1浙江海港洋山投资开发有限公司；2浙江广川工程咨询有限公司
摘要：在总体水力梯度为5.0的情况下，通过梯度比试验研究了小洋山围垦工程中使用的塑料排水板的滤膜的淤堵特性，并分析了滤膜的结构形式、滤膜的孔径与滤膜淤堵的相关关系。将现有研究成果与本文试验结果进行对比分析，发现影响滤膜淤堵的因素主要有滤膜的结构形式、滤膜的孔径、淤泥颗粒的级配，且三者在影响滤膜淤堵方面没有特定相关关系，具体的工程还需要进行必要的试验分析。
关键词：梯度比试验；塑料排水板滤膜；淤堵
0 前 言
近20年来，塑料排水板已被广泛应用于处理软土地基工程中，并取得了良好的经济效益，但是塑料排水板在使用过程中经常会出现淤堵，降低了透水能力，使地基处理的实际效果与预期有较大差距[1]。排水板淤堵的主要形式有两种，一种是土颗粒在芯板排水通道中堵塞，另一种是土颗粒在滤膜表面或内部堵塞[2]。滤膜淤堵从其产生的机理来看，机械淤堵为主要原因，机械淤堵是指水流带动的细粒土在过滤体（土工织物与相邻土层）中沉积下来，严重地降低了过滤体的透水能力[3]。从目前国内外的研究成果来看，影响排水板滤膜淤堵的因素主要有：排水板的弯曲程度，淤泥的颗粒级配及粘粒含量[4]，滤膜外淤泥的渗透系数，滤膜的规格[5]，反滤层支撑材料的形式[6]，加载方式[7]，水力梯度[8]等。
国内外在塑料排水板淤堵方面的研究成果众多，在施工过程中也积累了丰富的工程经验。但是不同厂家提供的塑料排水板在性能参数方面存在着一定差异，且不同工程区域的外界影响因素也有所不同，这就导致现有的研究成果对具体的工程不具有普遍的适用性。本文对小洋山围垦一期工程中使用的塑料排水板的滤膜进行淤堵试验，并与现有研究成果进行对比分析，希望为今后工程中排水板的选型及地基处理提供参考依据。
1试验概况
1.1试验原理
排水板滤膜的淤堵试验依据我国土工合成材料测试规程[9]，并借鉴美国材料试验协会（ASTM）试验标准和规定进行[10]。采用梯度比试验，根据试验结果判断滤膜在反滤土体时的淤堵情况，评价其淤堵特性。
梯度比试验中对梯度比概念的定义为：
（1）
根据梯度比GR的计算公式：
GR = isf / is=（△hsf /Lsf）/（△hs / Ls）=（Ls•△hsf）/（Lsf•△hs）（2）
式中：土体与土工织物构成的反滤体系沿水流方向的水头下降值△hsf 为测压管4#与测压管6#的水位差；土工织物与土体构成的反滤体系的渗径，即反滤体系的土样（25mm）与土工织物（0.5mm）的高度之和Lsf为25.5mm；被保护土体的沿水流方向的水头下降值△hs为测压管2#与测压管4#的水位差；被保护土体的渗径，即被保护土体的高度Ls为50mm。
通过梯度比公式可知，如果梯度比越大，表明土体与土工织物构成的反滤体系沿水流方向的水头下降值相对于被保护土体沿水流方向的水头下降值越大，即土体与土工织物构成的反滤体系淤堵越严重。
依据相关技术标准，同时便于与现有技术成果进行对照分析，本试验中总体水力梯度i取5.0，分别对不同的土工织物进行试验。
1.2 试验材料
试验用的排水板与小洋山围垦一期工程现场施工所使用的排水板相同，分别来自A公司生产的排水板和B公司生产的排水板，其滤膜以下分别简称为“A板滤膜”和“B板滤膜”。
两种排水板滤膜的相关性能指标如下表：
表1-1 两种滤膜主要特性指标
A板滤膜结构形式由井字格状的突出部分和下凹部分组成，B板滤膜表面平整。结构形式如图1、图2所示。
图1 A板滤膜 图2 B板滤膜
试验中所用土样取自于小洋山围垦一期工程现场，具体物理力学性质指标见表1-2。土样采用煮沸后冷却至室温的无气水进行均匀搅拌后使用。
表1-2 试验用土物理力学性质指标
2 试验结果分析
