土工織物反濾作用研究進展

杜春雪，徐 超, 2，彭善濤

(1.同濟大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092； 2.同濟大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092)

1 研究背景

早在20世紀50年代，以有紡?fù)凉た椢镒龀傻纳按呀?jīng)在德國、荷蘭和日本等國家得到了推廣，大部分用于護岸防沖等工程中[1-2]；但是，有紡?fù)凉た椢飪r格高、以及強度具有較大的方向性而限制了它的發(fā)展。到20世紀60年代末，無紡?fù)凉た椢镆蚱鋸姸葲]有顯著的各向異性，不僅可以用作導(dǎo)水體還可發(fā)揮其作為濾層的作用而被廣泛推廣應(yīng)用。如法國Valcros土壩的下游排水反濾與上游護坡墊層[3]；國內(nèi)永定河河堤加固中采用無紡布代替砂石濾料，織物能有效防止土顆粒流失，反濾效果明顯[4]。已有的研究[5-6]也表明，土工織物代替?zhèn)鹘y(tǒng)的砂石礫料作為排水體濾層在水利工程、交通工程等已經(jīng)得到認可，并取得了很好的效果。關(guān)于土工織物“反濾”的概念，Koerner指出[7]反濾系統(tǒng)是一個平衡的“土-土工織物”系統(tǒng)，該系統(tǒng)在預(yù)定的應(yīng)用條件和設(shè)計壽命期內(nèi)，允許足夠的水流通過，同時僅使有限的土粒通過土工織物流失。目前，國內(nèi)外關(guān)于土工織物反濾的認識是一致的，即可有效阻止土顆粒通過，防止由于土顆粒的“過量”流失而造成土體的滲透變形，同時允許土中的水透過織物自由排出，避免由于孔壓升高而造成土體的失穩(wěn)。

由反濾作用的概念可知，土工織物作為濾層材料應(yīng)滿足兩個基本要求：保土和透水。然而，實際工程應(yīng)用情況比較復(fù)雜，如果不能根據(jù)具體情況進行設(shè)計和施工，就會引發(fā)土工織物濾層反濾失效，甚至導(dǎo)致工程破壞。Koerner 等[8]對69個歐美地區(qū)土工織物反濾失效案例的分析發(fā)現(xiàn)，大部分案例直接或間接都與設(shè)計有關(guān)：由于沒有考慮具體應(yīng)用環(huán)境，而只是照搬反濾準則，有的出現(xiàn)嚴重淤堵(透水失效)，有的形成管涌(保土失效)。國內(nèi)的情況與國外類似，朱積軍等[9]報道了某水庫除險加固工程中，在大壩排水棱體前鋪設(shè)的土工織物濾層出現(xiàn)嚴重淤堵，壩體下游水位逐年抬升。因此，為保證土工織物反濾功能的正常發(fā)揮，需要對土工織物反濾機理進行深入的研究認識，根據(jù)土工織物應(yīng)用環(huán)境特點制定針對性的反濾準則，為工程實踐提供指導(dǎo)。

本文通過對國內(nèi)外研究成果的歸納分析，從土體“自反濾層”形成機理、土工織物的反濾準則、土工織物反濾影響因素3個方面闡述了土工織物反濾作用的研究進展，并對存在的問題進行討論，提出進一步的研究方向。

2 被保護土“自反濾層”形成機理

在使用土工織物作為濾層的早期，人們把土工織物等同于傳統(tǒng)的天然粒狀材料，利用其足夠小的孔徑來阻擋被保護土粒的通過[10]；但隨著對土工織物反濾作用研究和認識的提高，發(fā)現(xiàn)在靠近土工織物處，細顆粒流失，出現(xiàn)一個較粗顆粒組成的架空層，在被保護土層中形成一層天然濾層，而土工織物在這個過程中只是起到一個催化劑的作用[7]，如圖1所示。在土-土工織物反濾體系中，由于土工織物纖維的空間分布特征，使得水可自由通過具有一定孔徑分布梯度的孔隙，被保護土層中的土顆粒在滲流力的作用下，將會出現(xiàn)部分土顆粒被截留在土工織物的表面或滯留在其內(nèi)部現(xiàn)象。當(dāng)土顆粒被截留在土工織物表面時會出現(xiàn)橋型、拱型這樣的現(xiàn)象；而土顆粒被滯留在土工織物內(nèi)部時會發(fā)生一定的阻擋水流的淤堵現(xiàn)象。

