土工织物已经被广泛应用于各类工程的反滤排水中[1]，但在某些工程环境中土工织物滤层容易发生淤堵[2-3]．文献[4]研究发现：在人工淤堵和循环水流作用下，无纺土工织物的渗透系数显著降低．文献[5]开展无纺土工织物渗透淤堵试验，结果表明：当土样黏粒含量较低、织物等效孔径较大时，淤堵易发生在织物内部．文献[6]通过淤堵试验发现：黏性土中黏粒含量越多，梯度比越大，土工织物发生淤堵的可能性就越大．由于尾矿砂具有粒度细、遇水易分散性、颗粒级配不均匀等特点，因此尾矿库中的土工织物滤层在使用过程中存在淤堵风险．文献[7]对银山铅锌矿尾矿坝排渗设施的淤堵进行分析，发现：坝底开挖的土工织物和排水井附近土工织物与未使用的土工织物相比，二者渗透性能分别下降了85%和46%．文献[8]对尾矿坝现场挖出的土工织物进行分析，发现现场中的土工织物淤堵程度大于室内试验．尾矿库中的土工织物滤层淤堵后，其排渗能力逐渐降低甚至消失，使得尾矿库的浸润线升高，严重威胁尾矿库的安全运行．针对滤层的物理淤堵目前常用的应对措施为物理冲洗法[9]，但这种方法无法有效地清除土工织物内部的淤堵物质，冲洗后土工织物滤层的渗透系数仍会随时间逐渐下降，处理效果有限．与土工织物相比，砂砾石滤层一般具有更大的厚度，抵抗物理淤堵的能力更强，因此在泥浆脱水[10]和排水暗管[11-12]等领域中，有学者提出在土工织物与保护土之间放置一层砂垫层来减轻土工织物的淤堵．文献[13]提出在土体与土工织物之间设置垫层来防治残积土中土工织物滤层的物理淤堵，并以粒径均匀的玻璃柱为垫层材料进行了梯度比试验，该试验没有考虑垫层粒径与保护土之间的关系．目前针对砂垫层-土工织物复合滤层的试验研究较少，对复合滤层中砂垫层减轻土工织物淤堵的机理认识不清，复合滤层中砂垫层粒径的选取尚无规范可依．为减轻尾矿库中土工织物滤层的物理淤堵，延长其服役周期，本研究在尾矿砂与土工织物滤层之间设置了一层砂垫层，形成砂垫层-土工织物复合滤层．通过梯度比试验，验证了砂垫层减轻土工织物滤层物理淤堵的效果．1 复合滤层反滤性能试验设计在土工织物与保护土之间放置一层砂垫层形成一种复合滤层，即砂垫层-土工织物复合滤层(见图1)．复合滤层的主要工作机理是：砂垫层阻挡尾矿砂的骨架粒径以保证尾矿砂结构的稳定性，同时允许一部分细尾矿砂颗粒穿过砂垫层进入土工织物而被土工织物拦截．与砂垫层单独用作反滤层相比，复合滤层中砂垫层的厚度可以适当减小，粒径可进一步放大，来增加复合滤层的排水能力，减轻淤堵风险．10.13245/j.hust.238592.F001图1砂垫层-土工织物复合滤层结构示意图1.1　试验装置为研究尾矿库中砂垫层-土工织物复合滤层的反滤性能，开展了一系列梯度比试验．梯度比试验在一个自行改进的梯度比试验装置(见图2)内进行．10.13245/j.hust.238592.F002图2设置砂垫层后的梯度比试验装置示意图(mm)该装置分为上中下三部分，各部分之间通过法兰盘螺栓连接，法兰盘之间通过橡胶垫止水．装置可容纳土样的高度为100~120 mm，直径为100 mm．在尾矿砂顶部放置一块多孔板，一层铁丝网(1 mm孔径)和一层轻质土工布(150 g/m2)，以保护试样不受进水口水流的冲刷．试验结束后可对透过土工织物的颗粒进行收集、烘干和称重．在仪器侧面分布了6个测压管接口，测量试样不同位置处的水头，其中2#测压管接口中心与土工织物滤层之间的距离为3 mm，该接口对土体-滤层界面处的变化更为敏感[14]，能够捕捉到滤层附近的保护土和滤层之间的相互作用．