宁夏银北灌区排水暗管土工布外包料透水与防淤堵性能

荣 臻，王少丽，郝瑞霞，陶 园

·农业水土工程·

宁夏银北灌区排水暗管土工布外包料透水与防淤堵性能

荣 臻1,2，王少丽2※，郝瑞霞1，陶 园2

（1. 太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2. 中国水利水电科学研究院水利研究所，北京 100048）

有效地阻止排水暗管被淤堵又能保持其稳定的透水性，是暗管排水应用中亟需解决的问题。为了深入理解排水暗管土工布外包料透水与防淤堵性能，该研究选取了常用的7种土工布，其中3种纺黏聚丙烯（Polypropylene，PP）无纺布，4种热熔纺黏丝无纺布，并对其中一种布进行亲水剂浸泡处理。以宁夏银北灌区土壤为例，基于室内土柱试验，依据达西定律，分析不同土工布防护措施下系统的流量衰减过程、土工布的保土能力以及防淤堵性能，并对比分析了亲水处理后土工布的反滤效果。结果表明，在排水初期，土体和土工布的渗透性下降，导致系统的排水流量持续变小，土体渗透性的变化会成为影响流量变化的主导因素，对流量衰减有75%以上的贡献度。土工布在亲水处理后，整体排流量提高了15%左右，其保土能力和防淤堵效果处理前后变化不大。针对该土质，热熔纺黏丝无纺布的反滤效果要明显好于纺黏PP无纺布。试验筛选出了适合该地区土壤特性的土工布，为相似土质地区暗管外包料的选择和处理方式提供了理论依据与技术支撑。

土工布；排水；试验；渗透性；淤堵；亲水处理

0 引 言

宁夏银北灌区地处宁夏河套灌区贺兰山东麓银川平原的北部和鄂尔多斯台地西缘的高阶地上，总土地面积为4 310 km2。其气候干旱地形复杂，以前修建的灌排工程落后且老化失修，部分地区排水不畅，土地盐碱化严重。为解决土壤盐碱化问题，20世纪80年代中期，该灌区开始引进暗管排水技术并开展工程示范与试验研究。经过近40年的应用研究，暗管排水已经成为解决宁夏银北灌区盐渍化危害的首选方案[1]。暗管排水的持续性与其外包滤料的选择密切相关，因该地区土壤质地均一，粉砂颗粒含量高，对外包滤料有着较高的要求。近年来，化纤工艺的发展推动了土工织物工艺和种类的多样化，找到一种适合当地土壤特点、价格合适的外包滤料，这对于暗管排水在当地的推广具有重要的意义。

随着波纹塑料管的应用和自动挖沟铺管设备的发展，采用经济适用的与现代化施工设备相配套的外包料已成为必然的发展趋势[2-4]。土工织物由于其产品系列多、性能稳定、质轻、运输施工方便等优点，逐步成为取代砂石外包料的防淤堵措施，以减缓暗管排流量衰减速度，延长暗管的使用寿命[5-6]。土工布不仅本身具有一定的反滤效果，它还会对靠近的土颗粒进行筛选，诱导上方土壤形成天然滤层。在水流作用下，大颗粒会被拦截在外，累积成反滤结构，细小的颗粒会穿过土工织物造成流失，而被截留在土工布内的则会形成堵塞[7-9]。土工布的堵塞或者滤饼的形成都会导致排水系统整体渗透性降低[10-11]。当渗透性下降到排流量达不到要求时，暗管排水也就失效了，但这个过程一般要经过较长时间[12-13]。淤堵是一个长期累积的动态过程，挖沟铺管后，土颗粒在水流作用下迁移和重新排列，淤堵就开始产生[14-15]。但外包料的淤堵是否始终会成为影响流量变化的主导因素，还未出现相关的研究；如何在淤堵发生下持续提高系统的透水效果，也鲜有相关报道。而且，国内用于暗管外包料的土工布工艺多种多样，应用标准尚未统一，不同工艺土工布的适用性还有待商榷。