圖1 土工織物反濾機理示意圖[7]Fig.1 Schematic diagram of geotextile filtration mechanism[7]

2.1 反濾試驗

周蓉[11]采用針刺土工織物進行反濾試驗，并結(jié)合微觀試驗結(jié)果論證了土工織物所發(fā)揮的觸媒作用，促使被保護土層形成自反濾層。Lafleur等[12]針對廣義級配土(包括線性級配土、間隙級配土及內(nèi)部不穩(wěn)定土)，開展室內(nèi)反濾試驗，認為土工織物作為濾層發(fā)揮的作用是促使土體內(nèi)形成“自反濾層”(天然濾層)，并提出了“自反濾層”的形成機制和形成過程(圖2)。即在反濾初期，由于土工織物透水性比土體好，與織物臨近的土體內(nèi)水力梯度大，在滲透力作用下細粒被滲流帶走，造成細粒流失；經(jīng)過一段時間的沖蝕，土工織物發(fā)生一定程度淤堵而滲透性降低，相鄰的土體由于細粒流失而滲透性得以改善，土工織物及附近土體內(nèi)水力梯度減小，滲透力將不足以帶動土粒，細粒不再流失；進而形成了由土工織物和自反濾層一起構(gòu)成的濾層體系。Veylon等[13]對兩種土工織物(即針刺無紡?fù)凉げ己陀屑彶?在排水系統(tǒng)中的長期性能，開展梯度比及相關(guān)試驗，認為這個反濾體系是由土工織物自身、土工織物與天然土層、土工織物與排水材料界面等組成，土工織物的反濾作用被視為一個隨時間變化的“濾層”區(qū)域(圖3)。而影響排水系統(tǒng)中土工織物濾層有效性的主要原因是淤堵問題，淤堵現(xiàn)象一般發(fā)生在土工織物的內(nèi)部，其淤堵可能是由物理、生物、化學(xué)過程所造成的。

圖2 土工織物濾層體系形成過程示意圖[12]Fig.2 Schematic diagram of formation process of geotextile filter system[12]

圖3 土工織物反濾結(jié)構(gòu)隨時間演變過程[13] Fig.3 Evolution of the geotextile filter structure over time[13]

2.2 數(shù)值模擬

Gourc[14]根據(jù)離散元模擬結(jié)果討論了自反濾層中土拱的形成機制(圖4)。對于顆粒大小不一的無黏性土，土中應(yīng)力是通過顆粒接觸傳遞的，構(gòu)成土體骨架，而孔隙中幾乎不受接觸應(yīng)力的自由細粒易于被滲流帶走，使得骨架上的土粒形成土拱；一方面由于土工織物纖維(存在抗靜電劑或有機潤滑劑)與帶電荷的土顆粒間相互吸引，當(dāng)土顆粒經(jīng)過土-土工織物界面時將會改變原有的結(jié)構(gòu)形成土拱；另一方面土顆粒間存在的范德華力使得較小的細土顆粒粘結(jié)到一塊之后再與相對較大的土顆?；蚶w維粘結(jié)，形成了不能通過土工織物孔徑的較大顆粒團，在土-土工織物界面形成土拱現(xiàn)象。正是由于被保護土顆粒的成拱作用，在較大孔徑土工織物之上的土體也能保持較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[15]。這也形象地說明了土工織物在自反濾層形成過程中發(fā)揮的“觸媒”作用[16]。

圖4 土工織物濾層體系的土拱效應(yīng)[14]Fig.4 Soil arching effect of geotextile filter system[14]

上述土工織物的反濾機理是針對單向滲流作用下土工織物過濾顆粒土的，而在實際工程中有時存在往復(fù)水流，被過濾對象可能是細粒土(如均勻的粉土、分散性黏土等)等。在此情形下，土工織物的反濾作用難以用上述機理進行解釋。結(jié)合排水預(yù)壓法地基處理的工程實踐開展的PVD濾膜(土工織物)過濾淤泥的試驗研究結(jié)果表明[17-19]，部分細小顆粒可以穿過土工織物，但土工織物表面仍被淤堵；表觀孔徑大的土工織物梯度比小，淤堵程度低。這些試驗結(jié)果加深了土工織物過濾淤泥和細顆粒流失的認識，但土工織物過濾黏性土的反濾機理仍需更深入的探討。

