相比于传统的砂石反滤层材料，土工织物容易获得，施工方便，目前已广泛应用于水利、交通等领域[1-5]．然而，实际工程应用情况较为复杂，由滤层失效导致工程破坏的案例屡有发生[6-8]．如当文献[6]采用数值模拟某土坝的渗流稳定时，发现大坝排水体的土工织物滤层严重淤堵时会导致下游水位的逐年抬升；文献[7]通过对69个反滤失效的案例调查发现：有的出现严重淤堵(透水失效)，有的则形成了管涌(保土失效)．可见现有的反滤设计准则缺乏针对性．在地下结构主动抗浮工程中，常用外裹土工织物滤层的碎石盲沟作为排水体．由于埋设在基底下的盲沟和土工织物往往难以更换且经受长期的渗流作用，因此土工织物滤层的反滤性能可能会因长期渗流而发生严重淤堵，对其透水性产生较大的影响．研究土工织物滤层在长期渗流作用下的反滤特性及其渗透性的变化规律具有重要的意义．土工织物用作反滤层起始于美国，文献[9-10]借鉴砂石滤层的设计准则，提出了土工织物反滤层的设计准则；经过后期的进一步发展形成了保土、透水和防淤堵的设计准则[11]．当土工织物用作反滤层时，是利用其足够小的孔径来阻挡被过滤保护土颗粒的通过[12]．可见：反滤层既要保土也要透水，是滤土和透水的对立统一体．目前较为认可的土工织物过滤颗粒土的反滤机理[13-14]：通过限制骨架土颗粒的流失，允许靠近滤层的细小颗粒穿过织物，促使土体内形成自反滤层．而在主动抗浮工程中，土工织物过滤的被保护土通常是低渗透性的黏性土，具有较小的特征粒径(如d85)，在渗流过程中有大部分土粒会被截留在织物内部，产生内部淤堵，甚至在其表面形成滤饼[15]．针对土工织物过滤黏性土时出现的滤层淤堵及其透水性的变化规律，现有土工织物过滤颗粒土的反滤机理尚无法给出合理的解释．本研究以无纺土工织物过滤黏性土为研究对象，开展室内长期渗透试验来探究无纺土工织物滤层长期渗流条件下的反滤特性．基于等效孔隙率的简化算法，对比分析了过滤后无纺土工织物渗透系数的变化．研究成果将为地下结构主动抗浮工程中评价泄水盲沟的排水能力和渗流场边界条件的建立提供依据．1 试验1.1　试验材料试验用土取自上海第③层淤泥质粉质黏土(C)，取土深度为9~11 m．试验用土基本物理参数的测定参照《土工试验方法标准》[16]进行，其中，土样的液塑限分别为36.6%和20.2%，密度为1.95 g/cm3，特征粒径d85=0.018 mm，渗透系数为1.95×10-9 m/s．由山东路德新材料股份有限公司提供的4种不同克重无纺土工织物依次编号为GT1，GT2，GT3，GT4，均由针刺短纤聚酯(PET)纤维制成．织物纤维的线密度为1.32 g/cm3．其材料特性根据《土工合成材料测试规程》[17]来确定，具体参数指标见表1，表中：nf为孔隙率；O95为等效孔径；df为纤维直径；kg为垂直渗透系数．10.13245/j.hust.240097.T001表1无纺土工织物规格及参数指标编号克重/(g∙m-2)厚度/mmnfO95/mmdf/mmkg/(mm∙s-1)GT11251.00.910.1700.0184.33GT22001.90.920.1200.0184.27GT33002.80.920.0770.0163.73GT44003.20.910.0660.0153.281.2　试验方法及过程考虑到试验用土的情况开展变水头渗透试验，试验仪器采用南京土壤仪器有限公司所提供的TST-55型渗透仪．该仪器主要由供水系统、测压系统和渗透室三部分组成．试验过程中采用无气蒸馏水从试样的底部流入经上部出水口流出以模拟该工况下地下结构的水流情况，即水流从被过滤土层依次流向无纺土工织物和透水石经出水口排出．