专题研究
Feature
54
纺织导报 China Textile Leader · 2019 产业用纺织品专刊
作者单位：中国纺织信息中心。
文 | 张 娜 赵永霞
土工合成材料是各类土木工程建设中的关键材料，国外对其开发和应用已有较长历史。早在20世纪50年代，美国就开始将其用于公路路面的加固及防渗；70年代以后，土工合成材料进入快速发展期，陆续拓展至铁路、河堤、海岸等的防护工程。随着科技的进步和社会的发展，其应用领域也不断拓展，并开始借助智能集成技术及装备向功能化和智能化方向发展，在各类土木工程的监测和维护中发挥重要作用。
1 集成传感器土工合成材料
土工合成材料被广泛应用于堤坝护坡、河底护砌、公路路基防护、污水处理厂及垃圾填埋场的防渗工程，利用传感器嵌入纤维材料，通过特定工艺，实现传感器与普通土工合成材料结合，使土工合成材料具有监测功能，可实现对土壤增强结构进行监测和内部侵蚀预警。
1.1 防渗膜永久监控系统
高密度聚乙烯（HDPE ）膜是最常用的土工合成材料之一，已作为污染隔绝屏障广泛应用于各种类型的填埋场及污水储存池中。但在工程应用过程中，防渗设施存在不同程度的防渗层破损现象，造成填埋场人工防渗层失效，因此建立完整的防渗膜永久性监控系统，进行固废填埋场和废液池监控，及时报警并明确渗漏点，对于保障垃圾填埋设施的安全、保护环境有着重要的意义。
欧洲最早开始研发集成了感应器和电信号发射装置的防渗膜监控模块，已应用于多个国家钢铁厂、火力发电厂和金属处理厂的场地渗透监控。但该系统受防渗膜下部介质导电性的影响，其监控模块的监控范围和渗漏部位的定位精度受到影响。
2015年，来自中国、美国、德国、奥地利等国家的多家科研机构和公司共同完成了防渗膜永久监控系统的研发，并在我国实现了首次现场验证。该系统由监控感应模块、电缆和中央处理器组成，如图 1 所示。将监控模块与导电HDPE 防渗膜结合，当HDPE 膜出现渗漏时，
感应模块发射端和接收端将通过膜下导电涂层、漏洞和膜上渗滤液层形成回路，监控模块上部的传感器接收到的电脉冲信号会随着其下部发射端发出的不同强度电信号而改变，从而确定防渗膜是否发生渗漏（图 2），并根据多组传感器接受到的电脉冲信号的集成，确定渗漏发生的位置。2018年，我国首套永久渗漏监控系统于贵州省福泉市磷石膏堆场顺利通过工程验收，此系统可以对直径 1 cm 的小孔渗漏发出实时警报（图 3）。
图 1 集成感应器和电源的渗漏监控模块
图 2 永久性防渗膜渗漏监控集成系统的工作原理
图片来源：上海胜义。
图
3 永久渗漏监控系统验收现场
1.2 光纤传感器集成土工合成材料
光纤布拉格光栅（FBG ）及基于布里渊光时域反射
Latest Developments of Smart Geosynthetics
恒功率直流电源
（a ）模块上表面
废水或废渣地基基础
模块发出的电信号
传输电缆
渗漏点
监控模块中央处理器
信号发射端
信号接收端挤压焊接
监控模块
（b ）模块下表面
专题研究
Feature
55
纺织导报 China Textile Leader · 2019 产业用纺织品专刊
计（BOTDR ）和布里渊光时域分析（BOTDA ）的分布式光纤传感器（DOFS ）已被广泛应用于监测高陡斜坡的变形。FBG 传感器具有多点测量和易于安装的特点，最早被应用于土工织物中，但其监测
点有限，无法实现长距离斜坡的监测需求。为满足大规模的边坡变形监测，基于BOTDR 和BOTDA 的分布式光纤传感技术应运而生，目前在人工土坡工程的监测和预警等方面受到关注。欧洲POLYTECT 项目致力于研究开发土木工程用多功能纺织品，为实现对斜坡应变、湿度和化学物质的监测，开展了一系列该类型传感器的开发，并已成功进行了现场测试。荷兰TenCate 土工合成材料公司开发了全球首款智能土工布系统TenCate GeoDetect ®，该系统将光导玻璃纤维与土工织物相结合，可通过温度和张力变化，监测土壤运动、沉降或滑动，目前已在SNCF （法国铁路公司）高速铁路的路基建设中得以应用验证。
然而，BOTDR 和BOTDA 采用的布里渊光时域技术存在空间分辨率不高的问题，因此，近年来具有极高测量精度的基于布里渊光频域分析（BOFDA ）的DOFS 已被用于监测岩土结构的机械变形，并且到目前为止，仍是应用于此类监测的最佳技术之一。
德国萨克森纺织研究中心（STFI ）制造了一种集成了BOFDA 传感器纤维的土工织物（图 4），此传感纤维黏着性强，且集成过程不会影响纤维的光学传感性。波兰索利纳重力坝安装了此土工织物（图 5），证明了其监测系统的精确性。德国汉诺威大学（Universität Hannover ）在实验室堤坝上也进行了类似试验，将提升袋嵌入土壤，通过充气压力的变化模拟土壤位移和机械变形，配备BOFDA 传感器的土工织物系统可以清楚地监测和定位土壤位移，如图 6 所示。
