閻志坤 鐘啟明,2 卞士海 梅世昂

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2.水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

尾礦庫(kù)作為礦山的三大基礎(chǔ)工程之一，也是金屬非金屬礦山的重大危險(xiǎn)源，在世界93種事故、公害的隱患中，尾礦庫(kù)事故名列第18位[1]。我國(guó)每年排放尾礦量超過(guò)10億t，有尾礦庫(kù)1.2萬(wàn)余座，絕大部分為上游式筑壩法形成的尾礦庫(kù)，由于上游式筑壩法形成的尾礦庫(kù)存在子壩地基不均勻、排滲系統(tǒng)易淤堵、壩內(nèi)浸潤(rùn)線高和壩坡地震動(dòng)力穩(wěn)定性差等特點(diǎn)，加之于經(jīng)濟(jì)技術(shù)與管理原因，尾礦庫(kù)安全形勢(shì)嚴(yán)峻[2]。統(tǒng)計(jì)表明排水不良、浸潤(rùn)面高是尾礦壩事故主要原因之一[3]，因此滲流浸潤(rùn)面的控制對(duì)尾礦庫(kù)安全至關(guān)重要。目前主要通過(guò)設(shè)置排滲系統(tǒng)降低尾礦庫(kù)滲流浸潤(rùn)面，設(shè)置排滲系統(tǒng)可以減輕尾礦料的有效應(yīng)力下降引起抗剪強(qiáng)度降低和水力坡降增大導(dǎo)致滲透破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的探索，水平排滲管、空間聯(lián)合排滲、輻射井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)成為當(dāng)前典型的排滲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[4-7]。這類結(jié)構(gòu)主要采用水平輻射濾管深入尾礦庫(kù)中集取滲透水，并匯集到豎向積水井中，然后通過(guò)導(dǎo)水管自流排出。新筑尾礦壩可采用早期預(yù)埋排滲管，但這大部分都不能達(dá)到預(yù)期的效果[8]；對(duì)于已排放至一定高度的尾礦庫(kù)，利用鉆孔安裝排滲系統(tǒng)，施工較快，影響范圍廣，既經(jīng)濟(jì)也不易對(duì)堆積壩造成破壞。

排滲系統(tǒng)中水平濾管多采用開(kāi)孔管，并在外部設(shè)置一層反濾層。開(kāi)孔管可采用具有一定開(kāi)孔率的UPVC花管、鋼管等[9]，也可以是一種PE材質(zhì)，槽孔結(jié)合的特制異性管(槽孔管)結(jié)構(gòu)[10-11]。反濾層材料主要有散粒體材料和土工織物，土工布反濾作用已得到廣泛驗(yàn)證，在很多應(yīng)用中代替了傳統(tǒng)的散粒體反濾材料[12]。目前尾礦庫(kù)排滲系統(tǒng)中多采用土工織物作為反濾層，也有部分排滲系統(tǒng)采用鋼絲網(wǎng)結(jié)合散粒料構(gòu)成反濾層[11]?？紤]到施工工藝、土工布經(jīng)濟(jì)性、合適的散粒體材料難以獲取等多方面因素，土工織物仍然是尾礦庫(kù)排滲系統(tǒng)中最常用的反濾材料。采用土工織物反濾是有條件的，但是目前土工布選型尚不夠重視，國(guó)內(nèi)外使用不當(dāng)而造成的失效甚至失敗的事故時(shí)有出現(xiàn)[13]。同時(shí)尾礦庫(kù)中滲濾液特殊性、滲流條件、高應(yīng)力水平以及尾礦料特殊物理力學(xué)特性等因素也使得排滲系統(tǒng)反濾層工況極其復(fù)雜[14]。

土工布反濾層機(jī)理、試驗(yàn)方法和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則依然是一個(gè)難題，至今沒(méi)有成熟的設(shè)計(jì)方法[15]。筆者擬在查找和閱讀土工布反濾設(shè)計(jì)相關(guān)文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，綜述尾礦庫(kù)排滲系統(tǒng)反濾設(shè)計(jì)研究進(jìn)展，包括尾礦料對(duì)反濾層的影響，土工布特征指標(biāo)與測(cè)量方法，土工布支撐結(jié)構(gòu)對(duì)反濾層的影響，現(xiàn)有的反濾準(zhǔn)則研究和試驗(yàn)技術(shù)，以及當(dāng)前最關(guān)注的反濾層耐久性問(wèn)題研究，為尾礦庫(kù)排滲系統(tǒng)反濾設(shè)計(jì)提供參考。