试验装置结构如图1所示，图中：h1和h2分别代表t1时刻的初始水头和经过渗流时间t2的水头，h1h2．10.13245/j.hust.240097.F001图1TST-55型渗透仪装置结构图试验前按照环刀样的规格裁剪无纺土工织物并将其放置于沸水浸润饱和，防止气泡附着于无纺土工织物的孔隙中，影响渗透试验中土颗粒的通过，造成假淤堵现象；试验土样制成给定密度和高度的环刀样并对其进行充分的饱和．在装样过程中，土样的上下两面分别贴上与环刀口面积相等的滤纸和无纺土工织物，其中无纺土工织物置于土样的上方(见图1)．试验操作按照《土工试验方法标准》[16]进行，首先将装好试样(土-土工织物)的渗透室与测压系统中测压管端口相连通，打开供水系统经过进水端口将测压管的水头升至一定的高度(不超过2 m)后打开排气阀，排除渗透室底部的空气，直至出水端口处的溢出水无气泡，关闭排气阀；然后将测压管水头升至一定高度后，打开出水端口，可以观察到出水口水流浑浊，水流量较大，测压管的波动变化也较大，其产生的原因可能是无纺土工织物与土样上表面接触不紧密，但也不排除存在侧壁渗透，为此，在装样过程中，将无纺土工织物紧贴土样上表面，并在透水石的圆周边缘裹上乳胶膜；试验进行24 h后，待测压管水头和出水口流量稳定后，开始进行无纺土工织物过滤淤泥质粉质黏土渗透系数的测定工作．试验中共完成4组无纺土工织物过滤粉质黏土的长期渗透试验，试验终止的时间按照《土工试验方法标准》[16]和美国测试协会ASTM D5567-94[18]中的相关规定，每组试验持续了90 d．试验观测的频次为每天同一时刻将测压管水位升至同一高度后，测记测压管在一定时间内的水头变化，并记录出水口的水温，连续测记5次，计算标准温度(20 ℃)下的渗透系数，然后求取平均值．有kgs20=2.3aLAΔtlgh1h2×ηTη20，(1)式中：kgs20为标准温度(20 ℃)时试样的垂直渗透系数；a为测压管截面面积，a=0.502 cm2；L为试样的高度，L=4 cm；A为试样横截面面积，A=30 cm2；Δt为测压管水头起始和终止读数所对应的时间，Δt=t2-t1；ηT和η20分别为T温度、标准温度时水的动力黏滞系数，其比值关系参见《土工试验方法标准》[16]．2 试验结果与分析试验前后分别对4种不同克重的无纺土工织物样品用电子天平称重，精确到0.001 g；其中试验后的无纺土工织物样品放置在烘箱中进行烘干后称重，试验前、后无纺土工织物的单位面积质量分别为mf和mf′，单位面积滞留土量为ms，相关测量结果见表2．10.13245/j.hust.240097.T002表2试验前后无纺土工织物的相关参数编号mfmf′msGT120025050GT229036070GT3460600140GT4530710180g∙m-2观察试验后的无纺土工织物样品可以发现：在靠近被保护土层的织物侧有大部分细粒滞留在织物的内部(见图2)，同时对靠近织物侧的土样留样，烘干后采用密度计法开展颗分试验，可以发现细粒的流失主要以粒径小于0.002 mm为主．10.13245/j.hust.240097.F002图2过滤后无纺土工织物试样根据90 d(2 160 h)的渗透试验观测结果，整理了土-无纺土工织物体系渗透系数随渗透时间的变化曲线，如图3所示．图3显示土-无纺土工织物体系的渗透系数随渗透时间不断减小，并最终趋于稳定．在渗流初期，该体系的渗透系数高于被保护土渗透系数一个数量级；在渗流的约7 d(C-GT4)或14 d(C-GT1/GT2/GT3)内渗透系数随渗透时间快速下降，之后不断减小，接近或小于被保护土的渗透系数，然后缓慢衰减，逐步趋于稳定值．