尾礦庫排滲系統(tǒng)反濾設(shè)計研究進展

閻志坤 鐘啟明,2 卞士海 梅世昂

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2.水利部土石壩破壞機理與防控技術(shù)重點實驗室，江蘇 南京 210029)

尾礦庫作為礦山的三大基礎(chǔ)工程之一，也是金屬非金屬礦山的重大危險源，在世界93種事故、公害的隱患中，尾礦庫事故名列第18位[1]。我國每年排放尾礦量超過10億t，有尾礦庫1.2萬余座，絕大部分為上游式筑壩法形成的尾礦庫，由于上游式筑壩法形成的尾礦庫存在子壩地基不均勻、排滲系統(tǒng)易淤堵、壩內(nèi)浸潤線高和壩坡地震動力穩(wěn)定性差等特點，加之于經(jīng)濟技術(shù)與管理原因，尾礦庫安全形勢嚴(yán)峻[2]。統(tǒng)計表明排水不良、浸潤面高是尾礦壩事故主要原因之一[3]，因此滲流浸潤面的控制對尾礦庫安全至關(guān)重要。目前主要通過設(shè)置排滲系統(tǒng)降低尾礦庫滲流浸潤面，設(shè)置排滲系統(tǒng)可以減輕尾礦料的有效應(yīng)力下降引起抗剪強度降低和水力坡降增大導(dǎo)致滲透破壞的風(fēng)險。

經(jīng)過長期的探索，水平排滲管、空間聯(lián)合排滲、輻射井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)成為當(dāng)前典型的排滲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[4-7]。這類結(jié)構(gòu)主要采用水平輻射濾管深入尾礦庫中集取滲透水，并匯集到豎向積水井中，然后通過導(dǎo)水管自流排出。新筑尾礦壩可采用早期預(yù)埋排滲管，但這大部分都不能達(dá)到預(yù)期的效果[8]；對于已排放至一定高度的尾礦庫，利用鉆孔安裝排滲系統(tǒng)，施工較快，影響范圍廣，既經(jīng)濟也不易對堆積壩造成破壞。

排滲系統(tǒng)中水平濾管多采用開孔管，并在外部設(shè)置一層反濾層。開孔管可采用具有一定開孔率的UPVC花管、鋼管等[9]，也可以是一種PE材質(zhì)，槽孔結(jié)合的特制異性管(槽孔管)結(jié)構(gòu)[10-11]。反濾層材料主要有散粒體材料和土工織物，土工布反濾作用已得到廣泛驗證，在很多應(yīng)用中代替了傳統(tǒng)的散粒體反濾材料[12]。目前尾礦庫排滲系統(tǒng)中多采用土工織物作為反濾層，也有部分排滲系統(tǒng)采用鋼絲網(wǎng)結(jié)合散粒料構(gòu)成反濾層[11]?？紤]到施工工藝、土工布經(jīng)濟性、合適的散粒體材料難以獲取等多方面因素，土工織物仍然是尾礦庫排滲系統(tǒng)中最常用的反濾材料。采用土工織物反濾是有條件的，但是目前土工布選型尚不夠重視，國內(nèi)外使用不當(dāng)而造成的失效甚至失敗的事故時有出現(xiàn)[13]。同時尾礦庫中滲濾液特殊性、滲流條件、高應(yīng)力水平以及尾礦料特殊物理力學(xué)特性等因素也使得排滲系統(tǒng)反濾層工況極其復(fù)雜[14]。

土工布反濾層機理、試驗方法和設(shè)計準(zhǔn)則依然是一個難題，至今沒有成熟的設(shè)計方法[15]。筆者擬在查找和閱讀土工布反濾設(shè)計相關(guān)文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，綜述尾礦庫排滲系統(tǒng)反濾設(shè)計研究進展，包括尾礦料對反濾層的影響，土工布特征指標(biāo)與測量方法，土工布支撐結(jié)構(gòu)對反濾層的影響，現(xiàn)有的反濾準(zhǔn)則研究和試驗技術(shù)，以及當(dāng)前最關(guān)注的反濾層耐久性問題研究，為尾礦庫排滲系統(tǒng)反濾設(shè)計提供參考。

