，，

(1.鐵科院(深圳)研究設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 深圳 518060；2.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣州 510641)

1 研究背景

土工織物在土壩、堤防、減壓井、路基、地下抗浮結(jié)構(gòu)等工程設(shè)施中常作為反濾材料，以起到濾水護(hù)土的作用。但是，在長期運(yùn)行中，土工織物有可能被淤堵而失去濾水功能。淤堵包括機(jī)械淤堵、化學(xué)淤堵和生物淤堵3種類型。關(guān)于土工織物不同類型的淤堵機(jī)理、測試方法以及防治措施等，國外自20世紀(jì)50年代、60年代就開始應(yīng)用研究[1]，Calhoun[2](1972)提出通過梯度比試驗(yàn)(Gradient Ratio Test)來判別土工織物反濾系統(tǒng)的淤堵狀況，Koerner等[3](1982)采用滲流模型試驗(yàn)?zāi)M土工織物反濾系統(tǒng)的長期滲流淤堵過程，通過滲流量的減少來判斷土工織物的淤堵。此外，還有不少學(xué)者基于諸多工程案例進(jìn)行研究，總結(jié)出多種土工織物選型標(biāo)準(zhǔn)，以防濾層淤堵。其中有2種最具典型性：其一是以土工織物有效孔徑(Oe)與被保護(hù)土體特征粒徑(de)之間的相對大小作為土工織物選型的依據(jù)[4]；其二是以土工織物與其被保護(hù)土體滲透系數(shù)之間的相對大小作為標(biāo)準(zhǔn)[5]。國內(nèi)針對土工織物的應(yīng)用研究從20世紀(jì)80年代開始，我國在“98”洪水之后，長江科學(xué)院和武漢大學(xué)等單位針對堤防減壓井的淤堵問題開展了一系列深入的研究[6-10]。最近，張家發(fā)等[11]從不同淤堵影響因素入手，總結(jié)了海綿城市典型入滲措施的淤堵機(jī)理及研究進(jìn)展。持續(xù)不斷的研究說明土工織物的淤堵一直是個(gè)較難解決的問題。

土工織物作為濾層時(shí)，其孔徑的選擇要按照“保土、透水、防淤堵”3條原則進(jìn)行，我國《土工合成材料測試規(guī)程》(SL235—2012)對此有相應(yīng)的規(guī)定。但是，這3條原則并不總是能一致滿足的，有時(shí)候滿足了“保土”，就難滿足“防淤堵”?！坝俣隆笔且粋€(gè)動(dòng)態(tài)的過程，不僅與土顆粒及土工織物孔徑有關(guān)，還與水力梯度的大小有關(guān)，一般需要通過淤堵試驗(yàn)來考察土工織物的防淤堵特性。但是，如何通過試驗(yàn)準(zhǔn)確測定和評價(jià)土工織物在各種土層和水力條件下的防淤堵特性，目前在技術(shù)上并不完善。

當(dāng)城市地下水位較高而地下結(jié)構(gòu)埋深又較大時(shí)，抗浮是設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。不同于增加結(jié)構(gòu)自重、豎向壓重或提高結(jié)構(gòu)抗拔力的錨桿和錨樁等傳統(tǒng)被動(dòng)式抗浮措施，鐵科院(深圳)研究設(shè)計(jì)院有限公司引入“疏導(dǎo)地下結(jié)構(gòu)周邊積水、降低底板下水頭壓力等泄水降壓措施”，在不改變結(jié)構(gòu)自重和抗浮力的條件下，通過減小浮力來達(dá)到抗浮穩(wěn)定性，這是一種主動(dòng)抗浮措施。在主動(dòng)抗浮措施中需要采用土工織物作為排水通道的反濾層。對于地下抗浮結(jié)構(gòu)土工織物反濾層的長期可靠運(yùn)行，土工織物的防淤堵就是個(gè)關(guān)鍵問題，為此專門設(shè)置研究項(xiàng)目，開展了淤堵的試驗(yàn)研究。筆者在試驗(yàn)研究過程中，認(rèn)為現(xiàn)有試驗(yàn)裝置、試驗(yàn)方法以及是否淤堵的評判標(biāo)準(zhǔn)還存在一些需要改進(jìn)的地方。本文介紹在淤堵試驗(yàn)儀器、試驗(yàn)方法的改進(jìn)方面所做的初步探討，期望有一定的借鑒作用。

