榮 臻，王少麗，郝瑞霞，陶 園

·農(nóng)業(yè)水土工程·

寧夏銀北灌區(qū)排水暗管土工布外包料透水與防淤堵性能

榮 臻1,2，王少麗2※，郝瑞霞1，陶 園2

（1. 太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2. 中國水利水電科學(xué)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穩(wěn)定的透水性，是暗管排水應(yīng)用中亟需解決的問題。為了深入理解排水暗管土工布外包料透水與防淤堵性能，該研究選取了常用的7種土工布，其中3種紡黏聚丙烯（Polypropylene，PP）無紡布，4種熱熔紡黏絲無紡布，并對其中一種布進(jìn)行親水劑浸泡處理。以寧夏銀北灌區(qū)土壤為例，基于室內(nèi)土柱試驗(yàn)，依據(jù)達(dá)西定律，分析不同土工布防護(hù)措施下系統(tǒng)的流量衰減過程、土工布的保土能力以及防淤堵性能，并對比分析了親水處理后土工布的反濾效果。結(jié)果表明，在排水初期，土體和土工布的滲透性下降，導(dǎo)致系統(tǒng)的排水流量持續(xù)變小，土體滲透性的變化會(huì)成為影響流量變化的主導(dǎo)因素，對流量衰減有75%以上的貢獻(xiàn)度。土工布在親水處理后，整體排流量提高了15%左右，其保土能力和防淤堵效果處理前后變化不大。針對該土質(zhì)，熱熔紡黏絲無紡布的反濾效果要明顯好于紡黏PP無紡布。試驗(yàn)篩選出了適合該地區(qū)土壤特性的土工布，為相似土質(zhì)地區(qū)暗管外包料的選擇和處理方式提供了理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

土工布；排水；試驗(yàn)；滲透性；淤堵；親水處理

0 引 言

寧夏銀北灌區(qū)地處寧夏河套灌區(qū)賀蘭山東麓銀川平原的北部和鄂爾多斯臺(tái)地西緣的高階地上，總土地面積為4 310 km2。其氣候干旱地形復(fù)雜，以前修建的灌排工程落后且老化失修，部分地區(qū)排水不暢，土地鹽堿化嚴(yán)重。為解決土壤鹽堿化問題，20世紀(jì)80年代中期，該灌區(qū)開始引進(jìn)暗管排水技術(shù)并開展工程示范與試驗(yàn)研究。經(jīng)過近40年的應(yīng)用研究，暗管排水已經(jīng)成為解決寧夏銀北灌區(qū)鹽漬化危害的首選方案[1]。暗管排水的持續(xù)性與其外包濾料的選擇密切相關(guān)，因該地區(qū)土壤質(zhì)地均一，粉砂顆粒含量高，對外包濾料有著較高的要求。近年來，化纖工藝的發(fā)展推動(dòng)了土工織物工藝和種類的多樣化，找到一種適合當(dāng)?shù)赝寥捞攸c(diǎn)、價(jià)格合適的外包濾料，這對于暗管排水在當(dāng)?shù)氐耐茝V具有重要的意義。

隨著波紋塑料管的應(yīng)用和自動(dòng)挖溝鋪管設(shè)備的發(fā)展，采用經(jīng)濟(jì)適用的與現(xiàn)代化施工設(shè)備相配套的外包料已成為必然的發(fā)展趨勢[2-4]。土工織物由于其產(chǎn)品系列多、性能穩(wěn)定、質(zhì)輕、運(yùn)輸施工方便等優(yōu)點(diǎn)，逐步成為取代砂石外包料的防淤堵措施，以減緩暗管排流量衰減速度，延長暗管的使用壽命[5-6]。土工布不僅本身具有一定的反濾效果，它還會(huì)對靠近的土顆粒進(jìn)行篩選，誘導(dǎo)上方土壤形成天然濾層。在水流作用下，大顆粒會(huì)被攔截在外，累積成反濾結(jié)構(gòu)，細(xì)小的顆粒會(huì)穿過土工織物造成流失，而被截留在土工布內(nèi)的則會(huì)形成堵塞[7-9]。土工布的堵塞或者濾餅的形成都會(huì)導(dǎo)致排水系統(tǒng)整體滲透性降低[10-11]。當(dāng)滲透性下降到排流量達(dá)不到要求時(shí)，暗管排水也就失效了，但這個(gè)過程一般要經(jīng)過較長時(shí)間[12-13]。淤堵是一個(gè)長期累積的動(dòng)態(tài)過程，挖溝鋪管后，土顆粒在水流作用下遷移和重新排列，淤堵就開始產(chǎn)生[14-15]。但外包料的淤堵是否始終會(huì)成為影響流量變化的主導(dǎo)因素，還未出現(xiàn)相關(guān)的研究；如何在淤堵發(fā)生下持續(xù)提高系統(tǒng)的透水效果，也鮮有相關(guān)報(bào)道。而且，國內(nèi)用于暗管外包料的土工布工藝多種多樣，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，不同工藝土工布的適用性還有待商榷。

