馬明澤，王紅雨，2，3，李 杰，金銘銳，馬俊毅，郭麗平

（1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，銀川 750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021）

0 引 言

寧夏引黃灌區(qū)受干旱、半干旱環(huán)境影響，灌溉水資源彌足珍貴，開源節(jié)流是當?shù)芈鋵崿F(xiàn)代農業(yè)灌區(qū)高質量發(fā)展的重要保障。在農田排灌工程中，暗管排水是一種能夠有效治理農田鹽堿化、消除旱澇、防止地下水位抬升的辦法，在國內外已經取得了廣泛應用。Youngs，F(xiàn)awzi S等[1,2]通過在土柱試驗中設置一定厚度的砂濾料，證實了在暗管外敷裹濾料，可增加暗管的有效排水半徑，抵消管道附近的水頭損失，防止暗管淤堵。Dierickx等[3]通過模擬排水暗管的對稱徑流，認為暗管附近出現(xiàn)的高水力梯度是引發(fā)淤堵風險的主要原因。Lennoz-Gratin等[4,5]通過滲透試驗，認為應該在排水暗管周圍設置一定厚度的濾料來防止土壤入侵管道，并對土工織物浸水后的反濾特性進行了測試，提出了土工織物的常見淤堵類型。余安仁等[6]通過田間試驗，對暗管外包濾料的常用材料及不同外包濾料的性能進行了對比，結果表明設置外包濾料的確能提高排水暗管的透水性能，且外包濾料的滲透系數(shù)對暗管的透水性能影響顯著。暗管外包濾料的材料主要有土工布、砂濾料、有機濾料等[7,8]，主要結構形式包括僅敷裹土工布、僅敷裹濾料、敷裹土工布再外填濾料等[9,10]。

我國灌區(qū)排水再利用具有較大潛力，王少麗等[11]在灌區(qū)回歸水研究中提出，排水流量及排水水質等因素是其主要研究內容。陶園等[12,13]基于室內土柱試驗，依據(jù)太沙基準則，提出了改進暗排的外包濾料鋪設方式，不僅能夠減少土工布淤堵，同時能夠防止或減緩流量衰減。李杰等[14]通過試驗得到了一種滿足凈化水質要求的土工布+“爐渣秸稈混摻”鋪設方案。以往的研究重點通常從提高排水流量或排水水質的角度出發(fā)，材料方面僅針對土工布或濾料進行研究，而并未綜合分析吸附性濾料在凈水前提下的防淤堵效果，以及土工布和濾料結合條件下的防淤堵機理。暗管排水再利用研究表明，不鋪設外包濾料時，暗管淤堵風險較大，鋪設反濾料后效果較好，鋪設土工布+濾料時效果最佳，使用吸附性材料代替部分濾料，則能同時起到凈化水質的效果。因此，研究土工布+濾料（以下簡稱復合型外包濾料）這一結構形式的防淤堵機理，對暗管排水再利用而言尤為重要。

本文聚焦灌溉回歸水再利用問題，以寧夏銀北引黃灌區(qū)農田暗管排水循環(huán)利用為研究對象，針對復合型暗管外包濾料，選用砂濾料、爐渣以及沸石為材料，結合當?shù)爻Ｓ霉鼙谕夤凉げ迹瑯嬙炫潘倒艿膹秃闲屯獍鼮V料結構，進行防淤堵試驗，提出了一種改進梯度比方法，用于分析土工布和濾料復合構成的暗管外包濾料的反濾效果以及防淤堵情況，研究工作為暗管排水再利用提供了參考依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗土壤的物理參數(shù)