2 現(xiàn)有梯度比試驗(yàn)裝置與方法

圖1 梯度比試驗(yàn)裝置Fig.1 Test device for gradient ratio

判斷不同級配的被保護(hù)土與不同孔徑分布的織物濾層是否會(huì)發(fā)生不容許淤堵的最好方法是進(jìn)行淤堵試驗(yàn)。淤堵試驗(yàn)一般要進(jìn)行較長時(shí)間，達(dá)1 000 h甚至更長，觀測滲透流量(或滲透系數(shù))隨時(shí)間的變化，檢驗(yàn)是否能穩(wěn)定在某個(gè)一定數(shù)值上。長期滲透試驗(yàn)的困難在于測量滲透系數(shù)的影響因素較多，例如伴隨產(chǎn)生的生物淤堵和化學(xué)淤堵現(xiàn)象、土樣和織物試樣上可能積聚氣泡等。滲透系數(shù)不易測準(zhǔn)，同時(shí)很難給出滲透系數(shù)容許下降的幅度[12]。為了用較短的時(shí)間判斷織物的濾層的工作情況，1972年美國Calhoun提議測量土和土工織物系統(tǒng)中水頭損失的變化[2]，該法于1977年被美國陸軍工程師兵團(tuán)接受并上報(bào)美國試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)土工織物及有關(guān)產(chǎn)品分委員會(huì)(ASTM D-35)，將其定名為梯度比試驗(yàn)，作為淤堵試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)裝置見圖1，梯度比試驗(yàn)延續(xù)的時(shí)間短，用測量多點(diǎn)的水位分布代替滲透系數(shù)的測量，方法比較簡單。經(jīng)過大量比較試驗(yàn)，美國陸軍工程師兵團(tuán)制定的指導(dǎo)性規(guī)范中將梯度比GR≤3作為織物能滿足濾層要求的標(biāo)準(zhǔn)。

我國《土工合成材料測試規(guī)程》亦采用了美國的梯度比試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，給出了定量的防淤堵準(zhǔn)則，即

GR≤3 。

(1)

該裝置通過測量記錄時(shí)間達(dá)到24 h時(shí)刻2號、3號、4號測壓管的水頭來得到3號與4號、2號與3號測壓管之間的水力梯度i，其比值即為GR值，即

(2)

式中：Ⅰ，Ⅱ分別代表3號與4號、2號與3號測壓管間的土體編號；測壓管間距L23=50 mm，L34=25 mm；H34，H23分別為3號與4號、2號與3號測壓管讀數(shù)之間的差值；δ為土工織物的厚度。

不計(jì)土工織物厚度時(shí)，式(2)簡化為

GR=2H34/H23。

(3)

3 關(guān)于梯度比試驗(yàn)裝置與方法的討論

梯度比試驗(yàn)原理簡單，操作較方便，但是，自提出之日起，也存在一些對比性的研究和評價(jià)[12-14]。筆者通過試驗(yàn)及分析認(rèn)為，現(xiàn)有試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法存在以下3方面的問題。

3.1 測壓管間距取值影響GR試驗(yàn)值

梯度比試驗(yàn)中測壓管口間的距離L23和L34是人為規(guī)定的。由于土工織物是逐步淤堵的，土工織物造成的水頭損失也是逐步加大的，在總損失中占的相對比例也是逐步增大的。在同樣的淤堵程度下，如果測壓管間距不同，則土工織物水頭損失的占比不同，計(jì)算得到的GR也不同，這就造成了試驗(yàn)結(jié)果的不唯一性。