为解决以上问题，本文以该灌区土壤为例，基于2种土工布工艺，选取已经投入实际应用的7种土工布，利用室内土柱试验，对不同土工布防护措施下的流量衰减过程进行分析，探究铺管初期影响流量的因素，并对其中一种土工布进行亲水剂浸泡处理，探究持续提高织物透水能力对提高整体过流效果的有效性，以期为相似土质地区暗管外包料的选择和处理方式提供依据。

1 材料与方法

1.1 土壤颗粒组成与级配

土壤的颗粒组成是选择土工布作为排水暗管外包滤料的重要参考指标。根据联合国粮食与农业组织的土壤粒径划分标准，将土壤颗粒细分为黏粒（粒径小于2m）、粉粒（粒径2～<50m）和砂粒（50～2 000m）[16]。一般认为，当土壤中的黏粒含量在20%～30%（质量分数），或者土壤中的黏粒含量与粉粒含量的比值大于0.5时，暗管周围就能形成有效的天然反滤层，来降低暗管被淤堵的风险[17-18]。

试验所取的土来自银北灌区平罗县渠口乡农耕地，在暗管埋设深度1.2 m处取土。对土进行研磨后，通过1 mm筛进行筛分，剔除根系石块，然后通过激光粒度仪测定土壤粒径组成。测试得出，土壤的黏粒、粉粒和砂粒的质量分数分别为3.36%、69.39%和27.25%。黏粒的含量非常低，且黏粒含量与粉粒含量的比值为0.05，远小于0.5，土壤的粘结性较低，暗管被淤堵的风险较大。

土壤的不均匀系数C是土壤的60与10的比值[19]，能够反映土壤颗粒的均匀程度，其中10和60是土壤颗粒中10%和60%的土粒都小于该值的土壤颗粒粒径。该土壤的10和60分别为5.51和38.32m。计算得出该土体的C值为6.95，大于5，土体颗粒分布不均匀，大中小粒径相互之间的关系较疏远[20]。在这种土壤中铺设排水暗管，管外应包裹反滤材料，否则极易出现淤堵现象，影响排水系统的正常运行。

1.2 土工布的基本物理参数

目前，国内管材生产厂家常用来包裹暗管的土工布，主要分为纺黏聚丙烯（Polypropylene，PP）无纺布和热熔纺黏丝无纺布两种。在已经应用到其他灌区的各类土工布中，结合前人针对该灌区土质的暗管外包料研究成果[21]，考虑推广应用的价格成本等因素，试验选用了7种土工织物作为研究对象，各土工织物的详细参数见表1。其中3种为纺黏PP无纺布，4种为热熔纺黏丝无纺布，材料均为聚丙烯材料，但工艺有区分。聚丙烯属于非极性材料，本身具有极高的疏水性，会与水互相排斥，而使用这种材料的纺黏PP无纺布，在材料疏水性与织物孔径小的双重制约下，无水压时均不表现透水效果。为了降低材料对织物透水性的负面影响，高效且持续地提高织物的亲水能力，使用亲水剂是目前发现的一种廉价的处理方式。亲水处理的原理主要是在微观方面，通过引发游离基与纤维表面大分子进行接枝共聚，或者通过等离子改性引入活性基团等方式，抑制疏水基（烃基等），增加表面裸露的亲水基（羟基等），从而降低织物表面的水接触角，使织物变得易水润湿，提高织物透水效果[22-24]。纺黏PP无纺布因其透水效果普遍较差，为了更好地探究织物透水性提高对整体过流效果的影响，选择其中一种纺黏PP无纺布进行了亲水剂浸泡处理。亲水处理后，纺黏PP无纺布在无水压条件下即可透水，透水能力有了明显提高。土工布R1是目前在宁夏银北灌区应用较多的土工布，在本试验中作为对照来评比各土工织物的反滤效果。根据联合国粮食及农业组织给出的渗透性要求，土工布作为暗管外包料时，要求其渗透性为受保护土壤渗透性的10倍以上[16]，研究区试验土壤的渗透系数为1.01×10-4cm/s，所选土工布的渗透系数均大于1.01×10-3cm/s，满足要求。

表1 待测土工布参数

注：90是外包滤料中90%的孔径都小于该值的孔径。PP为聚丙烯。

Note:90is the pore size of which 90% of the pores in the geotextile are smaller than this value. PP is polypropylene.