梯度比试验是判别土工织物反滤层是否淤堵的最常用方法，根据试验结果可计算梯度比值BGR，有BGR25=i0-25/i25-75; (1)BGR3=i0-3/i25-75; (2)BGRn=i0-n/i25-75, (3)式中：i0-25为滤层和其上方25 mm厚土样的水力梯度，i0-3为滤层和其上方3 mm厚土样的水力梯度，i0-n为滤层和其上方n mm厚土样的水力梯度，i25-75为滤层上方25~75 mm土样的水力梯度．BGR是分析滤层淤堵的重要参数．BGR≤1且随时间保持稳定表明土工织物滤层排渗特性良好[15]；BGR＜1且随时间的持续下降表明土工织物滤层存在管涌通道，有细颗粒土透过土工织物．BGR＞1表示土工织物内部或土工织物表面被土体颗粒淤堵，会导致土体-土工织物滤层系统的流量降低．1.2　试验材料的选取1.2.1　尾矿砂尾矿砂取自福建马坑尾矿库(铁尾矿)的干滩，尾矿砂的密度为3.15 g/cm3．将取回的尾矿砂试样进行烘干和筛分，配置了尾矿-1、尾矿-2和尾矿-3三种不同级配的尾矿，它们的颗粒级配曲线如图3所示，图中：β为小于某粒径的土粒质量分数；dd为尾矿砂颗粒直径．10.13245/j.hust.238592.F003图3尾矿砂颗粒级配曲线尾矿-1、尾矿-2和尾矿-3的细粒(0.075 mm)分别占总质量的50%，70%，90%．对尾矿库中的尾矿砂进行原位钻孔取样，30.7 m深度处尾矿砂原状样的测量干密度为2.10 g/cm3，本研究中尾矿砂的设计填筑干密度为2.10 g/cm3．1.2.2　砂垫层选用了不同粒径的砂垫层，相关参数见表1，表中D20为砂垫层中小于该粒径的颗粒质量占总质量20%的特征粒径．不同砂垫层的设计填筑孔隙比为0.68(中等密实度)，以保证相同的填筑条件．10.13245/j.hust.238592.T001表1砂垫层参数砂垫层颗粒直径/mmD20/mm密度S1[0.25，0.50)0.3222.623S2[0.50，1.00)0.5522.667S3[1.00，2.00)1.4002.429S4[2.00，5.00]3.0942.8521.2.3　土工织物试验选用无纺土工织物滤层，无纺土工织物为无纺针刺土工织物，单位面积质量为200 g/m2，等效孔径O95为0.099 mm，无压力时厚度为2.31 mm．1.3　试验方案和试验过程1.3.1　试验方案设计了14组梯度比试验，研究砂垫层-土工织物复合滤层反滤性能．表2给出了试验设计的详细信息，试验考虑了三种不同细粒质量分数的尾矿砂，四种砂垫层粒径，表中：w为细颗粒(0.075 mm)尾矿质量分数；S1~S4分别为砂垫层的编号．T-1~T-8为试验编号，旨在研究砂垫层粒径对复10.13245/j.hust.238592.T002表2砂垫层-土工织物复合滤层试验方案试验编号尾矿砂w/%砂垫层编号砂垫层厚/mm织物层数T-1尾矿-150S2101T-2尾矿-150S4101T-3尾矿-270S1101T-4尾矿-270S2101T-5尾矿-270S3101T-6尾矿-270S4101T-7尾矿-390S2101T-8尾矿-390S3101合滤层反滤性能的影响，砂垫层厚度均为10 mm．T-9~T-11为相同条件下不设置砂垫层的试验编号，作为对照组；T-9，T-10和T-11中尾矿砂分别为尾矿-1、尾矿-2和尾矿-3，设置了一层土工织物．为了对比土工织物滤层与复合滤层具有厚度相同时的反滤性能，设计了试验T-12，T-13和T-14，其中的尾矿砂分别为尾矿-1、尾矿-2、尾矿-3．T-12，T-13和T-14中共设置了5层土工织物，增加的四层土工织物的总厚度接近10 mm，没有设置砂垫层．为了减少误差，提高试验结果的可靠性，每个试验进行了两次．尾矿库中辐射井的排渗管埋深范围一般为10~30 m，有些工程中辐射井及其排渗管的埋深甚至超过50 m[16]，结合室内试验条件，本试验选择的水力梯度为20．