1 反濾層結(jié)構(gòu)

土工布反濾層區(qū)域包括被保護土、土工布、排水結(jié)構(gòu)。如圖1所示，排水結(jié)構(gòu)不同，其水流特性也不同。影響土工布反濾層性能的因素[16-17]分類為：幾何因素(土粒粒徑分布和形狀，土工布厚度和孔隙分布等)，物理因素(土內(nèi)摩擦角、比重、黏性、有效應(yīng)力、土工布密度和壓縮性等)，外部因素(液體黏度、水力梯度、流量、生物化學(xué)作用等)。按反濾層結(jié)構(gòu)組成可分類[13]：①被保護土的性質(zhì)和狀態(tài)；②土工織物的種類和特性；③水流特性；④下游排水結(jié)構(gòu)；⑤土工織物鋪設(shè)的施工質(zhì)量與土層的接觸面狀況。

圖1 反濾層結(jié)構(gòu)Fig.1 Filter structure

1.1 尾礦料對反濾性能的影響

1.1.1 被保護土特性對反濾性能影響

土工布在反濾層中主要起催化劑作用[18-19]，促使土工布上游被保護土體形成架空層和天然濾層，天然濾層起到反濾作用。因此，被保護土的屬性對反濾層特性有著重要影響。當(dāng)土顆粒粒徑與土工布孔徑相當(dāng)時最容易在土工布內(nèi)部堵塞。土的不均勻系數(shù)表征粒徑不均勻性，土工布特征孔徑OF與土特征粒徑DX之比應(yīng)隨不均勻系數(shù)Cμ增大而減小，且粒徑小于0.228OF的土顆粒不能形成架空層[20]。土顆粒形狀會影響土工布保土特性，電子顯微鏡掃描發(fā)現(xiàn)尾礦砂具有明顯的長短軸特征[21]，該特征造成尾礦砂總體上各向異性，但顆粒形狀的影響至今沒有明確定量結(jié)論[22]。

容易引起反濾層失效的被保護土具有一些總體特征。德國土力學(xué)及基礎(chǔ)工程學(xué)會將被保護土分為問題土和穩(wěn)定土[15]。問題土主要為粉粒含量多、顆粒細(xì)、黏聚力小的土，具備下列特征之一：①塑性指數(shù)小于15，或黏粒/粉粒含量比小于0.5；②粒徑介于0.02～0.1 m之間的土含量大于50%；③不均勻系數(shù)Cμ小于15并含有黏粒和粉粒。大量土工布反濾失效案例統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)土工布反濾層盡可能避免以下土類[23]：①粒徑單一的非黏性細(xì)粒土；②斷級配無黏性土；③分散性黏土?xí)S時間分散成單獨的細(xì)顆粒；④富含鐵離子的土。

Bhatia[24]研究認(rèn)為土的內(nèi)部不穩(wěn)定性造成土工布反濾層失效。土的內(nèi)部穩(wěn)定性[25]是指粗粒阻止細(xì)粒被水流挾帶流失的能力。對土的內(nèi)部穩(wěn)定性研究形成了很多判別準(zhǔn)則，Zhang[26]通過對131個土屬性數(shù)據(jù)集合典型判別準(zhǔn)則的分析驗證，提出了更適用的判別準(zhǔn)則，如圖2所示。

