驗(yàn)采用了規(guī)格分別為150 g/m2、200 g/m2、300 g/m2、400 g/m2的4種針刺型無紡?fù)凉た椢锶鐖D3所示，分別記為G1、G2、G3、G4。

　　圖3 四種規(guī)格土工織物

　　根據(jù)《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50290—2014),對土工織物主要參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行選取和測定，得到土工織物的物理特性如表2所列。

　　1.4 試驗(yàn)分組

　　本文擬在4種土工織物規(guī)格(G1、G2、G3、G4)條件下，開展3種不同細(xì)粒含量土樣(S1、S2、S3),在3種不同水力梯度(I1、I2、I3)條件下的滲透淤堵試驗(yàn)，并對典型試驗(yàn)土樣進(jìn)行二次篩分。各試驗(yàn)編號如表3所列。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　通過梯度比試驗(yàn)，得到不同因素作用下土-土工織物反濾體系的滲透系數(shù)和GR值，探究多種因素作用下反濾體系的滲透淤堵特性。

　　2.1 不同水力梯度和細(xì)粒含量條件試驗(yàn)結(jié)果

　　基于表3中土工織物單位面積質(zhì)量300 g/m2對應(yīng)編號G3的九組試驗(yàn)，得出在3種細(xì)粒含量(20%、30%、40%)條件下，GR和滲透系數(shù)隨水力梯度變化的規(guī)律如圖4所示。可以看出，在土體細(xì)粒含量不變情況下，隨著水力梯度的增大，GR值減小，滲透系數(shù)增大，這表明隨著水力梯度的增大，土體中更多的細(xì)粒逸出土工織物，進(jìn)而引起土-土工織物反濾體系滲透性增加；從圖中還可以看出，當(dāng)水力梯度i≤7時，隨著細(xì)粒含量的增大，GR值增大，滲透系數(shù)減?。欢?dāng)水力梯度i>7時，隨著細(xì)粒含量的增大，滲透系數(shù)減小，而GR值也呈減小趨勢，且當(dāng)水力梯度為8時，40%細(xì)粒含量土樣的GR值減小至1.02,究其原因可能是滲流作用下土顆粒發(fā)生運(yùn)移，導(dǎo)致土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)重組，為驗(yàn)證這一點(diǎn)，后文將進(jìn)一步研究細(xì)粒的運(yùn)移規(guī)律。

　　圖4 不同細(xì)粒含量時GR和滲透系數(shù)隨水力梯度變化關(guān)系

　　圖5是織物單位面積質(zhì)量300 g/m2對應(yīng)編號G3的9組試驗(yàn)，在滲流結(jié)束后其表面的細(xì)粒分布圖，由圖中可以看出，隨著水力梯度的增大，織物表面的細(xì)粒含量均減?。浑S著土體細(xì)粒含量的增大，織物表面的細(xì)粒含量均增大。分析可知，當(dāng)水力梯度較大時，在滲透水流作用下，土工織物表面的細(xì)粒進(jìn)入或者逸出土工織物的含量增加，而隨著土體內(nèi)部逐漸穩(wěn)定，向下遷移到土工織物的細(xì)粒減少，使得土工織物表面淤堵現(xiàn)象減輕；當(dāng)水力梯度較小時，土樣細(xì)粒含量的增加導(dǎo)致遷移到土工織物的細(xì)粒含量增加，堵塞織物孔徑，造成土工織物表面淤堵。

　　圖5 試驗(yàn)后的土工織物

　　2.2 不同織物規(guī)格和水力梯度條件試驗(yàn)結(jié)果

　　基于表3中細(xì)粒含量40%對應(yīng)編號為S3的12組試驗(yàn)，得到在3種水力梯度(i=4、6、8)條件下，GR和滲透系數(shù)隨土工織物單位面積質(zhì)量變化的規(guī)律如圖6所示?？梢钥闯?，在水力梯度不變條件下，織物單位面積質(zhì)量越大，GR值越大，滲透系數(shù)越小。相較于水力梯度為4和6的結(jié)果，當(dāng)水力梯度為8時，GR值隨織物單位面積質(zhì)量變化更為平緩，說明在水力梯度較大時，GR對織物單位面積質(zhì)量的變化并不敏感；隨著織物單位面積質(zhì)量的增大，能夠進(jìn)入到土工織物內(nèi)部細(xì)粒含量增多，進(jìn)而導(dǎo)致土-土工織物反濾體系滲透性降低。由此可見，選用單位面積質(zhì)量較小的土工織物能增加反濾層滲透性，減輕淤堵程度。

　　圖6 不同水力梯度時GR和滲透系數(shù)隨織物單位面積質(zhì)量變化關(guān)系

3 反濾體系淤堵機(jī)理分析

　　基于表3中在水力梯度i=4、8(I1、I3)條件下，細(xì)粒含量為20%、30%、40%(S1、S2、S3)的6組試驗(yàn)，得到梯度比GR隨時間變化的時效曲線如圖7所示；由改進(jìn)的淤堵試驗(yàn)儀測得的各土層滲透系數(shù)以及二次篩分試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，通過對各土層滲透性變化、顆粒遷移規(guī)律進(jìn)行分析，進(jìn)而揭示土-土工織物反濾體系的滲透淤堵機(jī)理。