梯度比装置的测压管是固定的，测压管距离土工织物滤层的距离为25，50，75 mm，在土工织物上侧增设砂垫层后，无法求得复合滤层的BGR25(滤层及其以上25 mm范围内的平均水力梯度与滤层以上25~75 mm范围内土样的水力梯度之比)．在设置砂垫层后，当砂垫层的厚度为10 mm时，利用试验仪器只能求得复合滤层的梯度比值BGR15(滤层及其以上15 mm范围内的平均水力梯度与滤层以上25~75 mm范围内土样的水力梯度之比)．1.3.2　试验过程试样制备过程如图4所示，首先用轻质土工织物(单位面积土工织物的质量为150 g/m2)堵住6个测压管接口的端部，防止试验中尾矿砂涌入测压管．在梯度比装置的底部放置一块多孔板、一层铁丝网和一层轻质土工织物(单位面积土工织物的质量为150 g/m2，直径为120 mm)．然后填筑砂垫层，砂垫层填筑高度为10 mm，一次性填筑，填筑孔隙比为0.68．接着填筑尾矿砂，尾矿砂的填筑高度为100 mm，设计的填筑干密度为2.10 g/cm3．10.13245/j.hust.238592.F004图4复合滤层梯度比试验试样准备过程尾矿砂分4层填筑，每层厚度为25 mm．使用抽真空法饱和尾矿砂，在饱和之后，将梯度比装置从真空缸中取出并倒置，将轻质土工织物替换为待测试的饱和土工织物(直径为120 mm)，这种方法有助于避免试样制备过程中土工织物的污染．将6个测压管接口连接到测压管上，调整出水口高度并关闭进水口．将进水口连接到溢流系统，溢流系统可为试验提供恒定水头的无气水．调整溢流系统的水位高度使试样的平均水力梯度达到设定值．打开进水口，无气水流入装置，当6个测压管的水头相同时，打开出水口开始试验．定期记录测压管的水头和系统流量，时间间隔初始较小，然后慢慢增加至每2 h测量一次数据．在测压管水头读数稳定后，关闭出水口．每个水力梯度下试验的持续时间约为12 h．试验结束后将梯度比装置倒置，取出土工织物进行淤堵分析．2 砂垫层-土工织物复合滤层反滤特性在增设砂垫层后，不同试验中系统的梯度比值和流量随时间变化的规律类似，以T-4为例，系统梯度比值和流量随时间的变化关系如图5所示，图中t为时间．T-10试验中没有设置砂垫层，T-4中砂垫层为S2，两个试验中均采用尾矿-2．T-4和T-10的梯度比值在试验开始处较大，然后随时间快速下降并稳定在一个较小的值附近．系统的流量随时间的变化规律与梯度比值类似，试验初期流量迅速下降，然后随时间逐渐下降并趋于稳定．梯度比值和流量试验初期迅速下降的主要原因是系统的非稳定渗流．每个工况下试验的持续时间约为12 h，选用试验结束处稳定的梯度比值和流量(两个试验的平均值)进行讨论．T-4和T-10最终稳定的流量值分别为17.2和15.1 mL/min．与T-10(无砂垫层)相比，T-4中系统的梯度比值更小，流量更大，说明复合滤层的排渗性能优于土工织物滤层．10.13245/j.hust.238592.F005图5T-4和T-10试验中梯度比值随时间的变化2.1　梯度比特征试验考虑了不同尾矿砂和砂垫层粒径的组合，通过对比分析不同情况下系统的梯度比值，研究砂垫层粒径对复合滤层反滤性能的影响．使用砂垫层特征粒径(D15)与尾矿砂特征粒径d85(尾矿砂中小于该粒径的颗粒占总质量85%)的比值来描述砂垫层粒径与尾矿砂粒径的相对大小，该参数是滤层设计的关键参数，经典的太沙基滤层设计准则中也使用了该参数．表3给出了增设不同粒径砂垫层试验后当试验结束时的梯度比值，表中：BGR25为相同条件下没有设置砂垫层试验的梯度比值(T-9，T-10和T-11的试验结果)，所有的BGR25均大于1，表明没有砂垫层时单层土工织物滤层发生了一定程度的淤堵；BGR15’为设置五层土工织物滤层试验的梯度比值(T-12，T-13和T-14的试验结果)．