摘 要：

　　工程中经常出现因水力梯度、土体细粒含量、反滤层渗透性变化等因素导致的机械淤堵问题。为探究不同因素作用下土-土工织物反滤体系渗透淤堵机理，对现有规范中的梯度比GR试验装置进行改进并补充试验方法，开展了3种水力梯度、3种细粒含量、4种土工织物规格条件下的渗透试验。试验结果表明：改进后的梯度比GR试验仪结合补充的试验方法可以区分土工织物淤堵和土体自身“淤堵”;土-土工织物反滤体系的渗透性与细粒含量、织物单位面积质量成反比，与水力梯度成正比；通过二次筛分，发现土体细粒含量较多的土样在高水头作用下会在土体内部形成可以截住细粒的天然滤层，导致天然滤层上方土体出现淤堵现象，而靠近织物土层的细粒在渗透水流作用下移向或逸出土工织物，造成梯度比GR和渗透系数均下降，通过增加织物孔径能降低土体的淤堵程度，提高反滤体系透水能力。分析结果进一步表明，通过改进的淤堵试验仪以及二次筛分试验可以合理地评价土工织物反滤体系的淤堵范围和淤堵程度，为工程中判断反滤体系的渗透淤堵特性提供参考。

　　关键词：

　　土-土工织物反滤体系;渗透淤堵机理;影响因素;梯度比GR试验;二次筛分;

　　作者简介：

　　吕从聪(1987—),男，讲师，博士，主要从事水工材料耐久性和力学性能研究。

　　*卢晓春(1983—),男，副院长，教授，博士研究生导师，博士，主要从事水工程结构长效安全研究。

　　基金：

　　新疆水利科技专项资金项目(XSKJ-2022-05);

　　国家重点研发计划(2018YFC0407000);

　　湖北省水电工程施工与管理重点实验室(三峡大学)开放基金(2020KSD13);

　　引用：

　　吕从聪, 刘名广, 卢晓春, 等. 不同因素作用下的土-土工织物反滤体系渗透淤堵机理研究[ J]. 水利水电技术(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

　　由于土工织物具有生产运输便捷，价格低廉，耐久性强等优点，目前被广泛用作坝体、海岸防护、河道治理中排水体系的反滤层。为保证岩质边坡及地下洞室等水工建筑物排水体系的有效性，排水体系中通常将无纺土工织物用作反滤层并外包在透水管外，起到排水、保土和防淤堵的作用，其反滤性能和耐久性能影响着排水体系的长期稳定。然而，在渗透水压力作用下，土工织物附近细粒向下迁移，造成土工织物严重淤堵，进而影响到工程的安全稳定。已有研究表明，土工织物反滤性能与土体细粒含量、织物自身结构、水力梯度等因素密切相关,譬如：田卿燕等对运行多年的斜仰式排水管进行开挖发现，排水管外面包裹的土工织物表面和里面均发生严重淤堵，淤堵物主要是细粒黏土；唐正涛等对护坡土工织物研究发现，土工织物表面黏粒含量较多，且出现了严重淤堵，通过开展室内试验发现，等效孔径越小的土工织物在试验结束后，织物单位体积含土量越多；STOLTZ等通过渗透试验来评价几种土工织物过滤粘性污泥能力发现，随着污泥浓度增加，土工织物和土体之间更容易产生一层滤饼，导致反滤层渗透系数下降；BOURGÈS等通过压滤试验发现压延土工织物相较于针刺土工织物保土性更好，但针刺土工织物表面粗糙，不易生成滤饼。翟超等通过梯度比试验研究多个影响因素下反滤层渗透性能发现，随着水力梯度的增大，土工织物内部堵塞的黏粒含量增加，反滤层淤堵程度增加。

　　上述研究主要针对的是出现在土工织物表面或内部的淤堵问题，然而不少研究表明,在渗透水压力作用下土体内部结构的变化也会造成反滤体系的渗透性能改变，目前判断反滤层淤堵情况最常用的方法主要是应用梯度比GR或渗透系数这两个参数。胡丹兵、杜春雪、余巍等认为规范中以GR=3作为土-土工织物反滤体系的淤堵程度的标准不够完善，适用范围较为局限，且当测压管间距选取不同时，GR值也会发生改变，因此建议利用GR变化趋势来判别反滤层的渗透性变化；庞小朝等通过梯度比试验，发现土工织物和上方土层之间形成一层弱透水滤饼，导致GR值增加，反滤体系淤堵严重，通过在贴近织物处加增测压管来监测滤饼的生成；徐超等通过梯度比试验，发现在土工织物过滤黏土过程中，GR值在试验初期上升较快，到达峰值后下降并且趋于稳定，反滤体系淤堵程度降低。上述研究表明，GR值的选取与土体性质和环境密切相关，而且试验过程中GR变化趋势也极具参考价值。