為解決以上問題，本文以該灌區(qū)土壤為例，基于2種土工布工藝，選取已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用的7種土工布，利用室內(nèi)土柱試驗(yàn)，對不同土工布防護(hù)措施下的流量衰減過程進(jìn)行分析，探究鋪管初期影響流量的因素，并對其中一種土工布進(jìn)行親水劑浸泡處理，探究持續(xù)提高織物透水能力對提高整體過流效果的有效性，以期為相似土質(zhì)地區(qū)暗管外包料的選擇和處理方式提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤顆粒組成與級配

土壤的顆粒組成是選擇土工布作為排水暗管外包濾料的重要參考指標(biāo)。根據(jù)聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織的土壤粒徑劃分標(biāo)準(zhǔn)，將土壤顆粒細(xì)分為黏粒（粒徑小于2m）、粉粒（粒徑2～<50m）和砂粒（50～2 000m）[16]。一般認(rèn)為，當(dāng)土壤中的黏粒含量在20%～30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），或者土壤中的黏粒含量與粉粒含量的比值大于0.5時(shí)，暗管周圍就能形成有效的天然反濾層，來降低暗管被淤堵的風(fēng)險(xiǎn)[17-18]。

試驗(yàn)所取的土來自銀北灌區(qū)平羅縣渠口鄉(xiāng)農(nóng)耕地，在暗管埋設(shè)深度1.2 m處取土。對土進(jìn)行研磨后，通過1 mm篩進(jìn)行篩分，剔除根系石塊，然后通過激光粒度儀測定土壤粒徑組成。測試得出，土壤的黏粒、粉粒和砂粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.36%、69.39%和27.25%。黏粒的含量非常低，且黏粒含量與粉粒含量的比值為0.05，遠(yuǎn)小于0.5，土壤的粘結(jié)性較低，暗管被淤堵的風(fēng)險(xiǎn)較大。

土壤的不均勻系數(shù)C是土壤的60與10的比值[19]，能夠反映土壤顆粒的均勻程度，其中10和60是土壤顆粒中10%和60%的土粒都小于該值的土壤顆粒粒徑。該土壤的10和60分別為5.51和38.32m。計(jì)算得出該土體的C值為6.95，大于5，土體顆粒分布不均勻，大中小粒徑相互之間的關(guān)系較疏遠(yuǎn)[20]。在這種土壤中鋪設(shè)排水暗管，管外應(yīng)包裹反濾材料，否則極易出現(xiàn)淤堵現(xiàn)象，影響排水系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1.2 土工布的基本物理參數(shù)