1.1.2 尾礦料統(tǒng)計屬性研究

尾礦料統(tǒng)計特征研究較少，但隨著選礦工藝的提升，尾礦料總體特征為粒徑較細(xì)、級配較差。青山林場尾礦庫不同位置、不同深度隨機采集的尾礦樣顆粒分級試驗發(fā)現(xiàn)，其界限粒徑D60變化范圍0.017～0.410 mm,中值為0.18 mm，不均勻系數(shù)Cμ變化范圍2.6～58.7，曲率系數(shù)Cc變化范圍0.82～7.94，以級配不良的尾細(xì)砂和尾粉砂為主。羊拉銅尾礦庫尾礦試樣顆粒分級試驗發(fā)現(xiàn)其中值D50變化范圍0.1～0.113 mm，粒徑大于0.074 mm的顆粒含量大于62%，不均勻系數(shù)Cμ變化范圍3.691～20.96，曲率系數(shù)Cc變化范圍1.794～7.478，為級配不良的尾細(xì)砂和尾粉砂[27]。王崇淦等[28]對某尾礦庫90個土樣分析表明存在類似結(jié)果。

圖2 土內(nèi)部穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則Fig.2 Internal stability criteria for soils under seepageF—粒徑小于d的顆粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；H—粒徑在d與4d之間的顆粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；Gr—顆粒分級曲線段級配部分最大粒徑與最小粒徑之比

幾種不同尾礦料物理力學(xué)特性對比發(fā)現(xiàn)[29]：①三軸試驗下不同尾礦料內(nèi)摩擦角31°～38°差異不大，但黏聚力值離散性較大；②尾礦砂主要為欠固結(jié)土，表現(xiàn)出中等或高壓縮性。尾礦砂沉積歷史較短，但區(qū)別于一般沉積砂土，尾礦庫存在自重固結(jié)、化學(xué)固結(jié)、淋濾固結(jié)等綜合作用?；瘜W(xué)固結(jié)是指尾礦庫獨特的化學(xué)環(huán)境和水化學(xué)場使得礦液中析出的金屬氫氧化物或絡(luò)合物在顆粒間沉積固化[30]，并非所有的尾礦庫都存在化學(xué)固結(jié)，其與尾礦類型及其工藝存在密切的聯(lián)系。尾礦庫存在多種固結(jié)作用，但不同固結(jié)作用的權(quán)重隨深度發(fā)生變化[31]，馬家田尾礦庫尾礦砂的沉積規(guī)律和物理力學(xué)性質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，化學(xué)固結(jié)主要作用在浸潤線上下一定范圍內(nèi)。

尾礦料物理力學(xué)特性也隨時間變化。栗西高堆尾礦庫的研究發(fā)現(xiàn)[32]，堆積壩體同一空間位置、同樣埋深下干容重指標(biāo)16 a增長約10%，且深部干容重指標(biāo)顯著高于淺部。淺層的滲透系數(shù)降低約6倍,深層的滲透系數(shù)降低約12倍。

總的來說，反濾層特性受被保護土多種物理力學(xué)特性影響，而尾礦料總體具有粒徑細(xì)、級配不良、化學(xué)固結(jié)形成特殊絡(luò)合物、欠固結(jié)、低強度等特點，屬于易造成土工布反濾層失效的一類土。尾礦料種類較多，尾礦料在庫區(qū)內(nèi)分布具有不均勻性，進一步研究確定尾礦料統(tǒng)計特征對反濾層設(shè)計具有較大參考價值。

1.2 土工布特性對反濾性能影響

土工布孔隙結(jié)構(gòu)對反濾性能有著顯著的影響，評價土工布反濾層性能必須有精確的孔隙分布[33]信息。無紡?fù)凉げ几飨虍愋钥紫督Y(jié)構(gòu)與級配良好的散粒體反濾層相似，較其他類型土工布具有更好的保土性能和廣泛的應(yīng)用[34]，因此，本研究提到的土工布主要指無紡?fù)凉げ肌?/p>

1.2.1 孔隙結(jié)構(gòu)定義

土工布孔隙結(jié)構(gòu)的描述存在多種定義，包括限制孔徑、開徑、反濾孔徑(FOS)等[35]。需要說明的是，筆者發(fā)現(xiàn)不同研究人員對同一孔隙結(jié)構(gòu)的命名可能不一致，本研究采用Giroud[35]對土工布孔隙結(jié)構(gòu)的定義。