1.3 试验装置

试验装置如图1所示，主体结构包括上、下两部分并通过法兰连接。上部为内径11 cm、高 40 cm 的有机玻璃圆筒，用于放置土样。下部为底部球形结构的圆柱筒，主要用于排水和排砂。上下结构间用带孔支撑板分隔，上部设置5个测压管，从上至下分别距离法兰 25、20、15、10、2 cm，下部距离法兰2 cm处设置1个测压管。紧贴筒壁内侧的测压管口设置滤网以防止土壤流失及淤堵而影响测压管工作。其中5#与6#测压管所测的差值用于计算土工布部分的渗透系数，1#与5#差值用于计算土体的渗透系数。

渗透系数s根据达西定律[25]利用式（1）计算

式中s为渗透系数，cm/s；为透过土柱的流量，cm3/s；为流径，cm；in和out分别是入流和出流测压管读数，cm；为土柱截面积，cm2。

试验填土高25 cm，土壤介质按容重1.54 g/cm3分层填装，每次装填高度5 cm，共装填5次，装完一层后压实凿毛再装下一层。装填完毕后，采用从下向上缓慢注水的供水方式排出土内气体使土壤完全饱和。土壤饱和后，改为自上向下供水，并通过溢流口11#控制稳定5 cm的积水深度，待系统完全稳定后开启出水孔8#阀门，观测和记录每天的排水流量及测压管读数。在试验期间，出水孔排出的水体直接通过滤纸进行过滤；流量观测结束后，开启排砂孔7#，收集淤积于装置底部的土壤，并通过相同滤纸过滤，这两次过滤出来的土作为土壤流失量。取出已经试验过的土工布，并测出其土壤淤堵量。试验期间每隔8 h测量一次排水流量和测压管水位，每天观测3次，取平均值作为当天测量结果，流量值连续5 d无变化时结束试验，总共观测22 d。

为了更好分析数据，定义某一变量（流量，或土体渗透系数，或土工布渗透系数）残余度为某天的测量值与初始测量数值的比值，据此，对流量残余度、土体渗透系数残余度、土工布残余度变化情况进行分析。

2 结果与分析

2.1 透水效果

2.1.1 各方案的流量变化情况

虽然各组试验均按照统一容重装土，但土体的实测渗透系数仍有一定差异，由于所选土工布R1是目前该灌区用的比较多的暗管外包料，为更好比较不同土工布防护措施下流量变化情况，将各组观测的流量统一修正为初始土体渗透系数与方案R1相同的情况下进行分析。如图2所示，其流量的变化能直观反映各土工布针对该土质的透水效果。

在排水初期，土颗粒会在水流的作用下进行迁移和填充孔隙，粒径更小的土颗粒会在土体的筛选下朝着土工布汇集，在此期间，由于土体的不断密实和土工布的逐渐淤堵，在5 d出现了流量大幅衰减的现象，5 d后方案F1到方案R4的流量残余度分别为88.9%、83.8%、88.3%、93.9%、85.1%、91.9%和89.1%。5 d后除方案R3外，其余各方案的流量衰减趋势均逐步减缓，方案R3在6到16 d之间还会有较为明显的流量衰减过程，但随后也逐渐放缓。22 d后各方案流量残余度分别为86.8%、79.5%、81.5%、86.9%、78.4%、79.8%和82.4%。

