土工織物/鋁尾礦赤泥系統(tǒng)淤堵特性試驗(yàn)

程 醒 吳海民 易有元 田振宇 毛文龍

（1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.南京瑞特威環(huán)境科技研究院有限公司，江蘇 南京 211100）

中國(guó)是世界第四大氧化鋁生產(chǎn)國(guó)，而赤泥是鋁工業(yè)的廢渣，是一種粘粒含量高、含水量高、堿度強(qiáng)的尾礦，每生產(chǎn)1 t氧化鋁，就會(huì)產(chǎn)生1～2 t赤泥，截至2017年，我國(guó)赤泥累計(jì)排放量已超過5億t［1］。目前我國(guó)關(guān)于赤泥的處理一般以泥漿的形式排入尾礦庫(kù)中，為加速赤泥排水固結(jié)，確保尾礦庫(kù)的穩(wěn)定運(yùn)行以及提高庫(kù)容利用率，一般需要在尾礦庫(kù)中布置排水反濾層。

土工織物是一種高孔隙率、小孔徑的材料，相比較于傳統(tǒng)的反濾材料，土工織物具有滲透性好、施工方便、易運(yùn)輸、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，因此常用作尾礦壩的排水反濾層。但對(duì)于顆粒細(xì)且粘粒含量高的尾礦，土工織物排水反濾層極易淤堵，對(duì)此國(guó)內(nèi)外學(xué)者做過大量相關(guān)的研究。Gabr等［2］運(yùn)用長(zhǎng)期滲透試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)研究了無紡?fù)凉た椢?粉煤灰系統(tǒng)的排水反濾特性，試驗(yàn)結(jié)果表明無紡?fù)凉た椢锞哂辛己玫呐潘礊V性能；周蓉等［3，4］運(yùn)用滲透試驗(yàn)研究了土工織物/粉煤灰系統(tǒng)的淤堵特性，對(duì)土工織物淤堵程度的量化方法進(jìn)行了探討；束一鳴等［5］運(yùn)用梯度比試驗(yàn)對(duì)土工織物/粉土系統(tǒng)的淤堵特性進(jìn)行了研究，指出只要土工織物選用合適，在較大水力坡降下也不會(huì)發(fā)生淤堵；張寶森等［6］運(yùn)用高水壓力下的常規(guī)排水反濾試驗(yàn)、“泥漿”試驗(yàn)和“窄縫隙”試驗(yàn)對(duì)土工織物的淤堵特性進(jìn)行了探討；Aydilek等［7］運(yùn)用梯度比試驗(yàn)和有壓滲透試驗(yàn)對(duì)無紡?fù)凉た椢锏挠俣绿匦赃M(jìn)行了研究，結(jié)果表明土體中的有機(jī)質(zhì)含量、濾餅結(jié)構(gòu)以及土工織物的導(dǎo)水率會(huì)影響土工織物的淤堵特性；Gastaud等［8］運(yùn)用有壓滲透試驗(yàn)對(duì)無紡?fù)凉た椢?油性砂尾礦系統(tǒng)的排水反濾特性進(jìn)行了研究，并提出隨著排水反濾的進(jìn)行，在土工織物表面會(huì)形成濾餅，起反濾作用，而土工織物僅作為濾餅的支撐結(jié)構(gòu)；Veylon等［9］對(duì)作為排水反濾系統(tǒng)18 a后的土工織物進(jìn)行了淤堵特性研究，指出無紡?fù)凉た椢锎嬖诘娜N淤堵模式；吳思麟等［10］運(yùn)用真空抽濾試驗(yàn)探討了無紡?fù)凉た椢镝槍?duì)淤泥排水時(shí)的淤堵機(jī)理；Dolez等［11］運(yùn)用有壓滲透試驗(yàn)對(duì)無紡?fù)凉た椢?油性砂尾礦系統(tǒng)的排水反濾特性進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明濾餅的形成雖然導(dǎo)致土工織物與尾礦系統(tǒng)的導(dǎo)水率遠(yuǎn)小于土工織物的導(dǎo)水率，但并沒有造成土工織物的淤堵。

