智能技術紡織品可以與環(huán)境相互作用，即感知外界環(huán)境刺激并作出反應。這種多功能的或“智能的”紡織品通過在紡織品中嵌入傳感器來實現(xiàn)，嵌入式傳感器需對外界溫度、應變、化學、生物等的變化非常敏感。在土工布領域，光纖傳感器已經(jīng)得到了較為廣泛的研究和應用，歐洲作為最早推動了技術紡織大量發(fā)展的地區(qū)之一，已經(jīng)將集成智能化傳感技術的紡織品應用于土工木工程領域，特別是應用于歷史建筑物的地震防護、預防路堤山體滑坡等領域。

目前，智能技術紡織品在土木工程領域的應用已經(jīng)變得越來越重要，除光纖傳感器的應用外，作為新興材料的石墨烯也已經(jīng)被開發(fā)應用于土工布的滲漏檢測。可以預見，未來各種紡織新材料的發(fā)展將推動土工布的智能化研究及應用向更廣闊的領域發(fā)展，為土木工程施工和維護提供更大的便利。

1 光纖傳感器：用于巖土結(jié)構安全監(jiān)測

土工布廣泛應用于堤壩、鐵路、路堤、垃圾填埋場和斜坡等巖土結(jié)構的穩(wěn)定和加固，集成光纖傳感器可為土工布提供功能性，如通過監(jiān)測機械變形、應變、溫度、濕度、孔隙壓力、化學物質(zhì)等的變化判斷巖土結(jié)構的完整性，進行巖土結(jié)構健康監(jiān)測。特別是需要在幾百米到幾千米的大面積區(qū)域內(nèi)進行機械變形分布式測量的情況下，集成分布式光纖傳感器的技術紡織品可以通過精確測量沿著光纖的分布式應變，提供該區(qū)域任何位置的巖土結(jié)構信息，從而可以確保在早期發(fā)現(xiàn)高失效和破壞風險的巖土結(jié)構及其位置，有利于提前防預或進行維修。

1.1 硅基光纖分布式布里淵傳感器集成土工布的應用

基于光纖布拉格光柵（FBG）的光纖傳感器是最早應用于土工織物的傳感器。但是基于FBG的光纖傳感器監(jiān)測系統(tǒng)只能測量有限長度的準分布應變，且成本較高，不能滿足長達幾百米的堤壩、水壩、鐵路、堤防或斜坡等巖土結(jié)構的監(jiān)測需求。為了滿足大面積巖土結(jié)構監(jiān)測的需求，一種基于受激布里淵散射（SBS）的布里淵光頻域分析（BOFDA）技術分布式光纖傳感器應運而生。迄今為止，該技術仍是分布式監(jiān)測巖土結(jié)構機械變形（應變）的最佳解決方案之一。

為了推動這種傳感器系統(tǒng)與技術紡織品的智能化集成應用，德國及其他歐洲國家已經(jīng)開展了一系列的研究。受過去20多年洪災頻發(fā)的影響，德國開展了一項名為RIMAX（極地洪水事件風險管理）的旨在開發(fā)堤防保護智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究計劃，并已經(jīng)開發(fā)出基于BOFDA技術的低成本監(jiān)測系統(tǒng)及以二氧化硅纖維作為分布式布里淵傳感器的智能土工織物。據(jù)稱，該技術可以實現(xiàn)對長達幾公里的堤壩的機械變形和土壤位移的分布測量，因此可以提前發(fā)現(xiàn)堤防、水壩等大型巖土結(jié)構的失效，以防止自然災害造成堤壩全面崩潰。

為了保證光纖傳感器測量精度，光纖傳感器穩(wěn)定、無損傷地與土工布集成至關重要。德國開姆尼斯薩克森紡織研究所（STFI）開發(fā)了一種將可將纖維很好地嵌入土工布并不會影響纖維光學和感光性能的技術。德國Fiberware公司也已開發(fā)出新型玻璃纖維電纜，確保嵌入土工布和土工布安裝過程中光纖不會受到損傷（圖 1）。另外，通過對BOFDA監(jiān)測系統(tǒng)進一步優(yōu)化，安裝于波蘭Solina的重力壩的光纖傳感器集成智能土工織物已經(jīng)證實可以應用于距離達10 km的空間，并能以 5 m的分辨率監(jiān)測機械變形（圖 2）。