总体上来看，纺黏PP无纺布试验组的透水效果普遍要低于热熔纺黏丝无纺布试验组。针对该土质，土工布R1、R2、R3和R4均能表现出不错的透水效果，土工布FT的透水效果居中，土工布F1和土工布F2的透水效果最低。对比方案F2和方案FT可以发现，土工布做了亲水处理后，过流能力有了明显的提升。方案FT的流量始终大于方案F2的流量，其22 d的总流量相对于方案F2提高了15%左右，说明对土工布进行亲水处理能够持续有效地提高整体透水效果。

2.1.2 流量的衰减情况预测

22 d的实测数据只能反映短期的过流效果，在暗管数年的使用寿命中，其流量变化的稳定性更加值得考量。

将修正的流量数据进行曲线拟合，并对其进行360 d（约 1 a）的排流预测，结果如表2所示，预测的结果可作为预警效果，以实测为主预测为辅，更具有合理性。从总体上看，各方案流量随时间的变化均符合对数函数特征，决定系数也均在0.85及以上，该结论与刘文龙等[26-27]得到的单一土工布下流量衰减变化规律一致。根据表2中拟合公式得到的22 d的流量预测值与实测值的吻合程度高，误差均在3%以内。从360 d预测结果可以看出，流量仍会持续衰减，但衰减趋势已经放缓，与22 d的实测数据对比，其衰减幅度在10%～20%，预测残余度均在50%以上。

表2 360 d流量残余度预测

注：*<0.05（22个实测值）；为天数，d；为流量，mL·h-1。

Note: *<0.05 (22 measured values);represents days, d;represents flow rate, mL·h-1.

在热熔纺黏丝无纺布试验组中，方案R2和方案R3的初始流量高，但22 d的流量已经低于方案R1，方案R2的流量已经与方案R4近乎持平，说明方案R2和方案R3的流量衰减幅度大。在360 d的预测结果中，方案R2和方案R3的衰减趋势被进一步凸显，360 d后预测流量值和流量残余度已经明显低于方案R1和方案R4。所以，综合来看，在热熔纺黏丝无纺布试验组中，方案R1和方案R4的流量变化更具有稳定性。在纺黏PP无纺布试验组中，方案F1的流量变化最平稳，其实测和预测的流量残余度值均最高，但由于其初始流量过低，与方案R1和方案R4相比仍不具有过流能力上的优势性。

总体上来说，从过流能力、残余度以及长期运行的稳定性来看，方案R1和方案R4具有不错的效果。对比方案F2和方案FT可以发现，亲水处理后，从长远的预测结果来看，方案FT的流量仍然维持在较高的水平，且彼此的残余度值相差不大。

2.1.3 渗透系数变化

土壤及土工布渗透性的变化均会影响整体流量的变化。为进一步探究引起流量变化的主导因素，分别对土体以及土工布部分（包括约2 cm的土层）在测量期间渗透系数的变化进行分析，其变化情况如图3所示。在试验开始时，土工布和土体的渗透系数均会迅速下降，22 d后，从方案F1到方案R4的土体渗透系数残余度分别为87.2%、83.3%、77.7%、87.3%、79.5%、77.5%和81.3%，土工布渗透系数残余度分别为75.6%、68.4%、79.6%、70.9%、58.4%、79.8%和76.3%。总体上看，土工布渗透系数下降的幅度更大。

在整个试验期间内，土体渗透系数经过14 d较快的下降后，渗透系数的变化已经慢慢趋于平稳，说明在水流作用下，前期土颗粒的迁移运动较为剧烈，在细土颗粒的下移和逐渐填充孔隙后，土体颗粒的整体分布已经逐渐平稳且适应水流。而土工布的渗透系数在整个试验期间内还没出现较为平稳的阶段，总体呈现出持续下降的趋势。

将整体渗透系数衰减过程与土体和土工布的渗透系数衰减过程在95%的置信区间内进行多元回归分析，结果见表3。

表3 多元回归分析结果

注：**<0.05（22个实测值）；1和2分别为土体和土工布的渗透系数残余度，%；为流量残余度，%。

Note: **<0.05 (22 measured values);1and2are the permeability coefficient residual degree of soil and geotextile, respectively, %;is the residual degree of flow rate, %.