3根及以上的土工布纖維可構(gòu)成1個收縮域，如圖3(a)所示，限制孔徑定義為能夠通過該收縮域的最大球形直徑。編織土工布具有規(guī)則的二維結(jié)構(gòu)，通常只有1個限制孔徑；無紡?fù)凉げ家蛑圃爝^程中的隨機性，限制孔徑存在1條分布曲線。

多個不同形狀、不同限制孔徑Ci的收縮域可構(gòu)成一條反濾通道，如圖3(b)所示，其中限制孔徑最小值min(Ci)定義為該反濾通道開徑，最小限制孔徑對應(yīng)的收縮域可能在反濾通道中的任意位置。單個土顆粒在水力作用下是否能夠穿過該反濾通道，取決于土顆粒粒徑d是否小于該反濾通道開徑。土工布有大量反濾通道，組成每個反濾通道的收縮域具有隨機性，因此反濾通道開徑是一條分布曲線。反濾通道開徑的最大值定義為反濾孔徑，作為該土工布1個特征參數(shù)。

如圖3(c)所示，反濾通道開徑最小值與限制孔徑最小值Cmin一致，但反濾通道開徑最大值(即FOS)與限制孔徑最大值Cmax并不一致，每個反濾通道的開徑介于Cmin和FOS之間。

圖3 土工布反濾通道與孔徑分布Fig.3 Filtration paths and pore distribution of geotextile

1.2.2 孔隙結(jié)構(gòu)測量與計算

土工布反濾通道開徑對反濾層控制土顆粒的管涌有著重要的作用[33-34]，若能精確測量反濾通道開徑分布，將有助于統(tǒng)一反濾設(shè)計準(zhǔn)則，并有助于土工布反濾特性研究。相關(guān)研究提出了多種孔徑分布測量方法：干篩法[36]、濕篩法、水動力法[37]、泡點法[38]、水銀壓入法、成像分析法[39]等。但不同測量方法的準(zhǔn)確性不同，測試結(jié)果往往具有較大的離散性，采用不同測試方法測量同一無紡?fù)凉げ极@得的孔徑分布如圖4所示[40]。

圖4 不同測試方法測得針刺無紡?fù)凉げ伎讖椒植糉ig.4 Pore-size distribution results of nonwovengeotextiles obtained from various methods ◆—干篩法；○—水動力法M；□—濕篩法M；△—泡點法；▲—水銀壓入法；◇—成像分析法；●—水動力法F；■—濕篩法F

干篩法存在多種問題[41-43]：①反濾排水過程包括流體，而測試在干燥的環(huán)境下進行；②標(biāo)準(zhǔn)砂嵌在土工布孔隙中；③較細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)砂在靜電作用下嵌在篩網(wǎng)中，未參與測試；④織物結(jié)構(gòu)微小變化無法體現(xiàn)于測量結(jié)果O95等。通過干篩法測量的孔徑稱為表觀孔徑(AOS)，由于干篩法測量過程易于操作，至今AOS仍是土工布最廣泛使用的特征參數(shù)[43]。

由于干篩法存在一定問題，相關(guān)研究關(guān)注采用其他測量方法替代干篩法，泡點法逐漸被認(rèn)為是最佳的測量方法[42]。水銀壓入法和成像分析法[33-34]耗時較長且需要較復(fù)雜、昂貴的設(shè)備，不適合普遍應(yīng)用。但編織土工布開徑相對較大，成像分析法比泡點法測量結(jié)果更準(zhǔn)確；而無紡?fù)凉げ伎讖捷^小，泡點法比成像分析法測量結(jié)果更準(zhǔn)確。水動力法操作相對簡單，但測量結(jié)果可靠性和重復(fù)性缺乏驗證[44]，而泡點法對比于其他測量方法，具有操作耗時短，測量結(jié)果準(zhǔn)確、可重復(fù)的優(yōu)勢。