1 反濾層結(jié)構(gòu)

土工布反濾層區(qū)域包括被保護(hù)土、土工布、排水結(jié)構(gòu)。如圖1所示，排水結(jié)構(gòu)不同，其水流特性也不同。影響土工布反濾層性能的因素[16-17]分類為：幾何因素(土粒粒徑分布和形狀，土工布厚度和孔隙分布等)，物理因素(土內(nèi)摩擦角、比重、黏性、有效應(yīng)力、土工布密度和壓縮性等)，外部因素(液體黏度、水力梯度、流量、生物化學(xué)作用等)。按反濾層結(jié)構(gòu)組成可分類[13]：①被保護(hù)土的性質(zhì)和狀態(tài)；②土工織物的種類和特性；③水流特性；④下游排水結(jié)構(gòu)；⑤土工織物鋪設(shè)的施工質(zhì)量與土層的接觸面狀況。

圖1 反濾層結(jié)構(gòu)Fig.1 Filter structure

1.1 尾礦料對(duì)反濾性能的影響

1.1.1 被保護(hù)土特性對(duì)反濾性能影響

土工布在反濾層中主要起催化劑作用[18-19]，促使土工布上游被保護(hù)土體形成架空層和天然濾層，天然濾層起到反濾作用。因此，被保護(hù)土的屬性對(duì)反濾層特性有著重要影響。當(dāng)土顆粒粒徑與土工布孔徑相當(dāng)時(shí)最容易在土工布內(nèi)部堵塞。土的不均勻系數(shù)表征粒徑不均勻性，土工布特征孔徑OF與土特征粒徑DX之比應(yīng)隨不均勻系數(shù)Cμ增大而減小，且粒徑小于0.228OF的土顆粒不能形成架空層[20]。土顆粒形狀會(huì)影響土工布保土特性，電子顯微鏡掃描發(fā)現(xiàn)尾礦砂具有明顯的長(zhǎng)短軸特征[21]，該特征造成尾礦砂總體上各向異性，但顆粒形狀的影響至今沒(méi)有明確定量結(jié)論[22]。

容易引起反濾層失效的被保護(hù)土具有一些總體特征。德國(guó)土力學(xué)及基礎(chǔ)工程學(xué)會(huì)將被保護(hù)土分為問(wèn)題土和穩(wěn)定土[15]。問(wèn)題土主要為粉粒含量多、顆粒細(xì)、黏聚力小的土，具備下列特征之一：①塑性指數(shù)小于15，或黏粒/粉粒含量比小于0.5；②粒徑介于0.02～0.1 m之間的土含量大于50%；③不均勻系數(shù)Cμ小于15并含有黏粒和粉粒。大量土工布反濾失效案例統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)土工布反濾層盡可能避免以下土類[23]：①粒徑單一的非黏性細(xì)粒土；②斷級(jí)配無(wú)黏性土；③分散性黏土?xí)S時(shí)間分散成單獨(dú)的細(xì)顆粒；④富含鐵離子的土。

Bhatia[24]研究認(rèn)為土的內(nèi)部不穩(wěn)定性造成土工布反濾層失效。土的內(nèi)部穩(wěn)定性[25]是指粗粒阻止細(xì)粒被水流挾帶流失的能力。對(duì)土的內(nèi)部穩(wěn)定性研究形成了很多判別準(zhǔn)則，Zhang[26]通過(guò)對(duì)131個(gè)土屬性數(shù)據(jù)集合典型判別準(zhǔn)則的分析驗(yàn)證，提出了更適用的判別準(zhǔn)則，如圖2所示。

1.1.2 尾礦料統(tǒng)計(jì)屬性研究

尾礦料統(tǒng)計(jì)特征研究較少，但隨著選礦工藝的提升，尾礦料總體特征為粒徑較細(xì)、級(jí)配較差。青山林場(chǎng)尾礦庫(kù)不同位置、不同深度隨機(jī)采集的尾礦樣顆粒分級(jí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其界限粒徑D60變化范圍0.017～0.410 mm,中值為0.18 mm，不均勻系數(shù)Cμ變化范圍2.6～58.7，曲率系數(shù)Cc變化范圍0.82～7.94，以級(jí)配不良的尾細(xì)砂和尾粉砂為主。羊拉銅尾礦庫(kù)尾礦試樣顆粒分級(jí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其中值D50變化范圍0.1～0.113 mm，粒徑大于0.074 mm的顆粒含量大于62%，不均勻系數(shù)Cμ變化范圍3.691～20.96，曲率系數(shù)Cc變化范圍1.794～7.478，為級(jí)配不良的尾細(xì)砂和尾粉砂[27]。王崇淦等[28]對(duì)某尾礦庫(kù)90個(gè)土樣分析表明存在類似結(jié)果。