通过2值和方差分析结果可以看出各方案回归方程的线性关系显著。从得到的回归方程来看，土体的回归系数更大，说明流量变化与土体渗透系数的数量关系显著，土体渗透性在流量变化过程中的决策程度高。在多元回归分析中，标准化系数常用来判断各变量在回归方程中的重要性，此次得到的结果中，土体的标准化系数值更高，说明相对于土工布，土体的渗透系数变化更为重要；在检验中，土体的回归系数显著性高，而在土工布中存在几组显著性大于0.05（不显著）的情况。

试验期间，土体和土工布的渗透系数变化对流量衰减的贡献度情况如表4所示。可以发现土体渗透系数的变化对流量的影响程度非常高，各方案土体的贡献度均在75%以上，这表明流量变小主要是由于土体渗透系数减小所引起的。相对于暗管数年的使用寿命来说，本试验只进行了为期22 d的前期观测，说明在暗管铺设的前期，土体渗透系数的变化会成为流量变化的主导因素。考虑到试验土是经过研磨筛分压实后的土，与田间相比存在差异。实际情况中，挖沟铺管后，为了保护暗管，其回填土的压实度往往不会太大，土质疏松以及土壤中存在的虫洞和根系等大孔隙，其实际渗透系数以及衰减度相对实验室来说会偏大，而且还会根据耕种季度出现周期性的衰减，但总体的影响幅度会逐渐变小。

表4 土体和土工布对流量衰减贡献度

2.2 土壤流失量与土工布淤堵量

试验结束后，对各方案的土壤流失量和土工布淤堵量进行统计，其结果如表5所示。土工布内部的纤维网格结构使其内部形成了很多细小的孔隙，这些孔隙既可以形成过流通道，也能阻挡土颗粒的通过[28]。在水流作用下，土工布附近的土颗粒会逐渐向土工布方向迁移，粒径小的颗粒能够优先穿过土工布表层，而当其在土工布内的移动距离超过土工布厚度时，就会穿出土工布，造成土壤流失，被截留在土工布内则会形成淤堵。Farias等[29]在其研究中发现，土工布的逐渐堵塞会让其对土颗粒有更大的拦截能力，导致只有粒径更小的土颗粒能够穿过，而土工布的厚度越大，也会增加粒径穿过土工布的难度。王培俊等[30]也通过试验验证了土工布越厚，等效孔径越小，对泥沙的拦截能力越强。

表5 土壤流失量与土工布淤堵量

在本试验中，同种工艺的无纺布，其等效孔径越大，土壤流失量也会越大，其厚度越厚，对颗粒的拦截能力越强，总体上表现为较高的土壤流失量对应较低的土工布淤堵量，但土工布R2是个特例。土工布R2由于其有着较大的孔径和较厚的厚度，其土壤流失量和土工布淤堵量均最大。其较大的孔径会允许较大粒径范围的颗粒进入土工布，而其较厚的厚度又让这些颗粒不能完全的穿出，虽然内部大孔隙有利于土颗粒的迁移，但大部分颗粒还是会被截留在内，导致土工布的透水效果被不断降低。这也是土工布R2在试验期间内，渗透系数衰减幅度大的原因。土工布由于被淤堵导致渗透系数的大幅度衰减，无疑会提高土工布在整个系统中对流量的影响程度。在热熔纺黏丝无纺布试验组中，土工布R2的淤堵量最大，在表4中表现为其对流量衰减的贡献度也最高；同样，在纺黏PP无纺布试验组中，土工布F2的高淤堵量也对应着较高的流量贡献度。

