复合型暗管外包滤料防淤堵试验研究

马明泽，王红雨，2，3，李 杰，金铭锐，马俊毅，郭丽平

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021；3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川 750021）

0 引 言

宁夏引黄灌区受干旱、半干旱环境影响，灌溉水资源弥足珍贵，开源节流是当地落实现代农业灌区高质量发展的重要保障。在农田排灌工程中，暗管排水是一种能够有效治理农田盐碱化、消除旱涝、防止地下水位抬升的办法，在国内外已经取得了广泛应用。Youngs，Fawzi S等[1,2]通过在土柱试验中设置一定厚度的砂滤料，证实了在暗管外敷裹滤料，可增加暗管的有效排水半径，抵消管道附近的水头损失，防止暗管淤堵。Dierickx等[3]通过模拟排水暗管的对称径流，认为暗管附近出现的高水力梯度是引发淤堵风险的主要原因。Lennoz-Gratin等[4,5]通过渗透试验，认为应该在排水暗管周围设置一定厚度的滤料来防止土壤入侵管道，并对土工织物浸水后的反滤特性进行了测试，提出了土工织物的常见淤堵类型。余安仁等[6]通过田间试验，对暗管外包滤料的常用材料及不同外包滤料的性能进行了对比，结果表明设置外包滤料的确能提高排水暗管的透水性能，且外包滤料的渗透系数对暗管的透水性能影响显著。暗管外包滤料的材料主要有土工布、砂滤料、有机滤料等[7,8]，主要结构形式包括仅敷裹土工布、仅敷裹滤料、敷裹土工布再外填滤料等[9,10]。

我国灌区排水再利用具有较大潜力，王少丽等[11]在灌区回归水研究中提出，排水流量及排水水质等因素是其主要研究内容。陶园等[12,13]基于室内土柱试验，依据太沙基准则，提出了改进暗排的外包滤料铺设方式，不仅能够减少土工布淤堵，同时能够防止或减缓流量衰减。李杰等[14]通过试验得到了一种满足净化水质要求的土工布+“炉渣秸秆混掺”铺设方案。以往的研究重点通常从提高排水流量或排水水质的角度出发，材料方面仅针对土工布或滤料进行研究，而并未综合分析吸附性滤料在净水前提下的防淤堵效果，以及土工布和滤料结合条件下的防淤堵机理。暗管排水再利用研究表明，不铺设外包滤料时，暗管淤堵风险较大，铺设反滤料后效果较好，铺设土工布+滤料时效果最佳，使用吸附性材料代替部分滤料，则能同时起到净化水质的效果。因此，研究土工布+滤料（以下简称复合型外包滤料）这一结构形式的防淤堵机理，对暗管排水再利用而言尤为重要。

本文聚焦灌溉回归水再利用问题，以宁夏银北引黄灌区农田暗管排水循环利用为研究对象，针对复合型暗管外包滤料，选用砂滤料、炉渣以及沸石为材料，结合当地常用管壁外裹土工布，构造排水暗管的复合型外包滤料结构，进行防淤堵试验，提出了一种改进梯度比方法，用于分析土工布和滤料复合构成的暗管外包滤料的反滤效果以及防淤堵情况，研究工作为暗管排水再利用提供了参考依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验土壤的物理参数

试样土壤取自银川农田排水暗管施工布置现场，见图1，取土深度为地表下0.8～1.2 m，测得土壤容重为1.51 g∕cm3。

图1 银川农田排水暗管施工布置现场Fig.1 Construction site of drainage pipes in Yinchuan

通过BT-2003型激光粒度分布仪对原状试样土壤进行分析，得到该地区土壤粘粒（颗粒直径小于2 µm）含量为6.01%，粉粒（颗粒直径介于2～50 µm）含量为45.57%，砂粒（颗粒直径大于50 µm）含量为48.42%，d60=80.335 µm，d10=6.280。由于试样土壤粘粒含量小于15%，砂粒含量大于50%，且粘粒与粉粒含量比值为0.13小于0.5，不均匀系数Cu值为12.79，介于5～15之间，说明土壤易流失，暗管周围存在一定淤堵风险，见图2。