試樣土壤取自銀川農田排水暗管施工布置現(xiàn)場，見圖1，取土深度為地表下0.8～1.2 m，測得土壤容重為1.51 g∕cm3。

圖1 銀川農田排水暗管施工布置現(xiàn)場Fig.1 Construction site of drainage pipes in Yinchuan

通過BT-2003型激光粒度分布儀對原狀試樣土壤進行分析，得到該地區(qū)土壤粘粒（顆粒直徑小于2 μm）含量為6.01%，粉粒（顆粒直徑介于2～50 μm）含量為45.57%，砂粒（顆粒直徑大于50 μm）含量為48.42%，d60=80.335 μm，d10=6.280。由于試樣土壤粘粒含量小于15%，砂粒含量大于50%，且粘粒與粉粒含量比值為0.13小于0.5，不均勻系數(shù)Cu值為12.79，介于5～15之間，說明土壤易流失，暗管周圍存在一定淤堵風險，見圖2。

圖2 土壤級配曲線Fig.2 Curve of soil gradation

1.1.2 外包濾料的物理參數(shù)

根據(jù)寧夏銀北灌區(qū)實際工程經驗以及試樣土體的顆粒級配，并結合回歸水再利用問題，選用型號為SF27的聚丙烯（PP）無紡布，以及砂礫石（編號S）和兩種具有吸附性質的濾料，沸石濾料（編號F）和爐渣濾料（編號L）為暗管外包材料，見表1和表2。濾料應具有從最大到最小顆粒的所有尺寸，為確保濾料具有良好級配，濾料應滿足不均勻系數(shù)Cu＞4，由原土同外包材料直徑之間的級配關系，確定濾料的級配[15]。

表1 土工布參數(shù)Tab.1 Parameters of geotextile

表2 濾料參數(shù)Tab.2 Parameters of filter media

1.2 試驗裝置

試驗裝置為一維常水頭滲透裝置，參考了國內研究暗管排水外包濾料的常用裝置[16]，經課題組同上海大有儀器設備有限公司共同設計研制，見圖3。

圖3 一維常水頭滲透裝置Fig.3 One-dimensional soil column test device

該裝置上下部分通過法蘭盤進行連接，主體由亞克力圓筒、透水孔板、供水箱、溢流孔、測壓管及排水口等結構組成，上方圓筒用于放置外包濾料及試樣土體，通過供水箱及溢流孔進行供水并保證水頭穩(wěn)定，下方封底圓筒用于排水。上部結構設置有1個溢流口，距離法蘭盤62 cm，4個測壓管，從上往下距離下方法蘭盤分別為32、22、12、2 cm，下部結構設置有1個測壓管，距離下方法蘭盤1 cm，用于測量滲透裝置工作時不同位置處的水頭值，5個測壓管自上而下分別標號為0～4號。

梯度比準則又名淤堵準則，由美國陸軍兵團提出[17]，梯度比（GR）表示下層土工織物同上層土體的滲透能力的比值，即：GR=J土工織物∕J土，該準則規(guī)定，在連續(xù)進行24 h滲流后，土工織物與其上方土體的GR值必須小于3，否則不滿足防淤要求。利用圖3所示的裝置，進行土柱滲透試驗，并通過梯度比準則分析土工布的淤堵情況。

1.3 試驗方案及數(shù)據(jù)處理

試驗分4組，分別按照土工布、濾料、填土的順序依次添加，見表3、圖3。鋪設好土柱后，待水頭穩(wěn)定且測壓管內無氣泡產生，開始觀測并記錄試驗過程中各處測壓管的水頭及流量，每隔2 h進行一次讀數(shù)，每組試驗持續(xù)90 h，得到各處測壓管讀數(shù)，并對試驗結束后附著在土工布處的土壤重量進行測定。

表3 試驗方案Tab.3 Test scheme

為分析復合型外包濾料防淤堵的情況，同時兼顧到土工布上方一定厚度的砂濾料或沸石爐渣濾料，參考劉勝等[18]在砂墊層-土工織物復合濾層反濾特性試驗研究中的梯度比定義，根據(jù)復合型外包濾料及其上方原土不同部分的位置及測壓管編號，定義GR如下：