2.3 土工布上方土壤

根据试验结果发现，纺黏PP无纺布保土效果和抗淤堵能力均要比热熔纺黏丝无纺布效果好，但整体的出流效果普遍偏低。

试验结束后，对紧靠土工布的土壤用小刀刮下薄薄一层土样后，通过激光粒度仪测其颗分，其结果如表6所示。可以发现，在紧靠土工布的土层处，各方案的黏粒含量相对于原装土均会略微偏低，但彼此之间差异不大，差异主要集中在粉粒和砂粒的含量上。在纺黏PP无纺布试验组中，试验结束后该土层处土壤的粉粒含量略微升高1.5～2.8个百分点，砂粒含量略微降低1～2.5个百分点，对该部分的土样在多次重复检测后，其粉粒和砂粒的含量变化仍是小幅度的上升和下降，但土壤的90值明显减小则说明一定有颗粒在迁移；在热熔纺黏丝无纺布试验组中，试验结束后该土层土壤的粉粒含量降低3～8个百分点，砂粒含量升高4～9个百分点，土壤的90值明显变大，90是土壤颗粒中90%的土粒都小于该值的土壤颗粒粒径。

说明针对该土质，无论是在土层内，还是在土工布—土层交界处，粉粒是在渗流作用下更为活跃的颗粒。以往的研究表明，有效的土工布外包料会允许细颗粒流失，通过拦截大量粗颗粒形成高透水的土壤骨架，让排水系统维持高透水能力运行[31-32]。这也说明了细颗粒是相对而言更易移动的颗粒，但在渗流作用下，什么范围的颗粒属于易迁移的细颗粒，目前尚还未有明确的界定，可能与土质有关，也可能与外包料的选择有关。Stuyt等[16]对土工织物作为反滤外包料时，建议90/90≥1.0，并且90/90的数值尽量接近可选择范围的上限。显然，此次试验选用的纺黏PP无纺布的孔径是明显偏小的，小孔径决定了其能拦截更大范围粒径的颗粒，造成土壤流失极少，这流出的颗粒对于纺黏PP无纺布来说，属于易流失的细颗粒，但这并没有让纺黏PP无纺布上方形成高透水的粗颗粒骨架，因为其上方土壤的90值变小了，说明有更多的细颗粒在土工布上方汇聚。土颗粒分为黏粒、粉粒和砂粒，当某一范围的颗粒含量增加时，其他范围颗粒的含量会相对减少，纺黏PP无纺布上方土壤中，粉粒的含量是略微增加了，但并不意味着易迁移的细颗粒是粉粒，因为下降后的90值仍处于砂粒的粒径范围内，也就是说，存在部分汇集的颗粒范围在50～76.33m的可能（76.33m为纺黏PP无纺布试验组中土工布上层土壤的最大90值），只是汇聚的细颗粒中，粉粒所占的比例略微大一点。该层土壤中汇聚的细颗粒也只能来自于更上层的土壤。试验选用的热熔纺黏丝无纺布的孔径是符合要求的，在热熔纺黏丝无纺布试验组中，土工布上方土壤的90值变大，说明有较多的细颗粒流出，但从各类颗粒质量占比来看，只有粉粒的含量在明显降低，说明从该土层流出的细颗粒中，粉粒占的比例也是最大的，且粉粒从土层进入到无纺布的量已经远大于上方土层的粉粒进入到该土层的量。