上述國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究表明，雖然眾多研究者對(duì)不同土工織物與不同土體系統(tǒng)的淤堵特性進(jìn)行了一系列的研究和探討，但有關(guān)土工織物用于赤泥排水反濾時(shí)，其淤堵特性方面的研究尚不多見。針對(duì)某種粒徑的赤泥進(jìn)行排水反濾時(shí)，土工織物如何選型沒有明確的依據(jù)，排水反濾過程中是否會(huì)發(fā)生淤堵仍無法直接判斷。

因此本項(xiàng)目采用改進(jìn)梯度比試驗(yàn)方法進(jìn)行土工織物/赤泥系統(tǒng)的淤堵特性試驗(yàn)研究。針對(duì)土工織物/赤泥系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果，分析了不同水力坡降下土工織物/赤泥系統(tǒng)的梯度比（Gradient Ratio，簡(jiǎn)稱GR）和滲透系數(shù)的變化規(guī)律及淤堵發(fā)展趨勢(shì)，并從赤泥顆粒在滲透作用下的遷移和級(jí)配變化規(guī)律等角度對(duì)排水反濾機(jī)理進(jìn)行分析和探討。

1 試驗(yàn)裝置、材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本項(xiàng)目所采用的淤堵試驗(yàn)裝置如圖1所示，滲透室為一內(nèi)徑為150 mm的透明有機(jī)玻璃圓筒，在距土工織物試樣上表面的25 mm、75 mm、125 mm以及下表面的25 mm處分別設(shè)有測(cè)壓端口，測(cè)壓端口通過軟管與測(cè)壓管相連，用來測(cè)試該位置上的孔隙水壓力。土工織物布置在鐵絲網(wǎng)上，鐵絲網(wǎng)有足夠的開口孔徑能使水或赤泥顆粒流出。上下游水箱高度可自由調(diào)節(jié)，能夠得到試驗(yàn)要求的水力坡降。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所采用的赤泥取自廣西某鋁尾礦庫(kù)，赤泥的粒徑分布曲線如圖2所示。赤泥的基本物理性質(zhì)指標(biāo)為：土顆粒比重Gs為2.71 g/m3，粘粒含量為63%，粉粒含量為37%，特征粒徑d85為17.9 μm。

試驗(yàn)共采用了4種典型土工織物，編號(hào)分別為N-1、N-2、N-3和N-W。其中N-1、N-2和N-3分別為國(guó)產(chǎn)單位面積質(zhì)量400 g/m2短纖、400 g/m2長(zhǎng)絲和600 g/m2長(zhǎng)絲無紡?fù)凉た椢?，N-W為國(guó)外某公司生產(chǎn)單位面積質(zhì)量為480 g/m2長(zhǎng)絲的無紡/有紡復(fù)合土工織物，4種土工織物的物理特性指標(biāo)如表1所示。

1.3 試驗(yàn)方法

如果參考目前相關(guān)測(cè)試規(guī)程中的淤堵試驗(yàn)方法，需要將土體烘干、碾碎，然后按照一定密實(shí)度壓實(shí)并浸水飽和后進(jìn)行梯度比試驗(yàn)［12］。但該方法無法反映現(xiàn)場(chǎng)赤泥的沉淀及固結(jié)過程，故采用改進(jìn)梯度比試驗(yàn)方法進(jìn)行淤堵特性試驗(yàn)。試驗(yàn)中赤泥將以泥漿的形式充填至滲透室中，初始含固率采用與實(shí)際赤泥庫(kù)排放濃度較接近的30%。裝樣高度根據(jù)赤泥的沉降規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)，使其最終赤泥的高度為10 cm。待赤泥完全沉淀后，依次進(jìn)行水力坡降為1、2.5、5、7.5和10的改進(jìn)梯度比試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中每隔一段時(shí)間記錄各測(cè)壓管的讀數(shù)、滲流量和水箱中水的溫度，通過計(jì)算得到土工織物/赤泥系統(tǒng)的梯度比和20℃下滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線。試驗(yàn)結(jié)束后，采用激光粒度儀對(duì)滲透室內(nèi)不同高度上的赤泥顆粒以及滲漏顆粒進(jìn)行粒徑測(cè)試，得到滲透作用下赤泥顆粒遷移及級(jí)配變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 土工織物的淤堵特性