增设砂垫层后系统的梯度比值BGR15明显小于BGR15’，且均小于1.0，说明砂垫层减轻了土工织物的淤堵，而且砂垫层-土工织物复合滤层的抗淤堵能力优于相同厚度的土工织物滤层．当D15/d85在2.4~14.7范围内变化时，系统的BGR15相差不大，当在0.58~0.80之间变化时，表明能够降低土工织物淤堵的砂垫层具有较大的粒径变化范围．10.13245/j.hust.238592.T003表3试验结束时梯度比值试验D15/d85BGR15BGR25BGR15’T-12.40.651.30 (T-9)1.02 (T-12)T-213.40.801.30 (T-9)1.02 (T-12)T-33.20.551.13 (T-10)0.90 (T-13)T-45.40.581.13 (T-10)0.90 (T-13)T-510.70.611.13 (T-10)0.90 (T-13)T-630.80.831.13 (T-10)0.90 (T-13)T-77.50.621.03 (T-11)0.80 (T-14)T-814.70.661.03 (T-11)0.80 (T-14)根据表3中的数据，随着D15/d85的增加，BGR15有增大的趋势，T-6的D15/d85最大，为30.8，对应的BGR15也最大，为0.83．T-6试验中的BGR3(滤层及其以上3 mm范围内的平均水力梯度与滤层以上25~75 mm范围内土样的水力梯度之比)为1.08＞1，说明其中的土工织物滤层发生轻微淤堵．随着砂垫层相对粒径的增大，一些细颗粒尾矿会透过砂垫层进入土工织物，导致土工织物淤堵的可能性增大，因此砂垫层的粒径不能过大．T-1~T-8中，除了T-6，其余试验的BGR3均很小，接近于0，表明土工织物滤层边界处没有形成薄的弱透水层(滤饼)．2.2　流量特征滤层的排渗能力是其反滤性能的重要指标，表4给出了增设不同粒径砂垫层试验后当试验结束时的流量，对照流量为相同条件下没有设置砂垫层试验的流量值(T-9，T-10和T-11的试验结果)，作为对照．试验结果表明：增设砂垫层后系统的流量值明显升高，复合滤层的排水能力优于土工织物滤层．尾矿砂的细粒质量分数为70%，当砂垫层的粒径从0.25~0.5 mm增大到1~2 mm，系统的流量由17.2 mL/min增加到19.0 mL/min，增加了1.8 mL/min时，当砂垫层的粒径从1~2 mm增大到2~5 m时，系统的流量由19.0 mL/min增加到19.1 mL/min，流量变化不大．因此，随着复合滤层中砂垫层粒径的增大，系统的流量先增大后趋于稳定，当砂垫层的粒径大于某一定值后，再增加砂垫层的粒径对复合滤层的排渗能力影响不大．10.13245/j.hust.238592.T004表4试验结束时流量试验D15/d85流量/(mL∙min-1)对照流量/(mL∙min-1)流量增加量/(mL∙min-1)T-12.431.029.0 (T-9)2.0T-213.433.029.0 (T-9)4.0T-33.217.215.1 (T-10)2.1T-45.418.115.1 (T-10)3.0T-510.719.015.1 (T-10)3.9T-630.819.115.1 (T-10)4.0T-77.514.814.6 (T-11)0.2T-814.715.514.6 (T-11)0.9根据表4可知：在D15/d85从10.7(T-5)增大到30.8(T-6)后，复合滤层的排渗量变化不大，但系统的BGR3由0.01增加到1.08，显著增加，因此复合滤层中砂垫层的粒径不能过大．