1.2 聚合物光纖傳感器集成土工布的應用

盡管如此，基于BOFDA技術的光纖傳感器依然存在缺陷，如在發(fā)生較大的機械變形（應變>1%）時失效。此外，氧化硅纖維的脆性也給現(xiàn)場施工帶來困難，必須使用昂貴的電纜提供保護。相比之下，具有高彈性、高斷裂應變和測量應變（高于40%）的聚合物光纖（POF）作為傳感器在到土工織物上的集成更具優(yōu)勢，特別是對在小區(qū)域內(nèi)具有高機械變形（如有滑坡風險的斜坡）的監(jiān)測。據(jù)報道，目前已開發(fā)出基于低成本的POF的新型分布式應變傳感器，并且可使用光時域反射儀（OTDR）技術監(jiān)測POF中的分布應變。德國 “敏感紡織結(jié)構（Sensitive textile structures）”項目（來源于德國“ZUTECH”—“未來技術”項目）和歐洲POLYTECT項目中均提及了對這一技術的研究。

POF OTDR技術是利用向POF施加應變位置處散射光的水平增加的原理實現(xiàn)監(jiān)測功能。目前已有適用于POF的商業(yè)化OTDR設備，如Sunrise Luciol公司的光子計數(shù)OTDR裝置，最大動態(tài)范圍為35 dB，允許測量長度大于100 m的瑞利散射；德國Gl？tzl公司還開發(fā)了針對POF土工布的首個商業(yè)化分布式傳感器技術GEDISE。另外，德國STFI和意大利Alpe Adria Textil等公司也已經(jīng)成功開發(fā)出將POF嵌入不同類型的土工織物的技術（圖 3），并成功在德國開姆尼斯市附近的鐵路路堤上進行了安裝和測試。

由德國Gloetzl Baumesstechnik公司與Budokop公司、Poland公司等合作組織，在波蘭Belchatow附近的露天褐煤坑也成功安裝了由意大利Alpe Adria Textil公司制造的集成POF傳感器的智能土工格柵（圖 4）。據(jù)悉，該土工格柵長約10 m，集成了PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯） POF作為傳感器。安裝后測量表明，反向散射增加的幅度所對應的纖維最大應變大于10%，這充分顯示了POF傳感器在高應變值測量領域的優(yōu)勢。另外，Alpe Adria Textil公司還開發(fā)了一種嵌入低損耗全氟化POF（PF POF）的新型土工格柵，并已經(jīng)成功在德國波羅的海沿岸完成了安裝測試。

除此之外，POF OTDR傳感器在監(jiān)測垂直裂紋方面也非常有效，可以檢測到 1 mm的裂紋開口和寬至20 mm的裂紋。為此，歐洲POLYTECT項目已將開發(fā)用于脆弱磚石結(jié)構和歷史建筑物結(jié)構監(jiān)測的POF OTDR傳感器作為一項重要的創(chuàng)新任務。希臘材料與地球結(jié)構力學研究所（IMMG）的一項測試試驗已經(jīng)證明，嵌入水泥基體的POF傳感器可以檢測到 2 mm甚至小至肉眼不可見的裂紋；在意大利帕維亞的一項試驗中也已經(jīng)證實了POF OTDR傳感器可清楚地對模擬地震裂紋進行檢測和定位。

2 石墨烯：推動土工布合成材料的創(chuàng)新應用

自問世以來，石墨烯材料就受到了廣泛研究和關注，短短10年間，其在RFIDs、復合材料、傳感器及其相關產(chǎn)品等領域的應用已經(jīng)日趨成熟，同時新興應用領域仍在飛速發(fā)展。據(jù)報道，到2018年，全球石墨烯需求量將達到 1 億美元，而2023年這一數(shù)值將高達13億美元。近期，石墨烯材料的應用已經(jīng)擴展至工業(yè)領域大規(guī)模應用的土工合成材料領域，并被認為帶來了土工合成材料的革新。

2.1 石墨烯復合導電土工布的性能與應用領域

石墨烯是目前世上最薄也是最堅硬的納米材料，具有高電導率、導熱性和高強度，同時具有疏水性，對所有氣體分子具有不可滲透性，可以提供超過鋼材的強度和自修復能力，以及優(yōu)于銅的導電性。將石墨烯應用在土工布中制成的納米土工復合材料被認為是土工合成材料未來的發(fā)展趨勢，石墨烯將賦予土工布優(yōu)異的性能包括優(yōu)良的導熱性能（導熱系數(shù)大）、良好的導電性、高強度（重量減輕）、穩(wěn)定性、自修復、疏水性、抗菌性能（防治過濾堵塞）、溫度/壓力/濕度感應功能（溫度、壓力變化及泄漏定位檢測）、大數(shù)據(jù)收集和解讀等?？深A見的應用領域包括廢棄物填埋、采礦、污水處理廠、水庫、水壩和其他儲液池的襯砌系統(tǒng)等，在替代傳統(tǒng)EKG材料（電動土工合成材料）方面具有明顯優(yōu)勢，尤其是在儲液池漏液檢測方面極具潛力。