试验选用的纺黏PP无纺布，不仅其等效孔径90普遍偏小，工艺上也导致其光滑程度要高于热熔纺黏丝无纺布。其过小的孔径本就容易将细小的颗粒也拦截住，从而诱导低透水滤饼的形成，而在Luettich等[33]的研究中，光滑的土工织物表面更有利于成片细颗粒薄饼的形成。也就是说，纺黏PP无纺布已经具备了诱导滤饼形成的条件，其上方土壤的90值减小，说明了其容易诱导滤饼形成的趋势已经出现，在Bourgès-Gastaud等[34]的研究中，这种早期形成的滤饼就已经会影响系统的渗透性能，通过表4可以看出，除去土工布R2这个特例，纺黏PP无纺布对流量衰减的贡献度均高于热熔纺黏丝无纺布对流量衰减的贡献度。滤层的形成不仅会影响系统的出流效果，更会增加土颗粒进入土工织物的难度，导致土工织物内部的颗粒截留量在后续的时间内不会增加太多，所以纺黏PP无纺布试验组的土工布淤堵量相对热熔纺黏丝无纺布试验组来说会略微偏小。但根据Bhatia等[35]研究发现，土体-滤层交界面上形成的薄饼比等量细粒淤积在滤层内的透水性危害要大得多，这也是普通PP无纺布总体淤堵量少，但透水效果却普遍偏低的原因。

表6 土工布上层土壤颗粒分析结果

注：90是土壤颗粒中90%的土粒都小于该值的土壤颗粒粒径。

Note:90is soil particle size where 90% of the soil particles are smaller than this value.

土工布FT在亲水处理后，与土工布F2相比，其上方土层的各级颗粒质量占比以及90值均较为接近，说明亲水处理没有改变该种土工布对上方土层颗粒的诱导能力。纺黏PP无纺布在本试验中展现出其容易诱导致密滤饼形成的趋势，导致透水能力下降，亲水处理后没有降低滤饼形成的风险，但有效提高了整体过流效果，说明亲水处理对由于滤饼形成导致透水能力下降的现象有一定的抵抗作用。结合亲水处理前后土工布的淤堵量、土壤流失量、土工布的透水性能和整体流量大小来看，通过提高土工织物材料的亲水性来提高整体过流效果的方式具有一定的可行性，且这种方式没有破坏土工布与土颗粒的相互作用效果，具有一定的实用价值，这为以后暗管外包料选取提供了一种可参考的处理方式。

土工布R1是目前在该灌区用的较多的土工布，在试验中表现出最好的抗淤堵效果和过流能力，仍具有在该灌区长期应用的价值；土工布R4在过流能力和抗淤堵效果上仅次于土工布R1，其市场价格低于土工布R1，推广成本低，在该灌区具有潜在应用价值。

3 结 论

1）土体渗透性降低是导致流量衰减的主要因素，在很大程度上决定了流量的走势，不同土工布与土体的组合决定了整体流量的大小。

2）纺黏聚丙烯（Polypropylene ，PP）无纺布由于其孔径过小质地光滑，有易诱导滤饼形成的风险，整体出流效果均弱于热熔纺黏丝无纺布试验组；孔径和厚度较大的无纺布会截留大量的颗粒，导致织物的透水能力持续变弱，造成整体流量衰减幅度大。这些由土工布引起的整体透水性问题，其对流量衰减的贡献度会更大，但仍不具有主导性。

3）对纺黏PP无纺布进行亲水处理后，能在滤饼形成风险下持续提高系统出流效果，且对土工布的保土效果和抗淤堵能力没有太大影响，通过提高织物材料亲水性来抵抗由滤饼引起的整体透水能力下降是可行的。

4）从不同组合下土工布的反滤能力和长期运行稳定性来看，土工布R1和R4均有不错的效果。

室内试验结果可为田间实际应用提供有价值的参考，但两者之间仍具有差异，建议优先在该灌区进行应用试点。同时，不同工艺无纺布对其他土质的适用性，亲水处理在多年排水应用中的持久有效性，均还要进行更深入更广泛的研究。

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Permeability and anti-clogging performance of geotextile envelope material around subsurface drainage pipe in Yinbei Irrigation District in Ningxia

Rong Zhen1,2, Wang Shaoli2※, Hao Ruixia1, Tao Yuan2

(1.,,030024,; 2.,100048,)