2.1.1 土工織物淤堵判別方法

試驗(yàn)通過測(cè)量不同水力坡降下各測(cè)壓管水位隨時(shí)間變化的過程，可計(jì)算得到對(duì)應(yīng)時(shí)間的梯度比（GR）?，F(xiàn)有相關(guān)研究表明，土工織物用于高含粘量土體排水反濾時(shí)，采用梯度比來判斷其淤堵趨勢(shì)，結(jié)果不一定準(zhǔn)確［7，12，13］。故本項(xiàng)目除了測(cè)試不同土工織物/赤泥系統(tǒng)的GR值外，還測(cè)試系統(tǒng)滲透系數(shù)隨水力坡降及時(shí)間的變化規(guī)律，通過二者的測(cè)試結(jié)果綜合判斷土工織物的淤堵趨勢(shì)。此外，在對(duì)試驗(yàn)前、后滲透室內(nèi)不同部位赤泥顆粒級(jí)配變化進(jìn)行測(cè)試，通過顆粒遷移和級(jí)配變化規(guī)律來分析土工織物/赤泥系統(tǒng)的排水反濾機(jī)理。

2.1.2 梯度比變化規(guī)律

圖3～圖6為不同水力坡降下4種土工織物/赤泥系統(tǒng)測(cè)得GR隨時(shí)間變化曲線。由圖可知，GR在試驗(yàn)前期均不太穩(wěn)定，這是因?yàn)榍捌诔嗄辔赐耆探Y(jié)，在滲透作用下部分顆粒的遷移使得土體結(jié)構(gòu)和滲透性出現(xiàn)變化；隨著土工織物排水反濾作用的持續(xù)，GR會(huì)逐漸穩(wěn)定。由圖3和圖6可知，土工織物N-1和NW在較小的水力坡降下（i=1和2.5）最終穩(wěn)定時(shí)的GR分別為0.98、1.28、1.58和2.83，均小于臨界值3；在較大的水力坡降下（i=5、7.5和10）最終穩(wěn)定時(shí)的GR均大于臨界值3。由圖4和圖5可知，土工織物N-2和N-3在水力坡降i=1、2.5、5和7.5下最終穩(wěn)定時(shí)的GR均小于臨界值3，而在i=10下最終穩(wěn)定時(shí)的GR分別為3.75和3.78大于臨界值3。

按照傳統(tǒng)的淤堵判斷標(biāo)準(zhǔn)，在較大的水力坡降下，最終穩(wěn)定時(shí)的GR大于臨界值3，土工織物發(fā)生了淤堵。但由于赤泥顆粒較細(xì)，在較大滲透作用下，細(xì)顆粒不斷向下遷移，在土工織物上表面可能會(huì)形成一層較為密實(shí)且滲透系數(shù)較低的濾餅，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)得的GR值較大，但系統(tǒng)仍可能保持較好的滲透性。故需要進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)的滲透性能進(jìn)行測(cè)試分析。

2.1.3 滲透性變化規(guī)律

4種土工織物/赤泥系統(tǒng)20℃滲透系數(shù)（k20）隨時(shí)間變化曲線如圖7～圖10所示。由圖可知，各組試驗(yàn)測(cè)得k20在前期均呈下降趨勢(shì)，但隨著排水反濾的進(jìn)行，土工織物/赤泥系統(tǒng)最終均能達(dá)到穩(wěn)定的滲流狀態(tài)，即k20達(dá)到穩(wěn)定值，最終穩(wěn)定值分別為2.7×10-6、2.1×10-6、3.0×10-6和 9.13×10-6cm/s。但在不同條件下，滲流達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間差異較大，N-1和N-3對(duì)應(yīng)滲透系數(shù)穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，N-2和N-W對(duì)應(yīng)滲透系數(shù)穩(wěn)定時(shí)間較短，這與土工織物類型、孔徑大小及孔隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。4種土工織物/赤泥系統(tǒng)的滲透系數(shù)雖然均降低，但最終均穩(wěn)定在2.0×10-6cm/s以上，說明土工織物并未完全淤堵。