式中：J1-2為測壓管1號同測壓管2號之間的水力梯度，以此類推。

公式（1）、（2）表示土工織物同上方不同厚度土體的梯度比，分別考慮了將上方濾料及原土看作一體、將上方濾料單獨看為一種土體的情況。公式（3）、（4）分別表示濾料同上方原土的梯度比、復合型外包濾料同上方原土的梯度比。

2 復合型外包濾料的反濾特性

2.1 不同方案的梯度比特征

試驗設計包含僅鋪設土工布以及3種復合型外包濾料，考慮土工布部分、濾料部分以及復合型外包濾料整體部分，通過分析不同部分的GR值，得到在復合型外包濾料的情況下，土工布及濾料部分的作用及權重。

2.1.1 土工布同上方土體的梯度比

從圖4可以看出，試驗T0中，GR134、GR234均呈現(xiàn)上升趨勢，且GR234在60 h左右時數(shù)值＞1，說明土工布開始發(fā)生了輕微淤堵。試驗TS中，GR134、GR234均＜1，且保持穩(wěn)定，說明土工織物反濾性能良好。試驗TF、TL中，GR134、GR234均呈現(xiàn)下降趨勢，由于沸石及爐渣內部缺少細小顆粒，因此滲透系數(shù)一開始相對較大，導致GR初始值均＞1，隨時間推移，逐漸＜1，說明上方發(fā)生了細顆粒流失。

圖4 土工布同上方土體的梯度比Fig.4 Gradient ratio of geotextile to soil above

2.1.2 濾料（或最下方土體）同上方土體的梯度比

由公式（3）、（4）可得：

式（5）為復合型外包濾料同單獨濾料的GR比值，α為復合型外包濾料的水力梯度J2-4同濾料的水力梯度J2-3的比值，試驗結束時，由試驗結果得，試驗TS、TF、TL的α平均值分別為0.77、0.91、0.98，α值越小，表明復合型外包濾料整體的滲透系數(shù)相較于單獨濾料的滲透系數(shù)越小。

從圖5可以看出，試驗TS的GR124、GR123值均小于1，且保持穩(wěn)定，說明濾料反濾性能良好，試驗TF的GR124、GR123值在1左右，基本保持穩(wěn)定，試驗FL的GR124、GR123均呈現(xiàn)上升趨勢，且數(shù)值較高。

圖5 濾料同上方土體的梯度比Fig.5 Gradient ratio of filter material to soil above

2.1.3 復合型外包濾料中各部分權重

復合型外包濾料的GR124包含了土工布及濾料，而GR134和GR123分別僅為單一的土工布或砂濾料。為探究三者關系，確定各部分在復合型外包濾料的反濾工作中具體發(fā)揮的作用及權重，對各部分GR值的進行了權重擬合。由表4可得，在數(shù)值上，GR123占比更大，而GR134占比較小。GR123占比越大，說明濾料部分的水力梯度越高，一方面說明濾料對下部土工布起到了保護作用，一方面也說明濾料的水力梯度占復合型外包濾料總體的水力梯度比例也越大。

表4 各部分權重擬合Table 4 Weight fitting of each part

除試驗T0的GR134＞GR124＞GR123外，其余幾組復合型外包濾料方案的GR124均略小于GR123。

綜合分析各部分權重及具體GR值，試驗TS的GR123占比在77%左右，GR134占比幾乎為0，且各部分GR值都在0.1左右，說明這一組的反濾效果最優(yōu)，砂濾料對下方土工布起到了保護作用，土工布上方及內部均幾乎無細顆粒殘留，砂濾料起到了良好的濾水保土作用，而土工布也反過來保護了砂濾料的細顆粒未發(fā)生流失。