当尾矿砂的细粒质量分数为50%时，T-2的流量为33 mL/min，比没有砂垫层时的流量(29 mL/min)增加了4 mL/min；当尾矿砂的细粒质量分数为90%时，T-8的流量比没有砂垫层时仅增加了0.9 mL/min，说明对细粒质量分数较少的尾矿砂(渗透系数较大)，砂垫层改善土工织物滤层排渗能力的效果更加显著．2.3　长期试验中砂垫层-土工织物复合滤层的流量与梯度比为了解尾矿砂中复合滤层的长期反滤性能，T-4，T-5和T-10在一次试验中的试验时间持续了约一周，T-10试验中没有设置砂垫层，作为对照，T-4和T-5中的砂垫层分别是S2和S3砂垫层．图6给出了T-4，T-5和T-10长期试验中梯度比值和流量随时间的变化，图中Q为流量．10.13245/j.hust.238592.F006图6T-4，T-5和T-10长期试验中梯度比值和流量随时间的变化由图6可知：T-4和T-5试验中的BGR15值明显小于T-10的BGR25，且均小于1，随着时间的推移，BGR15后期基本不变．T-10试验中的BGR25大于1，随着时间的推移，BGR25值略有上升．当试验结束时，T-10中土工织物及其上侧3 mm厚尾矿砂的综合渗透系数为7.57×10-7 m/s，小于剩余尾矿砂(97 mm厚)的渗透系数(1.20×10-6 m/s)，表明土工织物发生了一定程度的淤堵．在试验前后，T-4和T-5中土工织物的渗透系数基本不变，砂垫层存在时无纺土工织物没有发生明显淤堵．当试验结束时，T-10的流量最小，为7 mL/min，T-5的流量最大，为10.5 mL/min．在试验过程中，T-4和T-5的流量随时间下降并逐渐趋于稳定，表明此时复合滤层具有稳定的排水能力．长期试验发现：随着时间的延长，复合滤层能够保持稳定的排水，没有发生明显的淤堵．T-10中没有设置砂垫层，其中的土工织物滤层排水量随时间持续下降，土工织物发生了一定程度的淤堵，复合滤层的排水能力优于土工织物滤层．2.4　复合滤层淤堵形态观察试验后的砂垫层的照片(见图7)，分析其淤堵情况．定义砂垫层剩余厚度为其总填筑厚度减去尾矿砂侵入厚度，在剩余厚度内没有尾矿砂的侵入．试验后用直尺测量砂垫层剩余厚度并标记在图中，测量精度为0.5 mm．10.13245/j.hust.238592.F007图7试验后砂垫层淤堵形态当尾矿砂级配相同时，随着砂垫层粒径的增大，尾矿砂侵入砂垫层的厚度增加，粒径较大的砂垫层为尾矿砂提供了更大的孔隙通道．对于T-1，T-3，T-4和T-7试验中的砂垫层(D15/d85为2.4~7.5)，尾矿砂侵入厚度仅占砂垫层填筑总厚度小部分，砂垫层可有效地阻止尾矿砂穿过砂垫层进入土工织物滤层．对于T-2，T-5，T-6和T-8试验中的砂垫层(D15/d85为10.7~30.8)，尾矿砂穿过整个砂垫层进入了土工织物滤层．T-6中砂垫层的粒径过大(D15/d85为30.8)，大量尾矿砂穿过了砂垫层．复合滤层中砂垫层粒径不能过大，否则砂垫层不能有效阻挡尾矿砂，大量尾矿砂会穿过砂垫层进入土工织物．在试验结束后，观察无纺土工织物的图片，分析其淤堵情况，部分图片如图8所示．T-10试验中没有设置砂垫层，试验后土工织物表面附着有大量尾矿砂．T-1，T-3，T-4和T-7试验中土工织物表面没有附着尾矿砂，表明当D15/d85在2.4~7.5范围内变化时，砂垫层有效地阻止了尾矿砂穿过砂垫层进入土工织物中．在T-2，T-5和T-8中，D15/d85变化范围为10.7~14.7，试验后土工织物表面附着有少量的尾矿砂，砂垫层阻挡了大部分尾矿砂，仅有小部分细粒尾矿砂穿过砂垫层进入土工织物滤层．T-6中D15/d85为30.8，此时砂垫层的粒径相对较大，砂垫层未能有效阻止尾矿砂进入土工织物中，试验后土工织物表面附着有大量尾矿砂．