Geotextiles are widely used as envelope materials in the construction of subsurface drainage systems around the world, due to the multiple product series, light weight, and convenient transportation. The complex and diverse soil quality has gradually brought out a wide variety of techniques of geotextiles for subsurface drainage pipe in the agricultural mechanization of China. However, the unreasonable choice of geotextile has resulted in severely clogged pipes of subsurface drainage in many irrigation areas, even prematurely lost the drainage function. It is highly urgent to effectively prevent the drainage pipe from being clogged, and further maintain the stable water permeability in the application of subsurface drainage. Two techniques of geotextile envelope are commonly used at present, including the ordinary spun-bond Polypropylene (PP) nonwoven and hot-melt spun-bonded nonwoven geotextiles. In this study, seven types of geotextiles were selected using two techniques, one of which was soaked with a hydrophilic agent. Taking the soil of Yinbei Irrigation Zone in Ningxia of China as an example, an indoor hydraulic permeability test was carried out to measure the flow attenuation under different geotextile protection. An evaluation was made on the soil-retaining capacity and anti-clogging performance of geotextile. The filtration property of geotextile was also compared before and after hydrophilic treatment. The research results indicated that the permeability coefficients of both soil and geotextiles decreased significantly in the early stage of drainage, resulting in a continuous decrease in the flow rate. There was a much greater decrease in the permeability coefficient, but a much lower impact on the flow rate in the geotextile, compared with the soil. The soil permeability coefficient made a great contribution to the flow change, more than 75% of flow attenuation. In general, the pore size and thickness of geotextile directly determined the soil conservation effect and anti-clogging ability. Correspondingly, large apertures and high thickness of geotextiles led to high soil loss and blockage, thereby deteriorating water permeability in the irrigation areas. Furthermore, there was a decrease in the percentage of soil particle size where 90% of the soil particles were smaller than this value, due mainly to a large number of fine particles intercepted at the junction of geotextile and soil layer in the ordinary spun-bond PP nonwoven geotextiles with relatively small pore size. The formation of dense filter cake was easily induced to result in the reduction of overall outflow in this experiment. As such, the hot-melt spun-bonded nonwoven geotextiles were produced to meet the high requirements given by the Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO). Better water permeability with a high percentage of soil particle size where 90% of the soil particles was achieved, as the active particles increased in the sand content of upper soil, where the larger pore size was easy for the fine particles of soil to flow in. The overall drainage flow increased by about 15% in the ordinary spun-bonded PP nonwoven geotextiles after hydrophilic treatment. Nevertheless, there were better soil retention capacity and anti-clogging performance in the hot-melt spun-bond nonwoven geotextiles before and after treatment, compared with the ordinary spun-bonded PP nonwoven geotextiles. Consequently, the experiment screened out the geotextile envelopes suitable for the soil characteristics of the target area. The finding can provide a sound theoretical basis and technical support for the selection and treatment of buried pipe materials in similar soil irrigation areas.

geotextiles; drainage; experiments; permeability; clogging; hydrophilic treatment

荣臻，王少丽，郝瑞霞，等. 宁夏银北灌区排水暗管土工布外包料透水与防淤堵性能[J]. 农业工程学报，2021，37(8)：68-75.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.008 http://www.tcsae.org

Rong Zhen, Wang Shaoli, Hao Ruixia, et al. Permeability and anti-clogging performance of geotextile envelope material around subsurface drainage pipe in Yinbei Irrigation District in Ningxia[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(8): 68-75. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.008 http://www.tcsae.org

2020-10-01

2021-01-13

国家自然科学基金项目（52079145）；国家重点研发计划项目（2018YFC1508301）；宁夏重点研发计划重大项目（2018BBF02022）

荣臻，研究方向为农田排水与水环境保护技术。Email：rzdyx199578@163.com

王少丽，博士，教授级高工，博士生导师，研究方向为农业水土环境及农田灌排技术。Email：shaoliw@iwhr.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.008

S276.1

A

1002-6819(2021)-08-0068-08