2.2 石墨烯復合導電土工布在漏液檢測上的應用

當儲液池出現(xiàn)滲漏問題時，傳統(tǒng)的依靠監(jiān)測井等檢測的方法往往無法及時發(fā)現(xiàn)滲漏和確定滲漏點的位置。采用石墨烯復合導電土工布，當導電土工布沒有被滲出液所浸泡時，其電阻為一常值，漏液浸濕土工布后電阻會發(fā)生改變，連接于導電土工布的專用設備可以實時檢測到電阻的變化，因此，可以有效和及時地發(fā)現(xiàn)滲漏，并通過不同位置檢測點的數(shù)據(jù)對比確定滲漏點的位置，從而及時對漏液點進行修復。

2.3 石墨烯復合導電土工布的制造

澳大利亞石墨烯技術公司Imagine IM與土工織物制造商Geofabrics Australasia合作，于2016年8月推出了石墨烯復合導電土工布產(chǎn)品（Bidim？），并宣布澳大利亞成為第一個在大規(guī)模工業(yè)產(chǎn)品中使用石墨烯的國家。據(jù)悉，由Imagine IM專門設立的北吉隆工廠提供石墨烯涂層技術解決方案（imgne？ X3母粒），由Geofabrics Australasia通過涂層的方法生產(chǎn)的該導電土工布產(chǎn)品目前主要用于垃圾填埋、采礦設施等的漏液檢測領域，其首個應用安裝計劃將于今年4月在昆士蘭州的煤層氣站進行。

根據(jù)Imagine IM的估計，相比于現(xiàn)有解決方案，該技術可以節(jié)省20% ～ 40%的成本。經(jīng)測試表明，利用石墨烯的導電性可檢測土工織物中低至 1 mm的孔的泄漏，且在低至 5 kV的試驗電壓下也能顯示出可靠的結(jié)果，試驗沒有產(chǎn)生任何誤報。甚至在土工布存在變形的情況下，以15 kV的試驗在距接地線 1 ～ 20 m處均能確保測試靈敏度，成為一種極具成本效應的導電土工布解決方案。

另外，imgne？ X3作為石墨烯涂層可以增強紡織品和其他材料的電導率，而不會影響材料本身的強度和其他特性。Imagine IM預計其將在今年 1 季度通過imgne？X3母粒的銷售和許可獲得第一筆收入。

劍橋石墨烯中心（The Cambridge Graphene Centre，CGC）在此之前也已經(jīng)開發(fā)了一種石墨烯土工膜材料生產(chǎn)技術，包括關鍵制造設備擠出系統(tǒng)。Bandera Spa是與CGC在生產(chǎn)石墨烯土工膜和片材的公司之一，據(jù)該公司介紹，其用于石墨烯土工合成材料的工業(yè)化擠出生產(chǎn)線產(chǎn)量可高達每小時幾噸，可生產(chǎn)用于農(nóng)業(yè)領域的寬度達22 m、用于包裝等領域的寬度達 3 m、以及用于防水系統(tǒng)的寬度達8.5 m的產(chǎn)品，產(chǎn)品可根據(jù)應用領域具有多層（3 ～9 層）結(jié)構。

3 結(jié)語

智能化設備的集成應用將為土工布在土木工程和建筑等領域的應用帶來革新，不僅將大力提升工程質(zhì)量，還將對施工后的維護和險情預警及防護帶來極大的便利，減少由此帶來的危害。目前，我國在光纖傳感器及石墨烯領域的研究已經(jīng)取得了一定的進展，但對傳感器及其他智能化設備在土工布上集成技術和裝備甚少研究。

由中國紡織工業(yè)聯(lián)合會發(fā)布的《紡織工業(yè)“十三五”科技進步剛要》已經(jīng)將“智能土工合成材料集成技術及裝備”列入重點研究的高性能產(chǎn)業(yè)用紡織品加工關鍵技術之一，提出了重點進行智能土工布基礎理論研究、功能型纖維材料的研制及應用、智能土工布信號采集及反饋集成系統(tǒng)研究、功能纖維材料與土工布等結(jié)合工藝及裝備研究等研究方向。相信在各項相關政策的推動下，我國智能土工布技術的研究和應用將取得進一步的發(fā)展，從而促進工程設計及產(chǎn)品生產(chǎn)的智能化和精確化，推動我國基礎設施建設向智能化方向發(fā)展。