在总体水力梯度i=5.0的情况下，对A板滤膜和B板滤膜分别进行连续的梯度比试验，直至滤膜与土体之间的反滤体系处于稳定渗流状态，结束试验。根据试验测得的时间和各测压管读数，利用公式（2）计算梯度比GR，并绘制梯度比-时间变化曲线，见图3。
图3 两种滤膜的梯度比-时间变化曲线
从梯度比试验结果图3中可以看出，A板滤膜的梯度比在试验初期快速增大，在72h时出现了一个较低值，后继续增长，在336h时出现最大值11.4，随后迅速下降，456h后基本趋于稳定，稳定时的梯度比为9.6。B板滤膜的梯度比在试验初期增加速度较A板滤膜缓慢，96h后达到最大值8.5，随后出现较小幅度降低，168h后基本趋于稳定，稳定时的梯度比为7.4。
渗流稳定时A板滤膜和B板滤膜的梯度均大于规范所规定的临界梯度比3.0[9]，表明两种滤膜均存在较严重的淤堵。A板滤膜的梯度比大于B板滤膜，对于所测试的淤泥来讲，A板滤膜的淤堵程度大于B板滤膜。
由于试验所使用的淤泥为高含水率、高孔隙比的饱和淤泥，同时粘粒含量高，渗透性差，所以试验中两种滤膜均出现不同程度的淤堵现象。试验时其他条件相同，出现上述的淤堵现象主要是由于滤膜不同所引起的。
根据两种滤膜的相关测试指标，A板滤膜和B板滤膜厚度相当，A板滤膜的单位面积质量小于B板滤膜，渗透系数和等效孔径大于B板滤膜。理论上A板滤膜的渗透性应大于B板滤膜，但实际上A板滤膜出现了明显的淤堵。说明出现淤堵与滤膜的渗透系数和等效孔径无关。
因此，上述测试结果的差异可能归因于滤膜的结构形式。通过分析A板滤膜的结构特征，从图1可以看出，其表面凸凹不平，凹处结构致密，孔径更小，透水性更差，细小的淤泥颗粒容易聚集在此位置，造成滤膜淤堵。而B板滤膜（图2）纤维结构相对疏松，在反滤过程中，细小颗粒容易通过，相对不宜严重淤堵。虽然A板滤膜的相对孔径大于B板滤膜，但是其孔径分布不均匀，这样的结构形式导致了A板滤膜出现了明显的淤堵。
3与现有研究成果对比分析
乐超等[8]也采用了与本文近似的试验方法和试验装置进行了排水板滤膜的淤堵试验研究，他所使用的淤泥为太湖淤泥，使用的排水板滤膜分别为新型PVD滤膜和普通PVD滤膜，以下分别简称为“C板滤膜”和“D板滤膜”，两种滤膜的特性指标如表3-1所示。其中C板滤膜的结构形式与B板滤膜相似，D板滤膜的结构形式与A板滤膜相似。
表3-1 乐超等使用的两种滤膜主要特性指标
下面将乐超等在总体水力梯度i=5.0的情况下的试验结果与本文试验结果进行整理汇总，并绘制梯度比-时间变化曲线（见图4），其中蓝色曲线为乐超的试验结果。
图4 四种滤膜的梯度比-时间变化曲线
通过图4可以看出，C板滤膜经过了265.3h后梯度比仍然以较高速率递增，无稳定趋势，最终测得数据为21.1，淤堵极其严重。D板滤膜梯度比初期增长速率较快，35h后达到峰值3.9，后逐渐下降并趋于稳定，稳定时梯度比为2.9，可以认为该滤膜没有发生淤堵。在总体水力梯度i=5.0的情况下，C板滤膜的防淤堵性能远大于D板滤膜。
在i=5.0的情况下，四种滤膜渗透稳定时的梯度比如下表3-2所示。
表3-2 四种滤膜的梯度比
通过对比A板滤膜和C板滤膜可以发现，两种滤膜的等效孔径基本相同，但是两者的结构形式不相同。在i=5.0的情况下，C板滤膜出现了严重的淤堵，其主要原因是：（1）两种滤膜材料和其结构形式不相同，导致对淤泥颗粒反滤效果不同；（2）试验用的淤泥不同，两种淤泥在颗粒级配上存在一定的差异。
对比A板滤膜和D板滤膜可以看出，两者结构形式基本相同，而A板滤膜的孔径相对较大，但是A板滤膜却出现了淤堵，分析原因是，小洋山地区淤泥的颗粒级配与A板滤膜孔径存在某种相关关系，导致在本文试验条件下刚好会出现淤堵。所以A板滤膜和D板滤膜淤堵程度不同，主要取决于颗粒级配与滤膜孔径的相对关系。