除了用試驗方法測量土工布孔徑，相關(guān)研究提出孔徑計算公式[35]：

(1)

式中，OF為土工布反濾開孔徑；df為纖維厚度；tGT為土工布厚度；ξ為1個無量綱參數(shù)；n為土工布孔隙度，n=1-uGT/(ρftGT)，其中uGT為單位面積土工布質(zhì)量，ρf為土工布纖維密度。研究發(fā)現(xiàn)該公式計算結(jié)果與泡點法測量結(jié)果具有高度一致性，驗證了該公式計算無紡?fù)凉げ糉OS的可行性[31-34]。

1.2.3 土工布特征參數(shù)變化

上述土工布特征參數(shù)測量或計算時均未考慮其應(yīng)用環(huán)境，結(jié)合具體工況，土工布特征參數(shù)將發(fā)生一定變化，主要體現(xiàn)在以下兩方面：

(1)壓縮應(yīng)力改變土工布特征參數(shù)。土工布孔徑及孔隙度與土工布厚度都存在關(guān)聯(lián)性，而土工布厚度對壓縮應(yīng)力較為敏感。根據(jù)排滲系統(tǒng)設(shè)計高度以及尾礦料密度，一個中等高度的尾礦庫中，排滲系統(tǒng)所受應(yīng)力水平通常在1 MPa以上[14]，尾礦庫高應(yīng)力對土工布厚度的影響不容忽視。試驗測試發(fā)現(xiàn)0～2 MPa正壓縮應(yīng)力下，土工布厚度、孔隙度、滲透系數(shù)、導(dǎo)水率、孔徑等特征參數(shù)會發(fā)生顯著變化，保土能力隨應(yīng)力增大而增強[45]。

(2)土顆粒浸入土工布影響其特征參數(shù)。顆粒浸入水平λ定義為土工布孔隙內(nèi)土顆粒質(zhì)量與土工布纖維質(zhì)量之比[46-47]，土工布的顆粒浸入水平一般在0.2～15之間。試驗測試不同顆粒浸入水平下無紡?fù)凉げ嫉目讖阶兓l(fā)現(xiàn)，顆粒浸入水平對土工布特征孔徑影響顯著，應(yīng)用中宜采用折減系數(shù)修正孔徑大小[48]。

綜上，當(dāng)前反濾設(shè)計需要明確土工布孔徑分布，孔徑測量方法主要為間接法，測量方法眾多，但沒有結(jié)合具體工況，多種測量方法準(zhǔn)確性差異較大，不能完全表征土工布特征。限制孔徑概念、泡點法測量方法論證以及相關(guān)理論的研究，將有助于土工布特征參數(shù)的研究，進行更科學(xué)的反濾設(shè)計。

1.3 排水結(jié)構(gòu)對反濾性能影響

土工布下游墊層結(jié)構(gòu)對排滲系統(tǒng)反濾性能體現(xiàn)在以下兩方面：

(1)土工布與下游墊層結(jié)構(gòu)直接接觸降低了透水面積。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)不考慮下游墊層結(jié)構(gòu)影響將會低估土工布淤堵性能，下游墊層結(jié)構(gòu)開孔率越小，綜合滲透系數(shù)越低，淤堵潛能越大[49]。但綜合滲透系數(shù)與開孔率不成線性正比關(guān)系，當(dāng)UPVC排滲管開孔率增加到7%～15%時，綜合滲透系數(shù)幾乎不變[50]。

(2)負(fù)載應(yīng)力作用下，土工布在下游墊層材料孔隙間存在松弛和蠕變現(xiàn)象。針刺無紡?fù)凉げ嫉拇炭卓讖娇刂浦畲蠊苡款w粒直徑，研究發(fā)現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)力將增大無紡?fù)凉げ妓沙谖恢玫拇炭卓讖?，甚至造成土工布撕裂[51-52]。

下游墊層影響研究相對較少，假定的墊層形式主要為散粒體材料或預(yù)制開孔板。槽孔管作為新型墊層結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢是顯著增加了透水面積，但其對反濾層特性影響缺少研究。