图2 土壤级配曲线Fig.2 Curve of soil gradation

1.1.2 外包滤料的物理参数

根据宁夏银北灌区实际工程经验以及试样土体的颗粒级配，并结合回归水再利用问题，选用型号为SF27的聚丙烯（PP）无纺布，以及砂砾石（编号S）和两种具有吸附性质的滤料，沸石滤料（编号F）和炉渣滤料（编号L）为暗管外包材料，见表1和表2。滤料应具有从最大到最小颗粒的所有尺寸，为确保滤料具有良好级配，滤料应满足不均匀系数Cu＞4，由原土同外包材料直径之间的级配关系，确定滤料的级配[15]。

表1 土工布参数Tab.1 Parameters of geotextile

表2 滤料参数Tab.2 Parameters of filter media

1.2 试验装置

试验装置为一维常水头渗透装置，参考了国内研究暗管排水外包滤料的常用装置[16]，经课题组同上海大有仪器设备有限公司共同设计研制，见图3。

图3 一维常水头渗透装置Fig.3 One-dimensional soil column test device

该装置上下部分通过法兰盘进行连接，主体由亚克力圆筒、透水孔板、供水箱、溢流孔、测压管及排水口等结构组成，上方圆筒用于放置外包滤料及试样土体，通过供水箱及溢流孔进行供水并保证水头稳定，下方封底圆筒用于排水。上部结构设置有1个溢流口，距离法兰盘62 cm，4个测压管，从上往下距离下方法兰盘分别为32、22、12、2 cm，下部结构设置有1个测压管，距离下方法兰盘1 cm，用于测量渗透装置工作时不同位置处的水头值，5个测压管自上而下分别标号为0～4号。

梯度比准则又名淤堵准则，由美国陆军兵团提出[17]，梯度比（GR）表示下层土工织物同上层土体的渗透能力的比值，即：GR=J土工织物∕J土，该准则规定，在连续进行24 h渗流后，土工织物与其上方土体的GR值必须小于3，否则不满足防淤要求。利用图3所示的装置，进行土柱渗透试验，并通过梯度比准则分析土工布的淤堵情况。

1.3 试验方案及数据处理

试验分4组，分别按照土工布、滤料、填土的顺序依次添加，见表3、图3。铺设好土柱后，待水头稳定且测压管内无气泡产生，开始观测并记录试验过程中各处测压管的水头及流量，每隔2 h进行一次读数，每组试验持续90 h，得到各处测压管读数，并对试验结束后附着在土工布处的土壤重量进行测定。

表3 试验方案Tab.3 Test scheme

为分析复合型外包滤料防淤堵的情况，同时兼顾到土工布上方一定厚度的砂滤料或沸石炉渣滤料，参考刘胜等[18]在砂垫层-土工织物复合滤层反滤特性试验研究中的梯度比定义，根据复合型外包滤料及其上方原土不同部分的位置及测压管编号，定义GR如下：

式中：J1-2为测压管1号同测压管2号之间的水力梯度，以此类推。

公式（1）、（2）表示土工织物同上方不同厚度土体的梯度比，分别考虑了将上方滤料及原土看作一体、将上方滤料单独看为一种土体的情况。公式（3）、（4）分别表示滤料同上方原土的梯度比、复合型外包滤料同上方原土的梯度比。

2 复合型外包滤料的反滤特性

2.1 不同方案的梯度比特征

试验设计包含仅铺设土工布以及3种复合型外包滤料，考虑土工布部分、滤料部分以及复合型外包滤料整体部分，通过分析不同部分的GR值，得到在复合型外包滤料的情况下，土工布及滤料部分的作用及权重。

2.1.1 土工布同上方土体的梯度比

从图4可以看出，试验T0中，GR134、GR234均呈现上升趋势，且GR234在60 h左右时数值＞1，说明土工布开始发生了轻微淤堵。试验TS中，GR134、GR234均＜1，且保持稳定，说明土工织物反滤性能良好。试验TF、TL中，GR134、GR234均呈现下降趋势，由于沸石及炉渣内部缺少细小颗粒，因此渗透系数一开始相对较大，导致GR初始值均＞1，随时间推移，逐渐＜1，说明上方发生了细颗粒流失。

图4 土工布同上方土体的梯度比Fig.4 Gradient ratio of geotextile to soil above

2.1.2 滤料（或最下方土体）同上方土体的梯度比

由公式（3）、（4）可得：

式（5）为复合型外包滤料同单独滤料的GR比值，α为复合型外包滤料的水力梯度J2-4同滤料的水力梯度J2-3的比值，试验结束时，由试验结果得，试验TS、TF、TL的α平均值分别为0.77、0.91、0.98，α值越小，表明复合型外包滤料整体的渗透系数相较于单独滤料的渗透系数越小。