3 土工織物的反濾準則

土工織物的反濾準則早在1972年就被提出，回顧歷史發(fā)現(xiàn)，土工織物反濾設(shè)計中的保土、透水準則都是由級配砂石濾層的設(shè)計準則[20-21]演變而來的[22-26]。土工織物的保土性基于兩個重要的參數(shù)：一是濾層的等效孔徑O95，二是被保護土層的特征粒徑d85，要求被保護土層的骨架顆粒不得透過反濾層；土工織物的透水性主要是通過比較土工織物的滲透系數(shù)Kg與被保護土層的滲透系數(shù)Ks來確定，要求土工織物具有足夠強的透水性，水流可以自由流出。由于淤堵問題的復(fù)雜性和普遍性，對土工織物濾層的防淤堵準則(常用梯度比GR<3)，爭議較大。王釗等[27]指出：“判斷不同級配的被保護土與不同孔徑分布的土工織物濾層是否發(fā)生不容許的淤堵的較好方法是進行淤堵試驗”，并建議依據(jù)梯度比的大小及該值是否穩(wěn)定下降來判斷土工織物的淤堵情況。佘巍等[28]則認為，由于梯度比試驗裝置中測壓管之間的間距是人為給定的，遠大于土工織物淤堵層(濾餅)加上土工織物的厚度，會造成梯度比對土工織物淤堵的不敏感。國內(nèi)外土工織物反濾層設(shè)計準則中的防淤堵準則也各有差異。常用的土工織物反濾準則見表1。

從表1可以看出，土工織物的反濾準則是通過比較土工織物等效孔徑和土體特征粒徑來確定的，只是各國定義土工織物等效孔徑的方式和測試方法有所不同。

表1 土工織物反濾準則匯總Table 1 Summary of geotextile filter criteria

我國的3個規(guī)范[29-31]中，防淤堵準則明顯不同，水運工程的技術(shù)標(biāo)準中就沒有淤堵準則。對透水準則均采用滲透系數(shù)來表征，但對于系數(shù)A的取值有所不同；保土準則方面，《水利水電工程合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中考慮了單向水流條件下被保護土體的類型、均勻性、顆粒級配、土工織物類型等因素，而《水運工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程規(guī)范》和《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中給出了雙向水流條件下的保土準則，對實際工程中的土工織物應(yīng)用環(huán)境方面考慮不全面。

國外對土工織物反濾準則的要求也不盡相同。其中，美國材料測試協(xié)會(ASTM)所提出的土工織物反濾準則與國內(nèi)《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中的要求大致相同，但透水準則中對系數(shù)A的取值更為詳細。另外3個標(biāo)準中，在保土準則方面都考慮了水流、織物等效孔徑和土體特征粒徑這些因素，但測試方法有所不同；透水準則方面，荷蘭和德國主要參照保土準則，法國采用了滲透系數(shù)來表征，但其系數(shù)A的取值考慮了土工織物的厚度，這與國內(nèi)系數(shù)A取值的依據(jù)(水頭差、土體穩(wěn)定性等)不相同；淤堵準則方面都未給出具體的標(biāo)準只是參考相應(yīng)的保土準則。

對比不同反濾準則可以發(fā)現(xiàn)，影響土工織物反濾的各種因素很多，其實際工況更為復(fù)雜。Palmeira等[32]通過模型試驗研究了在波浪作用下土工織物濾層和砂石濾層的工作性能，認為在波浪作用下現(xiàn)行的土工織物保土準則顯得保守，應(yīng)予調(diào)整。因此，應(yīng)根據(jù)工程應(yīng)用的具體情形，研究制定能夠真實反映實際工況的土工織物反濾準則。

4 土工織物反濾性能的影響因素

目前，土工織物反濾設(shè)計中都作了一定的簡化，體現(xiàn)在考慮的水流性質(zhì)多數(shù)是單向穩(wěn)定流，試驗中土體的垂向受力為0，然而土工織物在實際應(yīng)用環(huán)境中可能存在雙向水流以及可能會因土體的變形而受到平面拉力或豎向壓力的作用，這將導(dǎo)致土工織物用作濾層時出現(xiàn)相應(yīng)的問題。