　　与此同时，反滤层的施加使得渗透水压力作用下土体内部的结构发生变化，细粒在土体内部发生聚集，此时淤堵的主要部位可能发生在土体内部，且反滤体系渗透性能改变与具体淤堵位置有关，需要进一步对淤堵成因进行分析。付长生等通过土柱模型试验发现，靠近进出水口的两侧土体受到的不平衡力较强，细粒在渗透力拖曳下容易出现不规则移动，从而改变土层的结构，引起渗透系数变化，其中水力梯度对土层渗透性变化影响程度较大；易进荣等通过梯度比试验发现，在渗透水流和压重作用下土体细粒与相邻级配颗粒重新排列，使得土体出现淤堵；荣臻等基于土柱试验发现，土体渗透性降低是影响流量变化的主导因素；邹锡云等通过变水头试验发现，黄土渗透性降低主要是由于黄土颗粒间胶结物质溶解，颗粒发生移动填充粒间孔隙导致黄土内部结构改变。由此可见，利用传统土工织物淤堵试验仪可以对土工织物和贴近织物的土体进行有效监测，但难以对土体内部出现的淤堵现象进行描述，有必要对该仪器进行适当改进。

　　因此，本文拟将被保护土体的细粒含量、水力梯度以及土工织物等效孔径等条件作为变量，对现有规范中的梯度比GR试验装置进行改进，并利用改进后的淤堵试验仪进行多组土工织物渗透淤堵试验，探究不同因素作用下的土-土工织物反滤体系渗透特性，并对各土层渗透性变化、颗粒迁移规律进行分析，进而揭示土-土工织物反滤体系的渗透淤堵机理。

1 试验材料和方法

　　1.1 改进的试验装置

　　为了测得土体自身的渗透性能变化，同时保留原有试验的所有功能，在传统梯度比试验仪的基础上增加了5号测压管(见图1),将原仪器中的Ⅱ部分土体由下至上分为Ⅱ-1、Ⅱ-2两层，由5号与3号、5号与2号测压管水头差即可分别得到Ⅱ-1、Ⅱ-2部分土体渗透系数，由此即可分析各部分土体渗透系数的变化，并对土体淤堵的位置做更准确的判断；由于土工织物和相邻土体渗透性均会发生变化，能够共同承担反滤作用，所以本文中将土与土工织物构成的复合结构统称为土-土工织物反滤体系。

　　图1 改进的土工织物淤堵试验仪

　　1.2 试验方法

　　1.2.1 梯度比试验

　　梯度比试验主要用于测定一定水流条件下，反滤过程中土-土工织物反滤体系的淤堵特性，即通过对比土工织物与土体所构成反滤体系中的水头损失与被保护土体中的水头损失，进而分析该反滤体系的淤堵情况，换言之，如果梯度比增大，则表明土和土工织物构成的反滤体系淤堵程度增大。

　　根据《土工合成材料应用技术规范》(GB/T 50290—2014),首先将浸水饱和后的土工织物放置于透水板上，将土样分4层填入透明圆桶中并分层夯实，对装填完毕的试样采用排水法饱和静止12 h以上，试验过程每1～2 h记录各测压管的读数以及渗流流量，测量试验时间不少于34 h, 待测压管读数和单位时间渗流量不发生变化时认为土样内部结构达到相对稳定，结束渗流试验。

　　在试验过程中，通过不同时刻2号、3号、4号测压管的水头数据和测压管之间渗流路径长度计算3号和4号、2号与3号测压管之间水力梯度，其比值即为GR值，即

　　式中，iⅠ为土和土工织物构成的反滤体系的水力梯度；iⅡ为被保护土体的水力梯度；H2-3和H3-4分别为2号—3号、3号—4号测压管读数之间的差值；L2-3 和L3-4分别为2号—3号、3号—4号测压管间距，有L2-3=50 mm, L3-4=25 mm; δ为土工织物的厚度。

　　不计织物厚度，式(1)可以表示为

　　随着细粒向下迁移，土工织物表面和内部逐渐出现淤堵，导致水力梯度H3-4增大，梯度比GR也随之增大，而当淤堵发展到上方土层造成土层内部淤堵时，GR值可能下降，其淤堵部位需要结合各测压管渗透系数和补充的试验方法来进行判断。