圖2 土內(nèi)部穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則Fig.2 Internal stability criteria for soils under seepageF—粒徑小于d的顆粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；H—粒徑在d與4d之間的顆粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；Gr—顆粒分級(jí)曲線段級(jí)配部分最大粒徑與最小粒徑之比

幾種不同尾礦料物理力學(xué)特性對(duì)比發(fā)現(xiàn)[29]：①三軸試驗(yàn)下不同尾礦料內(nèi)摩擦角31°～38°差異不大，但黏聚力值離散性較大；②尾礦砂主要為欠固結(jié)土，表現(xiàn)出中等或高壓縮性。尾礦砂沉積歷史較短，但區(qū)別于一般沉積砂土，尾礦庫(kù)存在自重固結(jié)、化學(xué)固結(jié)、淋濾固結(jié)等綜合作用?；瘜W(xué)固結(jié)是指尾礦庫(kù)獨(dú)特的化學(xué)環(huán)境和水化學(xué)場(chǎng)使得礦液中析出的金屬氫氧化物或絡(luò)合物在顆粒間沉積固化[30]，并非所有的尾礦庫(kù)都存在化學(xué)固結(jié)，其與尾礦類型及其工藝存在密切的聯(lián)系。尾礦庫(kù)存在多種固結(jié)作用，但不同固結(jié)作用的權(quán)重隨深度發(fā)生變化[31]，馬家田尾礦庫(kù)尾礦砂的沉積規(guī)律和物理力學(xué)性質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，化學(xué)固結(jié)主要作用在浸潤(rùn)線上下一定范圍內(nèi)。

尾礦料物理力學(xué)特性也隨時(shí)間變化。栗西高堆尾礦庫(kù)的研究發(fā)現(xiàn)[32]，堆積壩體同一空間位置、同樣埋深下干容重指標(biāo)16 a增長(zhǎng)約10%，且深部干容重指標(biāo)顯著高于淺部。淺層的滲透系數(shù)降低約6倍,深層的滲透系數(shù)降低約12倍。

總的來(lái)說(shuō)，反濾層特性受被保護(hù)土多種物理力學(xué)特性影響，而尾礦料總體具有粒徑細(xì)、級(jí)配不良、化學(xué)固結(jié)形成特殊絡(luò)合物、欠固結(jié)、低強(qiáng)度等特點(diǎn)，屬于易造成土工布反濾層失效的一類土。尾礦料種類較多，尾礦料在庫(kù)區(qū)內(nèi)分布具有不均勻性，進(jìn)一步研究確定尾礦料統(tǒng)計(jì)特征對(duì)反濾層設(shè)計(jì)具有較大參考價(jià)值。

1.2 土工布特性對(duì)反濾性能影響

土工布孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)反濾性能有著顯著的影響，評(píng)價(jià)土工布反濾層性能必須有精確的孔隙分布[33]信息。無(wú)紡?fù)凉げ几飨虍愋钥紫督Y(jié)構(gòu)與級(jí)配良好的散粒體反濾層相似，較其他類型土工布具有更好的保土性能和廣泛的應(yīng)用[34]，因此，本研究提到的土工布主要指無(wú)紡?fù)凉げ肌?/p>

1.2.1 孔隙結(jié)構(gòu)定義

土工布孔隙結(jié)構(gòu)的描述存在多種定義，包括限制孔徑、開(kāi)徑、反濾孔徑(FOS)等[35]。需要說(shuō)明的是，筆者發(fā)現(xiàn)不同研究人員對(duì)同一孔隙結(jié)構(gòu)的命名可能不一致，本研究采用Giroud[35]對(duì)土工布孔隙結(jié)構(gòu)的定義。

3根及以上的土工布纖維可構(gòu)成1個(gè)收縮域，如圖3(a)所示，限制孔徑定義為能夠通過(guò)該收縮域的最大球形直徑。編織土工布具有規(guī)則的二維結(jié)構(gòu)，通常只有1個(gè)限制孔徑；無(wú)紡?fù)凉げ家蛑圃爝^(guò)程中的隨機(jī)性，限制孔徑存在1條分布曲線。

