土工织物反滤作用研究进展

杜春雪，徐 超, 2，彭善涛

(1.同济大学 地下建筑与工程系，上海 200092； 2.同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092)

1 研究背景

早在20世纪50年代，以有纺土工织物做成的砂袋已经在德国、荷兰和日本等国家得到了推广，大部分用于护岸防冲等工程中[1-2]；但是，有纺土工织物价格高、以及强度具有较大的方向性而限制了它的发展。到20世纪60年代末，无纺土工织物因其强度没有显著的各向异性，不仅可以用作导水体还可发挥其作为滤层的作用而被广泛推广应用。如法国Valcros土坝的下游排水反滤与上游护坡垫层[3]；国内永定河河堤加固中采用无纺布代替砂石滤料，织物能有效防止土颗粒流失，反滤效果明显[4]。已有的研究[5-6]也表明，土工织物代替传统的砂石砾料作为排水体滤层在水利工程、交通工程等已经得到认可，并取得了很好的效果。关于土工织物“反滤”的概念，Koerner指出[7]反滤系统是一个平衡的“土-土工织物”系统，该系统在预定的应用条件和设计寿命期内，允许足够的水流通过，同时仅使有限的土粒通过土工织物流失。目前，国内外关于土工织物反滤的认识是一致的，即可有效阻止土颗粒通过，防止由于土颗粒的“过量”流失而造成土体的渗透变形，同时允许土中的水透过织物自由排出，避免由于孔压升高而造成土体的失稳。

由反滤作用的概念可知，土工织物作为滤层材料应满足两个基本要求：保土和透水。然而，实际工程应用情况比较复杂，如果不能根据具体情况进行设计和施工，就会引发土工织物滤层反滤失效，甚至导致工程破坏。Koerner 等[8]对69个欧美地区土工织物反滤失效案例的分析发现，大部分案例直接或间接都与设计有关：由于没有考虑具体应用环境，而只是照搬反滤准则，有的出现严重淤堵(透水失效)，有的形成管涌(保土失效)。国内的情况与国外类似，朱积军等[9]报道了某水库除险加固工程中，在大坝排水棱体前铺设的土工织物滤层出现严重淤堵，坝体下游水位逐年抬升。因此，为保证土工织物反滤功能的正常发挥，需要对土工织物反滤机理进行深入的研究认识，根据土工织物应用环境特点制定针对性的反滤准则，为工程实践提供指导。

本文通过对国内外研究成果的归纳分析，从土体“自反滤层”形成机理、土工织物的反滤准则、土工织物反滤影响因素3个方面阐述了土工织物反滤作用的研究进展，并对存在的问题进行讨论，提出进一步的研究方向。

2 被保护土“自反滤层”形成机理

在使用土工织物作为滤层的早期，人们把土工织物等同于传统的天然粒状材料，利用其足够小的孔径来阻挡被保护土粒的通过[10]；但随着对土工织物反滤作用研究和认识的提高，发现在靠近土工织物处，细颗粒流失，出现一个较粗颗粒组成的架空层，在被保护土层中形成一层天然滤层，而土工织物在这个过程中只是起到一个催化剂的作用[7]，如图1所示。在土-土工织物反滤体系中，由于土工织物纤维的空间分布特征，使得水可自由通过具有一定孔径分布梯度的孔隙，被保护土层中的土颗粒在渗流力的作用下，将会出现部分土颗粒被截留在土工织物的表面或滞留在其内部现象。当土颗粒被截留在土工织物表面时会出现桥型、拱型这样的现象；而土颗粒被滞留在土工织物内部时会发生一定的阻挡水流的淤堵现象。

图1 土工织物反滤机理示意图[7]Fig.1 Schematic diagram of geotextile filtration mechanism[7]

2.1 反滤试验

周蓉[11]采用针刺土工织物进行反滤试验，并结合微观试验结果论证了土工织物所发挥的触媒作用，促使被保护土层形成自反滤层。Lafleur等[12]针对广义级配土(包括线性级配土、间隙级配土及内部不稳定土)，开展室内反滤试验，认为土工织物作为滤层发挥的作用是促使土体内形成“自反滤层”(天然滤层)，并提出了“自反滤层”的形成机制和形成过程(图2)。即在反滤初期，由于土工织物透水性比土体好，与织物临近的土体内水力梯度大，在渗透力作用下细粒被渗流带走，造成细粒流失；经过一段时间的冲蚀，土工织物发生一定程度淤堵而渗透性降低，相邻的土体由于细粒流失而渗透性得以改善，土工织物及附近土体内水力梯度减小，渗透力将不足以带动土粒，细粒不再流失；进而形成了由土工织物和自反滤层一起构成的滤层体系。Veylon等[13]对两种土工织物(即针刺无纺土工布和有纺布)在排水系统中的长期性能，开展梯度比及相关试验，认为这个反滤体系是由土工织物自身、土工织物与天然土层、土工织物与排水材料界面等组成，土工织物的反滤作用被视为一个随时间变化的“滤层”区域(图3)。而影响排水系统中土工织物滤层有效性的主要原因是淤堵问题，淤堵现象一般发生在土工织物的内部，其淤堵可能是由物理、生物、化学过程所造成的。