目前，國內(nèi)管材生產(chǎn)廠家常用來包裹暗管的土工布，主要分為紡黏聚丙烯（Polypropylene，PP）無紡布和熱熔紡黏絲無紡布兩種。在已經(jīng)應(yīng)用到其他灌區(qū)的各類土工布中，結(jié)合前人針對該灌區(qū)土質(zhì)的暗管外包料研究成果[21]，考慮推廣應(yīng)用的價(jià)格成本等因素，試驗(yàn)選用了7種土工織物作為研究對象，各土工織物的詳細(xì)參數(shù)見表1。其中3種為紡黏PP無紡布，4種為熱熔紡黏絲無紡布，材料均為聚丙烯材料，但工藝有區(qū)分。聚丙烯屬于非極性材料，本身具有極高的疏水性，會(huì)與水互相排斥，而使用這種材料的紡黏PP無紡布，在材料疏水性與織物孔徑小的雙重制約下，無水壓時(shí)均不表現(xiàn)透水效果。為了降低材料對織物透水性的負(fù)面影響，高效且持續(xù)地提高織物的親水能力，使用親水劑是目前發(fā)現(xiàn)的一種廉價(jià)的處理方式。親水處理的原理主要是在微觀方面，通過引發(fā)游離基與纖維表面大分子進(jìn)行接枝共聚，或者通過等離子改性引入活性基團(tuán)等方式，抑制疏水基（烴基等），增加表面裸露的親水基（羥基等），從而降低織物表面的水接觸角，使織物變得易水潤濕，提高織物透水效果[22-24]。紡黏PP無紡布因其透水效果普遍較差，為了更好地探究織物透水性提高對整體過流效果的影響，選擇其中一種紡黏PP無紡布進(jìn)行了親水劑浸泡處理。親水處理后，紡黏PP無紡布在無水壓條件下即可透水，透水能力有了明顯提高。土工布R1是目前在寧夏銀北灌區(qū)應(yīng)用較多的土工布，在本試驗(yàn)中作為對照來評比各土工織物的反濾效果。根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織給出的滲透性要求，土工布作為暗管外包料時(shí)，要求其滲透性為受保護(hù)土壤滲透性的10倍以上[16]，研究區(qū)試驗(yàn)土壤的滲透系數(shù)為1.01×10-4cm/s，所選土工布的滲透系數(shù)均大于1.01×10-3cm/s，滿足要求。

表1 待測土工布參數(shù)

注：90是外包濾料中90%的孔徑都小于該值的孔徑。PP為聚丙烯。

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

1.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，主體結(jié)構(gòu)包括上、下兩部分并通過法蘭連接。上部為內(nèi)徑11 cm、高 40 cm 的有機(jī)玻璃圓筒，用于放置土樣。下部為底部球形結(jié)構(gòu)的圓柱筒，主要用于排水和排砂。上下結(jié)構(gòu)間用帶孔支撐板分隔，上部設(shè)置5個(gè)測壓管，從上至下分別距離法蘭 25、20、15、10、2 cm，下部距離法蘭2 cm處設(shè)置1個(gè)測壓管。緊貼筒壁內(nèi)側(cè)的測壓管口設(shè)置濾網(wǎng)以防止土壤流失及淤堵而影響測壓管工作。其中5#與6#測壓管所測的差值用于計(jì)算土工布部分的滲透系數(shù)，1#與5#差值用于計(jì)算土體的滲透系數(shù)。

滲透系數(shù)s根據(jù)達(dá)西定律[25]利用式（1）計(jì)算

式中s為滲透系數(shù)，cm/s；為透過土柱的流量，cm3/s；為流徑，cm；in和out分別是入流和出流測壓管讀數(shù)，cm；為土柱截面積，cm2。

試驗(yàn)填土高25 cm，土壤介質(zhì)按容重1.54 g/cm3分層填裝，每次裝填高度5 cm，共裝填5次，裝完一層后壓實(shí)鑿毛再裝下一層。裝填完畢后，采用從下向上緩慢注水的供水方式排出土內(nèi)氣體使土壤完全飽和。土壤飽和后，改為自上向下供水，并通過溢流口11#控制穩(wěn)定5 cm的積水深度，待系統(tǒng)完全穩(wěn)定后開啟出水孔8#閥門，觀測和記錄每天的排水流量及測壓管讀數(shù)。在試驗(yàn)期間，出水孔排出的水體直接通過濾紙進(jìn)行過濾；流量觀測結(jié)束后，開啟排砂孔7#，收集淤積于裝置底部的土壤，并通過相同濾紙過濾，這兩次過濾出來的土作為土壤流失量。取出已經(jīng)試驗(yàn)過的土工布，并測出其土壤淤堵量。試驗(yàn)期間每隔8 h測量一次排水流量和測壓管水位，每天觀測3次，取平均值作為當(dāng)天測量結(jié)果，流量值連續(xù)5 d無變化時(shí)結(jié)束試驗(yàn)，總共觀測22 d。