多個(gè)不同形狀、不同限制孔徑Ci的收縮域可構(gòu)成一條反濾通道，如圖3(b)所示，其中限制孔徑最小值min(Ci)定義為該反濾通道開(kāi)徑，最小限制孔徑對(duì)應(yīng)的收縮域可能在反濾通道中的任意位置。單個(gè)土顆粒在水力作用下是否能夠穿過(guò)該反濾通道，取決于土顆粒粒徑d是否小于該反濾通道開(kāi)徑。土工布有大量反濾通道，組成每個(gè)反濾通道的收縮域具有隨機(jī)性，因此反濾通道開(kāi)徑是一條分布曲線。反濾通道開(kāi)徑的最大值定義為反濾孔徑，作為該土工布1個(gè)特征參數(shù)。

如圖3(c)所示，反濾通道開(kāi)徑最小值與限制孔徑最小值Cmin一致，但反濾通道開(kāi)徑最大值(即FOS)與限制孔徑最大值Cmax并不一致，每個(gè)反濾通道的開(kāi)徑介于Cmin和FOS之間。

圖3 土工布反濾通道與孔徑分布Fig.3 Filtration paths and pore distribution of geotextile

1.2.2 孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)量與計(jì)算

土工布反濾通道開(kāi)徑對(duì)反濾層控制土顆粒的管涌有著重要的作用[33-34]，若能精確測(cè)量反濾通道開(kāi)徑分布，將有助于統(tǒng)一反濾設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并有助于土工布反濾特性研究。相關(guān)研究提出了多種孔徑分布測(cè)量方法：干篩法[36]、濕篩法、水動(dòng)力法[37]、泡點(diǎn)法[38]、水銀壓入法、成像分析法[39]等。但不同測(cè)量方法的準(zhǔn)確性不同，測(cè)試結(jié)果往往具有較大的離散性，采用不同測(cè)試方法測(cè)量同一無(wú)紡?fù)凉げ极@得的孔徑分布如圖4所示[40]。

圖4 不同測(cè)試方法測(cè)得針刺無(wú)紡?fù)凉げ伎讖椒植糉ig.4 Pore-size distribution results of nonwovengeotextiles obtained from various methods ◆—干篩法；○—水動(dòng)力法M；□—濕篩法M；△—泡點(diǎn)法；▲—水銀壓入法；◇—成像分析法；●—水動(dòng)力法F；■—濕篩法F

干篩法存在多種問(wèn)題[41-43]：①反濾排水過(guò)程包括流體，而測(cè)試在干燥的環(huán)境下進(jìn)行；②標(biāo)準(zhǔn)砂嵌在土工布孔隙中；③較細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)砂在靜電作用下嵌在篩網(wǎng)中，未參與測(cè)試；④織物結(jié)構(gòu)微小變化無(wú)法體現(xiàn)于測(cè)量結(jié)果O95等。通過(guò)干篩法測(cè)量的孔徑稱為表觀孔徑(AOS)，由于干篩法測(cè)量過(guò)程易于操作，至今AOS仍是土工布最廣泛使用的特征參數(shù)[43]。

由于干篩法存在一定問(wèn)題，相關(guān)研究關(guān)注采用其他測(cè)量方法替代干篩法，泡點(diǎn)法逐漸被認(rèn)為是最佳的測(cè)量方法[42]。水銀壓入法和成像分析法[33-34]耗時(shí)較長(zhǎng)且需要較復(fù)雜、昂貴的設(shè)備，不適合普遍應(yīng)用。但編織土工布開(kāi)徑相對(duì)較大，成像分析法比泡點(diǎn)法測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確；而無(wú)紡?fù)凉げ伎讖捷^小，泡點(diǎn)法比成像分析法測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確。水動(dòng)力法操作相對(duì)簡(jiǎn)單，但測(cè)量結(jié)果可靠性和重復(fù)性缺乏驗(yàn)證[44]，而泡點(diǎn)法對(duì)比于其他測(cè)量方法，具有操作耗時(shí)短，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、可重復(fù)的優(yōu)勢(shì)。

除了用試驗(yàn)方法測(cè)量土工布孔徑，相關(guān)研究提出孔徑計(jì)算公式[35]：

(1)