李識博等[19]對西藏山南地區(qū)水庫壩基材料進行滲透淤堵室內試驗，結果表明，粒徑為0.075～0.500 mm淤堵材料的顆粒流失量較多。試驗TF的GR123占比在89%左右，由于TF方案中濾料中小于0.5 mm的顆粒含量略低于試驗TS，因此考慮沸石上方填土發(fā)生了細顆粒流失，而沸石內部發(fā)生了細顆粒堆積，但試驗結束時GR134＜1，說明此時土工布還未發(fā)生淤堵。

試驗TL的GR123占比在92%左右，結合其本身級配缺少細小粒徑，考慮爐渣內部發(fā)生了較大的細顆粒堆積，試驗結束時GR134＞1，但遠未達到3，因此未發(fā)生嚴重淤堵。

2.2 不同方案的流量衰減度

定義流量衰減度為某一時刻的排水流量與初始流量的差值，同初始流量的比值。排水90 h后，T0、TS、TF、TL方案的流量衰減度分別為59.36%、35.94%、51.43%、52.26%，見圖6?？梢钥闯?，TS、TF、TL防流量衰減度均優(yōu)于T0，但TS更優(yōu)，流量衰減度最低。

圖6 各組流量衰減度Fig.6 Flow attenuation of each scheme

2.3 不同方案的土工布淤堵量

圖7為土工布在試驗前后的狀態(tài)。試驗前，T0、TS、TF、TL三組試驗所用土工布經稱重，質量分別為2.835、2.830、2.833、2.829 g，試驗結束后取下4組土工布，分別在晾曬后進行稱重，質量分別為5.301、3.243、3.583、3.751 g?？梢?，TS、TF、TL方案防淤堵效果均優(yōu)于T0，但TS效果更優(yōu)，土工布淤堵量最小。

圖7 土工布試驗前后狀態(tài)Fig.7 The state before and after the geotextile test

使用砂濾料作為外包濾料時，主要依靠自身的孔隙來過濾土壤顆粒；而在使用土工布作為外包濾料時，土工布附近粒徑較小的土壤顆粒會隨水流穿過土工布或停留在土工布內部，從而在土工布上方形成一個粗粒架空層[20]。

基于以上試驗結果及分析，復合型外包濾料防淤堵效果均優(yōu)于僅鋪設土工布的效果，但TS方案防淤堵效果更優(yōu)，其次是TF方案，與實際情況吻合。

梯度比（GR）為土工織物上下臨界處的水力梯度與其相鄰上部范圍內的土體的水力梯度的比值。隨著時間推移，GR≤1且保持穩(wěn)定，說明土工織物反濾性能良好，GR＜1且數(shù)值呈下降趨勢，表明存在了管涌通道，發(fā)生了細顆粒流失，GR＞1表明土工織物處的水頭損失較上部土體的水頭損失大，已經開始發(fā)生淤堵，當GR呈現(xiàn)增長趨勢時，說明淤堵情況加劇，當GR＞3時，說明土工織物處已經嚴重淤堵，甚至淤堵失效。用梯度比準則作為判斷土工織物淤堵的標準是較為合理的，但將砂濾料看為一種土體時，多種類型的土體之間顆粒移動引起的水頭損失的變化有時并不符合該準則的GR＞3要求，甚至梯度比變化也不一定呈現(xiàn)增長趨勢[21]，佘巍等[22]對梯度比公式進行了修正，考慮了織物受拉、砂礫層對滲流的阻礙等外在因素，而對于復合型外包濾料而言，還需進行改進適配。

3 改進梯度比方法

傳統(tǒng)的判斷方法往往依靠流量衰減度等方法，對濾料整體的滲流情況進行分析判斷，馮夢珂等[23]通過暗管排水野外試驗發(fā)現(xiàn)，有效半徑公式不適用合成外包材料。而梯度比準則雖然可以針對土工織物進行淤堵分析，卻無法對復合型外包濾料的整體進行淤堵分析。