為了更好分析數(shù)據(jù)，定義某一變量（流量，或土體滲透系數(shù)，或土工布滲透系數(shù)）殘余度為某天的測量值與初始測量數(shù)值的比值，據(jù)此，對流量殘余度、土體滲透系數(shù)殘余度、土工布?xì)堄喽茸兓闆r進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 透水效果

2.1.1 各方案的流量變化情況

雖然各組試驗(yàn)均按照統(tǒng)一容重裝土，但土體的實(shí)測滲透系數(shù)仍有一定差異，由于所選土工布R1是目前該灌區(qū)用的比較多的暗管外包料，為更好比較不同土工布防護(hù)措施下流量變化情況，將各組觀測的流量統(tǒng)一修正為初始土體滲透系數(shù)與方案R1相同的情況下進(jìn)行分析。如圖2所示，其流量的變化能直觀反映各土工布針對該土質(zhì)的透水效果。

在排水初期，土顆粒會(huì)在水流的作用下進(jìn)行遷移和填充孔隙，粒徑更小的土顆粒會(huì)在土體的篩選下朝著土工布匯集，在此期間，由于土體的不斷密實(shí)和土工布的逐漸淤堵，在5 d出現(xiàn)了流量大幅衰減的現(xiàn)象，5 d后方案F1到方案R4的流量殘余度分別為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減趨勢均逐步減緩，方案R3在6到16 d之間還會(huì)有較為明顯的流量衰減過程，但隨后也逐漸放緩。22 d后各方案流量殘余度分別為86.8%、79.5%、81.5%、86.9%、78.4%、79.8%和82.4%。

總體上來看，紡黏PP無紡布試驗(yàn)組的透水效果普遍要低于熱熔紡黏絲無紡布試驗(yàn)組。針對該土質(zhì)，土工布R1、R2、R3和R4均能表現(xiàn)出不錯(cuò)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。對比方案F2和方案FT可以發(fā)現(xiàn)，土工布做了親水處理后，過流能力有了明顯的提升。方案FT的流量始終大于方案F2的流量，其22 d的總流量相對于方案F2提高了15%左右，說明對土工布進(jìn)行親水處理能夠持續(xù)有效地提高整體透水效果。

2.1.2 流量的衰減情況預(yù)測

22 d的實(shí)測數(shù)據(jù)只能反映短期的過流效果，在暗管數(shù)年的使用壽命中，其流量變化的穩(wěn)定性更加值得考量。

將修正的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，并對其進(jìn)行360 d（約 1 a）的排流預(yù)測，結(jié)果如表2所示，預(yù)測的結(jié)果可作為預(yù)警效果，以實(shí)測為主預(yù)測為輔，更具有合理性。從總體上看，各方案流量隨時(shí)間的變化均符合對數(shù)函數(shù)特征，決定系數(shù)也均在0.85及以上，該結(jié)論與劉文龍等[26-27]得到的單一土工布下流量衰減變化規(guī)律一致。根據(jù)表2中擬合公式得到的22 d的流量預(yù)測值與實(shí)測值的吻合程度高，誤差均在3%以內(nèi)。從360 d預(yù)測結(jié)果可以看出，流量仍會(huì)持續(xù)衰減，但衰減趨勢已經(jīng)放緩，與22 d的實(shí)測數(shù)據(jù)對比，其衰減幅度在10%～20%，預(yù)測殘余度均在50%以上。

表2 360 d流量殘余度預(yù)測

注：*<0.05（22個(gè)實(shí)測值）；為天數(shù)，d；為流量，mL·h-1。

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

在熱熔紡黏絲無紡布試驗(yàn)組中，方案R2和方案R3的初始流量高，但22 d的流量已經(jīng)低于方案R1，方案R2的流量已經(jīng)與方案R4近乎持平，說明方案R2和方案R3的流量衰減幅度大。在360 d的預(yù)測結(jié)果中，方案R2和方案R3的衰減趨勢被進(jìn)一步凸顯，360 d后預(yù)測流量值和流量殘余度已經(jīng)明顯低于方案R1和方案R4。所以，綜合來看，在熱熔紡黏絲無紡布試驗(yàn)組中，方案R1和方案R4的流量變化更具有穩(wěn)定性。在紡黏PP無紡布試驗(yàn)組中，方案F1的流量變化最平穩(wěn)，其實(shí)測和預(yù)測的流量殘余度值均最高，但由于其初始流量過低，與方案R1和方案R4相比仍不具有過流能力上的優(yōu)勢性。

