扬州沿运灌区暗管排水土工布外包滤料的水力性能试验研究

张大伟，贾忠华，贺园春，张裕，罗纨

(扬州大学水利科学与工程学院， 江苏 扬州225009)

长江下游稻麦轮作区降雨量大，且集中分布在夏秋之际的水稻生长季.作为一种喜水耐淹的农作物，水稻对于地下排水的要求较低，但近年来农业机械化作业对稻田地下排水提出了更高的要求[1].如2016年秋季水稻成熟期，江苏省多地因为降雨偏多，许多农田土壤过湿导致机械无法下田，造成水稻未能及时收割而大面积减产.目前广泛分布的明沟排水设施，不仅占用耕地面积大，不利于农机作业，而且维护费用高.而在以水稻种植为主的日本，为了改善机械化作业条件，自20世纪70年代起，就在稻田安装了暗管排水系统，便于及时降低地下水位，满足机械下田作业要求，这也将是长江下游水稻种植区未来的发展趋势[2].

为保证暗管具有稳定高效的排水效果，需在穿孔暗管的外围包裹滤料，所选取的外包滤料需具备良好的透水性和抗淤堵能力[3].传统上，反滤层为级配良好的砂石材料；按规范选取的砂石滤层能保证暗管长期稳定的排水效果[4].例如，研究人员对宁夏银北灌区暗管排水运行效果的调查发现，砂砾石级配滤料对不同土壤状况适应性强，在多种质地的土壤中运行7～13 a后均能保证暗管的排水要求[5].不过，砂石滤料成本较高且不利于机械化施工，近年来以新型合成材料土工布作为暗管外包滤层成为一种发展趋势.土工布外包滤料不仅能够节省成本，而且可以预先完成套裹，便于机械化施工，极大地促进了暗管排水技术的推广.但是，土工布外包滤料的使用受土壤特性影响较大，其反滤性能与土壤级配以及土工布自身孔径分布等因素有关.针对不同的土壤粒径选取孔径大小合适的土工布，国内外许多学者做了一些研究工作，提出类型众多的土工布选取准则.现有研究结果表明，粉粒含量较高的土壤对于排水暗管外包滤料的要求也较高；如果选择不当，土工布发生淤堵，就会严重影响暗管排水能力，导致排水系统丧失其功能，形成农田渍害或阻碍田间作业的正常进行.近年来，江苏省扬州市沿运灌区开始探索农田暗管排水系统建设，力求改善作物机械收割条件以及麦作期土壤排水条件.但是灌区土壤中粉粒含量高，黏粒含量少，属于易造成暗管淤堵的土壤，市场上现有土工布是否可有效拦截土壤颗粒，从而保证暗管排水系统的正常运行则需要通过试验研究来进行验证.

因此，文中开展土工布外包滤料的室内水力渗透试验研究，采集研究区典型土壤，选取2种在国内其他地区已有应用的土工布，并与砂滤料进行透水性和抗淤堵性能对比试验，以期为土工布在沿运灌区暗管排水系统建设中的应用提供理论依据与技术支撑.

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤取江苏省扬州市江都区农田水利科学研究站(119°30′E,32°33′N)，取土深度60～90 cm，风干后过2 mm筛剔除粗粒砾石，使用马尔文MS3000激光粒度仪测定土壤粒径组成.图1为土壤的粒径ds分布曲线图.

图1 供试土壤的粒径分布曲线Fig.1 Particle size distribution of tested soil

图中θ累为累积质量百分比，黏粒含量为3.53%，粉粒含量为51.58%，砂粒含量为44.89%(黏粒：<0.002 mm；粉粒：0.002～0.050 mm；砂粒：0.050～2.000 mm)，根据土壤质地分类，供试土壤为砂壤土.排水暗管外包滤料土壤中黏粒含量与粉粒含量的比值小于0.5时，暗管易被移动的土颗粒淤堵.文中供试土壤黏粒含量与粉粒含量的比值仅为0.07，说明其属于易淤堵土壤，对暗管外包滤料的要求较高.

