摘 要：

　　工程中經常出現因水力梯度、土體細粒含量、反濾層滲透性變化等因素導致的機械淤堵問題。為探究不同因素作用下土-土工織物反濾體系滲透淤堵機理，對現有規范中的梯度比GR試驗裝置進行改進并補充試驗方法，開展了3種水力梯度、3種細粒含量、4種土工織物規格條件下的滲透試驗。試驗結果表明：改進后的梯度比GR試驗儀結合補充的試驗方法可以區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粒含量、織物單位面積質量成反比，與水力梯度成正比；通過二次篩分，發現土體細粒含量較多的土樣在高水頭作用下會在土體內部形成可以截住細粒的天然濾層，導致天然濾層上方土體出現淤堵現象，而靠近織物土層的細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。分析結果進一步表明，通過改進的淤堵試驗儀以及二次篩分試驗可以合理地評價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。

　　關鍵詞：

　　土-土工織物反濾體系;滲透淤堵機理;影響因素;梯度比GR試驗;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性能研究。

　　*盧曉春(1983—),男，副院長，教授，博士研究生導師，博士，主要從事水工程結構長效安全研究。

　　基金：

　　新疆水利科技專項資金項目(XSKJ-2022-05);

　　國家重點研發計劃(2018YFC0407000);

　　湖北省水電工程施工與管理重點實驗室(三峽大學)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理研究[ J]. 水利水電技術(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運輸便捷，價格低廉，耐久性強等優點，目前被廣泛用作壩體、海岸防護、河道治理中排水體系的反濾層。為保證巖質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土工織物用作反濾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定。然而，在滲透水壓力作用下，土工織物附近細粒向下遷移，造成土工織物嚴重淤堵，進而影響到工程的安全穩定。已有研究表明，土工織物反濾性能與土體細粒含量、織物自身結構、水力梯度等因素密切相關,譬如：田卿燕等對運行多年的斜仰式排水管進行開挖發現，排水管外面包裹的土工織物表面和里面均發生嚴重淤堵，淤堵物主要是細粒黏土；唐正濤等對護坡土工織物研究發現，土工織物表面黏粒含量較多，且出現了嚴重淤堵，通過開展室內試驗發現，等效孔徑越小的土工織物在試驗結束后，織物單位體積含土量越多；STOLTZ等通過滲透試驗來評價幾種土工織物過濾粘性污泥能力發現，隨著污泥濃度增加，土工織物和土體之間更容易產生一層濾餅，導致反濾層滲透系數下降；BOURGÈS等通過壓濾試驗發現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研究多個影響因素下反濾層滲透性能發現，隨著水力梯度的增大，土工織物內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在土工織物表面或內部的淤堵問題，然而不少研究表明,在滲透水壓力作用下土體內部結構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用梯度比GR或滲透系數這兩個參數。胡丹兵、杜春雪、余巍等認為規范中以GR=3作為土-土工織物反濾體系的淤堵程度的標準不夠完善，適用范圍較為局限，且當測壓管間距選取不同時，GR值也會發生改變，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，發現土工織物和上方土層之間形成一層弱透水濾餅，導致GR值增加，反濾體系淤堵嚴重，通過在貼近織物處加增測壓管來監測濾餅的生成；徐超等通過梯度比試驗，發現在土工織物過濾黏土過程中，GR值在試驗初期上升較快，到達峰值后下降并且趨于穩定，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和環境密切相關，而且試驗過程中GR變化趨勢也極具參考價值。

　　與此同時，反濾層的施加使得滲透水壓力作用下土體內部的結構發生變化，細粒在土體內部發生聚集，此時淤堵的主要部位可能發生在土體內部，且反濾體系滲透性能改變與具體淤堵位置有關，需要進一步對淤堵成因進行分析。付長生等通過土柱模型試驗發現，靠近進出水口的兩側土體受到的不平衡力較強，細粒在滲透力拖曳下容易出現不規則移動，從而改變土層的結構，引起滲透系數變化，其中水力梯度對土層滲透性變化影響程度較大；易進榮等通過梯度比試驗發現，在滲透水流和壓重作用下土體細粒與相鄰級配顆粒重新排列，使得土體出現淤堵；榮臻等基于土柱試驗發現，土體滲透性降低是影響流量變化的主導因素；鄒錫云等通過變水頭試驗發現，黃土滲透性降低主要是由于黃土顆粒間膠結物質溶解，顆粒發生移動填充粒間孔隙導致黃土內部結構改變。由此可見，利用傳統土工織物淤堵試驗儀可以對土工織物和貼近織物的土體進行有效監測，但難以對土體內部出現的淤堵現象進行描述，有必要對該儀器進行適當改進。

