土工織物/鋁尾礦赤泥系統淤堵特性試驗

程 醒 吳海民 易有元 田振宇 毛文龍

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

中國是世界第四大氧化鋁生產國，而赤泥是鋁工業的廢渣，是一種粘粒含量高、含水量高、堿度強的尾礦，每生產1 t氧化鋁，就會產生1～2 t赤泥，截至2017年，我國赤泥累計排放量已超過5億t［1］。目前我國關于赤泥的處理一般以泥漿的形式排入尾礦庫中，為加速赤泥排水固結，確保尾礦庫的穩定運行以及提高庫容利用率，一般需要在尾礦庫中布置排水反濾層。

土工織物是一種高孔隙率、小孔徑的材料，相比較于傳統的反濾材料，土工織物具有滲透性好、施工方便、易運輸、造價低等優點，因此常用作尾礦壩的排水反濾層。但對于顆粒細且粘粒含量高的尾礦，土工織物排水反濾層極易淤堵，對此國內外學者做過大量相關的研究。Gabr等［2］運用長期滲透試驗和現場模型試驗研究了無紡土工織物/粉煤灰系統的排水反濾特性，試驗結果表明無紡土工織物具有良好的排水反濾性能；周蓉等［3，4］運用滲透試驗研究了土工織物/粉煤灰系統的淤堵特性，對土工織物淤堵程度的量化方法進行了探討；束一鳴等［5］運用梯度比試驗對土工織物/粉土系統的淤堵特性進行了研究，指出只要土工織物選用合適，在較大水力坡降下也不會發生淤堵；張寶森等［6］運用高水壓力下的常規排水反濾試驗、“泥漿”試驗和“窄縫隙”試驗對土工織物的淤堵特性進行了探討；Aydilek等［7］運用梯度比試驗和有壓滲透試驗對無紡土工織物的淤堵特性進行了研究，結果表明土體中的有機質含量、濾餅結構以及土工織物的導水率會影響土工織物的淤堵特性；Gastaud等［8］運用有壓滲透試驗對無紡土工織物/油性砂尾礦系統的排水反濾特性進行了研究，并提出隨著排水反濾的進行，在土工織物表面會形成濾餅，起反濾作用，而土工織物僅作為濾餅的支撐結構；Veylon等［9］對作為排水反濾系統18 a后的土工織物進行了淤堵特性研究，指出無紡土工織物存在的三種淤堵模式；吳思麟等［10］運用真空抽濾試驗探討了無紡土工織物針對淤泥排水時的淤堵機理；Dolez等［11］運用有壓滲透試驗對無紡土工織物/油性砂尾礦系統的排水反濾特性進行了研究，試驗結果表明濾餅的形成雖然導致土工織物與尾礦系統的導水率遠小于土工織物的導水率，但并沒有造成土工織物的淤堵。

上述國內外相關研究表明，雖然眾多研究者對不同土工織物與不同土體系統的淤堵特性進行了一系列的研究和探討，但有關土工織物用于赤泥排水反濾時，其淤堵特性方面的研究尚不多見。針對某種粒徑的赤泥進行排水反濾時，土工織物如何選型沒有明確的依據，排水反濾過程中是否會發生淤堵仍無法直接判斷。

因此本項目采用改進梯度比試驗方法進行土工織物/赤泥系統的淤堵特性試驗研究。針對土工織物/赤泥系統試驗結果，分析了不同水力坡降下土工織物/赤泥系統的梯度比（Gradient Ratio，簡稱GR）和滲透系數的變化規律及淤堵發展趨勢，并從赤泥顆粒在滲透作用下的遷移和級配變化規律等角度對排水反濾機理進行分析和探討。

1 試驗裝置、材料和方法

1.1 試驗裝置

本項目所采用的淤堵試驗裝置如圖1所示，滲透室為一內徑為150 mm的透明有機玻璃圓筒，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處分別設有測壓端口，測壓端口通過軟管與測壓管相連，用來測試該位置上的孔隙水壓力。土工織物布置在鐵絲網上，鐵絲網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節，能夠得到試驗要求的水力坡降。

1.2 試驗材料

試驗所采用的赤泥取自廣西某鋁尾礦庫，赤泥的粒徑分布曲線如圖2所示。赤泥的基本物理性質指標為：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。