从图1可以看出，供试土壤的粒径分布曲线呈上凹形，其内部结构不稳定，滤层在这种土壤中使用时，发生淤堵的可能性较大；土壤的不均匀系数Cu是土壤d60与d10的比值，反映的是土壤颗粒的均匀程度，Cu>5.0的土称为不均匀土，其大中小粒径相互之间的关系较疏远，在这种土壤中铺设的暗管易被流失土壤淤堵.供试土壤的不均匀系数Cu为10.8，暗管外部应包裹滤料，同时图1显示供试土壤的粒径分布曲线呈上凹形，说明外包滤料被淤堵的风险较大，选取的土工布应当具有良好的抗淤堵能力.文中选取在北方灌区应用较多的2种热熔纺黏丝土工布A和B进行试验，具体参数如表1所示，供试的2种土工布厚度均小于0.5mm，透水性能较好，表中m为质量，d为厚度，O90为有效孔径，P为渗透性.

表1 待测土工布参数Tab.1 Parameters of testing geotextiles

1.2 试验处理设计及数据分析

为了检验、比较土工布的反滤效果，试验共设计3个处理，分别为A(使用土工布A作为反滤层)、B(使用土工布B作为反滤层)、河砂(根据反滤层设计准则，选取级配良好的河砂作为反滤层，其不均匀系数为8).其中河砂是传统使用的反滤材料[6]，文中用来比较土工布滤层的透水性能.

试验所用仪器为自制水力渗透仪，材质为透明有机玻璃，内径10 cm，土壤填充深度30 cm，仪器整体结构如图2所示.试验开始前，在河砂反滤层土柱下方装入10 cm厚河砂，在另外2个土柱的支撑网上分别放置土工布A与土工布B，按照固定干容重1.33 g/cm3(与试验区田间数据相同)分层装填供试土壤，每次装填高度5 cm，如图2a,2b所示；随后密封仪器，自下而上缓慢加入脱气水用以排出土壤中的空气，直至土柱饱和(上下测压管水位齐平时土壤完全饱和).在土柱不同位置安装测压管，用以计算各部分渗透系数.为防止产生虹吸现象，抬起一定高度的软管接出水阀门并在软管内部预先装满水，在土壤充分饱和48 h后，改为自上而下注水，打开出水阀门使渗流从软管流出，试验开始.试验初期每隔12 h测量1次排水流量和测压管水位，用以计算各试验仪器的整体渗透系数.当渗透系数趋向稳定后，改为24 h测量1次，数据连续5 d无变化时结束试验.试验观测从2019年11月至2020年5月结束，历时7个月.试验结束拆除仪器后，将沉积在土工布下侧的土壤取出风干，称重后进行颗粒分析测验.

图2 渗透仪结构示意图Fig.2 Schematic diagram of experimental permeameter

对土工布排水性能的分析，可以通过分析土工布处理的整体渗透系数来实现.图2中，根据土柱不同位置测压管的读数，应用达西定律来计算土工布以及整体土柱的渗透系数.其中，试验系统整体的渗透系数(KT)计算式为

(1)

土工布部分(土工布及其表面1.5 cm土壤)的渗透系数Kg与相对稳定的土壤部分渗透系数Ks进行对比，以进一步探究土工布对于临近土体渗透性的影响.土工布部分渗透系数和土壤部分渗透系数(通过11号与12号测压管测得)计算式为

(2)

(3)

上述式中：KT为整体渗透系数；Q为透过土柱的流量，cm3/s；H为测压管的水头，cm；L为整个土柱高度;Lg为土工布+1.5 cm土壤；Ls为11与12号测压管之间的27 cm土壤高.为了便于分析，将K的单位由cm/s转化为m/d.

2 试验结果与分析

2.1 不同处理导水性能变化

图3为3种反滤材料处理的试验系统整体渗透系数变化情况.试验时间共计210 d，在试验进行至100 d时，3个处理的渗透系数均达到稳定状态；处理A的整体渗透系数稳定在0.013 9 m/d，为初始值的54.1%；处理B的整体渗透系数稳定在0.008 2 m/d，仅为初始值的30.2%；河砂处理的整体渗透系数稳定在0.011 5 m/d，为初始值的46.1%.其中，表现较好的土工布A是河砂的121.0%，而土工布B仅为河砂的71%.如果以河砂为参照，可以认为厚度较大、开孔率稍小的土工布A的透水性能最好.在随后的110 d中数据未发生变化.