对比A板、B板滤膜和C板、D板滤膜的试验结果可以看出，D板滤膜的结构形式是凹凸型的，其防淤堵性能明显好于C板滤膜；A板滤膜也是凹凸型的，但是与B板滤膜相比却出现了更明显的淤堵。说明滤膜淤堵与否与滤膜的结构形式没有绝对的相关关系。
4 结论与建议
通过在特定水力梯度下的试验可以看出，影响滤膜淤堵的因素主要有滤膜的结构形式、滤膜的孔径、淤泥颗粒的级配等。三者在影响滤膜的淤堵方面存在着某种联系，没有固定的相关关系。通过试验结果的对比可以看出，目前现有的研究成果并不能完全适用于小洋山围垦工程，因为不同地区的淤泥颗粒级配是不相同的，不同厂家提供的排水板的滤膜的结构形式和滤膜的孔径也是不相同的，所以不能简单地套用现有的研究成果。
本文的研究成果主要针对总体水力梯度i=5.0的情况下做出的，不同的水力梯度对滤膜的淤堵影响也是不相同的[8]。特别是针对打设排水板后采用真空预压的方式处理软土地基的工程，正确水力梯度的选定对软土地基的处理是否能够达到预期效果起着决定的作用。
建议今后相关单位在使用塑料排水板处理软土地基时，先进行必要的室内试验，分析使用排水板的工程区域的淤泥特性和拟使用的排水板的相关性能，若要采用真空预压的处理方式，还需要进行连续递增水力梯度下的淤堵试验，以减少在实际工程中淤堵现象的发生。
参考文献：
[1]陈庚，洪秀敏，王波，等.真空预压载荷下塑料排水板滤膜淤堵试验研究[J].中国港湾建设，2016，36（1）：23-27.
[2]Balasubramaniam A S.Filtration criteria for prefabricated vertical drain geotextile filter jackets in soft Bangkok clay[J].1996.
[3]王宏伟.不同排水板滤膜在地基固结中的对比研究[D].天津大学，2009.
[4]李晋骅.真空预压加固南沙软土过程中排水板淤堵行为试验研究[D].华南理工大学，2015.
[5]Haegeman W，Impe W F V.Filtration performance testing of geotextiles for vacuum consolidation drains[J].Geosynthetics International，1999，6（1）：41-51.
[6]Wu C S，Hong Y S，Yan Y W，et al.Soil-nonwoven geotextile filtration behavior under contact with drainage materials[J].Geotextiles and Geomembranes，2006，24（1）：1-10.
[7]王亚坤.分级加荷下位抽真空处理吹填淤泥试验研究[D].南京：河海大学，2013.
[8]乐超，徐超，吴雪峰，等.两种塑料排水板滤膜淤堵特性试验研究[J].岩土力学，2014，35（9）：2529-2534.
[9]SL/T235-2012，土工合成材料测试规程.
[10]ASTM D.5101，Standard Test Method for Measuring the Soil–geotextile System Clogging Potential by the Gradient Ratio[J].Ann «a/Book of ASTM Standards，1996，4.
论文作者:陈培波1,姜永兴2
论文发表刊物:《基层建设》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/21
标签：滤膜论文; 梯度论文; 淤泥论文; 孔径论文; 排水板论文; 两种论文; 结构论文; 《基层建设》2017年第23期论文;