總體上來說，從過流能力、殘余度以及長期運(yùn)行的穩(wěn)定性來看，方案R1和方案R4具有不錯(cuò)的效果。對比方案F2和方案FT可以發(fā)現(xiàn)，親水處理后，從長遠(yuǎn)的預(yù)測結(jié)果來看，方案FT的流量仍然維持在較高的水平，且彼此的殘余度值相差不大。

2.1.3 滲透系數(shù)變化

土壤及土工布滲透性的變化均會(huì)影響整體流量的變化。為進(jìn)一步探究引起流量變化的主導(dǎo)因素，分別對土體以及土工布部分（包括約2 cm的土層）在測量期間滲透系數(shù)的變化進(jìn)行分析，其變化情況如圖3所示。在試驗(yàn)開始時(shí)，土工布和土體的滲透系數(shù)均會(huì)迅速下降，22 d后，從方案F1到方案R4的土體滲透系數(shù)殘余度分別為87.2%、83.3%、77.7%、87.3%、79.5%、77.5%和81.3%，土工布滲透系數(shù)殘余度分別為75.6%、68.4%、79.6%、70.9%、58.4%、79.8%和76.3%。總體上看，土工布滲透系數(shù)下降的幅度更大。

在整個(gè)試驗(yàn)期間內(nèi)，土體滲透系數(shù)經(jīng)過14 d較快的下降后，滲透系數(shù)的變化已經(jīng)慢慢趨于平穩(wěn)，說明在水流作用下，前期土顆粒的遷移運(yùn)動(dòng)較為劇烈，在細(xì)土顆粒的下移和逐漸填充孔隙后，土體顆粒的整體分布已經(jīng)逐漸平穩(wěn)且適應(yīng)水流。而土工布的滲透系數(shù)在整個(gè)試驗(yàn)期間內(nèi)還沒出現(xiàn)較為平穩(wěn)的階段，總體呈現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢。

將整體滲透系數(shù)衰減過程與土體和土工布的滲透系數(shù)衰減過程在95%的置信區(qū)間內(nèi)進(jìn)行多元回歸分析，結(jié)果見表3。

表3 多元回歸分析結(jié)果

注：**<0.05（22個(gè)實(shí)測值）；1和2分別為土體和土工布的滲透系數(shù)殘余度，%；為流量殘余度，%。

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

通過2值和方差分析結(jié)果可以看出各方案回歸方程的線性關(guān)系顯著。從得到的回歸方程來看，土體的回歸系數(shù)更大，說明流量變化與土體滲透系數(shù)的數(shù)量關(guān)系顯著，土體滲透性在流量變化過程中的決策程度高。在多元回歸分析中，標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)常用來判斷各變量在回歸方程中的重要性，此次得到的結(jié)果中，土體的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)值更高，說明相對于土工布，土體的滲透系數(shù)變化更為重要；在檢驗(yàn)中，土體的回歸系數(shù)顯著性高，而在土工布中存在幾組顯著性大于0.05（不顯著）的情況。

試驗(yàn)期間，土體和土工布的滲透系數(shù)變化對流量衰減的貢獻(xiàn)度情況如表4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)土體滲透系數(shù)的變化對流量的影響程度非常高，各方案土體的貢獻(xiàn)度均在75%以上，這表明流量變小主要是由于土體滲透系數(shù)減小所引起的。相對于暗管數(shù)年的使用壽命來說，本試驗(yàn)只進(jìn)行了為期22 d的前期觀測，說明在暗管鋪設(shè)的前期，土體滲透系數(shù)的變化會(huì)成為流量變化的主導(dǎo)因素。考慮到試驗(yàn)土是經(jīng)過研磨篩分壓實(shí)后的土，與田間相比存在差異。實(shí)際情況中，挖溝鋪管后，為了保護(hù)暗管，其回填土的壓實(shí)度往往不會(huì)太大，土質(zhì)疏松以及土壤中存在的蟲洞和根系等大孔隙，其實(shí)際滲透系數(shù)以及衰減度相對實(shí)驗(yàn)室來說會(huì)偏大，而且還會(huì)根據(jù)耕種季度出現(xiàn)周期性的衰減，但總體的影響幅度會(huì)逐漸變小。