2.1.4 梯度比和滲透性隨水力坡降變化規(guī)律

4種土工織物/赤泥系統(tǒng)的GR和k20隨水力坡降i變化曲線分別如圖11和12所示。由圖11可知，4種土工織物/赤泥系統(tǒng)的GR均隨著水力坡降i的增大而增大，且在i較大時(shí)GR大于臨界值3。

由圖12可知，3種無紡?fù)凉た椢?赤泥系統(tǒng)的k20隨著水力坡降i的增大會(huì)略微的降低（從（4.0～5.4）×10-6cm/s降低至（2.1～3.0）×10-6cm/s），沒有量級(jí)的變化。這是由于在較大的水力坡降下，赤泥會(huì)變得更加密實(shí)，自身的滲透系數(shù)將會(huì)降低，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的滲透系數(shù)變小。而土工織物N-W/赤泥系統(tǒng)的k20隨著i的增大而增大，從3.37×10-6cm/s增大至9.13×10-6cm/s。這表明了該復(fù)合土工織物N-W/赤泥系統(tǒng)能保持良好的滲透性。這可能是因?yàn)橥凉た椢颪-W特殊的孔隙結(jié)構(gòu)，能夠影響赤泥顆粒分布，在其表面能夠形成良好的濾層，實(shí)現(xiàn)保土性和滲透性平衡。

4種土工織物/赤泥系統(tǒng)在水力坡降較大時(shí)，測(cè)得的GR均大于臨界值3，但系統(tǒng)的滲透性均良好，說明對(duì)于以黏粒為主的赤泥，傳統(tǒng)的GR判別方法并不能準(zhǔn)確判斷土工織物/赤泥系統(tǒng)的淤堵特性，需要結(jié)合系統(tǒng)的滲透系數(shù)變化情況來綜合判斷。

2.2 排水反濾機(jī)理分析

試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)得土工織物N-1、N-2和N-3對(duì)應(yīng)滲透室內(nèi)不同高度處赤泥顆粒級(jí)配分布曲線分別如圖13～圖15所示。由圖可知，對(duì)于3種厚度、纖維類型及孔徑大小均不同的無紡?fù)凉た椢?，距離織物表面不同高度處赤泥顆粒粒徑的分布也具有較大差異。

對(duì)于土工織物N-1，表面附近細(xì)顆粒含量較高，粒徑在0～1 μm的顆粒含量高達(dá)87%，而織物表面以上2.5～10 cm處的赤泥粒徑差異并不大。這說明在排水反濾過程中，細(xì)顆粒會(huì)不斷向下遷移并被保留在土工織物的上表面，從而導(dǎo)致土工織物上表面的赤泥較為密實(shí)，使得土工織物/赤泥系統(tǒng)的滲透系數(shù)變低。這可能是圖7中土工織物N-1/赤泥系統(tǒng)滲透系數(shù)降低較快的原因。對(duì)于土工織物N-2，不同高度處赤泥顆粒級(jí)配分布相差較大，有著明顯的分層現(xiàn)象，距離土工織物表面越遠(yuǎn)，顆粒越粗。對(duì)于土工織物N-3，其土工織物表面顆粒也較細(xì)，但沿高度分層不明顯，對(duì)于0 cm和5 cm處粒徑分布與其他高度處測(cè)點(diǎn)差異較大。由顆粒級(jí)配分布變化可知，不同類型土工織物在排水反濾過程中，赤泥顆粒遷移規(guī)律也具有較大差別，最終影響系統(tǒng)的滲透性。