試驗共采用了4種典型土工織物，編號分別為N-1、N-2、N-3和N-W。其中N-1、N-2和N-3分別為國產單位面積質量400 g/m2短纖、400 g/m2長絲和600 g/m2長絲無紡土工織物，N-W為國外某公司生產單位面積質量為480 g/m2長絲的無紡/有紡復合土工織物，4種土工織物的物理特性指標如表1所示。

1.3 試驗方法

如果參考目前相關測試規程中的淤堵試驗方法，需要將土體烘干、碾碎，然后按照一定密實度壓實并浸水飽和后進行梯度比試驗［12］。但該方法無法反映現場赤泥的沉淀及固結過程，故采用改進梯度比試驗方法進行淤堵特性試驗。試驗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際赤泥庫排放濃度較接近的30%。裝樣高度根據赤泥的沉降規律進行預測，使其最終赤泥的高度為10 cm。待赤泥完全沉淀后，依次進行水力坡降為1、2.5、5、7.5和10的改進梯度比試驗。試驗過程中每隔一段時間記錄各測壓管的讀數、滲流量和水箱中水的溫度，通過計算得到土工織物/赤泥系統的梯度比和20℃下滲透系數隨時間的變化曲線。試驗結束后，采用激光粒度儀對滲透室內不同高度上的赤泥顆粒以及滲漏顆粒進行粒徑測試，得到滲透作用下赤泥顆粒遷移及級配變化規律。

2 試驗結果與分析

2.1 土工織物的淤堵特性

2.1.1 土工織物淤堵判別方法

試驗通過測量不同水力坡降下各測壓管水位隨時間變化的過程，可計算得到對應時間的梯度比（GR）。現有相關研究表明，土工織物用于高含粘量土體排水反濾時，采用梯度比來判斷其淤堵趨勢，結果不一定準確［7，12，13］。故本項目除了測試不同土工織物/赤泥系統的GR值外，還測試系統滲透系數隨水力坡降及時間的變化規律，通過二者的測試結果綜合判斷土工織物的淤堵趨勢。此外，在對試驗前、后滲透室內不同部位赤泥顆粒級配變化進行測試，通過顆粒遷移和級配變化規律來分析土工織物/赤泥系統的排水反濾機理。

2.1.2 梯度比變化規律

圖3～圖6為不同水力坡降下4種土工織物/赤泥系統測得GR隨時間變化曲線。由圖可知，GR在試驗前期均不太穩定，這是因為前期赤泥未完全固結，在滲透作用下部分顆粒的遷移使得土體結構和滲透性出現變化；隨著土工織物排水反濾作用的持續，GR會逐漸穩定。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）最終穩定時的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）最終穩定時的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下最終穩定時的GR均小于臨界值3，而在i=10下最終穩定時的GR分別為3.75和3.78大于臨界值3。

按照傳統的淤堵判斷標準，在較大的水力坡降下，最終穩定時的GR大于臨界值3，土工織物發生了淤堵。但由于赤泥顆粒較細，在較大滲透作用下，細顆粒不斷向下遷移，在土工織物上表面可能會形成一層較為密實且滲透系數較低的濾餅，進而導致測得的GR值較大，但系統仍可能保持較好的滲透性。故需要進一步對系統的滲透性能進行測試分析。

2.1.3 滲透性變化規律

4種土工織物/赤泥系統20℃滲透系數（k20）隨時間變化曲線如圖7～圖10所示。由圖可知，各組試驗測得k20在前期均呈下降趨勢，但隨著排水反濾的進行，土工織物/赤泥系統最終均能達到穩定的滲流狀態，即k20達到穩定值，最終穩定值分別為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，滲流達到穩定所需的時間差異較大，N-1和N-3對應滲透系數穩定時間較長，N-2和N-W對應滲透系數穩定時間較短，這與土工織物類型、孔徑大小及孔隙內部結構有關。4種土工織物/赤泥系統的滲透系數雖然均降低，但最終均穩定在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律

4種土工織物/赤泥系統的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/赤泥系統的GR均隨著水力坡降i的增大而增大，且在i較大時GR大于臨界值3。