假設(shè)不計(jì)土工織物厚度，首先對梯度比式(3)進(jìn)行考察。由于3號與4號測壓管間的土體高度L34=25 cm，2號與3號測壓管間的土體高度L23=50 cm，前者是后者的一半，則前者土體的水頭損失也應(yīng)是后者土體水頭損失的一半。H34包括3號與4號測壓管間土體的水頭損失以及土工織物引起的水頭損失。假設(shè)土工織物引起的水頭損失為Δ，則應(yīng)有H34=0.5H23+Δ。故式(3)可修改為

GR=(H23+2Δ)/H23。

(4)

如果土工織物完全沒有淤堵，其引起的水頭損失為0，則有GR=1。

當(dāng)土工織物逐漸淤堵時(shí)，Δ增大，梯度比GR也增大。當(dāng)Δ≥H23時(shí)，GR≥3。假若將土工織物的水頭損失等效為土厚度引起的損失，則GR≥3意味著土工織物的等效土體厚度為1倍以上的3號與4號測壓管間土體厚度，此時(shí)，認(rèn)為土工織物被淤堵到了嚴(yán)重的程度，視為“被淤堵”了。

試舉例，按照上述規(guī)范試驗(yàn)，L23=50 mm，L34=25 mm。假設(shè)某個(gè)試驗(yàn)中土工織物的水頭損失是50 cm，2號與3號測壓管之間的水頭損失H23=60 cm，則按照式(4)計(jì)算得到

GR=(60+2×50)/60=2.67<3 。

(5)

假設(shè)在該試驗(yàn)中土體及土工織物不變，僅改變測壓管間距，令L23=30 mm，L34=15 mm，則2號與3號、3號與4號測壓管之間土體的水頭損失也是成比例改變的，H23=60×30/50=36 cm。土工織物的水頭損失不變，仍為50 cm。GR將變?yōu)?/p>

GR=(36+2×50)/36=3.78>3 。

(6)

可見，測壓管間距直接影響GR的試驗(yàn)值，也影響到對土工織物反濾系統(tǒng)是否淤堵的判斷。試驗(yàn)得到的梯度比GR依賴于測壓管布置的間距，對于同一個(gè)土樣、同一個(gè)土工織物得到這樣不唯一的結(jié)果，這是很難理解的。唯一的解釋是基于大量的對比試驗(yàn)，而強(qiáng)行制訂這樣的試驗(yàn)方法，強(qiáng)行規(guī)定間距只能用L23=50 mm，L34=25 mm。事實(shí)上，美國當(dāng)時(shí)的ASTM D-35標(biāo)準(zhǔn)就是基于該間距的試驗(yàn)得來的：“大量比較試驗(yàn)得出，當(dāng)GR>3時(shí)，濾層將產(chǎn)生較嚴(yán)重的淤堵。”

無論如何，這樣強(qiáng)行規(guī)定測壓管間距是有缺陷的，從理論上是不完備的。有一些研究者也曾對此提出異議。Fannin等[13](1996)建議將3號與4號測壓管間距調(diào)整為8 mm，Palmeira等[14](2010)則建議針對用于尾礦庫反濾層的土工織物淤堵試驗(yàn)中將其調(diào)整為3 mm，本質(zhì)上這些研究都對梯度比進(jìn)行了重新定義。但是，這樣的間距選擇都沒有充分的依據(jù)，測壓管間距取什么值都存在疑問。

3.2 不能考慮土體自身的淤堵

在長期的滲流過程中，土體自身也可能發(fā)生細(xì)小顆粒的移動(dòng)而局部淤堵。淤堵試驗(yàn)中，土中細(xì)顆粒發(fā)生遷移，除了進(jìn)入土工織物內(nèi)部發(fā)生堵塞以外，靠近土工織物的土體內(nèi)部也會(huì)發(fā)生一定程度的“淤堵”。為此，有必要將土體自身的淤堵和土工織物的淤堵進(jìn)行區(qū)分，而現(xiàn)有試驗(yàn)手段做不到這一點(diǎn)。