式中，OF為土工布反濾開(kāi)孔徑；df為纖維厚度；tGT為土工布厚度；ξ為1個(gè)無(wú)量綱參數(shù)；n為土工布孔隙度，n=1-uGT/(ρftGT)，其中uGT為單位面積土工布質(zhì)量，ρf為土工布纖維密度。研究發(fā)現(xiàn)該公式計(jì)算結(jié)果與泡點(diǎn)法測(cè)量結(jié)果具有高度一致性，驗(yàn)證了該公式計(jì)算無(wú)紡?fù)凉げ糉OS的可行性[31-34]。

1.2.3 土工布特征參數(shù)變化

上述土工布特征參數(shù)測(cè)量或計(jì)算時(shí)均未考慮其應(yīng)用環(huán)境，結(jié)合具體工況，土工布特征參數(shù)將發(fā)生一定變化，主要體現(xiàn)在以下兩方面：

(1)壓縮應(yīng)力改變土工布特征參數(shù)。土工布孔徑及孔隙度與土工布厚度都存在關(guān)聯(lián)性，而土工布厚度對(duì)壓縮應(yīng)力較為敏感。根據(jù)排滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)高度以及尾礦料密度，一個(gè)中等高度的尾礦庫(kù)中，排滲系統(tǒng)所受應(yīng)力水平通常在1 MPa以上[14]，尾礦庫(kù)高應(yīng)力對(duì)土工布厚度的影響不容忽視。試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)0～2 MPa正壓縮應(yīng)力下，土工布厚度、孔隙度、滲透系數(shù)、導(dǎo)水率、孔徑等特征參數(shù)會(huì)發(fā)生顯著變化，保土能力隨應(yīng)力增大而增強(qiáng)[45]。

(2)土顆粒浸入土工布影響其特征參數(shù)。顆粒浸入水平λ定義為土工布孔隙內(nèi)土顆粒質(zhì)量與土工布纖維質(zhì)量之比[46-47]，土工布的顆粒浸入水平一般在0.2～15之間。試驗(yàn)測(cè)試不同顆粒浸入水平下無(wú)紡?fù)凉げ嫉目讖阶兓l(fā)現(xiàn)，顆粒浸入水平對(duì)土工布特征孔徑影響顯著，應(yīng)用中宜采用折減系數(shù)修正孔徑大小[48]。

綜上，當(dāng)前反濾設(shè)計(jì)需要明確土工布孔徑分布，孔徑測(cè)量方法主要為間接法，測(cè)量方法眾多，但沒(méi)有結(jié)合具體工況，多種測(cè)量方法準(zhǔn)確性差異較大，不能完全表征土工布特征。限制孔徑概念、泡點(diǎn)法測(cè)量方法論證以及相關(guān)理論的研究，將有助于土工布特征參數(shù)的研究，進(jìn)行更科學(xué)的反濾設(shè)計(jì)。

1.3 排水結(jié)構(gòu)對(duì)反濾性能影響

土工布下游墊層結(jié)構(gòu)對(duì)排滲系統(tǒng)反濾性能體現(xiàn)在以下兩方面：

(1)土工布與下游墊層結(jié)構(gòu)直接接觸降低了透水面積。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)不考慮下游墊層結(jié)構(gòu)影響將會(huì)低估土工布淤堵性能，下游墊層結(jié)構(gòu)開(kāi)孔率越小，綜合滲透系數(shù)越低，淤堵潛能越大[49]。但綜合滲透系數(shù)與開(kāi)孔率不成線性正比關(guān)系，當(dāng)UPVC排滲管開(kāi)孔率增加到7%～15%時(shí)，綜合滲透系數(shù)幾乎不變[50]。

(2)負(fù)載應(yīng)力作用下，土工布在下游墊層材料孔隙間存在松弛和蠕變現(xiàn)象。針刺無(wú)紡?fù)凉げ嫉拇炭卓讖娇刂浦畲蠊苡款w粒直徑，研究發(fā)現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)力將增大無(wú)紡?fù)凉げ妓沙谖恢玫拇炭卓讖?，甚至造成土工布撕裂[51-52]。

下游墊層影響研究相對(duì)較少，假定的墊層形式主要為散粒體材料或預(yù)制開(kāi)孔板。槽孔管作為新型墊層結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢(shì)是顯著增加了透水面積，但其對(duì)反濾層特性影響缺少研究。