每组试验中，不论无纺土工织物的克重多少，土-无纺土工织物体系渗透系数的稳定值都小于被保护土样的渗透系数，表明无纺土工织物滤层均发生了一定程度的淤堵．10.13245/j.hust.240097.F003图3土-土工织物体系渗透系数演变规律及拟合曲线90 d的渗透试验结果基本上反映了无纺土工织物过滤黏性土时的淤堵过程：在渗滤初期，无纺土工织物自身的透水性远大于黏性土，这主要由无纺土工织物自身的结构所决定，因此初期体系的渗透系数大于被保护土样的；随着渗流水持续从被保护土样流向无纺土工织物，一些细颗粒在渗透力的作用下迁移，大部分颗粒会滞留在织物内部，造成渗流的有效通道减少，渗透系数衰减较快；在渗透试验的中后期，随着土-无纺土工织物体系的渗透性降低，前期滞留的细粒增加了无纺土工织物滤层的保土性，出现小部分细粒堵塞在织物的表面，导致无纺土工织物滤层的透水性进一步降低，此时渗透系数表现为缓慢衰减；在无纺土工织物的透水性降低而开始影响到土-无纺土工织物体系的透水性之前，进入厚织物的细颗粒量将比进入薄织物的细颗粒多，对比GT1和GT4可以发现，细粒的滞留量增加了约260%(见表2)．根据长期渗流条件下土-无纺土工织物体系渗透系数的变化规律(见图3)，土-无纺土工织物体系渗透系数随时间的衰减过程的拟合公式为kgs=k0T-b，(2)式中：kgs为土-无纺土工织物体系在T时刻的渗透系数；T为渗流时间；k0为初始时刻渗透系数，其与织物的厚度、等效孔径和被保护土的特征粒径d85等有关；b为渗透系数相对值(kgs/k0)随时间的衰减率，其量纲为T -1，单位形式与T一致．对于长期渗透试验，衰减率b主要与初始渗透系数、织物等效孔径、被保护土的特征粒径d85等有关．用式(2)对长期渗透试验结果进行拟合，拟合曲线见图3，相应的拟合公式见表3．可以看出：拟合曲线的相关系数均大于0.9，相关性较好．因此，用式(2)的幂函数形式能够较好地反映长期渗流作用下土-无纺土工织物体系渗透系数随时间的变化规律．10.13245/j.hust.240097.T003表3长期渗透试验拟合公式试验组编号拟合公式相关系数C-GT1{kgs}ms-1=81.805{T}d-1.1570.980 6C-GT2{kgs}ms-1=55.677{T}d-0.9260.916 7C-GT3{kgs}ms-1=40.301{T}d-0.9560.916 1C-GT4{kgs}ms-1=32.784{T}d-1.0330.931 5渗透试验稳定后，土-无纺土工织物体系渗透系数随织物克重的变化如图4所示．从图中可以看出，无纺土工织物的克重对其反滤性能有一定的影响．总体上，由于纤维间的相互缠结，克重越大，织物越厚，等效孔径越小(见表1)，越容易淤堵，因此透水性变差．10.13245/j.hust.240097.F004图4土-无纺土工织物体系稳定渗透系数随克重的变化从图4也可以看出，GT2对应的土-无纺土工织物体系稳定渗透系数最大，这一现象也曾出现在作者采用该4种无纺土工织物过滤粉质黏土的梯度比试验中，表明土-无纺土工织物体系渗透系数，或者无纺土工织物的淤堵程度不仅与织物的克重有关，还受到其内部结构的影响．本次试验中采用的无纺土工织物尽管材质和工艺相同，但从表1的相关计算指标，按单位层厚的单位面积质量计算，GT2的最小约为105 g/(m2∙mm-1)，说明GT2最蓬松，其内部结构更有利于其发挥反滤作用；GT1和GT4的均为125 g/(m2∙mm-1)，但由于GT1均匀性较差，等效孔径较大，因此其反滤效果要优于GT4的．