图3 测试系统整体渗透系数随时间的变化Fig.3 Change of overall hydraulic permeability coefficient of test system with time

从图3可以看出，3个处理的整体渗透系数均在排水初期发生了较大程度的衰减，试验进行至第5 d，处理A、处理B和河砂处理的整体渗透系数较初始值分别下降了16.6%，44.3%和28.4%；而当试验进行至100 d时，各处理的渗透性趋于稳定，3个处理的整体渗透系数在随后的5 d里仅变化了0.2%,0.5%和0.1%；试验进行至210 d时，各处理的整体渗透系数与100 d时持平，这表明选用的2种土工布与河砂滤层最终均能达到稳定状态，即均能与土壤形成稳定的结构，保证整体渗透系数保持在一定水平.

2.2 土工布抗淤堵性能变化

上面列出的整体渗透系数反映了试验阶段土样的整体表现，而实际影响反滤效果的却是反滤层附近土壤(包括反滤材料本身)性能的变化.本研究在土工布上方增设了测压管(图2中的12号)，用以计算土工布和其上1.5 cm厚的土壤的渗透系数.图4为各处理土工布部分与土壤部分的渗透系数变化.稳定后处理A的土工布部分渗透系数为0.009 6 m/d，而处理B土工布部分的渗透系数仅为0.001 2 m/d.

图4 处理A和B的整体、土壤和土工布部分渗透系数随时间的变化Fig.4 Change of hydraulic permeability coefficient of whole, soil and geotextiles of treatments A and B with time

相比于整体渗透性的研究，对土工布部分渗透性的研究能更好地反馈土工布的透水性能和抗淤堵能力.文献[7-8]在各自的试验中，都增设了用以计算土工布部分渗透系数的测压管，发现土工布部分的渗透性变化极大程度影响了排水系统整体的透水性.陈星柏[9]在对土工布渗透性准则的研究中指出，当土工布部分与土壤部分的渗透性比值(Kg/Ks)大于0.100时，该土工布不会给排水系统带来较大危害，且比值越大则土工布的透水性能越好，处理A与处理B的Kg/Ks比值分别为0.905和0.115.这显示了土工布A能够形成更好的反滤保护，在研究区土壤中具有更好的抗淤堵能力和透水性能.土工布B虽能满足排水标准的要求，但相较土工布A，仍然存在较大的堵塞风险.

在处理A中，整体、土壤和土工布这3部分的渗透系数变化规律基本一致，且整体和土壤的数值较为接近，这表明主导处理A整体渗透系数变化的因素是土壤的渗透系数，而土工布部分渗透性与土壤变化一致，说明土工布A对局部渗透性的影响很小，渗透性变化主要来自于1.5 cm厚的土壤，土工布并未产生较大程度淤堵；土工布部分渗透性低于土壤部分是因为该部分1.5 cm厚的土壤位于土柱最下层，受土壤固结的影响较大.但在处理B中，土工布部分渗透系数变化与土壤和整体不同，该部位受到土工布的影响较大，主要是由于土工布B的使用过程中产生较大程度的淤堵，对渗透性的影响因此较大.

2.3 土工布淤堵及对反滤性能的影响

被保护土壤的颗粒在水流作用下产生移动，一部分穿过土工布进入排水系统，而另一部分则被土工布截留.这些被截留的土壤颗粒，以2种形态存在：① 淤堵，细土粒淤堵在土工布的内部，减少其透水面积；② 淤塞，土粒聚集在土工布迎水面，形成一层透水性较低的滤饼.无论是哪种形态，均会对处理整体的透水性产生一定程度的影响，在土工布的选取中，应探查这2种情况发生的程度.因此在试验结束后，轻取土工布做进一步分析，发现在土工布迎水面的土壤在土工布取下后会与其紧密结合在一起，且结构较为稳定，如图5a所示.图5b，5c，5d是通过扫描电子显微镜SEM观察到的土工布表面及内部结构，微米级视图显示选用的土工布孔隙会被细小土颗粒组成的团簇结构淤塞和淤堵，土工布过水面积减少.但从图5b和图5d也可以看出，结构稳定后的土壤颗粒并不会完全堵死选用的2种土工布，仍有大量孔隙保留.

