水力梯度對土一無紡織物系統(tǒng)反濾性的影響

周波 王紅雨 王小東

摘要：為研究土工織物的反濾性能，針對其淤堵問題，選取5種土工織物與寧夏引黃灌區(qū)土質(zhì)組成反濾系統(tǒng)，對水力梯度從4逐漸升至7再逐漸升至11和直接升高至11兩種方式進(jìn)行了梯度比試驗，測量了土與織物系統(tǒng)的滲透系數(shù)、梯度比、織物單位體積含土量、滲土量等。結(jié)果表明：①黑色丙綸試樣（2#）在水力梯度逐漸升高時比直接升高時滲透系數(shù)大，白色人革基布（1#）、長絲（聚醋3#）、綠色丙綸試樣（5#）系統(tǒng)滲透系數(shù)隨著水力梯度的升高而減??；②當(dāng)水力梯度逐漸升高時，白色丙綸試樣（4#）和黑色丙綸試樣發(fā)生淤堵，當(dāng)水力梯度直接升高到11時黑色丙綸試樣發(fā)生淤堵；③水力梯度直接升高至11時，黑色丙綸和白色丙綸織物單位體積含土量減少。

關(guān)鍵詞：土工織物；反濾性能；梯度比試驗；淤堵；滲透系數(shù)；水力梯度

中圖分類號：S289；TV139.14 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.023

目前，土工織物作為優(yōu)良反濾材料已被廣泛應(yīng)用于水利、土木等工程中[1-5]。土工織物編織袋內(nèi)充填土、砂、碎石、建筑廢料或其他材料形成袋體，然后按一定排列方式進(jìn)行鋪砌，用來加固地基的土工袋裝技術(shù)及其衍生技術(shù)近年來得到迅速發(fā)展，已成為土工合成材料學(xué)科研究與應(yīng)用的熱點之一[6]。在使用過程中，其透水性、保土性、淤堵性成為反濾性能研究的重點。淤堵是有關(guān)土工織物反濾層能否長期使用的關(guān)鍵問題，要判斷土工織物是否滿足淤堵準(zhǔn)則，就需要進(jìn)行梯度比試驗，測定一定水流條件下土與土工織物系統(tǒng)及其交界面上的滲透系數(shù)和梯度比，以及土工織物含土量。

在梯度比試驗研究方面，唐琳等[7]利用梯度比試驗儀測試了反濾參數(shù)隨拉應(yīng)變的變化；易進(jìn)蓉等[8]測量了土與織物系統(tǒng)的滲透系數(shù)、滲土量、梯度比；張寶森等[9]對土工織物反濾特性進(jìn)行了試驗研究，從而為建立適應(yīng)于防汛搶險的反濾準(zhǔn)則提供了試驗依據(jù)；陳輪等[10]通過土顆粒成拱結(jié)構(gòu)的模擬試驗和細(xì)粒土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性反濾試驗，為使用較大孔徑的土工織物濾層減少淤堵提供了參考依據(jù)；佘巍等[11]對梯度比公式進(jìn)行了修正；王微等[12]采用正交試驗方法對無紡?fù)凉た椢锏奈锢砗退W(xué)性能參數(shù)進(jìn)行了測試；束一鳴[13]通過梯度比試驗對梯度比隨水力坡降的變化進(jìn)行了分析；胡利文[14]對深圳河智力工程邊坡防護(hù)反濾運行期的土工布進(jìn)行了綜合試驗研究，從強(qiáng)度損失角度分析了土工布長期運行的強(qiáng)度衰減情況；崔中興等[15]通過室內(nèi)試驗對土工織物的物理力學(xué)特性、滲透性及反濾性進(jìn)行了研究；WANG等[16]通過梯度比試驗測試了土工織物一土系統(tǒng)的梯度比和滲透系數(shù)，表明梯度比GR可以作為土工織物反濾系統(tǒng)參數(shù)；陳輪等[17]提出了反濾系統(tǒng)極限保土狀態(tài)的概念，有助于工程設(shè)計中更加合理地確定織物濾層孔徑上限，減少淤堵。隨著土工織物的普遍應(yīng)用，研究不同種類的土工織物和其在不同地域土質(zhì)的水力學(xué)性能有著非常重要的意義。