但基于BOFDA 技术的DOFS 依然存在在较大应变下失效的缺陷。为克服基于硅基纤维的分布式传感器的限制，目前已开发出基于POF （聚合物光纤）并使用OTDR （光时域反射仪）的新型分布式应变传感器，以监测岩土结构的机械变形。欧洲的纺织研究机构已成功将POF 整合到土工织物中。如德国联邦材料研究与测试研究所（BAM ）与STFI 合作，将带有POF 传感器的土工格栅安装在德国切姆尼茨附近的铁路路基中，传感器的功能正在定期测试中（图 7）。近几年，Alpe Adria Textil 开发并制造了含有低损耗全氟化POF （PF POF ）的新型土工格栅，并已成功安装在德国波罗的海沿岸的Kap Arkona 斜坡上（图 8）。
图 7 德国切姆尼茨附近的铁路路基安装和测试现场图 8 含PF POF 新型土工格栅在Kap Arkona
斜坡上的安装及测试
2 机敏土工合成材料
纳米二氧化钛涂料机敏材料是具有机敏效应的高分子聚合物的统称。通常，用作机敏材料的导电聚合物的导电性能处于导体与半导体之间，在具备传统高分子聚合物良好的机械性能和可塑性的同时，兼具金属材料的电学、磁学等相关性质，呈现出拉敏和压敏效应，表现为材料的导电性在
图
5 波兰索利纳重力坝安装嵌入BOFDA 传感器土工布的现场
图 6 德国汉诺威大学的堤防试验场及堤防中的土壤位移
图 4 德国STFI 开发的非织造土工织物
专题研究
Feature
56
纺织导报 China Textile Leader · 2019 产业用纺织品专刊
低电阻和高电阻之间发生转变。随着人们对土木工程安全需求的增长，导电聚合物以母粒或者涂层形式制备土工合成材料，在加筋路基的变形监测等方面已广泛应用。
2.1 石墨烯增强土工合成材料
石墨烯自成功制备以来，因性能优异已被应用于热管理、传感器、力学增强、透明导电薄膜、储能等领域。由于具有高导电能力，当其被添加到绝缘的高分子基体中时，复合材料的导电性会显著增强。石墨烯增强土工合成材料被认为是该领域未来的发展趋势，将在煤矿、垃圾填满场、污水处理厂、水库、工业加工设施的漏缺定位方面发挥重要作用。
2016年，Imagine IM 在澳大利亚建立了首个商业化石墨烯制造工厂，并与Geofabrics Australasia 合作，开发了世界上首款采用imgne ®X3石墨烯涂层技术制成的导电土工布bidim ® C 系列（图 9）
，该产品旨在以低成本为垃圾填埋场、尾矿坝和储水设施的衬砌系统提供可靠的渗漏监测，目前已在总面积超过 1 万m 2的煤层蒸发池进行了现场测试，可以检测到蒸发池衬砌系统中小至 1 mm 的微孔，有助于避免地下水和含水层受到有毒物质的污染。
2bkey2.2 碳纳米管聚合物集成土工合成材料
碳纳米管（CNTs ）的导电性仅次于超导体，且具有良好的传热性能，将其以涂层的方式涂覆或者层压于土工合成材料，使其具有优异的传热和导电性，在混凝土道路铺设和建筑的除冰领域具有广泛的应用前景。
美国Battelle 研究院研发出基于单壁碳纳米管涂层的
HeatCoat 技术，涂层由单壁碳纳米管组成，厚度不超过 3 μm ，涂层表面可紧密贴合基材表面（图10）
。与非织造材料结合后，可增强材料的热均匀性，减少功率浪费，并通过闭环反馈实现对单独加热区域的控制。目前，该技术已在道路除冰及防护用玻璃纤维垫方面得以应用。未来，Battelle 研究院将探索集成导电CNTs 涂层和传感器的非织造布在其他道路工程上的潜在应用。
2.3 多孔导电低密度聚乙烯土工膜
Solmax 与Rock Armor LLC 合作开发了一款导电土工膜材料RockArmour TM （图11）
，此产品旨在保护油气管道免受岩石冲击及地面移动引起的损伤。据Solmax 介绍，RockArmour TM
由多孔导电低密度聚乙烯土工膜制成，芯层提供耐冲击和耐撕裂强度，不平坦的内层具有导电性，孔允许阴极保护电流通过以防止涂层管道表面受损。另外，RockArmour TM 附带专门设计的配件，具有明显的成本效益和安全优势，最大限度地减少了处理时间和作业现场的人工成本。
3 总结与展望
智能土工合成材料集成了功能性材料、传感装备及
铜锌合金相应软件，可对岩土增强结构的稳定性进行监测和早期预警。目前，国外对于智能土工合成材料的理论研究、测试技术和施工方法已较成熟，并在很多工程中应用了智能土工合成材料。相较而言，我国土工合成材料行业起步较晚，对基本力学计算模型和理论分析方法的研究还需提升完善，在一些高端技术和产品的开发应用上基本扮演追随者角，其中也包括智能土工合成材料。随着国家基础建设需求的扩大及在其他应用市场的拓展，未来我国土工合成材料在多功能、智能化方面还有很大的发展空间。
图 9 Geofabrics Australasia bidim ®双眼皮胶条
C 系列土工布安装现场
图11 RockArmour TM 导电土工膜安装现场
图10 Battelle 研发的HeatCoat 涂层参考文献（略）
>真空磁悬浮列车
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议