图5 土工布电子显微镜扫描图和表面滤饼图Fig.5 Electron microscope scanning pattern and surface filter cake diagram of geotextile

将土工布迎水面的土壤轻轻刮下，使用激光粒度仪进行颗粒分析，结果如表2所示,表中γ为粒径级配.土工布A与土工布B表面土壤中的细颗粒增多，黏粒和粉粒总含量分别高于原装土壤36%和40%，这主要是因为土壤固结的影响，但土工布B表层的土壤更加密实，低透水性滤饼存在的可能更大.胡丹兵等[10]在其研究中发现，距离土工布1 cm处土壤中的细颗粒显著增加，0.05 mm以下土颗粒含量较原装土多了20%，同时发现细颗粒淤积形成的淤堵层渗透性下降幅度较大，仅为初始值的10%.而根据WEGGEL等[11]的研究结果，在土工布上方形成的滤饼会持续吸纳更小粒径的颗粒，其厚度随时间推移而逐渐增加，透水性也随之逐渐减少.本研究中，土工布B表面土壤更加密实，滤饼使整体渗透性大幅度下降的风险较大，这也与其土工布部分较低的渗透性表现一致.

表2 滤饼的土壤颗粒分析结果Tab.2 Analysis results of soil particles of filter cake

取出土工布后，自然风干并测量其质量变化，表3为测定结果,表中m初为土工布初始质量，m后为淤堵后质量，m淤为淤堵量,ω淤为淤堵率.土工布A和土工布B均发生淤堵，2种土工布的淤堵率分别为21%和37%.相比于土工布B，厚度较大的土工布A在沿运灌区土壤环境下具备更好的抗淤堵能力.鲍子云等[5]在对暗管外包料应用效果的实地调查中发现，经过4 a的使用，淤堵率在70%～80%的几种土工布依旧保持良好的透水性能，所包裹暗管仍能够满足田间排水需求.因此可以认为，本研究选用的2种土工布淤堵率均保持在可接受范围内，能够满足暗管的排水需求.

表3 供试土工布淤堵率Tab.3 Blockage rate of test geotextile

选取土工布时需参照土工布的选取标准，也就是根据土壤粒径选取合适的土工布孔径，来满足实际工程中土工布的透水要求和抗淤堵要求.而值得注意的是，相关研究指出等效孔径O90与控制粒径d90太过于接近时，土工布被淤堵的风险会大幅度提高[10].文中，土工布B的等效孔径为227 μm，而供试土壤的控制粒径为225 μm，存在较大的淤堵风险，尤其是在长期使用后.

对于土工布B，较高的淤堵率是否是其表面土壤更为密实的主要原因还有待考证，但对比土工布A，土工布B更高的淤堵率和更为密实的土壤直接导致其土工布部分渗透性大幅度降低.土工布部分的厚度虽然仅有1.5 cm，但该部分土工布和滤饼的存在，使得其透水性在很大程度上影响着处理整体的透水性.

3 结 论

1) 长期运行后，土工布A和土工布B均保持良好的透水性能，对应处理整体渗透系数分别为初始值的54.1%和30.2%，而使用河砂滤层的处理整体渗透系数为初始值的46.1%，这表明厚度较厚、开孔率较小的土工布A透水表现最好.

2) 土工布在使用过程中，会产生2种状态的淤堵，第一种是土工布自身的淤堵，土工布内部被土壤颗粒占据，透水面积减小；第二种是土工布引起的淤堵，未穿过土工布的土粒堆积在土工布表面，并与土工布紧密结合，形成致密的滤饼.文中土工布B这2种淤堵的程度均高于土工布A，在试验区土壤中，土工布A具有更好的抗淤堵能力.

3) 由于土工布B的等效孔径与控制粒径大小太过相近(O90/d90=1)，该土工布发生了较高程度的淤堵，因此在使用土工布B的处理中，土工布部分的渗透系数仅为处理A土工布部分的13%，整体渗透系数也仅为处理A的59%.根据室内试验的结果，土工布A相比土工布B具有更好的透水性能和抗淤堵能力，该结果可为田间实际应用提供有价值的参考.