研究土工织物的反滤机理

土工织物反滤功能的机理与粒状材料反滤层的机理不完全相同。在这里，我们先讨论织物反滤的机理，再比较与粒状反滤的异同。

按近年比较流行的说法，织物反滤的机理可以解释为一种“催化剂”（Calalyst）作用，其含义概述如下。

根据不少学者的研究，土工织物本身并不直接起过滤阻土作用，而是在靠近织物处诱发被保护土形成一层“内部天然滤层”，如图4.10所示。该“天然滤层”可起反滤保护作用。而织物的存在仅起到一种催化剂的作用（Koerner R M，2005）。Giroud并且认为，如果织物直接阻挡住被水流带动的土颗粒，那么很可能织物被淤堵，从而降低织物的透水性。可见，滤层只要起保护骨架的作用即可，而“保护全部土颗粒是没有必要的，而且某些情况下甚至是有害的”（Giroud J P 1996）。由此，我们可以对织物滤层的要求归结为一句话：土工织物反滤层应当长期地具有足够的透水性和一定的阻土性。

图4.10　土工织物相邻土体形成滤层

关于“天然反滤”层的形成过程，可以从土工织物与相邻土层的水头变化情况来说明，示于图4.11中。开始时织物没有被堵，织物的渗透性比土大得多，故土中的水力比降比织物的水力比降大得多。如果土层中较大的水力比降能将细颗粒带动，则细粒的流失将会从土与织物交界面向土内部发展，而被带动的细粒将进入织物而被阻滞下来（或者可能通过织物而排向下游），于是织物的渗透性会有所降低，相应地织物中的水力比降会有所增加，并导致相邻土层渗透比降的减小，同时渗透系数增大，当这个过程继续发生，相邻土层一定厚度内的水力比降减少到某一值i时，渗透力将不足以带动土粒，于是细粒流失现象将逐渐停止。这种流失停止的现象会在土—织物滤层系统的表面一定范围以外出现，而在该范围内的土层，则随着部分细粒的流失，逐渐形成一薄层由较粗颗粒组成的“拱架”，这种“拱架”阻挡了土粒的移动，表明它具有一定的过滤性能，该薄层可称为“内部天然滤层”。根据一组土—土工织物系统的渗滤试验实测，在渗流稳定后，土工织物上游一侧被保护砂土层中细粒的含量在土—土工织物界面的不同距离处是变化的，如表4.9所示。这充分说明了“内部天然滤层”的存在（陆士强等，1994）。

图4.11　反滤的土体骨架示意图(www.xing528.com)

注　图中B为形成“架桥”现象的颗粒，C为粗颗粒
（a）包裹在土骨架中的颗粒；（b）土—滤层界面附近土骨架的扰动；（c）适宜的滤层开孔孔径

表4.9　被保护砂层细粒含量的变化

“天然滤层”的存在还被国外某些研究者观测到。南非的Legge K R在运用了13年的Vondo坝（28m高）中取回的土工织物表明，该织物为连续长丝无纺针刺织物，单位重340g/m2，它已适当地起了滤层的作用。在界面处发现，土已发展了一道“天然反滤层”，厚度超过2mm（Kegge K R，1994）。加拿大的Mynnarek J（1994）等对用于农业地下排水中的土工织物，在运用15年后取出，并对土—土工织物分界面观测确认，土与土工织物最近的接触带显示出许多较大的孔隙。细土从土—织物滤层的界面流出，该界面的厚度估计大约为2～4mm，而在远离排水管的土壤中没有发现大孔隙的存在。对土—土工织物界面的显微镜鉴定表明，在界面的区域，发现了土粒团块形成的“土拱”及大孔隙的存在，这就是“天然滤层”的结构。在所有粉砂壤土中，土工织物都没有被严重淤塞，并且排水管也没有矿物沉积物沉淀。

上面简单地介绍了织物反滤的“天然滤层”机理，以及试验和现场观测到的现象。可以看出，这个机理与粒状滤层的直接阻挡作用机理有所不同（图4.12）。但是笔者以为，不应把“天然滤层”绝对化。在织物反滤层中，织物孔径的阻挡作用也还是存在的，尤其在初期运用阶段。问题很清楚，正是因为有对土粒的阻挡效应，使织物的孔眼允许一部分细粒流失，并挡住较大土粒不被移动，这样，才能有“天然滤层”的形成。否则，“天然滤层”也无从谈起。因此，在织物滤层中，“阻挡作用”与“催化剂”作用应当同时存在，不可能单一地起作用。只有在这种情况下，粒状反滤准则才可以有条件地延伸到织物滤层中应用。

图4.12　砂砾料反滤层与土工织物反滤层对比示意图

应当说明，上述过程主要是对砂性土或粉质土而言的。对于这种土，细粒的移动主要克服颗粒间的摩擦力就行了，而黏性土则因黏聚力的存在，颗粒的移动要困难得多，也就是说，黏性土的渗透稳定性要比砂性土的好得多。可见黏性土—织物反滤系统的作用机理比上面叙述的无黏性土要复杂，在土与滤层的交界处，可能不仅包含“天然滤层”，还有淤塞（blocking）、拱效应（arcking）、局部淤堵（partial clogging）和深层过滤（depth filtration）等淤堵现象存在，这些现象如何相互作用，何种现象为主等，尚不清楚，但必然与土类、土工织物类型和水流形式等有关（Koerner，2005）。