2 反濾準(zhǔn)則與試驗(yàn)研究

反濾設(shè)計(jì)主要解決土工布選型問(wèn)題。部分研究通過(guò)反濾試驗(yàn)或理論預(yù)測(cè)提出了反濾準(zhǔn)則，主張通過(guò)被保護(hù)土與土工布的反濾試驗(yàn)驗(yàn)證土工布選型的合理性[15]。

2.1 反濾準(zhǔn)則

參考太沙基散粒體反濾層反濾準(zhǔn)則，相關(guān)研究為土工布選型提出了很多反濾準(zhǔn)則。反濾準(zhǔn)則主要包括滲透性準(zhǔn)則和保土準(zhǔn)則，表1為反濾準(zhǔn)則統(tǒng)計(jì)匯總[15,42]。

使用上述反濾準(zhǔn)則存在兩個(gè)問(wèn)題[40]：①部分反濾準(zhǔn)則使用非典型的土工布特征孔徑值(如O50、O15)，而這些特征孔徑缺少合適的測(cè)量方法；②反濾準(zhǔn)則通常為經(jīng)驗(yàn)性的，且基于某種具體的特征孔徑測(cè)量方法，若反濾設(shè)計(jì)中采用其他的測(cè)量方法，因不同測(cè)量方法得到的特征孔徑不一致，可能會(huì)導(dǎo)致反濾設(shè)計(jì)失效。

表1 現(xiàn)有反濾準(zhǔn)則Table 1 Current filtration criteria

注：kg為土工布滲透系數(shù)，ks為土的滲透系數(shù)，Oe為土工布等效孔徑，Dw為濕篩法測(cè)定的土工布有效孔徑，N/A表示沒(méi)有合適公式。

圖5 土工布反濾設(shè)計(jì)指南Fig.5 Geotextile filter design guidelines

散粒體反濾層僅需建立保土準(zhǔn)則和滲透性準(zhǔn)則，但新的研究表明土工布反濾層還必須建立孔隙度準(zhǔn)則和厚度準(zhǔn)則[35]。建立孔隙度準(zhǔn)則，保證單位面積土工布反濾層有足量的開(kāi)孔。編織布開(kāi)孔面積需大于10%，無(wú)紡?fù)凉げ伎紫抖葢?yīng)大于55%；建立厚度準(zhǔn)則，保證反濾性能受土工布厚度影響較小。新定義的特征參數(shù)收縮域數(shù)目m可以反映相同F(xiàn)OS的土工布之間孔徑分布差異，厚度準(zhǔn)則要求土工布收縮域數(shù)目m大于25。該厚度準(zhǔn)則已被美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)采納，并提出了收縮域數(shù)目m的測(cè)量方法[54]。

2.2 試驗(yàn)技術(shù)研究

基于滲流、固結(jié)和三軸試驗(yàn)，研究產(chǎn)生了多種典型反濾試驗(yàn)方法：梯度比試驗(yàn)[55]、滲透系數(shù)比試驗(yàn)[56]、長(zhǎng)期滲流試驗(yàn)，生物淤堵試驗(yàn)[57]等，不同反濾試驗(yàn)裝置中反濾層具有不同的滲流和邊界條件。大量土工布反濾層失效案例統(tǒng)計(jì)表明，極端應(yīng)用條件下，反濾設(shè)計(jì)應(yīng)采用上述反濾試驗(yàn)驗(yàn)證[23]。

梯度比試驗(yàn)是判別土工布反濾層淤堵問(wèn)題最常用的試驗(yàn)，典型裝置如圖6所示。梯度比值GR定義為土工布及相鄰部分土整體的水力梯度isoil-GT與土中水力梯度isoil之比。GR值隨著土工布類型和土級(jí)配變化：若GR>1.0，即表明土與土工布系統(tǒng)存在淤堵；若GR>3.0，則濾層滲透性下降將超過(guò)一個(gè)數(shù)量級(jí)，難以滿足透水要求。

圖6 梯度比試驗(yàn)裝置Fig.6 Gradient ratio test apparatus

改變裝置中測(cè)壓管與土工布之間土厚度L，可獲得不同梯度比值，典型厚度有[14,58]：GRL=3 mm、 GRL=8 mm和 GRL=25 mm(即GRASTM)。若淤堵對(duì)反濾層透水性的影響平攤到較厚的土層會(huì)使得梯度比值對(duì)淤堵不敏感[58]，尾礦料與土工布的梯度比試驗(yàn)證實(shí)[14]，在復(fù)雜條件下用GRASTM不能充分評(píng)估土工布反濾特性，需要GRL=3 mm、GRL=8 mm或更精確的試驗(yàn)結(jié)果輔助評(píng)估。