因此根據(jù)表4的分析，提出一種改進梯度比方法，考慮濾料及土工布在復合型外包濾料中的水力梯度占比，用以對復合型外包濾料的淤堵情況進行判斷：

式中：GR復合為復合型外包濾料的擬合梯度比；GR123為濾料同上方土體的水力梯度比；GR134為土工布同上方濾料及土體的水力梯度比；a0為誤差值。

當GR復合值≤1，且保持穩(wěn)定時，表明復合型外包濾料的反濾性能良好；當GR復合值＞1時，表明復合型外包濾料內開始堆積細顆粒，當呈現(xiàn)增長趨勢時，表明細顆粒正在不斷堆積；當GR復合呈現(xiàn)下降趨勢時，表明上方土壤發(fā)生了細顆粒流失（見圖8）。

圖8 各組復合型外包濾料的GR復合Fig.8 GR of each group of composite filter media

試驗TS，GR復合＜1且保持穩(wěn)定，表明土工布+砂濾料方案反濾性能良好；試驗TF，GR復合值≈1，且保持穩(wěn)定，表明土工布+沸石方案反濾性能較好；試驗TL，GR復合在6 h后＞1且呈上升趨勢，表明細顆粒正在不斷堆積，說明濾料保土性較差，有淤堵風險。

4 分析與討論

灌區(qū)回歸水再利用的研究中，往往排水水質、排水流量等因素是主要研究內容[11]，這要求排水暗管的外包濾料需能同時滿足凈水、排水濾土的功能。就土工布+濾料的復合型外包濾料而言，要滿足其凈水功能，文中考慮增加沸石、爐渣等吸附性材料作為濾料部分，以突出其凈化水質功能。因此，根據(jù)試驗結果，提出了一種針對復合型外包濾料的防淤堵判別方法，并對砂礫石復合外包濾料和吸附性復合外包濾料的防淤堵性能的差異及其工作機理，進行了分析與討論，確保吸附性材料與傳統(tǒng)砂濾料的基本功能一致。

4.1 復合型外包濾料的防淤堵判別方法

對土工織物而言，傳統(tǒng)的防淤堵判別方法主要為梯度比準則，對于濾料部分而言，可通過對其滲透系數(shù)、滲流流量等數(shù)據(jù)的變化對其是否發(fā)生淤堵進行分析判斷。劉勝等[18]在對砂墊層-土工織物復合濾層反濾特性試驗研究中，將砂墊層同土工織物看做整體，同復合濾層上方不同高度的土體進行了梯度比計算分析。目前梯度比準則用于分析土工布的防淤堵情況已經得到了很好的應用及驗證，但對于復合型外包濾料，需探究清楚土工布及濾料部分在復合型外包濾料中各自的實際情況，進一步改進后再應用，見圖9。

圖9 各組復合型外包濾料的整體及部分的GRFig.9 Overall and partial GR of each group of composite filter media

三組復合型外包濾料中土工布部分通過傳統(tǒng)梯度比準則進行分析時，其GR值均小于等于1，或在1附近浮動。但復合型外包濾料整體同上方土體的GR比值和濾料部分同上方土體的GR比值在數(shù)值及隨時間的趨勢上呈較大相關性，尤其是試驗TL，其濾料部分的GR呈現(xiàn)增加趨勢，導致復合型外包濾料整體的GR也呈現(xiàn)了增加趨勢。由此分析，在復合型外包濾料的防淤堵判別方法中，應綜合考慮土工布及濾料兩部分的工作情況，其中濾料部分對整體濾料的影響較大。

因此，在原有梯度比準則的基礎上，本文考慮土工布和濾料分別對整體濾料的影響比重，再計算復合型外包濾料整體的水力梯度同上方土體的水力梯度比，從而分析得到復合型外包濾料的防淤堵效果，通過試驗數(shù)據(jù)的擬合情況，建議濾料部分同土工布部分的比例為8∶2，見式（6）。目前還未有一種普遍方法能對復合外包濾料防淤堵的情況進行分析計算，而改進梯度比方法恰將梯度比準則的應用擴展到了復合型外包濾料的防淤堵評價，使其應用領域更廣泛，應用方式更合理。