从图5可以看出，试验TS的GR124、GR123值均小于1，且保持稳定，说明滤料反滤性能良好，试验TF的GR124、GR123值在1左右，基本保持稳定，试验FL的GR124、GR123均呈现上升趋势，且数值较高。

图5 滤料同上方土体的梯度比Fig.5 Gradient ratio of filter material to soil above

2.1.3 复合型外包滤料中各部分权重

复合型外包滤料的GR124包含了土工布及滤料，而GR134和GR123分别仅为单一的土工布或砂滤料。为探究三者关系，确定各部分在复合型外包滤料的反滤工作中具体发挥的作用及权重，对各部分GR值的进行了权重拟合。由表4可得，在数值上，GR123占比更大，而GR134占比较小。GR123占比越大，说明滤料部分的水力梯度越高，一方面说明滤料对下部土工布起到了保护作用，一方面也说明滤料的水力梯度占复合型外包滤料总体的水力梯度比例也越大。

表4 各部分权重拟合Table 4 Weight fitting of each part

除试验T0的GR134＞GR124＞GR123外，其余几组复合型外包滤料方案的GR124均略小于GR123。

综合分析各部分权重及具体GR值，试验TS的GR123占比在77%左右，GR134占比几乎为0，且各部分GR值都在0.1左右，说明这一组的反滤效果最优，砂滤料对下方土工布起到了保护作用，土工布上方及内部均几乎无细颗粒残留，砂滤料起到了良好的滤水保土作用，而土工布也反过来保护了砂滤料的细颗粒未发生流失。

李识博等[19]对西藏山南地区水库坝基材料进行渗透淤堵室内试验，结果表明，粒径为0.075～0.500 mm淤堵材料的颗粒流失量较多。试验TF的GR123占比在89%左右，由于TF方案中滤料中小于0.5 mm的颗粒含量略低于试验TS，因此考虑沸石上方填土发生了细颗粒流失，而沸石内部发生了细颗粒堆积，但试验结束时GR134＜1，说明此时土工布还未发生淤堵。

试验TL的GR123占比在92%左右，结合其本身级配缺少细小粒径，考虑炉渣内部发生了较大的细颗粒堆积，试验结束时GR134＞1，但远未达到3，因此未发生严重淤堵。

2.2 不同方案的流量衰减度

定义流量衰减度为某一时刻的排水流量与初始流量的差值，同初始流量的比值。排水90 h后，T0、TS、TF、TL方案的流量衰减度分别为59.36%、35.94%、51.43%、52.26%，见图6。可以看出，TS、TF、TL防流量衰减度均优于T0，但TS更优，流量衰减度最低。

图6 各组流量衰减度Fig.6 Flow attenuation of each scheme

2.3 不同方案的土工布淤堵量

图7为土工布在试验前后的状态。试验前，T0、TS、TF、TL三组试验所用土工布经称重，质量分别为2.835、2.830、2.833、2.829 g，试验结束后取下4组土工布，分别在晾晒后进行称重，质量分别为5.301、3.243、3.583、3.751 g。可见，TS、TF、TL方案防淤堵效果均优于T0，但TS效果更优，土工布淤堵量最小。

图7 土工布试验前后状态Fig.7 The state before and after the geotextile test

使用砂滤料作为外包滤料时，主要依靠自身的孔隙来过滤土壤颗粒；而在使用土工布作为外包滤料时，土工布附近粒径较小的土壤颗粒会随水流穿过土工布或停留在土工布内部，从而在土工布上方形成一个粗粒架空层[20]。

基于以上试验结果及分析，复合型外包滤料防淤堵效果均优于仅铺设土工布的效果，但TS方案防淤堵效果更优，其次是TF方案，与实际情况吻合。

梯度比（GR）为土工织物上下临界处的水力梯度与其相邻上部范围内的土体的水力梯度的比值。随着时间推移，GR≤1且保持稳定，说明土工织物反滤性能良好，GR＜1且数值呈下降趋势，表明存在了管涌通道，发生了细颗粒流失，GR＞1表明土工织物处的水头损失较上部土体的水头损失大，已经开始发生淤堵，当GR呈现增长趋势时，说明淤堵情况加剧，当GR＞3时，说明土工织物处已经严重淤堵，甚至淤堵失效。用梯度比准则作为判断土工织物淤堵的标准是较为合理的，但将砂滤料看为一种土体时，多种类型的土体之间颗粒移动引起的水头损失的变化有时并不符合该准则的GR＞3要求，甚至梯度比变化也不一定呈现增长趋势[21]，佘巍等[22]对梯度比公式进行了修正，考虑了织物受拉、砂砾层对渗流的阻碍等外在因素，而对于复合型外包滤料而言，还需进行改进适配。