2 反濾準(zhǔn)則與試驗研究

反濾設(shè)計主要解決土工布選型問題。部分研究通過反濾試驗或理論預(yù)測提出了反濾準(zhǔn)則，主張通過被保護土與土工布的反濾試驗驗證土工布選型的合理性[15]。

2.1 反濾準(zhǔn)則

參考太沙基散粒體反濾層反濾準(zhǔn)則，相關(guān)研究為土工布選型提出了很多反濾準(zhǔn)則。反濾準(zhǔn)則主要包括滲透性準(zhǔn)則和保土準(zhǔn)則，表1為反濾準(zhǔn)則統(tǒng)計匯總[15,42]。

使用上述反濾準(zhǔn)則存在兩個問題[40]：①部分反濾準(zhǔn)則使用非典型的土工布特征孔徑值(如O50、O15)，而這些特征孔徑缺少合適的測量方法；②反濾準(zhǔn)則通常為經(jīng)驗性的，且基于某種具體的特征孔徑測量方法，若反濾設(shè)計中采用其他的測量方法，因不同測量方法得到的特征孔徑不一致，可能會導(dǎo)致反濾設(shè)計失效。

表1 現(xiàn)有反濾準(zhǔn)則Table 1 Current filtration criteria

注：kg為土工布滲透系數(shù)，ks為土的滲透系數(shù)，Oe為土工布等效孔徑，Dw為濕篩法測定的土工布有效孔徑，N/A表示沒有合適公式。

圖5 土工布反濾設(shè)計指南Fig.5 Geotextile filter design guidelines

散粒體反濾層僅需建立保土準(zhǔn)則和滲透性準(zhǔn)則，但新的研究表明土工布反濾層還必須建立孔隙度準(zhǔn)則和厚度準(zhǔn)則[35]。建立孔隙度準(zhǔn)則，保證單位面積土工布反濾層有足量的開孔。編織布開孔面積需大于10%，無紡?fù)凉げ伎紫抖葢?yīng)大于55%；建立厚度準(zhǔn)則，保證反濾性能受土工布厚度影響較小。新定義的特征參數(shù)收縮域數(shù)目m可以反映相同F(xiàn)OS的土工布之間孔徑分布差異，厚度準(zhǔn)則要求土工布收縮域數(shù)目m大于25。該厚度準(zhǔn)則已被美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)采納，并提出了收縮域數(shù)目m的測量方法[54]。

2.2 試驗技術(shù)研究

基于滲流、固結(jié)和三軸試驗，研究產(chǎn)生了多種典型反濾試驗方法：梯度比試驗[55]、滲透系數(shù)比試驗[56]、長期滲流試驗，生物淤堵試驗[57]等，不同反濾試驗裝置中反濾層具有不同的滲流和邊界條件。大量土工布反濾層失效案例統(tǒng)計表明，極端應(yīng)用條件下，反濾設(shè)計應(yīng)采用上述反濾試驗驗證[23]。

梯度比試驗是判別土工布反濾層淤堵問題最常用的試驗，典型裝置如圖6所示。梯度比值GR定義為土工布及相鄰部分土整體的水力梯度isoil-GT與土中水力梯度isoil之比。GR值隨著土工布類型和土級配變化：若GR>1.0，即表明土與土工布系統(tǒng)存在淤堵；若GR>3.0，則濾層滲透性下降將超過一個數(shù)量級，難以滿足透水要求。

圖6 梯度比試驗裝置Fig.6 Gradient ratio test apparatus

改變裝置中測壓管與土工布之間土厚度L，可獲得不同梯度比值，典型厚度有[14,58]：GRL=3 mm、 GRL=8 mm和 GRL=25 mm(即GRASTM)。若淤堵對反濾層透水性的影響平攤到較厚的土層會使得梯度比值對淤堵不敏感[58]，尾礦料與土工布的梯度比試驗證實[14]，在復(fù)雜條件下用GRASTM不能充分評估土工布反濾特性，需要GRL=3 mm、GRL=8 mm或更精確的試驗結(jié)果輔助評估。