图2 土工织物滤层体系形成过程示意图[12]Fig.2 Schematic diagram of formation process of geotextile filter system[12]

图3 土工织物反滤结构随时间演变过程[13] Fig.3 Evolution of the geotextile filter structure over time[13]

2.2 数值模拟

Gourc[14]根据离散元模拟结果讨论了自反滤层中土拱的形成机制(图4)。对于颗粒大小不一的无黏性土，土中应力是通过颗粒接触传递的，构成土体骨架，而孔隙中几乎不受接触应力的自由细粒易于被渗流带走，使得骨架上的土粒形成土拱；一方面由于土工织物纤维(存在抗静电剂或有机润滑剂)与带电荷的土颗粒间相互吸引，当土颗粒经过土-土工织物界面时将会改变原有的结构形成土拱；另一方面土颗粒间存在的范德华力使得较小的细土颗粒粘结到一块之后再与相对较大的土颗粒或纤维粘结，形成了不能通过土工织物孔径的较大颗粒团，在土-土工织物界面形成土拱现象。正是由于被保护土颗粒的成拱作用，在较大孔径土工织物之上的土体也能保持较好的结构稳定性[15]。这也形象地说明了土工织物在自反滤层形成过程中发挥的“触媒”作用[16]。

图4 土工织物滤层体系的土拱效应[14]Fig.4 Soil arching effect of geotextile filter system[14]

上述土工织物的反滤机理是针对单向渗流作用下土工织物过滤颗粒土的，而在实际工程中有时存在往复水流，被过滤对象可能是细粒土(如均匀的粉土、分散性黏土等)等。在此情形下，土工织物的反滤作用难以用上述机理进行解释。结合排水预压法地基处理的工程实践开展的PVD滤膜(土工织物)过滤淤泥的试验研究结果表明[17-19]，部分细小颗粒可以穿过土工织物，但土工织物表面仍被淤堵；表观孔径大的土工织物梯度比小，淤堵程度低。这些试验结果加深了土工织物过滤淤泥和细颗粒流失的认识，但土工织物过滤黏性土的反滤机理仍需更深入的探讨。

3 土工织物的反滤准则

土工织物的反滤准则早在1972年就被提出，回顾历史发现，土工织物反滤设计中的保土、透水准则都是由级配砂石滤层的设计准则[20-21]演变而来的[22-26]。土工织物的保土性基于两个重要的参数：一是滤层的等效孔径O95，二是被保护土层的特征粒径d85，要求被保护土层的骨架颗粒不得透过反滤层；土工织物的透水性主要是通过比较土工织物的渗透系数Kg与被保护土层的渗透系数Ks来确定，要求土工织物具有足够强的透水性，水流可以自由流出。由于淤堵问题的复杂性和普遍性，对土工织物滤层的防淤堵准则(常用梯度比GR<3)，争议较大。王钊等[27]指出：“判断不同级配的被保护土与不同孔径分布的土工织物滤层是否发生不容许的淤堵的较好方法是进行淤堵试验”，并建议依据梯度比的大小及该值是否稳定下降来判断土工织物的淤堵情况。佘巍等[28]则认为，由于梯度比试验装置中测压管之间的间距是人为给定的，远大于土工织物淤堵层(滤饼)加上土工织物的厚度，会造成梯度比对土工织物淤堵的不敏感。国内外土工织物反滤层设计准则中的防淤堵准则也各有差异。常用的土工织物反滤准则见表1。