3 反滤机理探讨无纺土工织物滤层的透水性和保土性受到其结构特征[19-20]、被保护土特性和渗流水力条件等因素的影响．对于本次试验中的黏性土，单粒虽小，但黏土矿物具有亲水性和黏性，常以聚粒形式出现．在反滤开始后，水流通过无纺土工织物的同时会携带一些细颗粒，不可避免会有部分土粒被截留在织物上游表面或滞留在织物内部，即使土粒粒径小于织物的等效孔径，也会粘结在织物纤维上，导致织物渗流的有效孔隙减小，造成滤层淤堵．随着反滤的持续，不断迁移的细粒在织物内部大量滞留，甚至在织物表面形成滤饼，此时该层滤饼的渗透系数相当于黏性土的渗透系数．当土-无纺土工织物体系达到渗流稳定时，无纺土工织物滤层的透水性应由滤饼层和堵塞无纺土工织物的透水性共同决定．这不仅是土-无纺土工织物体系渗透系数衰减的原因，而且也揭示了渗流稳定后土-无纺土工织物体系的渗透系数小于被保护土的渗透系数．3.1　淤堵性采用钨灯丝扫描电子显微镜来观察试验后织物试样的淤堵情形，其中加速电压为10 kV，放大倍数为100倍．图5给出了过滤后GT1和GT2的扫描电镜图．从长期渗透试验的结果可知：C-GT1/GT2体系的渗透系数下降了两个数量级，导致GT1和GT2的孔隙被细粒堵塞，通过扫描电镜图像也可观察到．对比GT1和GT2的扫描电镜图像可以发现，GT2纤维中积累的细粒量明显低于GT1的．一些细粒在GT1的内部形成积聚体并附着在纤维丝上造成其淤堵．图5中的红色圆区域较好地评估了细粒迁移至无纺土工织物的滞留情况．总的来说，迁移的细颗粒与无纺土工织物滤层之间的相互关系可以概括为：细颗粒在滤层表面会形成一个薄层(即滤饼)，该机理被认为是土工织物的淤闭(见图5(a))；细颗粒将会滞留在土工织物内部，该机理被认为是土工织物的淤塞(见图5(b))．根据现有的土工织物反滤准则[21]可知，无纺土工织物在过滤黏性土时并不能满足保土准则，这是由于土的特征粒径d85(d85=0.018 mm)远小于土工织物的等效孔径O95(如GT4的O95=0.066 mm)，之所以能够发挥保土作用，黏聚力的作用不可忽视．10.13245/j.hust.240097.F005图5无纺土工织物GT1和GT2过滤后扫描电镜图图6给出了GT4在过滤前后放大倍数为100倍的扫描电镜图．从该图可知：在渗流拖拽力作用下，当黏粒通过无纺土工织物的孔隙通道时会粘结在织物纤维构成的通道壁上，这些黏粒不断地累积、积聚在无纺土工织物的孔隙内，从而加重织物内部的淤堵．10.13245/j.hust.240097.F006图6无纺土工织物GT4过滤前后扫描电镜图3.2　透水性现有的无纺土工织物的渗透系数模型可分为毛细管理论模型和阻力理论模型两类．大部分无纺土工织物渗透系数模型的建立是基于毛细管理论模型，该模型是建立在管道流的基础上，将孔隙看作一系列的管道，纤维看作管道壁，与渗透性相关的孔径分布可用孔隙的大小来表征；比较有代表性的是Kozeny和Carman依据管道流中的Hagen Poiseuille定律建立的Kozeny-Carman方程[22]．根据该方程可得到过滤前无纺土工织物垂直渗透系数kg[23]的计算公式为kg=βρwg16ηwnf3(1-nf)2df2， (3)式中：β为与渗透介质曲率有关的形状因子，无量纲，对于无纺土工织物，文献[23]建议β=0.11；ρw为水的密度，ρw=1 000 kg/m3；g为重力加速度；ηw为水的动力黏度，ηw=0.001 kg/(m∙s)．