3.3 加壓及飽和手段單一

傳統(tǒng)淤堵試驗(yàn)設(shè)備采用浸水飽和法很難滿足試樣飽和要求。進(jìn)水口采用的水柱壓力有限，對于黏性土難以施加較大的水頭進(jìn)行滲透試驗(yàn)，水力梯度過小不易量測。這2方面都使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)難以穩(wěn)定，離散性較大。

4 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法的改進(jìn)

上述3.1節(jié)和3.2節(jié)的問題，主要源于沒有將3號與4號測壓管之間土的水頭損失與土工織物的水頭損失區(qū)分開來，因此，應(yīng)設(shè)法對薄層土工織物的水頭損失進(jìn)行單獨(dú)量測。對于加壓及飽和手段單一的問題，可以通過實(shí)施密閉加壓系統(tǒng)予以解決。

在傳統(tǒng)梯度比試驗(yàn)基礎(chǔ)上改進(jìn)的試驗(yàn)裝置如圖2所示。改進(jìn)的裝置及試驗(yàn)方法如下。

(1)采用組裝結(jié)構(gòu)，在試驗(yàn)裝置的上筒與下筒、上筒與頂蓋之間均設(shè)置“O”型橡膠圈進(jìn)行整體密封，在裝置頂蓋設(shè)置三通真空表閥門用于連接真空泵，采用真空抽氣-浸水聯(lián)合飽和法對試樣進(jìn)行飽和。進(jìn)水口連接水壓力源，可按照需要施加水壓力進(jìn)行滲透試驗(yàn)。如此，則可解決加壓及飽和手段單一的問題。

(2)為獨(dú)立測量土工織物的水頭損失，在傳統(tǒng)淤堵試驗(yàn)儀器的基礎(chǔ)上增設(shè)5號測壓管，其管口緊貼土工織物上表面布置，用于測量土工織物上表面的測壓管水頭。則5號與4號測壓管之間的水頭損失即為土工織物的水頭損失，5號與3號、3號與2號測壓管之間的水頭損失皆為單純土體的水頭損失。再測得試驗(yàn)過程中的流量變化，即可分別得到土工織物和土體的滲透系數(shù)。

基于與規(guī)范同樣的原理，梯度比按照式(7)計(jì)算，即

(7)

5 淤堵試驗(yàn)及分析

5.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)步驟

深圳某建筑地下排水抗浮結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，其中土工織物作為地基土與碎石集水溝之間的濾層。地基土為花崗巖殘積土，剔除其中粒徑>10 mm的顆粒。

圖3 排水抗浮結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Sketch of water draining anti-floating structure

圖4 試驗(yàn)土樣顆分曲線Fig.4 Particle size distribu- tion of tested soil

土樣顆分曲線如圖4所示，0.1 mm以下細(xì)粒約占40%，不均勻系數(shù)為729，特征粒徑d85為5.02 mm，原狀土干密度1.45 g/cm3。通過輕型擊實(shí)試驗(yàn)得到土樣最大干密度為1.65 g/cm3，對應(yīng)的最優(yōu)含水率為22%，可知現(xiàn)場地基土的密實(shí)度為87.88%。按照1.45 g/cm3干密度制作重塑樣進(jìn)行反濾淤堵試驗(yàn)。

按照《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50290—2014)[15]中保土性和透水性的要求選擇土工織物試樣。所選土工織物類型為無紡?fù)凉た椢?，根?jù)《土工合成材料測試規(guī)程》(SL235—2012)測得，2 kPa壓力下土工織物厚度為2.37 mm，單層垂直滲透系數(shù)為0.153 cm/s，單位質(zhì)量面積為304.80 g/m2。