3 改进梯度比方法

传统的判断方法往往依靠流量衰减度等方法，对滤料整体的渗流情况进行分析判断，冯梦珂等[23]通过暗管排水野外试验发现，有效半径公式不适用合成外包材料。而梯度比准则虽然可以针对土工织物进行淤堵分析，却无法对复合型外包滤料的整体进行淤堵分析。

因此根据表4的分析，提出一种改进梯度比方法，考虑滤料及土工布在复合型外包滤料中的水力梯度占比，用以对复合型外包滤料的淤堵情况进行判断：

式中：GR复合为复合型外包滤料的拟合梯度比；GR123为滤料同上方土体的水力梯度比；GR134为土工布同上方滤料及土体的水力梯度比；a0为误差值。

当GR复合值≤1，且保持稳定时，表明复合型外包滤料的反滤性能良好；当GR复合值＞1时，表明复合型外包滤料内开始堆积细颗粒，当呈现增长趋势时，表明细颗粒正在不断堆积；当GR复合呈现下降趋势时，表明上方土壤发生了细颗粒流失（见图8）。

图8 各组复合型外包滤料的GR复合Fig.8 GR of each group of composite filter media

试验TS，GR复合＜1且保持稳定，表明土工布+砂滤料方案反滤性能良好；试验TF，GR复合值≈1，且保持稳定，表明土工布+沸石方案反滤性能较好；试验TL，GR复合在6 h后＞1且呈上升趋势，表明细颗粒正在不断堆积，说明滤料保土性较差，有淤堵风险。

4 分析与讨论

灌区回归水再利用的研究中，往往排水水质、排水流量等因素是主要研究内容[11]，这要求排水暗管的外包滤料需能同时满足净水、排水滤土的功能。就土工布+滤料的复合型外包滤料而言，要满足其净水功能，文中考虑增加沸石、炉渣等吸附性材料作为滤料部分，以突出其净化水质功能。因此，根据试验结果，提出了一种针对复合型外包滤料的防淤堵判别方法，并对砂砾石复合外包滤料和吸附性复合外包滤料的防淤堵性能的差异及其工作机理，进行了分析与讨论，确保吸附性材料与传统砂滤料的基本功能一致。

4.1 复合型外包滤料的防淤堵判别方法

对土工织物而言，传统的防淤堵判别方法主要为梯度比准则，对于滤料部分而言，可通过对其渗透系数、渗流流量等数据的变化对其是否发生淤堵进行分析判断。刘胜等[18]在对砂垫层-土工织物复合滤层反滤特性试验研究中，将砂垫层同土工织物看做整体，同复合滤层上方不同高度的土体进行了梯度比计算分析。目前梯度比准则用于分析土工布的防淤堵情况已经得到了很好的应用及验证，但对于复合型外包滤料，需探究清楚土工布及滤料部分在复合型外包滤料中各自的实际情况，进一步改进后再应用，见图9。

图9 各组复合型外包滤料的整体及部分的GRFig.9 Overall and partial GR of each group of composite filter media

三组复合型外包滤料中土工布部分通过传统梯度比准则进行分析时，其GR值均小于等于1，或在1附近浮动。但复合型外包滤料整体同上方土体的GR比值和滤料部分同上方土体的GR比值在数值及随时间的趋势上呈较大相关性，尤其是试验TL，其滤料部分的GR呈现增加趋势，导致复合型外包滤料整体的GR也呈现了增加趋势。由此分析，在复合型外包滤料的防淤堵判别方法中，应综合考虑土工布及滤料两部分的工作情况，其中滤料部分对整体滤料的影响较大。