鉴于过滤后的无纺土工织物的部分孔隙被土粒堵塞，在已有的计算土工织物孔隙率公式的基础上[24]，假定滞留的土粒均匀分布在无纺土工织物的空隙结构内，本研究提出了采用等效孔隙率nep来评价过滤后无纺土工织物的有效孔隙及其透水性能，有nf=1-μg/(ρftGT);nep=1-(mf/ρf+ms/ρs)/tGT, (4)式中：μg为土工织物的克重；nep为过滤后土工织物的等效孔隙率；ρs为土粒密度；ρf为纤维的线密度；tGT为无纺土工织物的厚度．将nep代替式(3)中的nf可得到过滤后无纺土工织物的渗透系数kg′，有kg'=βρwg16ηwnep3(1-nep)2df2．(5)按照式(3)和式(5)计算过滤前后无纺土工织物的渗透系数，4种不同克重无纺土工织物过滤前后的渗透系数计算值见表4．10.13245/j.hust.240097.T004表4过滤前后无纺土工织物的渗透系数编号kgkg'/(mm∙s-1)试验值/(mm∙s-1)理论值/(mm∙s-1)误差/%GT14.332.03530.389GT24.272.66380.635GT33.732.10440.428GT43.281.41570.350从表4可知：采用式(3)计算的GT1~GT4的渗透系数与试验值相比偏小一些(误差在57%以内)，可能存在的原因为上述毛细管理论模型假定所有纤维在无纺土工织物平面上呈水平分布，而实际上针刺无纺土工织物的部分纤维可以随刺针移动，并沿无纺土工织物平面的垂直方向分布，这使得纤维不仅对水的阻力小还能引导水流快速通过；但是GT1~GT4渗透系数的试验值和理论值均在同一数量级变化，这说明在施工设计中可以用式(3)来预测无纺土工织物的垂直渗透系数．由于现有垂直渗透仪难以测定过滤后无纺土工织物的渗透系数，因此表3中仅给出了采用式(5)计算得到的过滤后无纺土工织物渗透系数预测值．相比于过滤前，无纺土工织物的渗透系数下降了一个数量级；过滤后不同克重无纺土工织物的渗透系数中，也出现了GT2的渗透系数较大，这与上述不同克重的4种无纺土工织物过滤黏性土长期渗透试验的结果相一致，说明了GT2的反滤效果较好．由于被保护土的渗透系数ks为1.95×10-9 m/s，因此过滤后不同克重无纺土工织物渗透系数kg'(表4)与被保护土渗透系数ks之间满足关系式kg'≥(1.79~3.26)×105ks． (6)基于反滤准则中土工织物的透水性要求[25-26]可知，土工织物的透水性应满足kg≥100ks．(7)由式(6)可知：过滤后无纺土工织物的渗透系数远大于被保护土的渗透系数，满足式(7)的要求．这说明过滤后无纺土工织物虽然发生了一定程度的淤堵，但其透水性仍能满足实际的排水需求．4 结论a．当无纺土工织物过滤淤泥质粉质黏土时，土-土工织物体系的渗透系数随着渗透时间不断减小并趋于稳定变化，渗透系数的变化与时间之间符合幂函数关系；在一定条件下，该关系式可以用来预测某一时刻渗透系数的大小．b．当无纺土工织物过滤的被保护土为黏性土时，在渗流力作用下细粒不断地向土工织物迁移并滞留在织物内部，造成其有效渗流通道减小后少部分颗粒截留在土工织物上游的表面，土工织物滤层的透水性降低，导致土工织物发生一定程度的淤堵，淤堵的表现形式主要以淤塞为主，并伴有淤闭．c．长期渗透试验所建立的土-土工织物体系渗透系数衰减模型可以用来反映土工织物滤层的透水与淤堵情况，即当4种不同克重的无纺土工织物过滤黏性土时，克重为200 g/m2无纺土工织物的反滤效果较好．d．基于等效孔隙率的简化算法提出了过滤后无纺土工织物渗透系数的计算公式；过滤后无纺土工织物的渗透系数下降了一个数量级，但仍满足反滤准则中的透水性要求．