　　1.2.2 二次筛分试验

　　试验采用的IOS标准砂颗粒粒径分布均匀，渗流前后质量分数保持不变，而粉土粒径较小，在渗透水流作用下向土工织物方向迁移；利用标准砂和粉土的物理特性，将试验结束后的土样横向分割成均匀4份，在恒温干燥箱干燥8 h后取出称重，并通过0.075 mm筛网水洗滤掉细粒，然后对滤网上的标准砂再次烘干称重；结合计算得到的各层土细粒含量和改进的土工织物淤堵试验仪测得的各土层渗透系数，评价土-土工织物反滤体系内部淤堵情况。

　　1.3 试验土样和织物基本参数

　　为进一步探究土体细粒运移规律，选取云南大理某岩质边坡土样，筛选出颗粒粒径小于0.075 mm的细粒，采用粒径0.075～2 mm的标准砂作为骨架颗粒，两者级配曲线如图2(a)所示，通过均匀混合得到3种级配土样如图2(b)所示，物理性质如表1所列。土样最大干密度为1.71 g/cm3,其中细粒占土样总质量的比例分别按20%、30%、40%配比，为便于说明，将其分别记为S1、S2、S3。

　　图2 颗粒级配曲线

　　为研究土工织物有效孔径对土-土工织物反滤体系淤堵特性的影响，试验采用了规格分别为150 g/m2、200 g/m2、300 g/m2、400 g/m2的4种针刺型无纺土工织物如图3所示，分别记为G1、G2、G3、G4。

　　图3 四种规格土工织物

　　根据《土工合成材料应用技术规范》(GB/T 50290—2014),对土工织物主要参数指标进行选取和测定，得到土工织物的物理特性如表2所列。

　　1.4 试验分组

　　本文拟在4种土工织物规格(G1、G2、G3、G4)条件下，开展3种不同细粒含量土样(S1、S2、S3),在3种不同水力梯度(I1、I2、I3)条件下的渗透淤堵试验，并对典型试验土样进行二次筛分。各试验编号如表3所列。

2 试验结果与分析

　　通过梯度比试验，得到不同因素作用下土-土工织物反滤体系的渗透系数和GR值，探究多种因素作用下反滤体系的渗透淤堵特性。

　　2.1 不同水力梯度和细粒含量条件试验结果

　　基于表3中土工织物单位面积质量300 g/m2对应编号G3的九组试验，得出在3种细粒含量(20%、30%、40%)条件下，GR和渗透系数随水力梯度变化的规律如图4所示。可以看出，在土体细粒含量不变情况下，随着水力梯度的增大，GR值减小，渗透系数增大，这表明随着水力梯度的增大，土体中更多的细粒逸出土工织物，进而引起土-土工织物反滤体系渗透性增加；从图中还可以看出，当水力梯度i≤7时，随着细粒含量的增大，GR值增大，渗透系数减小；而当水力梯度i>7时，随着细粒含量的增大，渗透系数减小，而GR值也呈减小趋势，且当水力梯度为8时，40%细粒含量土样的GR值减小至1.02,究其原因可能是渗流作用下土颗粒发生运移，导致土体内部结构重组，为验证这一点，后文将进一步研究细粒的运移规律。

　　图4 不同细粒含量时GR和渗透系数随水力梯度变化关系

　　图5是织物单位面积质量300 g/m2对应编号G3的9组试验，在渗流结束后其表面的细粒分布图，由图中可以看出，随着水力梯度的增大，织物表面的细粒含量均减小；随着土体细粒含量的增大，织物表面的细粒含量均增大。分析可知，当水力梯度较大时，在渗透水流作用下，土工织物表面的细粒进入或者逸出土工织物的含量增加，而随着土体内部逐渐稳定，向下迁移到土工织物的细粒减少，使得土工织物表面淤堵现象减轻；当水力梯度较小时，土样细粒含量的增加导致迁移到土工织物的细粒含量增加，堵塞织物孔径，造成土工织物表面淤堵。

　　图5 试验后的土工织物

　　2.2 不同织物规格和水力梯度条件试验结果

　　基于表3中细粒含量40%对应编号为S3的12组试验，得到在3种水力梯度(i=4、6、8)条件下，GR和渗透系数随土工织物单位面积质量变化的规律如图6所示。可以看出，在水力梯度不变条件下，织物单位面积质量越大，GR值越大，渗透系数越小。相较于水力梯度为4和6的结果，当水力梯度为8时，GR值随织物单位面积质量变化更为平缓，说明在水力梯度较大时，GR对织物单位面积质量的变化并不敏感；随着织物单位面积质量的增大，能够进入到土工织物内部细粒含量增多，进而导致土-土工织物反滤体系渗透性降低。由此可见，选用单位面积质量较小的土工织物能增加反滤层渗透性，减轻淤堵程度。