本研究以寧夏青銅峽葉盛鎮(zhèn)引黃灌區(qū)排水溝邊坡土為例，選取兩個生產(chǎn)廠家的5種無紡?fù)凉た椢?，用自制試驗儀進(jìn)行梯度比試驗，對水力梯度從4逐漸升高至11和直接升高至11兩種方式進(jìn)行梯度比試驗，測定一定水流條件下土與土工織物系統(tǒng)及其交界面上的滲透系數(shù)和梯度比。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗土壤取自寧夏青銅峽葉盛鎮(zhèn)勝利溝邊坡，將土體風(fēng)干后篩分，物理性質(zhì)見表1。試驗選取的土工織物分別為：山東儀征海城非織造材料有限公司生產(chǎn)的白色人革基布和黑色丙綸無紡布兩種，記為1#和2#；山東鑫宇工程有限公司生產(chǎn)的長絲（聚酯）、白色丙綸和綠色丙綸三種織物，記為3#、4#和5#。選取的5種土工織物均防老化?？椢锇凑铡豆饭こ掏凉ず铣刹牧显囼炓?guī)程》（JTG E50-2006）[18]6-9取樣、稱重，土工織物物理性質(zhì)見表2。

1.2 試驗方法與儀器

試驗依據(jù)《公路工程土工合成材料試驗規(guī)程》（JTG E50-2006）[18]82-86進(jìn)行。梯度比試驗儀器為自制設(shè)備，見圖1（儀器截面為100mm×100mm的正方形），上下容器可用螺絲擰緊以夾持土工織物試樣。測壓管固定在測壓板上，測壓板上裝有最小分度值為1mm的刻度尺。梯度比試驗裝置構(gòu)成示意見圖2，圖2中：1～6管口用軟管與測壓管相連，接頭處設(shè)濾層；注水和出水口均有溢流裝置，試驗過程均保持常水頭。在試驗儀器準(zhǔn)備就緒后，將浸泡至飽和的土工織物放置到儀器內(nèi)。將土均勻倒人儀器內(nèi)，分4層，按干密度為1.71g/cm3的標(biāo)準(zhǔn)，每層用木錘輕擊至25mm厚。透水板對土工織物及上方填土起到支撐作用。試驗前將圖2中1-6位置的測壓管關(guān)閉，從儀器下方出水口緩緩?fù)ㄋ?，讓水浸透填土并略高出填?mm左右，填土浸泡5h。從上方注水孔注水，調(diào)節(jié)水位，排完儀器內(nèi)氣體后關(guān)閉透氣孔，打開1～6測壓管，待讀數(shù)穩(wěn)定后.開始記數(shù).1h一次。設(shè)計總水頭差為40、70、110cm，即水力梯度i為4、7、11。試驗兩種工況：工況1，水力梯度從4逐漸升至7再逐漸升至11；工況2，水力梯度從4直接升至11。每次試驗結(jié)束后，把滲水中的漏土量收集、烘干、稱重；取出織物試樣，清除表面的土，烘干后稱織物及內(nèi)部含土的總質(zhì)量。

關(guān)于淤堵評價標(biāo)準(zhǔn)，具有代表性的是1972年Cal-houn提出的梯度比試驗，其被美國陸軍工程師團(tuán)（1977年）采納并修訂為梯度比準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則以GR值進(jìn)行判斷，GR為淤堵試驗中土工織物至其上方25mm土樣的水力梯度與織物上方25～75 mm間的水力梯度的比值。若GR≥3則表明土工織物內(nèi)產(chǎn)生了不允許的淤堵，否則系統(tǒng)滲透能力滿足要求。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 土-無紡織物系統(tǒng)滲透系數(shù)變化