表4 土體和土工布對流量衰減貢獻(xiàn)度

2.2 土壤流失量與土工布淤堵量

試驗(yàn)結(jié)束后，對各方案的土壤流失量和土工布淤堵量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如表5所示。土工布內(nèi)部的纖維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)使其內(nèi)部形成了很多細(xì)小的孔隙，這些孔隙既可以形成過流通道，也能阻擋土顆粒的通過[28]。在水流作用下，土工布附近的土顆粒會(huì)逐漸向土工布方向遷移，粒徑小的顆粒能夠優(yōu)先穿過土工布表層，而當(dāng)其在土工布內(nèi)的移動(dòng)距離超過土工布厚度時(shí)，就會(huì)穿出土工布，造成土壤流失，被截留在土工布內(nèi)則會(huì)形成淤堵。Farias等[29]在其研究中發(fā)現(xiàn)，土工布的逐漸堵塞會(huì)讓其對土顆粒有更大的攔截能力，導(dǎo)致只有粒徑更小的土顆粒能夠穿過，而土工布的厚度越大，也會(huì)增加粒徑穿過土工布的難度。王培俊等[30]也通過試驗(yàn)驗(yàn)證了土工布越厚，等效孔徑越小，對泥沙的攔截能力越強(qiáng)。

表5 土壤流失量與土工布淤堵量

在本試驗(yàn)中，同種工藝的無紡布，其等效孔徑越大，土壤流失量也會(huì)越大，其厚度越厚，對顆粒的攔截能力越強(qiáng)，總體上表現(xiàn)為較高的土壤流失量對應(yīng)較低的土工布淤堵量，但土工布R2是個(gè)特例。土工布R2由于其有著較大的孔徑和較厚的厚度，其土壤流失量和土工布淤堵量均最大。其較大的孔徑會(huì)允許較大粒徑范圍的顆粒進(jìn)入土工布，而其較厚的厚度又讓這些顆粒不能完全的穿出，雖然內(nèi)部大孔隙有利于土顆粒的遷移，但大部分顆粒還是會(huì)被截留在內(nèi)，導(dǎo)致土工布的透水效果被不斷降低。這也是土工布R2在試驗(yàn)期間內(nèi)，滲透系數(shù)衰減幅度大的原因。土工布由于被淤堵導(dǎo)致滲透系數(shù)的大幅度衰減，無疑會(huì)提高土工布在整個(gè)系統(tǒng)中對流量的影響程度。在熱熔紡黏絲無紡布試驗(yàn)組中，土工布R2的淤堵量最大，在表4中表現(xiàn)為其對流量衰減的貢獻(xiàn)度也最高；同樣，在紡黏PP無紡布試驗(yàn)組中，土工布F2的高淤堵量也對應(yīng)著較高的流量貢獻(xiàn)度。

2.3 土工布上方土壤

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，紡黏PP無紡布保土效果和抗淤堵能力均要比熱熔紡黏絲無紡布效果好，但整體的出流效果普遍偏低。

試驗(yàn)結(jié)束后，對緊靠土工布的土壤用小刀刮下薄薄一層土樣后，通過激光粒度儀測其顆分，其結(jié)果如表6所示。可以發(fā)現(xiàn)，在緊靠土工布的土層處，各方案的黏粒含量相對于原裝土均會(huì)略微偏低，但彼此之間差異不大，差異主要集中在粉粒和砂粒的含量上。在紡黏PP無紡布試驗(yàn)組中，試驗(yàn)結(jié)束后該土層處土壤的粉粒含量略微升高1.5～2.8個(gè)百分點(diǎn)，砂粒含量略微降低1～2.5個(gè)百分點(diǎn)，對該部分的土樣在多次重復(fù)檢測后，其粉粒和砂粒的含量變化仍是小幅度的上升和下降，但土壤的90值明顯減小則說明一定有顆粒在遷移；在熱熔紡黏絲無紡布試驗(yàn)組中，試驗(yàn)結(jié)束后該土層土壤的粉粒含量降低3～8個(gè)百分點(diǎn)，砂粒含量升高4～9個(gè)百分點(diǎn)，土壤的90值明顯變大，90是土壤顆粒中90%的土粒都小于該值的土壤顆粒粒徑。