从表1可以看出，土工织物的反滤准则是通过比较土工织物等效孔径和土体特征粒径来确定的，只是各国定义土工织物等效孔径的方式和测试方法有所不同。

表1 土工织物反滤准则汇总Table 1 Summary of geotextile filter criteria

我国的3个规范[29-31]中，防淤堵准则明显不同，水运工程的技术标准中就没有淤堵准则。对透水准则均采用渗透系数来表征，但对于系数A的取值有所不同；保土准则方面，《水利水电工程合成材料应用技术规范》中考虑了单向水流条件下被保护土体的类型、均匀性、颗粒级配、土工织物类型等因素，而《水运工程土工合成材料应用技术规程规范》和《土工合成材料应用技术规范》中给出了双向水流条件下的保土准则，对实际工程中的土工织物应用环境方面考虑不全面。

国外对土工织物反滤准则的要求也不尽相同。其中，美国材料测试协会(ASTM)所提出的土工织物反滤准则与国内《土工合成材料应用技术规范》中的要求大致相同，但透水准则中对系数A的取值更为详细。另外3个标准中，在保土准则方面都考虑了水流、织物等效孔径和土体特征粒径这些因素，但测试方法有所不同；透水准则方面，荷兰和德国主要参照保土准则，法国采用了渗透系数来表征，但其系数A的取值考虑了土工织物的厚度，这与国内系数A取值的依据(水头差、土体稳定性等)不相同；淤堵准则方面都未给出具体的标准只是参考相应的保土准则。

对比不同反滤准则可以发现，影响土工织物反滤的各种因素很多，其实际工况更为复杂。Palmeira等[32]通过模型试验研究了在波浪作用下土工织物滤层和砂石滤层的工作性能，认为在波浪作用下现行的土工织物保土准则显得保守，应予调整。因此，应根据工程应用的具体情形，研究制定能够真实反映实际工况的土工织物反滤准则。

4 土工织物反滤性能的影响因素

目前，土工织物反滤设计中都作了一定的简化，体现在考虑的水流性质多数是单向稳定流，试验中土体的垂向受力为0，然而土工织物在实际应用环境中可能存在双向水流以及可能会因土体的变形而受到平面拉力或竖向压力的作用，这将导致土工织物用作滤层时出现相应的问题。

4.1 土工织物和被保护土体的特性

保土准则和透水准则表明，土工织物和被保护土体的性质是影响土工织物反滤性能的基本因素。这些特性包括土工织物的种类、厚度和结构特征，特别是土工织物孔径的大小，以及被保护土体的级配和状态等。一方面，土工织物开孔需足够大，满足透水性需求，并允许那些游离的细小颗粒顺利通过；另一方面，织物开孔又要足够小，以保护那些土骨架上的颗粒不致流失，防止土体发生管涌(保土失效)。但是，就此要求织物的开孔刚好略小于土骨架颗粒的尺寸则是不完全正确的，这主要是由于土颗粒之间的“成拱”现象，造成织物滤层开孔可能略大于被保护土的粒径[33]。对于内部稳定土，在反滤初期，渗流水带走那些悬浮的土颗粒之后，水可通过适宜的织物滤层孔径通畅流动，以形成稳定的滤层结构；对于内部非稳定土(级配不连续或有不稳定细粒组的土)，在渗流拖拽力的作用下会有大量的土颗粒发生迁移，而具有聚粒特征和黏聚力的黏性土更易积聚在滤层上，进而降低土工织物滤层体系的透水性能，发生一定程度的淤堵，随着时间的推移，如果织物滤层和基土之间的渗透性失衡，可能会造成滤层的透水失效。

4.2 外部条件

外部条件主要是指应力水平对滤层的影响。由于工程条件的多变性，将竖向压力或平面拉力列入到反滤设计准则中是不可能的，但在反滤设计时需要考虑压力或拉力的影响[34-35]。徐志伟[36]采用改进的渗透仪研究了不同土工织物(有纺、无纺)在加荷条件下的垂直渗透特性，为某排水管道中反滤料设计的可行性提供了对比分析。Palmerira等[37]指出，在垂向压力作用下，无纺土工织物发生压缩，纤维重新调整定位，引起内部孔隙的减小，进而水流通道减少，造成其渗透性降低；陈轮等[38]、唐琳等[39]完成的梯度比试验研究表明，随着土工织物拉应变的增加，系统的淤堵程度加重，并且拉应变的影响程度与土工织物的厚度有较大的关系。Gardoni等[40]对比分析了土工织物受压前后，内部纤维的变化情况，指出受压时纤维变得密实、孔径变小，进而厚度和渗透性减小。Wu等[41]通过室内单轴拉伸试验发现，随着拉应变的增加，土工织物体系的梯度比降低，平均流速增大，非织造土工织物尤为明显。