在不同水力梯度下土一無紡織物系統(tǒng)滲透系數(shù)隨時間的變化情況見圖3。當(dāng)水力梯度i=4時，2#試樣（指土-2#無紡織物系統(tǒng)，其余類推）滲透系數(shù)慢慢增大，4#試樣滲透系數(shù)減小，但減小幅度不大，原因是土體在滲透水流和壓重作用下細(xì)土顆粒被逐漸帶動，并與相鄰級配土顆粒重新排列，使局部土層顆粒形成擠密效應(yīng)，導(dǎo)致整個試樣滲透系數(shù)隨時間逐漸減小，同時底部細(xì)顆粒在一定滲透力作用下進(jìn)入織物，部分細(xì)顆粒被截留在具有空間結(jié)構(gòu)的織物內(nèi)，也會造成試樣的滲透系數(shù)減小。1#、3#、5#試樣滲透系數(shù)處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明織物與土粒構(gòu)架在調(diào)整過程中逐漸形成自身反濾構(gòu)造，滲透系數(shù)隨之漸趨穩(wěn)定。工況1下滲透系數(shù)最大的是4#試樣，其次是2#試樣，總的來說5種織物系統(tǒng)的滲透系數(shù)都趨于穩(wěn)定；工況2下2#試樣滲透系數(shù)下降了77.99%，其他試樣滲透系數(shù)穩(wěn)定。工況1、工況2下1#，3#，5#試樣滲透系數(shù)隨著水力梯度的升高變化不大。工況不同對2#試樣滲透系數(shù)的影響比較大，說明水力梯度的升高方式對2#試樣滲透系數(shù)影響較大。

2.2 梯度比GR變化

不同水力梯度下梯度比GR隨時間的變化情況見圖4。

當(dāng)水力梯度i=4時，2#織物的GR先從0.055升高到1.190后又下降到0.800，最后趨于穩(wěn)定，說明在試驗前期2#織物防淤堵性能降低，20h后又增強(qiáng)；其他4種織物GR均緩慢下降，并趨于穩(wěn)定，都滿足淤堵準(zhǔn)則，不發(fā)生淤堵。i=7時，4#織物GR最低為4.060，最高為5.450，認(rèn)為發(fā)生了嚴(yán)重的淤堵，原因是土顆粒進(jìn)人織物的孔隙結(jié)構(gòu)，使原有效孔徑減小，而無紡布的纖維排列無序性更易截留土顆粒；2#織物在試驗前期GR<3，但16h后，升高至4.5，發(fā)生淤堵；其他織物GR穩(wěn)定，不發(fā)生淤堵。i升高到11時，4#織物在4h后又發(fā)生淤堵，其他織物未淤堵，GR趨于穩(wěn)定。工況2下2#織物在6h后發(fā)生淤堵，其余織物正常。對于2#織物，水力梯度直接升高加速其發(fā)生淤堵。

2.3 織物含土量與漏土量變化

不同水力梯度下試樣含土量和漏土量見表3。漏土量反映的是土顆粒漏出織物的情況，與工況2相比，3#、4#試樣在工況1下漏土量多，1#、2#、5#試樣在工況1下漏土量少；2#試樣在工況2下織物背后留土量稍多，4#試樣在工況1下織物背后留土量最多，表現(xiàn)為圖4中出現(xiàn)淤堵，說明水力梯度的升高方式會影響試樣含土量和漏土量。

3 結(jié)論

通過對5種不同土工織物進(jìn)行不同水力梯度下的梯度比試驗研究，得出如下結(jié)論：

（1）i=4時，2#試樣滲透系數(shù)增大，4#試樣滲透系數(shù)減小；工況1下滲透系數(shù)最大的是4#試樣，其次是2#試樣；工況2下2#試樣滲透系數(shù)下降。水力梯度的升高方式對2#試樣滲透系數(shù)的影響較大。1#、3#、5#試樣滲透系數(shù)隨著水力梯度的升高而減小。

（2）工況1下4#試樣發(fā)生了嚴(yán)重的淤堵，2#試樣在16h后發(fā)生淤堵；工況2下2#試樣在6h后發(fā)生淤堵，其余試樣正常。試驗結(jié)果說明水力梯度直接升高加快了2#試樣發(fā)生淤堵。

（3）與工況2相比，3#，4#試樣在工況1下漏土量多，1#、2#、5#試樣在工況1下漏土量少；2#試樣在工況2下織物背后留土量稍多，4#試樣在工況1下織物背后留土量最多。試驗結(jié)果說明水力梯度的升高方式會影響試樣含土量和漏土量。

（4）1#、3#、5#試樣在兩種工況下防淤堵性能和系統(tǒng)滲透性能表現(xiàn)良好，可以用于實際工程。

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