說明針對該土質(zhì)，無論是在土層內(nèi)，還是在土工布—土層交界處，粉粒是在滲流作用下更為活躍的顆粒。以往的研究表明，有效的土工布外包料會(huì)允許細(xì)顆粒流失，通過攔截大量粗顆粒形成高透水的土壤骨架，讓排水系統(tǒng)維持高透水能力運(yùn)行[31-32]。這也說明了細(xì)顆粒是相對而言更易移動(dòng)的顆粒，但在滲流作用下，什么范圍的顆粒屬于易遷移的細(xì)顆粒，目前尚還未有明確的界定，可能與土質(zhì)有關(guān)，也可能與外包料的選擇有關(guān)。Stuyt等[16]對土工織物作為反濾外包料時(shí)，建議90/90≥1.0，并且90/90的數(shù)值盡量接近可選擇范圍的上限。顯然，此次試驗(yàn)選用的紡黏PP無紡布的孔徑是明顯偏小的，小孔徑?jīng)Q定了其能攔截更大范圍粒徑的顆粒，造成土壤流失極少，這流出的顆粒對于紡黏PP無紡布來說，屬于易流失的細(xì)顆粒，但這并沒有讓紡黏PP無紡布上方形成高透水的粗顆粒骨架，因?yàn)槠渖戏酵寥赖?0值變小了，說明有更多的細(xì)顆粒在土工布上方匯聚。土顆粒分為黏粒、粉粒和砂粒，當(dāng)某一范圍的顆粒含量增加時(shí)，其他范圍顆粒的含量會(huì)相對減少，紡黏PP無紡布上方土壤中，粉粒的含量是略微增加了，但并不意味著易遷移的細(xì)顆粒是粉粒，因?yàn)橄陆岛蟮?0值仍處于砂粒的粒徑范圍內(nèi)，也就是說，存在部分匯集的顆粒范圍在50～76.33m的可能（76.33m為紡黏PP無紡布試驗(yàn)組中土工布上層土壤的最大90值），只是匯聚的細(xì)顆粒中，粉粒所占的比例略微大一點(diǎn)。該層土壤中匯聚的細(xì)顆粒也只能來自于更上層的土壤。試驗(yàn)選用的熱熔紡黏絲無紡布的孔徑是符合要求的，在熱熔紡黏絲無紡布試驗(yàn)組中，土工布上方土壤的90值變大，說明有較多的細(xì)顆粒流出，但從各類顆粒質(zhì)量占比來看，只有粉粒的含量在明顯降低，說明從該土層流出的細(xì)顆粒中，粉粒占的比例也是最大的，且粉粒從土層進(jìn)入到無紡布的量已經(jīng)遠(yuǎn)大于上方土層的粉粒進(jìn)入到該土層的量。

試驗(yàn)選用的紡黏PP無紡布，不僅其等效孔徑90普遍偏小，工藝上也導(dǎo)致其光滑程度要高于熱熔紡黏絲無紡布。其過小的孔徑本就容易將細(xì)小的顆粒也攔截住，從而誘導(dǎo)低透水濾餅的形成，而在Luettich等[33]的研究中，光滑的土工織物表面更有利于成片細(xì)顆粒薄餅的形成。也就是說，紡黏PP無紡布已經(jīng)具備了誘導(dǎo)濾餅形成的條件，其上方土壤的90值減小，說明了其容易誘導(dǎo)濾餅形成的趨勢已經(jīng)出現(xiàn)，在Bourgès-Gastaud等[34]的研究中，這種早期形成的濾餅就已經(jīng)會(huì)影響系統(tǒng)的滲透性能，通過表4可以看出，除去土工布R2這個(gè)特例，紡黏PP無紡布對流量衰減的貢獻(xiàn)度均高于熱熔紡黏絲無紡布對流量衰減的貢獻(xiàn)度。濾層的形成不僅會(huì)影響系統(tǒng)的出流效果，更會(huì)增加土顆粒進(jìn)入土工織物的難度，導(dǎo)致土工織物內(nèi)部的顆粒截留量在后續(xù)的時(shí)間內(nèi)不會(huì)增加太多，所以紡黏PP無紡布試驗(yàn)組的土工布淤堵量相對熱熔紡黏絲無紡布試驗(yàn)組來說會(huì)略微偏小。但根據(jù)Bhatia等[35]研究發(fā)現(xiàn)，土體-濾層交界面上形成的薄餅比等量細(xì)粒淤積在濾層內(nèi)的透水性危害要大得多，這也是普通PP無紡布總體淤堵量少，但透水效果卻普遍偏低的原因。