　　圖7 梯度比GR時效曲線

　　圖8 試驗(yàn)結(jié)束時各土層參數(shù)

　　由圖7可以看出，隨著土體細(xì)粒含量的增大，梯度比GR的峰值增大，土-土工織物反濾體系到達(dá)滲流穩(wěn)定的時間增長；而隨著水力梯度增大，細(xì)粒含量較多的土體梯度比GR到達(dá)峰值后減小。這表明當(dāng)土體細(xì)粒含量增大時，土層細(xì)粒向下遷移時間延長，到達(dá)下方土層以及織物內(nèi)部的含量增加，導(dǎo)致梯度比GR峰值增大；但對于細(xì)粒含量30%和40%的兩組土樣，梯度比GR在水力梯度為8時分別到達(dá)峰值1.6和2.25后逐漸下降，最終趨近于1,相比之下，另外4組土樣GR值到達(dá)峰值后保持不變。分析可知，隨著水力梯度增大，滲透水流能拖曳的細(xì)粒含量增大，對于細(xì)粒含量較多的土體，細(xì)粒的遷移可能導(dǎo)致土體骨架顆粒重新調(diào)整，并在土工織物的保土以及滲透水流的壓密作用下，最終達(dá)到相對穩(wěn)定。

　　由圖8(a)、圖8(b)可知，當(dāng)水力梯度為4時，隨著土體細(xì)粒含量的增大，同一層土體的滲透系數(shù)減小，且由土層Ⅲ至土層Ⅰ依次遞減，滲透系數(shù)最小值均出現(xiàn)在土層Ⅰ,說明土-土工織物反濾體系淤堵的主要部位在土工織物及相鄰?fù)翆?；相比之下，?dāng)水力梯度為8時，土樣細(xì)粒含量30%和40%的滲透系數(shù)最小值出現(xiàn)在Ⅱ-1層，分別為3.19×10-5 cm/s和7.78×10-5 cm/s, 說明土體本身滲透系數(shù)的降低是導(dǎo)致土-土工織物反濾體系淤堵的主要原因。

　　由圖8(c)、圖8 (d)可知，當(dāng)水力梯度為4時，滲流結(jié)束后土體細(xì)粒含量由土層Ⅲ至土層Ⅰ依次遞增，且兩端土體相較于中間土層Ⅱ-1和Ⅱ-2的變化更大，隨著細(xì)粒含量增加，土層Ⅰ相較于初始細(xì)粒含量分別增加了11.2%、12.6%和11.5%,說明在滲透水流作用下，由于土層Ⅲ中細(xì)粒遷出到下層土體后沒有補(bǔ)充，細(xì)粒流失量最大，中間土層在細(xì)粒遷出和遷入過程中達(dá)到平衡，細(xì)粒含量變化較小，而土層Ⅰ中在土工織物滯留效應(yīng)下細(xì)粒含量最多；相比之下，當(dāng)水力梯度為8時，細(xì)粒含量30%和40%的土樣滲流結(jié)束后，在土層Ⅱ-1處細(xì)粒含量最多，相較于初始細(xì)粒含量分別增加了12%和11.1%,且土層Ⅰ小于初始細(xì)粒含量，說明隨著水力梯度增大，水流能拖曳的細(xì)粒增加，土體內(nèi)部骨架顆粒重新調(diào)整形成了可以截住細(xì)粒的天然濾層，而靠近土工織物的部分細(xì)粒穿過織物溢出，導(dǎo)致織物相鄰?fù)翆蛹?xì)粒含量少于初始配比，這也解釋了梯度比GR在試驗(yàn)后期下降的現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

　　本文在4種土工織物規(guī)格(G1、G2、G3、G4)條件下，開展3種不同細(xì)粒含量土樣(S1、S2、S3),在3種不同水力梯度(I1、I2、I3)條件下的滲透淤堵試驗(yàn)，并對典型試驗(yàn)的土樣進(jìn)行二次篩分，得到如下結(jié)論：

　　(1)在相同試驗(yàn)條件下，土-土工織物反濾體系的滲透性與細(xì)粒含量、織物單位面積質(zhì)量成正比，與水力梯度成反比；采用單位面積質(zhì)量較小的土工織物，在滿足保土條件下能減輕反濾層的淤堵程度。

　　(2)當(dāng)水力梯度較大時，隨著土體細(xì)粒含量增大，土體內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)重新排列，形成可截住細(xì)粒的天然濾層，在滲透水流作用下，細(xì)粒聚集到天然濾層上，導(dǎo)致土-土工織物反濾體系淤堵部位主要出現(xiàn)在遠(yuǎn)離織物的一側(cè)土體。

　　(3)通過改進(jìn)的土工織物淤堵試驗(yàn)儀和二次篩分試驗(yàn)?zāi)苓M(jìn)一步監(jiān)測土體滲透性變化，并對各層土體細(xì)粒含量進(jìn)行定量分析，可作為測量土-土工織物反濾體系淤堵范圍和淤堵程度的一種方法。