　　图6 不同水力梯度时GR和渗透系数随织物单位面积质量变化关系

3 反滤体系淤堵机理分析

　　基于表3中在水力梯度i=4、8(I1、I3)条件下，细粒含量为20%、30%、40%(S1、S2、S3)的6组试验，得到梯度比GR随时间变化的时效曲线如图7所示；由改进的淤堵试验仪测得的各土层渗透系数以及二次筛分试验结果如图8所示，通过对各土层渗透性变化、颗粒迁移规律进行分析，进而揭示土-土工织物反滤体系的渗透淤堵机理。

　　图7 梯度比GR时效曲线

　　图8 试验结束时各土层参数

　　由图7可以看出，随着土体细粒含量的增大，梯度比GR的峰值增大，土-土工织物反滤体系到达渗流稳定的时间增长；而随着水力梯度增大，细粒含量较多的土体梯度比GR到达峰值后减小。这表明当土体细粒含量增大时，土层细粒向下迁移时间延长，到达下方土层以及织物内部的含量增加，导致梯度比GR峰值增大；但对于细粒含量30%和40%的两组土样，梯度比GR在水力梯度为8时分别到达峰值1.6和2.25后逐渐下降，最终趋近于1,相比之下，另外4组土样GR值到达峰值后保持不变。分析可知，随着水力梯度增大，渗透水流能拖曳的细粒含量增大，对于细粒含量较多的土体，细粒的迁移可能导致土体骨架颗粒重新调整，并在土工织物的保土以及渗透水流的压密作用下，最终达到相对稳定。

　　由图8(a)、图8(b)可知，当水力梯度为4时，随着土体细粒含量的增大，同一层土体的渗透系数减小，且由土层Ⅲ至土层Ⅰ依次递减，渗透系数最小值均出现在土层Ⅰ,说明土-土工织物反滤体系淤堵的主要部位在土工织物及相邻土层；相比之下，当水力梯度为8时，土样细粒含量30%和40%的渗透系数最小值出现在Ⅱ-1层，分别为3.19×10-5 cm/s和7.78×10-5 cm/s, 说明土体本身渗透系数的降低是导致土-土工织物反滤体系淤堵的主要原因。

　　由图8(c)、图8 (d)可知，当水力梯度为4时，渗流结束后土体细粒含量由土层Ⅲ至土层Ⅰ依次递增，且两端土体相较于中间土层Ⅱ-1和Ⅱ-2的变化更大，随着细粒含量增加，土层Ⅰ相较于初始细粒含量分别增加了11.2%、12.6%和11.5%,说明在渗透水流作用下，由于土层Ⅲ中细粒迁出到下层土体后没有补充，细粒流失量最大，中间土层在细粒迁出和迁入过程中达到平衡，细粒含量变化较小，而土层Ⅰ中在土工织物滞留效应下细粒含量最多；相比之下，当水力梯度为8时，细粒含量30%和40%的土样渗流结束后，在土层Ⅱ-1处细粒含量最多，相较于初始细粒含量分别增加了12%和11.1%,且土层Ⅰ小于初始细粒含量，说明随着水力梯度增大，水流能拖曳的细粒增加，土体内部骨架颗粒重新调整形成了可以截住细粒的天然滤层，而靠近土工织物的部分细粒穿过织物溢出，导致织物相邻土层细粒含量少于初始配比，这也解释了梯度比GR在试验后期下降的现象。

4 结 论

　　本文在4种土工织物规格(G1、G2、G3、G4)条件下，开展3种不同细粒含量土样(S1、S2、S3),在3种不同水力梯度(I1、I2、I3)条件下的渗透淤堵试验，并对典型试验的土样进行二次筛分，得到如下结论：

　　(1)在相同试验条件下，土-土工织物反滤体系的渗透性与细粒含量、织物单位面积质量成正比，与水力梯度成反比；采用单位面积质量较小的土工织物，在满足保土条件下能减轻反滤层的淤堵程度。

　　(2)当水力梯度较大时，随着土体细粒含量增大，土体内部骨架结构重新排列，形成可截住细粒的天然滤层，在渗透水流作用下，细粒聚集到天然滤层上，导致土-土工织物反滤体系淤堵部位主要出现在远离织物的一侧土体。

　　(3)通过改进的土工织物淤堵试验仪和二次筛分试验能进一步监测土体渗透性变化，并对各层土体细粒含量进行定量分析，可作为测量土-土工织物反滤体系淤堵范围和淤堵程度的一种方法。