梯度比試驗也并非適用所有土，ASTM[55-56]推薦塑性指數(shù)PI<5的土使用梯度比試驗，塑性指數(shù)PI≥5的土用滲透系數(shù)比試驗。梯度比試驗裝置存在以下缺點[59]：①剛性側(cè)壁容易存在優(yōu)勢滲流通道；②不容易飽和；③無法控制應(yīng)力狀態(tài)；④滲流達(dá)到穩(wěn)定所需時間較長等。因此提出了柔性壁梯度比試驗裝置，多種其他改進型梯度比試驗也被用于淤堵研究。

3 反濾層耐久性研究

土工布反濾層耐久性指反濾層區(qū)域特性隨時間演變。土工布纖維易受尾礦庫內(nèi)特殊的物理化學(xué)反應(yīng)作用，即使土工布纖維特性未發(fā)生變化，土工布反濾和透水性能依然會隨時間改變[60]，使用數(shù)年的土工布反濾層幾乎都存在力學(xué)和水力性能的衰退[61]。部分學(xué)者將耐久性問題作為反濾準(zhǔn)則研究一部分，并提出建立淤堵準(zhǔn)則。但土工布用作其他功能時同樣存在耐久性需求，所以嚴(yán)格來說，耐久性不屬于反濾準(zhǔn)則研究范圍，但在反濾設(shè)計中應(yīng)充分考慮其影響[35]。影響土工布反濾層耐久性的主要機理為淤堵，誘因可能是物理、生物或者化學(xué)過程。

3.1 生物淤堵

生物淤堵需要特定的溫度、堿性、礦物、有機物濃度等條件，在滲濾液收集系統(tǒng)中研究較多。反濾排水系統(tǒng)中有機質(zhì)含量較低，生物淤堵主要形式為赭石。赭石是一種黃色膠狀物質(zhì)，富含有機物和鐵氧化物，常粘在排水系統(tǒng)表層，減小孔隙空間，降低透水能力。赭石形成過程及對土工布反濾層特性影響的研究較少[62]，相關(guān)試驗發(fā)現(xiàn)赭石膜易生成在土工布反濾層與空氣接觸面上，短時內(nèi)反濾層整體滲透性變化不大，但土工布滲透性將快速顯著降低，電鏡掃描結(jié)果表明滲透性降低主要來自赭石膜對土工布孔隙的淤堵。部分工程實踐中采用水封排滲管出口，減少土工布反濾層與空氣接觸，降低生物淤堵。

3.2 化學(xué)淤堵

傳統(tǒng)排水系統(tǒng)中很少發(fā)生化學(xué)淤堵，而在尾礦庫中較為常見，比如南非某尾礦庫排滲系統(tǒng)反濾層中沉積了大量鐵氧化物[14]、栗西尾礦壩排水體中化學(xué)淤堵現(xiàn)象[32]等。尾礦庫特殊的化學(xué)環(huán)境是造成土工布反濾層化學(xué)淤堵的根本原因，滲水中的金屬離子通過化學(xué)反應(yīng)析出，形成金屬氧化物累積在多孔介質(zhì)中，因此，使用散粒體反濾層同樣存在化學(xué)淤堵。