梯度比試驗(yàn)也并非適用所有土，ASTM[55-56]推薦塑性指數(shù)PI<5的土使用梯度比試驗(yàn)，塑性指數(shù)PI≥5的土用滲透系數(shù)比試驗(yàn)。梯度比試驗(yàn)裝置存在以下缺點(diǎn)[59]：①剛性側(cè)壁容易存在優(yōu)勢(shì)滲流通道；②不容易飽和；③無(wú)法控制應(yīng)力狀態(tài)；④滲流達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間較長(zhǎng)等。因此提出了柔性壁梯度比試驗(yàn)裝置，多種其他改進(jìn)型梯度比試驗(yàn)也被用于淤堵研究。

3 反濾層耐久性研究

土工布反濾層耐久性指反濾層區(qū)域特性隨時(shí)間演變。土工布纖維易受尾礦庫(kù)內(nèi)特殊的物理化學(xué)反應(yīng)作用，即使土工布纖維特性未發(fā)生變化，土工布反濾和透水性能依然會(huì)隨時(shí)間改變[60]，使用數(shù)年的土工布反濾層幾乎都存在力學(xué)和水力性能的衰退[61]。部分學(xué)者將耐久性問(wèn)題作為反濾準(zhǔn)則研究一部分，并提出建立淤堵準(zhǔn)則。但土工布用作其他功能時(shí)同樣存在耐久性需求，所以嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，耐久性不屬于反濾準(zhǔn)則研究范圍，但在反濾設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮其影響[35]。影響土工布反濾層耐久性的主要機(jī)理為淤堵，誘因可能是物理、生物或者化學(xué)過(guò)程。

3.1 生物淤堵

生物淤堵需要特定的溫度、堿性、礦物、有機(jī)物濃度等條件，在滲濾液收集系統(tǒng)中研究較多。反濾排水系統(tǒng)中有機(jī)質(zhì)含量較低，生物淤堵主要形式為赭石。赭石是一種黃色膠狀物質(zhì)，富含有機(jī)物和鐵氧化物，常粘在排水系統(tǒng)表層，減小孔隙空間，降低透水能力。赭石形成過(guò)程及對(duì)土工布反濾層特性影響的研究較少[62]，相關(guān)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)赭石膜易生成在土工布反濾層與空氣接觸面上，短時(shí)內(nèi)反濾層整體滲透性變化不大，但土工布滲透性將快速顯著降低，電鏡掃描結(jié)果表明滲透性降低主要來(lái)自赭石膜對(duì)土工布孔隙的淤堵。部分工程實(shí)踐中采用水封排滲管出口，減少土工布反濾層與空氣接觸，降低生物淤堵。

3.2 化學(xué)淤堵

傳統(tǒng)排水系統(tǒng)中很少發(fā)生化學(xué)淤堵，而在尾礦庫(kù)中較為常見(jiàn)，比如南非某尾礦庫(kù)排滲系統(tǒng)反濾層中沉積了大量鐵氧化物[14]、栗西尾礦壩排水體中化學(xué)淤堵現(xiàn)象[32]等。尾礦庫(kù)特殊的化學(xué)環(huán)境是造成土工布反濾層化學(xué)淤堵的根本原因，滲水中的金屬離子通過(guò)化學(xué)反應(yīng)析出，形成金屬氧化物累積在多孔介質(zhì)中，因此，使用散粒體反濾層同樣存在化學(xué)淤堵。

3.3 物理淤堵

物理淤堵的機(jī)制主要是細(xì)顆粒在土工布內(nèi)部、土工布上游表面累積。內(nèi)部淤堵主要是細(xì)粒材料在土工布纖維間孔隙的累積。有效孔隙度以及內(nèi)部孔隙網(wǎng)絡(luò)的連通性持續(xù)降低，導(dǎo)致土工布滲透系數(shù)降低；外部物理淤堵主要是在土工布上游面形成低滲透性的細(xì)顆粒濾餅[60]。物理淤堵相關(guān)研究最多，形成了保土準(zhǔn)則和滲透性準(zhǔn)則。保土模式有3種[35]：①完全保土模式，阻止粘土流失，這種模式下反濾層會(huì)淤堵，但這種淤堵是有益的；②最佳保土模式，反濾層允許流失少許顆粒，達(dá)到保土性能與滲透性性能平衡；③部分保土模式，反濾層常受到間歇性，多方向性湍流，主要起放緩?fù)令w粒流失的作用。尾礦庫(kù)排滲系統(tǒng)反濾層主要為最佳保土模式，通過(guò)合理的反濾設(shè)計(jì)，即使物理淤堵造成水力特性衰減，反濾系統(tǒng)的排水反濾性能依然保持在可接受的范圍內(nèi)。