因此，在原有梯度比准则的基础上，本文考虑土工布和滤料分别对整体滤料的影响比重，再计算复合型外包滤料整体的水力梯度同上方土体的水力梯度比，从而分析得到复合型外包滤料的防淤堵效果，通过试验数据的拟合情况，建议滤料部分同土工布部分的比例为8∶2，见式（6）。目前还未有一种普遍方法能对复合外包滤料防淤堵的情况进行分析计算，而改进梯度比方法恰将梯度比准则的应用扩展到了复合型外包滤料的防淤堵评价，使其应用领域更广泛，应用方式更合理。

4.2 砂砾石和吸附性复合外包滤料的防淤堵性能对分析

砂砾石复合外包滤料以及吸附性复合外包滤料同仅铺设土工布相比，均能对土工布起到良好的保护作用，见图4，但整体防淤堵性能仍存在一定差异。

虽然试验中所选的3种复合型外包滤料的防淤堵效果均优于仅铺设土工布，但是三者之间的防淤堵效果还是表现出一些细微差距，试验表明由砂砾石滤料组成的复合外包滤料优于两种吸附性材料复合外包滤料，而吸附性材料复合外包滤料中沸石的优于炉渣材料。考虑为以下两点：①试验TL、TF方案中由于材料限制，相较试验TS方案缺少0.5 mm以下粒径的颗粒，造成了上方土体的细颗粒向下运移堆积；②试验TF方案优于TL方案，考虑是由于沸石形状接近砂滤料，而炉渣表面存在更多孔洞，形状不规则，比表面积大，造成了更多的细颗粒的堆积。因此，当使用沸石、炉渣等吸附材料代替砂砾石时，应满足滤料的级配条件，在Cu＞4的同时不宜缺少小粒径滤料。

从防淤堵的角度而言，选用炉渣滤料的TL方案较逊于TS、TL方案，但李杰在净化水质选型试验[14]中得到的结果表明，炉渣的比表面积大，对离子的吸附能力较强，试验开始2h 时盐分去除率达到最大 44.3%，而在整个过滤周期内，沸石对过滤水中的盐分吸附能力最弱，盐分去除率最大仅为7.1%。因此，对于吸附性复合外包滤料而言，还需进一步的研究分析。

4.3 吸附性材料复合外包滤料防淤堵的工作机理

图10所示，土工布的物理淤堵情况主要有3种[18,20]：与土工布有效孔径尺寸相似的颗粒停留在土工布表面，减少其有效过水面积，形成堵塞；比土工布有效孔径尺寸小的颗粒停留在土工布内部，降低土工布透水能力，形成填塞；土颗粒在土工布上方形成透水性差的滤饼，形成闭塞。

图10 土工布的几种物理淤堵情况Fig.10 Several physical clogging conditions of geotextile

通常情况下，滤料可以通过用自身的有效孔隙达到反滤效果[12,24]，当上方土体中的部分细颗粒进入滤料内部后，较粗的颗粒会在滤料上方形成有效孔隙更小的结构，最终达到稳定。

同砂滤料复合外包滤料防淤堵时的工作原理相似，吸附性复合外包滤料中的吸附性滤料将土工布与土体分隔，避免了土工布与土颗粒的直接接触，从而有效保护了土工布，避免或减轻其反滤时可能产生的淤堵情况，反过来，土工布又对滤料中的细颗粒起到了保护作用，使其不发生流失，见图11。至于吸附性滤料比表面积大，净化水质效果好，但防淤堵弱于传统砂滤料的情况还有待于进一步研究。

图11 吸附性材料复合外包滤料防淤堵的工作机理Fig.11 Anti-clogging mechanism of adsorptive material composite filter material

5 结 论

采用复合型外包滤料结构作为暗管外包滤料时的防淤堵效果较好；改进梯度比方法用于分析判断暗管外包滤料的淤堵性状是可行的。

（1）综合分析各方案的梯度比特征、流量衰减度以及土工布淤堵情况，结果表明三种复合型外包滤料对防止土工布淤堵均有较好效果，其中，TS方案最优。

（2）复合型外包滤料可以使用沸石、炉渣等吸附材料代替砂砾石，但应满足滤料的级配条件，在Cu＞4的同时不宜缺少小粒径滤料。

（3）提出了一种改进梯度比方法，考虑了土工布及滤料在防淤堵时各部分GR所占的权重，并以此分析了复合型外包滤料的防淤堵情况。作为复合型外包滤料防淤堵分析方法而言，改进梯度比方法可以为更多分层结构形式滤料的防淤分析提供参考价值。