試驗(yàn)步驟如下。

(1)裝樣方法：將土樣烘干碾碎，分層填入裝置上筒中并擊實(shí)，每層土樣高度為20 mm，控制干密度為1.45 g/cm3，如圖5所示為土樣裝填過程。裁剪土工織物，使其尺寸與淤堵試驗(yàn)儀相匹配。按圖2所示，從下往上依次安裝承壓多孔板、土工織物、裝填完土樣的上筒，并在土樣上表面放置濾板，密封固定好頂蓋，即裝樣完畢。

圖5 改進(jìn)淤堵試驗(yàn)過程Fig.5 Improved test for clogging of geotextile

(2)飽和過程：用管夾夾緊測壓管及排氣管，關(guān)閉進(jìn)水口和排水口閥門，開啟真空表閥門及真空泵，抽除裝置內(nèi)及土中氣體。從真空表的讀數(shù)達(dá)到約1個(gè)大氣負(fù)壓力值開始持續(xù)抽氣約2 h后，稍微開啟排水口閥門，使無氣水從裝置下部由下往上徐徐進(jìn)入裝置內(nèi)，在注水過程中，應(yīng)調(diào)節(jié)排水口閥門開閉程度，使真空表上的數(shù)值基本保持不變。待到整個(gè)裝置被水充滿即可關(guān)閉真空表閥門、真空泵、排水口閥門，并開啟排氣管管夾，靜置過夜，即完成飽和過程。

(3)滲流淤堵過程：使進(jìn)水口與供水桶連接，調(diào)節(jié)供水桶高度使得系統(tǒng)達(dá)到需要的水力梯度，并觀察測壓管內(nèi)水柱的變化情況，當(dāng)全部測壓管讀數(shù)穩(wěn)定后，即可開啟進(jìn)水口及排水口閥門，開始滲流過程。滲流開始階段，由于流態(tài)還不穩(wěn)定，測壓管讀數(shù)變化較快，每隔20 min記錄一次測壓管水頭及滲流流量，待到測壓管讀數(shù)較為穩(wěn)定后，每隔1～2 h記錄一次。觀測時(shí)間初定為30 h，可據(jù)試驗(yàn)情況調(diào)整，待流量及測壓管讀數(shù)基本不變后即可結(jié)束觀測。

(4)分別對該試樣進(jìn)行水力梯度為i=1.0，2.5，5.0時(shí)的試驗(yàn)，記錄并分析試驗(yàn)結(jié)果。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，整理出3種水力梯度下土工織物滲透系數(shù)、土體滲透系數(shù)以及梯度比GR隨時(shí)間的變化曲線。試驗(yàn)結(jié)果分析如下。

(1)圖6為土工織物滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線。由此可知，土工織物滲透系數(shù)隨時(shí)間的推移而不斷減小。而且，水力梯度越大，同樣時(shí)間內(nèi)土工織物滲透系數(shù)衰減越快。這是由于隨著水力梯度的增大，微細(xì)顆粒在更大的滲透力的作用下容易發(fā)生移動(dòng)，土工織物淤堵更快。

圖6 不同水力梯度下土工織物滲透系數(shù)隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Curves of permeability coefficient of geotextile against time under different hydraulic gradients

(2)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)不同水力梯度下土工織物滲透系數(shù)穩(wěn)定值如圖7所示，在本文所述試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)水力梯度較低時(shí)，試驗(yàn)穩(wěn)定后土工織物滲透系數(shù)雖然有所降低，但依然具有較大的值，約為10-3數(shù)量級；而當(dāng)水力梯度升高到i=5.0時(shí)，土工織物滲透系數(shù)顯著降低至10-5數(shù)量級，這可能是由于土體發(fā)生了一定程度的管涌變形，土工織物受到嚴(yán)重的淤堵。由于試驗(yàn)歷時(shí)較短(不超過40 h)，土工織物的滲透系數(shù)僅僅受到機(jī)械淤堵的影響。本試驗(yàn)所用的土是華南地區(qū)區(qū)域性質(zhì)的花崗巖殘積土，0.1 mm以下細(xì)粒約占40%，0.1 mm以上粗粒約占60%，是有可能發(fā)生管涌的土類。