　　因此，本文擬將被保護土體的細粒含量、水力梯度以及土工織物等效孔徑等條件作為變量，對現有規范中的梯度比GR試驗裝置進行改進，并利用改進后的淤堵試驗儀進行多組土工織物滲透淤堵試驗，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、顆粒遷移規律進行分析，進而揭示土-土工織物反濾體系的滲透淤堵機理。

1 試驗材料和方法

　　1.1 改進的試驗裝置

　　為了測得土體自身的滲透性能變化，同時保留原有試驗的所有功能，在傳統梯度比試驗儀的基礎上增加了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，由此即可分析各部分土體滲透系數的變化，并對土體淤堵的位置做更準確的判斷；由于土工織物和相鄰土體滲透性均會發生變化，能夠共同承擔反濾作用，所以本文中將土與土工織物構成的復合結構統稱為土-土工織物反濾體系。

　　圖1 改進的土工織物淤堵試驗儀

　　1.2 試驗方法

　　1.2.1 梯度比試驗

　　梯度比試驗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成反濾體系中的水頭損失與被保護土體中的水頭損失，進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成的反濾體系淤堵程度增大。

　　根據《土工合成材料應用技術規范》(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，對裝填完畢的試樣采用排水法飽和靜止12 h以上，試驗過程每1～2 h記錄各測壓管的讀數以及滲流流量，測量試驗時間不少于34 h, 待測壓管讀數和單位時間滲流量不發生變化時認為土樣內部結構達到相對穩定，結束滲流試驗。

　　在試驗過程中，通過不同時刻2號、3號、4號測壓管的水頭數據和測壓管之間滲流路徑長度計算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為土和土工織物構成的反濾體系的水力梯度；iⅡ為被保護土體的水力梯度；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。

　　不計織物厚度，式(1)可以表示為

　　隨著細粒向下遷移，土工織物表面和內部逐漸出現淤堵，導致水力梯度H3-4增大，梯度比GR也隨之增大，而當淤堵發展到上方土層造成土層內部淤堵時，GR值可能下降，其淤堵部位需要結合各測壓管滲透系數和補充的試驗方法來進行判斷。

　　1.2.2 二次篩分試驗

　　試驗采用的IOS標準砂顆粒粒徑分布均勻，滲流前后質量分數保持不變，而粉土粒徑較小，在滲透水流作用下向土工織物方向遷移；利用標準砂和粉土的物理特性，將試驗結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篩網水洗濾掉細粒，然后對濾網上的標準砂再次烘干稱重；結合計算得到的各層土細粒含量和改進的土工織物淤堵試驗儀測得的各土層滲透系數，評價土-土工織物反濾體系內部淤堵情況。

　　1.3 試驗土樣和織物基本參數

　　為進一步探究土體細粒運移規律，選取云南大理某巖質邊坡土樣，篩選出顆粒粒徑小于0.075 mm的細粒，采用粒徑0.075～2 mm的標準砂作為骨架顆粒，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，物理性質如表1所列。土樣最大干密度為1.71 g/cm3,其中細粒占土樣總質量的比例分別按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，試驗采用了規格分別為150 g/m2、200 g/m2、300 g/m2、400 g/m2的4種針刺型無紡土工織物如圖3所示，分別記為G1、G2、G3、G4。

　　圖3 四種規格土工織物

　　根據《土工合成材料應用技術規范》(GB/T 50290—2014),對土工織物主要參數指標進行選取和測定，得到土工織物的物理特性如表2所列。

　　1.4 試驗分組

　　本文擬在4種土工織物規格(G1、G2、G3、G4)條件下，開展3種不同細粒含量土樣(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，并對典型試驗土樣進行二次篩分。各試驗編號如表3所列。