4.1 土工織物和被保護土體的特性

保土準則和透水準則表明，土工織物和被保護土體的性質(zhì)是影響土工織物反濾性能的基本因素。這些特性包括土工織物的種類、厚度和結(jié)構(gòu)特征，特別是土工織物孔徑的大小，以及被保護土體的級配和狀態(tài)等。一方面，土工織物開孔需足夠大，滿足透水性需求，并允許那些游離的細小顆粒順利通過；另一方面，織物開孔又要足夠小，以保護那些土骨架上的顆粒不致流失，防止土體發(fā)生管涌(保土失效)。但是，就此要求織物的開孔剛好略小于土骨架顆粒的尺寸則是不完全正確的，這主要是由于土顆粒之間的“成拱”現(xiàn)象，造成織物濾層開孔可能略大于被保護土的粒徑[33]。對于內(nèi)部穩(wěn)定土，在反濾初期，滲流水帶走那些懸浮的土顆粒之后，水可通過適宜的織物濾層孔徑通暢流動，以形成穩(wěn)定的濾層結(jié)構(gòu)；對于內(nèi)部非穩(wěn)定土(級配不連續(xù)或有不穩(wěn)定細粒組的土)，在滲流拖拽力的作用下會有大量的土顆粒發(fā)生遷移，而具有聚粒特征和黏聚力的黏性土更易積聚在濾層上，進而降低土工織物濾層體系的透水性能，發(fā)生一定程度的淤堵，隨著時間的推移，如果織物濾層和基土之間的滲透性失衡，可能會造成濾層的透水失效。

4.2 外部條件

外部條件主要是指應(yīng)力水平對濾層的影響。由于工程條件的多變性，將豎向壓力或平面拉力列入到反濾設(shè)計準則中是不可能的，但在反濾設(shè)計時需要考慮壓力或拉力的影響[34-35]。徐志偉[36]采用改進的滲透儀研究了不同土工織物(有紡、無紡)在加荷條件下的垂直滲透特性，為某排水管道中反濾料設(shè)計的可行性提供了對比分析。Palmerira等[37]指出，在垂向壓力作用下，無紡?fù)凉た椢锇l(fā)生壓縮，纖維重新調(diào)整定位，引起內(nèi)部孔隙的減小，進而水流通道減少，造成其滲透性降低；陳輪等[38]、唐琳等[39]完成的梯度比試驗研究表明，隨著土工織物拉應(yīng)變的增加，系統(tǒng)的淤堵程度加重，并且拉應(yīng)變的影響程度與土工織物的厚度有較大的關(guān)系。Gardoni等[40]對比分析了土工織物受壓前后，內(nèi)部纖維的變化情況，指出受壓時纖維變得密實、孔徑變小，進而厚度和滲透性減小。Wu等[41]通過室內(nèi)單軸拉伸試驗發(fā)現(xiàn)，隨著拉應(yīng)變的增加，土工織物體系的梯度比降低，平均流速增大，非織造土工織物尤為明顯。

在實際工程中，土工織物不僅受到土體的法向壓力作用，也可能會由于土體的變形而受到平面拉力的作用。在這些外力的作用下，土工織物發(fā)生拉伸應(yīng)變或壓縮變形，其孔徑、厚度和滲透性會發(fā)生一定的、甚至較大的變化，進而間接影響著土工織物的反濾性能。

4.3 水流性質(zhì)

水流性質(zhì)是指滲流的往返性，是單向流還是雙向流，以及層流和紊流狀態(tài)。在進行土工織物反濾設(shè)計時，通常把垂直滲透系數(shù)作為透水性指標(biāo)。其實，土工織物的透水性和保土性都與水流性質(zhì)有關(guān)。