在实际工程中，土工织物不仅受到土体的法向压力作用，也可能会由于土体的变形而受到平面拉力的作用。在这些外力的作用下，土工织物发生拉伸应变或压缩变形，其孔径、厚度和渗透性会发生一定的、甚至较大的变化，进而间接影响着土工织物的反滤性能。

4.3 水流性质

水流性质是指渗流的往返性，是单向流还是双向流，以及层流和紊流状态。在进行土工织物反滤设计时，通常把垂直渗透系数作为透水性指标。其实，土工织物的透水性和保土性都与水流性质有关。

在应用反滤准则进行设计时，通常假定土-土工织物体系处于单向水流条件下。然而，在实际工程中，土工织物反滤层有时处于双向水流中，如海岸边的护岸、护坡工程中。双向水流作用下，土工织物滤层的工作条件较为复杂，此时的反滤系统可能最终达到的是动态平衡。陈轮等[42]、庄艳峰等[43]指出循环水流进入土样时，饱和土中的孔隙水压力急剧升高，导致土体的有效应力降低，土粒可以自由移动；水流出土样时，孔隙水压力变为负值，土粒上的有效应力相应升高，在较大的有效应力作用下，土体中的孔隙减小，大部分移动的土粒不能随水流回到原位(水流能量的消散使得拖拽力变小)，随着时间的推移，土颗粒停止双向移动，达到平衡状态。汪帅等[44]研究发现，随着土工织物双向拉伸率的增加，循环往复水流作用下土工织物的渗透性增强而保土性能降低。

5 结论与展望

5.1 结 论

根据对土工织物反滤机理、反滤准则和反滤影响因素方面研究成果的讨论，可以发现目前关于土工织物反滤应用与研究还存在如下问题：

(1)有关土工织物反滤机理的研究，现有的土工织物反滤机理主要是针对单向水流条件土工织物过滤颗粒土的，对于双向水流条件下、过滤的被保护土为细粒土时土工织物反滤机理的研究鲜有涉及；同时，细粒土黏聚力的存在及土工织物的纤维表面存在的静电作用和土体密实度等因素会对土工织物的反滤特性造成影响，甚至导致反滤失效。

(2)已有的往复水流条件下土工织物反滤试验中，水头的变化是以正弦曲线的形式施加，但实际工程中的渗流性质不同，土工织物的受力状态也十分复杂，造成与实际工程存在一定的差别。而且，往复水流条件下的梯度比GR是无法确定的，这给土工织物的防淤堵设计带来了困难。

(3)国内外有关土工织物反滤准则的技术标准都只是在不考虑被保护土和土工织物受力(平面拉力、垂向压力)状态下，从土体自身结构特性、土工织物特性的角度考虑，尤其是土工织物等效孔径和土体特征粒径；但是，为了更好地反映实际工程条件下土工织物的反滤作用，需要考虑外部条件的影响。

(4)现阶段，国内外关于土工织物淤堵问题的研究主要是采用梯度比GR进行评价，而对土工织物淤堵程度量化的研究并不充分，GR界限值的确定依据及取值大小存争议。由于梯度比GR值反映的是土工织物及临近土层(25 mm)渗透性的变化情况，并不能反映织物自身的淤堵情况，因此，淤堵界限值的确定仍没有统一的标准，需要进一步的探索。

5.2 展 望

从已有的研究成果出发，针对上述存在的问题，认为可以在如下方面进行更深入或更全面的探讨。

实践发现即使在双向水流作用下土工织物仍发挥了较好的反滤作用，比如波浪反复作用下块石护岸下的土工织物滤层。这就要求进一步研究在往返水流作用下土工织物与被保护土是如何达到动态平衡的，为更好的应用提供理论基础。

对于土工织物过滤细粒土的问题，既然用“自反滤层”的机制难以合理解释，则需要根据细粒土，特别是黏性土自身的特点，从保土性和透水性两个方面探讨土工织物的反滤机理。

在土工织物反滤的工程应用中，水流性质、应力与渗流环境等实际条件纷繁复杂，在反滤机理的理论研究和反滤准则制定中难以概化。对于这些问题，还应该从模拟真实环境的角度，通过模拟试验来研究采用土工织物反滤的有效性和合理性，这也是土工合成材料工程应用研究的传统思路。在工程应用中，需遵循反滤作用的保土准则和透水准则，即满足被保护土不会大量流失和土中的水能够顺利排出的要求；至于防淤堵准则，主要是淤堵程度的控制，在满足透水需求的前提下，必要时可根据实际情况做出调整。这些仍需要进一步的研究，不断完善相应的反滤准则。