由圖12可知，3種無紡土工織物/赤泥系統的k20隨著水力坡降i的增大會略微的降低（從（4.0～5.4）×10-6cm/s降低至（2.1～3.0）×10-6cm/s），沒有量級的變化。這是由于在較大的水力坡降下，赤泥會變得更加密實，自身的滲透系數將會降低，從而導致系統的滲透系數變小。而土工織物N-W/赤泥系統的k20隨著i的增大而增大，從3.37×10-6cm/s增大至9.13×10-6cm/s。這表明了該復合土工織物N-W/赤泥系統能保持良好的滲透性。這可能是因為土工織物N-W特殊的孔隙結構，能夠影響赤泥顆粒分布，在其表面能夠形成良好的濾層，實現保土性和滲透性平衡。

4種土工織物/赤泥系統在水力坡降較大時，測得的GR均大于臨界值3，但系統的滲透性均良好，說明對于以黏粒為主的赤泥，傳統的GR判別方法并不能準確判斷土工織物/赤泥系統的淤堵特性，需要結合系統的滲透系數變化情況來綜合判斷。

2.2 排水反濾機理分析

試驗結束后測得土工織物N-1、N-2和N-3對應滲透室內不同高度處赤泥顆粒級配分布曲線分別如圖13～圖15所示。由圖可知，對于3種厚度、纖維類型及孔徑大小均不同的無紡土工織物，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。

對于土工織物N-1，表面附近細顆粒含量較高，粒徑在0～1 μm的顆粒含量高達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，細顆粒會不斷向下遷移并被保留在土工織物的上表面，從而導致土工織物上表面的赤泥較為密實，使得土工織物/赤泥系統的滲透系數變低。這可能是圖7中土工織物N-1/赤泥系統滲透系數降低較快的原因。對于土工織物N-2，不同高度處赤泥顆粒級配分布相差較大，有著明顯的分層現象，距離土工織物表面越遠，顆粒越粗。對于土工織物N-3，其土工織物表面顆粒也較細，但沿高度分層不明顯，對于0 cm和5 cm處粒徑分布與其他高度處測點差異較大。由顆粒級配分布變化可知，不同類型土工織物在排水反濾過程中，赤泥顆粒遷移規律也具有較大差別，最終影響系統的滲透性。

試驗結束后測得復合土工織物N-W對應滲透室內不同高度處顆粒級配分布曲線如圖16所示。由圖可知，赤泥顆粒在高度方向上的分層現象十分明顯，越靠近土工織物的赤泥顆粒細顆粒含量較高，而遠離土工織物的赤泥顆粒細顆粒含量低。

本試驗采用4種土工織物的等效孔徑O95均遠大于赤泥顆粒的d85，但試驗中觀測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，阻止了大量細顆粒的流失。對各組試驗結束后滲漏的赤泥顆粒進行收集并測試其粒徑分布，結果如圖17所示。由圖可知，對于3種長絲纖維織物N-2、N-3和N-W，等效孔徑最大的N-3滲漏的顆粒最粗，等效孔徑最小的復合土工織物N-W滲漏了較多的細顆粒；而短纖織物N-1雖然等效孔徑比長絲織物N-2和N-W大，但滲漏顆粒卻更細，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/赤泥系統在排水反濾過程中顆粒遷移及粒徑變化規律的分析可知，使用土工織物進行排水反濾成功的關鍵是織物表面濾餅結構的形成，濾餅雖然會降低系統的滲透性，但卻有著較強的保土能力，實現持續的排水和保土功能。

3 結 論

通過改進梯度比試驗研究了不同土工織物/赤泥系統在不同水力坡降下的淤堵特性，并分析試驗數據，得到如下結論：

（1）4種土工織物/赤泥系統在較低水力坡降下測得的大部分梯度比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；在較大水力坡降下，GR超過了臨界值。

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

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

（4）經過排水反濾作用后，滲透室內赤泥顆粒發生明顯遷移，顆粒分布呈分層現象。距離土工織物表面越近，赤泥顆粒越細。4種土工織物的等效孔徑O95均遠大于赤泥顆粒的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，阻止了大量細顆粒的流失。

（5）使用土工織物進行高粘粒含量赤泥排水反濾成功的關鍵是土工織物表面濾餅結構的形成，濾餅雖然會降低系統的滲透性，但卻有著較強的保土能力，可實現持續的排水和保土功能。