在應(yīng)用反濾準則進行設(shè)計時，通常假定土-土工織物體系處于單向水流條件下。然而，在實際工程中，土工織物反濾層有時處于雙向水流中，如海岸邊的護岸、護坡工程中。雙向水流作用下，土工織物濾層的工作條件較為復(fù)雜，此時的反濾系統(tǒng)可能最終達到的是動態(tài)平衡。陳輪等[42]、莊艷峰等[43]指出循環(huán)水流進入土樣時，飽和土中的孔隙水壓力急劇升高，導(dǎo)致土體的有效應(yīng)力降低，土?？梢宰杂梢苿?；水流出土樣時，孔隙水壓力變?yōu)樨撝?，土粒上的有效?yīng)力相應(yīng)升高，在較大的有效應(yīng)力作用下，土體中的孔隙減小，大部分移動的土粒不能隨水流回到原位(水流能量的消散使得拖拽力變小)，隨著時間的推移，土顆粒停止雙向移動，達到平衡狀態(tài)。汪帥等[44]研究發(fā)現(xiàn)，隨著土工織物雙向拉伸率的增加，循環(huán)往復(fù)水流作用下土工織物的滲透性增強而保土性能降低。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié) 論

根據(jù)對土工織物反濾機理、反濾準則和反濾影響因素方面研究成果的討論，可以發(fā)現(xiàn)目前關(guān)于土工織物反濾應(yīng)用與研究還存在如下問題：

(1)有關(guān)土工織物反濾機理的研究，現(xiàn)有的土工織物反濾機理主要是針對單向水流條件土工織物過濾顆粒土的，對于雙向水流條件下、過濾的被保護土為細粒土?xí)r土工織物反濾機理的研究鮮有涉及；同時，細粒土黏聚力的存在及土工織物的纖維表面存在的靜電作用和土體密實度等因素會對土工織物的反濾特性造成影響，甚至導(dǎo)致反濾失效。

(2)已有的往復(fù)水流條件下土工織物反濾試驗中，水頭的變化是以正弦曲線的形式施加，但實際工程中的滲流性質(zhì)不同，土工織物的受力狀態(tài)也十分復(fù)雜，造成與實際工程存在一定的差別。而且，往復(fù)水流條件下的梯度比GR是無法確定的，這給土工織物的防淤堵設(shè)計帶來了困難。

(3)國內(nèi)外有關(guān)土工織物反濾準則的技術(shù)標(biāo)準都只是在不考慮被保護土和土工織物受力(平面拉力、垂向壓力)狀態(tài)下，從土體自身結(jié)構(gòu)特性、土工織物特性的角度考慮，尤其是土工織物等效孔徑和土體特征粒徑；但是，為了更好地反映實際工程條件下土工織物的反濾作用，需要考慮外部條件的影響。

(4)現(xiàn)階段，國內(nèi)外關(guān)于土工織物淤堵問題的研究主要是采用梯度比GR進行評價，而對土工織物淤堵程度量化的研究并不充分，GR界限值的確定依據(jù)及取值大小存爭議。由于梯度比GR值反映的是土工織物及臨近土層(25 mm)滲透性的變化情況，并不能反映織物自身的淤堵情況，因此，淤堵界限值的確定仍沒有統(tǒng)一的標(biāo)準，需要進一步的探索。

5.2 展 望

從已有的研究成果出發(fā)，針對上述存在的問題，認為可以在如下方面進行更深入或更全面的探討。

實踐發(fā)現(xiàn)即使在雙向水流作用下土工織物仍發(fā)揮了較好的反濾作用，比如波浪反復(fù)作用下塊石護岸下的土工織物濾層。這就要求進一步研究在往返水流作用下土工織物與被保護土是如何達到動態(tài)平衡的，為更好的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

對于土工織物過濾細粒土的問題，既然用“自反濾層”的機制難以合理解釋，則需要根據(jù)細粒土，特別是黏性土自身的特點，從保土性和透水性兩個方面探討土工織物的反濾機理。

在土工織物反濾的工程應(yīng)用中，水流性質(zhì)、應(yīng)力與滲流環(huán)境等實際條件紛繁復(fù)雜，在反濾機理的理論研究和反濾準則制定中難以概化。對于這些問題，還應(yīng)該從模擬真實環(huán)境的角度，通過模擬試驗來研究采用土工織物反濾的有效性和合理性，這也是土工合成材料工程應(yīng)用研究的傳統(tǒng)思路。在工程應(yīng)用中，需遵循反濾作用的保土準則和透水準則，即滿足被保護土不會大量流失和土中的水能夠順利排出的要求；至于防淤堵準則，主要是淤堵程度的控制，在滿足透水需求的前提下，必要時可根據(jù)實際情況做出調(diào)整。這些仍需要進一步的研究，不斷完善相應(yīng)的反濾準則。