2 試驗結果與分析

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

　　2.1 不同水力梯度和細粒含量條件試驗結果

　　基于表3中土工織物單位面積質量300 g/m2對應編號G3的九組試驗，得出在3種細粒含量(20%、30%、40%)條件下，GR和滲透系數隨水力梯度變化的規律如圖4所示?？梢钥闯觯谕馏w細粒含量不變情況下，隨著水力梯度的增大，GR值減小，滲透系數增大，這表明隨著水力梯度的增大，土體中更多的細粒逸出土工織物，進而引起土-土工織物反濾體系滲透性增加；從圖中還可以看出，當水力梯度i≤7時，隨著細粒含量的增大，GR值增大，滲透系數減??；而當水力梯度i>7時，隨著細粒含量的增大，滲透系數減小，而GR值也呈減小趨勢，且當水力梯度為8時，40%細粒含量土樣的GR值減小至1.02,究其原因可能是滲流作用下土顆粒發生運移，導致土體內部結構重組，為驗證這一點，后文將進一步研究細粒的運移規律。

　　圖4 不同細粒含量時GR和滲透系數隨水力梯度變化關系

　　圖5是織物單位面積質量300 g/m2對應編號G3的9組試驗，在滲流結束后其表面的細粒分布圖，由圖中可以看出，隨著水力梯度的增大，織物表面的細粒含量均減小；隨著土體細粒含量的增大，織物表面的細粒含量均增大。分析可知，當水力梯度較大時，在滲透水流作用下，土工織物表面的細粒進入或者逸出土工織物的含量增加，而隨著土體內部逐漸穩定，向下遷移到土工織物的細粒減少，使得土工織物表面淤堵現象減輕；當水力梯度較小時，土樣細粒含量的增加導致遷移到土工織物的細粒含量增加，堵塞織物孔徑，造成土工織物表面淤堵。

　　圖5 試驗后的土工織物

　　2.2 不同織物規格和水力梯度條件試驗結果

　　基于表3中細粒含量40%對應編號為S3的12組試驗，得到在3種水力梯度(i=4、6、8)條件下，GR和滲透系數隨土工織物單位面積質量變化的規律如圖6所示。可以看出，在水力梯度不變條件下，織物單位面積質量越大，GR值越大，滲透系數越小。相較于水力梯度為4和6的結果，當水力梯度為8時，GR值隨織物單位面積質量變化更為平緩，說明在水力梯度較大時，GR對織物單位面積質量的變化并不敏感；隨著織物單位面積質量的增大，能夠進入到土工織物內部細粒含量增多，進而導致土-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和滲透系數隨織物單位面積質量變化關系

3 反濾體系淤堵機理分析

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

　　圖7 梯度比GR時效曲線

　　圖8 試驗結束時各土層參數

　　由圖7可以看出，隨著土體細粒含量的增大，梯度比GR的峰值增大，土-土工織物反濾體系到達滲流穩定的時間增長；而隨著水力梯度增大，細粒含量較多的土體梯度比GR到達峰值后減小。這表明當土體細粒含量增大時，土層細粒向下遷移時間延長，到達下方土層以及織物內部的含量增加，導致梯度比GR峰值增大；但對于細粒含量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粒含量增大，對于細粒含量較多的土體，細粒的遷移可能導致土體骨架顆粒重新調整，并在土工織物的保土以及滲透水流的壓密作用下，最終達到相對穩定。

　　由圖8(a)、圖8(b)可知，當水力梯度為4時，隨著土體細粒含量的增大，同一層土體的滲透系數減小，且由土層Ⅲ至土層Ⅰ依次遞減，滲透系數最小值均出現在土層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土層；相比之下，當水力梯度為8時，土樣細粒含量30%和40%的滲透系數最小值出現在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的降低是導致土-土工織物反濾體系淤堵的主要原因。

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

4 結 論

　　本文在4種土工織物規格(G1、G2、G3、G4)條件下，開展3種不同細粒含量土樣(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，并對典型試驗的土樣進行二次篩分，得到如下結論：

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

　　(2)當水力梯度較大時，隨著土體細粒含量增大，土體內部骨架結構重新排列，形成可截住細粒的天然濾層，在滲透水流作用下，細粒聚集到天然濾層上，導致土-土工織物反濾體系淤堵部位主要出現在遠離織物的一側土體。

　　(3)通過改進的土工織物淤堵試驗儀和二次篩分試驗能進一步監測土體滲透性變化，并對各層土體細粒含量進行定量分析，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。