3.3 物理淤堵

物理淤堵的機制主要是細(xì)顆粒在土工布內(nèi)部、土工布上游表面累積。內(nèi)部淤堵主要是細(xì)粒材料在土工布纖維間孔隙的累積。有效孔隙度以及內(nèi)部孔隙網(wǎng)絡(luò)的連通性持續(xù)降低，導(dǎo)致土工布滲透系數(shù)降低；外部物理淤堵主要是在土工布上游面形成低滲透性的細(xì)顆粒濾餅[60]。物理淤堵相關(guān)研究最多，形成了保土準(zhǔn)則和滲透性準(zhǔn)則。保土模式有3種[35]：①完全保土模式，阻止粘土流失，這種模式下反濾層會淤堵，但這種淤堵是有益的；②最佳保土模式，反濾層允許流失少許顆粒，達(dá)到保土性能與滲透性性能平衡；③部分保土模式，反濾層常受到間歇性，多方向性湍流，主要起放緩?fù)令w粒流失的作用。尾礦庫排滲系統(tǒng)反濾層主要為最佳保土模式，通過合理的反濾設(shè)計，即使物理淤堵造成水力特性衰減，反濾系統(tǒng)的排水反濾性能依然保持在可接受的范圍內(nèi)。

影響反濾耐久性的多種淤堵機制可能同時存在，但某一種機制起主要作用。某排水渠系統(tǒng)中服役18年的土工布挖掘研究[60]發(fā)現(xiàn)，土工布上游面形成顆粒濾餅，內(nèi)部存在淤堵，下游面因化學(xué)反應(yīng)形成沉積的鈣化物，滲透試驗多種淤堵現(xiàn)象同時存在，而化學(xué)淤堵是該土工布反濾層滲透性能降低的主要因素。

耐久性問題時間跨度較大，影響因素較多，試驗研究較困難。除試驗手段外，數(shù)值方法也用于模擬反濾層反濾過程。目前散粒體反濾層反濾過程的數(shù)值方法研究較多[63]，而針對土工布反濾層的數(shù)值研究較少。

4 結(jié) 論

使用排滲系統(tǒng)控制尾礦庫浸潤面是尾礦庫安全控制中重要的一環(huán)。尾礦庫典型排滲系統(tǒng)以無紡?fù)凉げ甲鞣礊V層，但缺乏嚴(yán)格的反濾設(shè)計，反濾性能差異較大，排滲系統(tǒng)生命周期差別較大。本文從排滲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，綜述各部分對反濾性能的影響，反濾準(zhǔn)則研究進展，反濾系統(tǒng)耐久性研究進展。筆者認(rèn)為以下研究方向值得進一步關(guān)注和加強：

(1)被保護土的特性對反濾性能有著重要影響，尾礦料大多以尾細(xì)砂、尾粉砂為主并含有大量粘粒、特殊礦物，且級配較差；自重固結(jié)和化學(xué)固結(jié)等多種固結(jié)方式同時存在，易形成特殊絡(luò)合物。尾礦料特性明顯區(qū)別于一般被保護土，反濾設(shè)計中應(yīng)多關(guān)注尾礦料物理力學(xué)特性研究(如內(nèi)部穩(wěn)定性、級配、密實度等)。

(2)土工布特征參數(shù)主要為孔徑分布、密度、滲透系數(shù)等，但這些參數(shù)不能充分反映土工布特性差異，土工布孔徑分布測量方法也存在明顯的不足。尾礦料/土工布反濾層設(shè)計研究中可引入其他參數(shù)(比如收縮域數(shù)目m)來更全面地刻畫土工布特性，并采用更精確的測量方法(比如泡點法)來測量孔徑分布。

(4)過去的反濾設(shè)計研究提出了一些反濾準(zhǔn)則和反濾試驗。但反濾準(zhǔn)則較多，且多為經(jīng)驗性，其對尾礦料—土工布反濾層的適用性需進一步研究驗證。可用的反濾試驗也相對較少，應(yīng)進一步加強反濾試驗，尤其是長期反濾試驗的研究。

(5)土工布反濾層耐久性不是反濾準(zhǔn)則，但應(yīng)納入反濾設(shè)計中。因尾礦庫特殊的環(huán)境，影響排滲系統(tǒng)反濾層耐久性因素更為復(fù)雜。目前耐久性研究主要依賴試驗研究，后續(xù)研究中可借鑒散粒體反濾層數(shù)值研究成果，加強土工布反濾層反濾過程數(shù)值研究。

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