影響反濾耐久性的多種淤堵機(jī)制可能同時(shí)存在，但某一種機(jī)制起主要作用。某排水渠系統(tǒng)中服役18年的土工布挖掘研究[60]發(fā)現(xiàn)，土工布上游面形成顆粒濾餅，內(nèi)部存在淤堵，下游面因化學(xué)反應(yīng)形成沉積的鈣化物，滲透試驗(yàn)多種淤堵現(xiàn)象同時(shí)存在，而化學(xué)淤堵是該土工布反濾層滲透性能降低的主要因素。

耐久性問(wèn)題時(shí)間跨度較大，影響因素較多，試驗(yàn)研究較困難。除試驗(yàn)手段外，數(shù)值方法也用于模擬反濾層反濾過(guò)程。目前散粒體反濾層反濾過(guò)程的數(shù)值方法研究較多[63]，而針對(duì)土工布反濾層的數(shù)值研究較少。

4 結(jié) 論

使用排滲系統(tǒng)控制尾礦庫(kù)浸潤(rùn)面是尾礦庫(kù)安全控制中重要的一環(huán)。尾礦庫(kù)典型排滲系統(tǒng)以無(wú)紡?fù)凉げ甲鞣礊V層，但缺乏嚴(yán)格的反濾設(shè)計(jì)，反濾性能差異較大，排滲系統(tǒng)生命周期差別較大。本文從排滲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，綜述各部分對(duì)反濾性能的影響，反濾準(zhǔn)則研究進(jìn)展，反濾系統(tǒng)耐久性研究進(jìn)展。筆者認(rèn)為以下研究方向值得進(jìn)一步關(guān)注和加強(qiáng)：

(1)被保護(hù)土的特性對(duì)反濾性能有著重要影響，尾礦料大多以尾細(xì)砂、尾粉砂為主并含有大量粘粒、特殊礦物，且級(jí)配較差；自重固結(jié)和化學(xué)固結(jié)等多種固結(jié)方式同時(shí)存在，易形成特殊絡(luò)合物。尾礦料特性明顯區(qū)別于一般被保護(hù)土，反濾設(shè)計(jì)中應(yīng)多關(guān)注尾礦料物理力學(xué)特性研究(如內(nèi)部穩(wěn)定性、級(jí)配、密實(shí)度等)。

(2)土工布特征參數(shù)主要為孔徑分布、密度、滲透系數(shù)等，但這些參數(shù)不能充分反映土工布特性差異，土工布孔徑分布測(cè)量方法也存在明顯的不足。尾礦料/土工布反濾層設(shè)計(jì)研究中可引入其他參數(shù)(比如收縮域數(shù)目m)來(lái)更全面地刻畫(huà)土工布特性，并采用更精確的測(cè)量方法(比如泡點(diǎn)法)來(lái)測(cè)量孔徑分布。

(4)過(guò)去的反濾設(shè)計(jì)研究提出了一些反濾準(zhǔn)則和反濾試驗(yàn)。但反濾準(zhǔn)則較多，且多為經(jīng)驗(yàn)性，其對(duì)尾礦料—土工布反濾層的適用性需進(jìn)一步研究驗(yàn)證?？捎玫姆礊V試驗(yàn)也相對(duì)較少，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)反濾試驗(yàn)，尤其是長(zhǎng)期反濾試驗(yàn)的研究。

(5)土工布反濾層耐久性不是反濾準(zhǔn)則，但應(yīng)納入反濾設(shè)計(jì)中。因尾礦庫(kù)特殊的環(huán)境，影響排滲系統(tǒng)反濾層耐久性因素更為復(fù)雜。目前耐久性研究主要依賴試驗(yàn)研究，后續(xù)研究中可借鑒散粒體反濾層數(shù)值研究成果，加強(qiáng)土工布反濾層反濾過(guò)程數(shù)值研究。

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