表6 土工布上層土壤顆粒分析結(jié)果

注：90是土壤顆粒中90%的土粒都小于該值的土壤顆粒粒徑。

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

土工布FT在親水處理后，與土工布F2相比，其上方土層的各級顆粒質(zhì)量占比以及90值均較為接近，說明親水處理沒有改變該種土工布對上方土層顆粒的誘導(dǎo)能力。紡黏PP無紡布在本試驗(yàn)中展現(xiàn)出其容易誘導(dǎo)致密濾餅形成的趨勢，導(dǎo)致透水能力下降，親水處理后沒有降低濾餅形成的風(fēng)險(xiǎn)，但有效提高了整體過流效果，說明親水處理對由于濾餅形成導(dǎo)致透水能力下降的現(xiàn)象有一定的抵抗作用。結(jié)合親水處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體流量大小來看，通過提高土工織物材料的親水性來提高整體過流效果的方式具有一定的可行性，且這種方式?jīng)]有破壞土工布與土顆粒的相互作用效果，具有一定的實(shí)用價(jià)值，這為以后暗管外包料選取提供了一種可參考的處理方式。

土工布R1是目前在該灌區(qū)用的較多的土工布，在試驗(yàn)中表現(xiàn)出最好的抗淤堵效果和過流能力，仍具有在該灌區(qū)長期應(yīng)用的價(jià)值；土工布R4在過流能力和抗淤堵效果上僅次于土工布R1，其市場價(jià)格低于土工布R1，推廣成本低，在該灌區(qū)具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié) 論

1）土體滲透性降低是導(dǎo)致流量衰減的主要因素，在很大程度上決定了流量的走勢，不同土工布與土體的組合決定了整體流量的大小。

2）紡黏聚丙烯（Polypropylene ，PP）無紡布由于其孔徑過小質(zhì)地光滑，有易誘導(dǎo)濾餅形成的風(fēng)險(xiǎn)，整體出流效果均弱于熱熔紡黏絲無紡布試驗(yàn)組；孔徑和厚度較大的無紡布會(huì)截留大量的顆粒，導(dǎo)致織物的透水能力持續(xù)變?nèi)?，造成整體流量衰減幅度大。這些由土工布引起的整體透水性問題，其對流量衰減的貢獻(xiàn)度會(huì)更大，但仍不具有主導(dǎo)性。

3）對紡黏PP無紡布進(jìn)行親水處理后，能在濾餅形成風(fēng)險(xiǎn)下持續(xù)提高系統(tǒng)出流效果，且對土工布的保土效果和抗淤堵能力沒有太大影響，通過提高織物材料親水性來抵抗由濾餅引起的整體透水能力下降是可行的。

4）從不同組合下土工布的反濾能力和長期運(yùn)行穩(wěn)定性來看，土工布R1和R4均有不錯(cuò)的效果。

室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可為田間實(shí)際應(yīng)用提供有價(jià)值的參考，但兩者之間仍具有差異，建議優(yōu)先在該灌區(qū)進(jìn)行應(yīng)用試點(diǎn)。同時(shí)，不同工藝無紡布對其他土質(zhì)的適用性，親水處理在多年排水應(yīng)用中的持久有效性，均還要進(jìn)行更深入更廣泛的研究。

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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

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2020-10-01

2021-01-13

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52079145）；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFC1508301）；寧夏重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重大項(xiàng)目（2018BBF02022）

榮臻，研究方向?yàn)檗r(nóng)田排水與水環(huán)境保護(hù)技術(shù)。Email：rzdyx199578@163.com

王少麗，博士，教授級高工，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水土環(huán)境及農(nóng)田灌排技術(shù)。Email：shaoliw@iwhr.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.008

S276.1

A

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