综上所述，在工程应用中，砂垫层的粒径不能过大．10.13245/j.hust.238592.F008图8试验后土工织物的淤堵形态2.5　砂垫层-土工织物复合滤层中砂垫层粒径的选取砂垫层的颗粒直径对复合滤层的反滤效果有重要影响，砂垫层的粒径过大会使土工织物产生淤堵，砂垫层的粒径过小则会降低滤层的透水能力，因此须要探寻尾矿砂粒径与复合滤层中砂垫层粒径的最佳匹配关系．选取砂垫层的D15和尾矿砂的d85作为特征直径，使用D15与d85的比值来表征砂垫层与尾矿砂粒径的相对大小．不同粒径比条件下，砂垫层-土工织物复合滤层的反滤性能见表5，当D15/d85在2.4~7.5范围内变化时，砂垫层有效地阻止了尾矿砂穿过砂垫层进入土工织物，尾矿砂没有完全穿透砂垫层，此时系统的梯度比值较小．10.13245/j.hust.238592.T005表5不同粒径比条件下砂垫层-土工织物复合滤层反滤性能D15/d85BGR土工织物上尾矿砂附着量流量增加量/(mL∙min-1)2.4~7.51无0.2~3.010.7~14.71少量0.9~4.0301大量4.0随着砂垫层粒径的增加，当D15/d85为10.7~14.7时，试验后砂垫层阻挡了大部分尾矿砂穿过砂垫层，仅有小部分细粒尾矿砂穿过砂垫层进入土工织物滤层，土工织物滤层没有产生明显的淤堵，系统的梯度比值仍小于1，此时砂垫层粒径的进一步增大，滤层的排水量变大，复合滤层的排水能力得以提升．因此，适当增加砂垫层的粒径，允许一部分细尾矿通过砂垫层，可获得更好的反滤效果．随着砂垫层粒径的继续增大，当D15/d85增大为30.8时，大量尾矿砂穿过砂垫层进入土工织物，试验后土工织物表面附着有大量尾矿砂，系统的BGR3大于1，土工织物滤层发生一定程度的淤堵，但滤层的排水量基本不变．在工程应用中，为了使复合滤层同时具有良好的保土能力、透水能力和长期抗淤堵能力，建议D15与d85的比值取为10左右．3 砂垫层降低土工织物淤堵的作用机理按照淤堵颗粒与滤层的相互关系，可将无纺土工织物的物理淤堵分为三种形式，如图9所示．堵塞(blocking)是指与滤层过滤通道孔径相差不大的土颗粒，不易进入到滤层内部孔隙中，堵塞在孔隙的上游端面，使得土工织物滤层的有效过水面积减少，滤层渗透性降低，从而产生淤堵的现象．闭塞(blinding)[4]是指细颗粒土因为滤层的过滤作用沉积在滤层上游表面，在土工织物上表面形成一层厚度不高但透水性极低土层，称之为“滤饼”．填塞(clogging)是指土体中的细小颗粒停留在滤层内部，使其渗透性降低．10.13245/j.hust.238592.F009图9土工织物物理淤堵及砂垫层作用机理示意图闭塞形成的滤饼会显著降低滤层的渗透率．在土工织物与尾矿砂之间设置合理的砂垫层(如T-5)后，系统的BGR3接近于零，穿过砂垫层到达土工织物表面的尾矿砂较少(见图8)，表明砂垫层可有效阻止土工织物表面处滤饼的形成；同时，砂垫层也减轻了土工织物内部尾矿颗粒的填塞．砂垫层改善了土工织物表面的排水条件．4 结论a．在增设合理粒径的砂垫层后，系统的梯度比值明显减小，土工织物的淤堵程度降低．砂垫层的粒径不能过大，在本试验中，当D15/d85增至30.8时，大量细颗粒尾矿透过砂垫层进入土工织物，土工织物发生一定程度的淤堵．b．在尾矿砂和土工织物滤层之间增设砂垫层后，滤层排水能力明显提高．随着砂垫层粒径的增大，复合滤层的流量逐渐增大并趋于稳定．为了使复合滤层同时具有良好的保土能力、透水能力和长期抗淤堵能力，建议D15/d85比值取为10左右．c．合理的砂垫层可有效阻止土工织物边界处低渗透性滤饼的形成，砂垫层也能减轻土工织物内部的淤堵．在土工织物与尾矿砂之间设置合理的砂垫层后，土工织物表面附近的排水条件得到改善．