圖7 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)不同水力梯度下土工織物滲透系數(shù)Fig.7 Final permeability coefficient of geotextile under different hydraulic gradients

(3)圖8為梯度比GR隨時(shí)間的變化曲線，圖9為不同水力梯度下土工織物滲透系數(shù)與土體滲透系數(shù)的對比。

圖8 不同水力梯度下梯度比隨時(shí)間變化曲線Fig.8 Curves of gradient ratio against time under different hydraulic gradients

圖9 3種水力梯度下Ⅰ部分土體和土工織物滲透系數(shù)變化曲線Fig.9 Curves of permeability coefficient of soil in part Ⅰ and geotextile under three different hydraulic gradients

由圖8中GR值可知，3種水力梯度下GR始終<3，按照現(xiàn)有規(guī)范即認(rèn)為土工織物反濾系統(tǒng)并未淤堵。由圖9(a)、圖9(b)可知，當(dāng)i=1.0,2.5時(shí)，在試驗(yàn)觀測時(shí)間內(nèi)，土工織物滲透系數(shù)始終遠(yuǎn)大于土體的滲透系數(shù)，可認(rèn)為此時(shí)土工織物依然具有足夠的透水能力，沒有發(fā)生淤堵。然而如圖9(c)所示，當(dāng)i=5.0時(shí)，到試驗(yàn)后期土工織物滲透系數(shù)低于土體的滲透系數(shù)，表明土工織物的滲透能力已經(jīng)不能滿足土體透水的要求，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為土工織物已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重淤堵。由此可見，對比圖8、圖9會(huì)得到不同的結(jié)論，按照現(xiàn)有規(guī)范中試驗(yàn)方法計(jì)算的GR值不能直觀地反映土工織物自身淤堵的情況，因此，將土體與土工織物的水頭損失和滲透系數(shù)分開測量是有意義的。

6 結(jié) 論

本文分析了現(xiàn)有淤堵試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法存在的問題，從土與土工織物水頭損失獨(dú)立測量及飽和-加壓條件2方面進(jìn)行了改進(jìn)，試驗(yàn)研究結(jié)果表明：

(1)改進(jìn)后的試驗(yàn)裝置能夠單獨(dú)測量土工織物薄層以及土體的水頭損失和滲透系數(shù)，通過比較兩者滲透系數(shù)的變化及其相對大小，即可判斷土工織物滲透能力是否會(huì)對土體的透水造成影響，從而判斷土工織物是否淤堵。

(2)現(xiàn)有規(guī)范中，利用GR值來判斷土工織物淤堵的試驗(yàn)方法受到測壓管間距的影響較大，間距的不同直接影響對織物是否淤堵的判斷。通過改進(jìn)裝置的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在梯度比GR能滿足現(xiàn)有規(guī)范中GR<3的防淤堵條件時(shí)，土工織物滲透系數(shù)有可能低于鄰近土體的滲透系數(shù)，即表明土工織物的淤堵狀況影響了土體的透水要求，即事實(shí)上已經(jīng)淤堵。因此，對于如何使用梯度比進(jìn)行淤堵的判斷，有必要進(jìn)一步研究。

(3)現(xiàn)有規(guī)范中的試驗(yàn)儀器只能利用浸水飽和法飽和試驗(yàn)裝置，操作較為繁瑣，特別對于細(xì)粒含量較高的土樣無法保證飽和效果，常使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性較大。改進(jìn)的試驗(yàn)裝置能利用真空泵抽氣飽和，飽和效果較好，可解決飽和手段單一的問題。