試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)得復(fù)合土工織物N-W對(duì)應(yīng)滲透室內(nèi)不同高度處顆粒級(jí)配分布曲線如圖16所示。由圖可知，赤泥顆粒在高度方向上的分層現(xiàn)象十分明顯，越靠近土工織物的赤泥顆粒細(xì)顆粒含量較高，而遠(yuǎn)離土工織物的赤泥顆粒細(xì)顆粒含量低。

本試驗(yàn)采用4種土工織物的等效孔徑O95均遠(yuǎn)大于赤泥顆粒的d85，但試驗(yàn)中觀測(cè)穿過土工織物的滲漏土顆粒并不是很多，這說明土工織物表面形成了濾餅，阻止了大量細(xì)顆粒的流失。對(duì)各組試驗(yàn)結(jié)束后滲漏的赤泥顆粒進(jìn)行收集并測(cè)試其粒徑分布，結(jié)果如圖17所示。由圖可知，對(duì)于3種長(zhǎng)絲纖維織物N-2、N-3和N-W，等效孔徑最大的N-3滲漏的顆粒最粗，等效孔徑最小的復(fù)合土工織物N-W滲漏了較多的細(xì)顆粒；而短纖織物N-1雖然等效孔徑比長(zhǎng)絲織物N-2和N-W大，但滲漏顆粒卻更細(xì)，這說明織物纖維類型也是影響其保土性的主要因素。

通過以上土工織物/赤泥系統(tǒng)在排水反濾過程中顆粒遷移及粒徑變化規(guī)律的分析可知，使用土工織物進(jìn)行排水反濾成功的關(guān)鍵是織物表面濾餅結(jié)構(gòu)的形成，濾餅雖然會(huì)降低系統(tǒng)的滲透性，但卻有著較強(qiáng)的保土能力，實(shí)現(xiàn)持續(xù)的排水和保土功能。

3 結(jié) 論

通過改進(jìn)梯度比試驗(yàn)研究了不同土工織物/赤泥系統(tǒng)在不同水力坡降下的淤堵特性，并分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到如下結(jié)論：

（1）4種土工織物/赤泥系統(tǒng)在較低水力坡降下測(cè)得的大部分梯度比GR小于臨界值3，隨著水力坡降i的增大，GR均呈增大的趨勢(shì)；在較大水力坡降下，GR超過了臨界值。

（2）3種無紡?fù)凉た椢?赤泥系統(tǒng)的滲透性隨著水力坡降的增大呈略微降低，但其滲透系數(shù)均穩(wěn)定在2.0×10-6cm/s以上；而復(fù)合土工織物/赤泥系統(tǒng)的滲透性隨水力坡降的增加而增大，最終滲透系數(shù)達(dá)9.13×10-6cm/s，保持良好的滲透性。

（3）3種土工織物/赤泥系統(tǒng)在水力坡降較大時(shí)，測(cè)得的GR均大于臨界值3，但系統(tǒng)的滲透性均良好。說明對(duì)于以粘粒為主的赤泥，傳統(tǒng)的GR判別方法并不能準(zhǔn)確反映土工織物/赤泥系統(tǒng)的淤堵特性，需要結(jié)合系統(tǒng)的滲透系數(shù)變化情況來綜合判斷。

（4）經(jīng)過排水反濾作用后，滲透室內(nèi)赤泥顆粒發(fā)生明顯遷移，顆粒分布呈分層現(xiàn)象。距離土工織物表面越近，赤泥顆粒越細(xì)。4種土工織物的等效孔徑O95均遠(yuǎn)大于赤泥顆粒的d85，但土工織物的滲漏赤泥顆粒并不是很多，這說明土工織物表面形成了濾餅，阻止了大量細(xì)顆粒的流失。

（5）使用土工織物進(jìn)行高粘粒含量赤泥排水反濾成功的關(guān)鍵是土工織物表面濾餅結(jié)構(gòu)的形成，濾餅雖然會(huì)降低系統(tǒng)的滲透性，但卻有著較強(qiáng)的保土能力，可實(shí)現(xiàn)持續(xù)的排水和保土功能。