4.2 砂礫石和吸附性復合外包濾料的防淤堵性能對分析

砂礫石復合外包濾料以及吸附性復合外包濾料同僅鋪設土工布相比，均能對土工布起到良好的保護作用，見圖4，但整體防淤堵性能仍存在一定差異。

雖然試驗中所選的3種復合型外包濾料的防淤堵效果均優(yōu)于僅鋪設土工布，但是三者之間的防淤堵效果還是表現(xiàn)出一些細微差距，試驗表明由砂礫石濾料組成的復合外包濾料優(yōu)于兩種吸附性材料復合外包濾料，而吸附性材料復合外包濾料中沸石的優(yōu)于爐渣材料?？紤]為以下兩點：①試驗TL、TF方案中由于材料限制，相較試驗TS方案缺少0.5 mm以下粒徑的顆粒，造成了上方土體的細顆粒向下運移堆積；②試驗TF方案優(yōu)于TL方案，考慮是由于沸石形狀接近砂濾料，而爐渣表面存在更多孔洞，形狀不規(guī)則，比表面積大，造成了更多的細顆粒的堆積。因此，當使用沸石、爐渣等吸附材料代替砂礫石時，應滿足濾料的級配條件，在Cu＞4的同時不宜缺少小粒徑濾料。

從防淤堵的角度而言，選用爐渣濾料的TL方案較遜于TS、TL方案，但李杰在凈化水質選型試驗[14]中得到的結果表明，爐渣的比表面積大，對離子的吸附能力較強，試驗開始2h 時鹽分去除率達到最大 44.3%，而在整個過濾周期內，沸石對過濾水中的鹽分吸附能力最弱，鹽分去除率最大僅為7.1%。因此，對于吸附性復合外包濾料而言，還需進一步的研究分析。

4.3 吸附性材料復合外包濾料防淤堵的工作機理

圖10所示，土工布的物理淤堵情況主要有3種[18,20]：與土工布有效孔徑尺寸相似的顆粒停留在土工布表面，減少其有效過水面積，形成堵塞；比土工布有效孔徑尺寸小的顆粒停留在土工布內部，降低土工布透水能力，形成填塞；土顆粒在土工布上方形成透水性差的濾餅，形成閉塞。

圖10 土工布的幾種物理淤堵情況Fig.10 Several physical clogging conditions of geotextile

通常情況下，濾料可以通過用自身的有效孔隙達到反濾效果[12,24]，當上方土體中的部分細顆粒進入濾料內部后，較粗的顆粒會在濾料上方形成有效孔隙更小的結構，最終達到穩(wěn)定。

同砂濾料復合外包濾料防淤堵時的工作原理相似，吸附性復合外包濾料中的吸附性濾料將土工布與土體分隔，避免了土工布與土顆粒的直接接觸，從而有效保護了土工布，避免或減輕其反濾時可能產生的淤堵情況，反過來，土工布又對濾料中的細顆粒起到了保護作用，使其不發(fā)生流失，見圖11。至于吸附性濾料比表面積大，凈化水質效果好，但防淤堵弱于傳統(tǒng)砂濾料的情況還有待于進一步研究。

圖11 吸附性材料復合外包濾料防淤堵的工作機理Fig.11 Anti-clogging mechanism of adsorptive material composite filter material

5 結 論

采用復合型外包濾料結構作為暗管外包濾料時的防淤堵效果較好；改進梯度比方法用于分析判斷暗管外包濾料的淤堵性狀是可行的。

（1）綜合分析各方案的梯度比特征、流量衰減度以及土工布淤堵情況，結果表明三種復合型外包濾料對防止土工布淤堵均有較好效果，其中，TS方案最優(yōu)。

（2）復合型外包濾料可以使用沸石、爐渣等吸附材料代替砂礫石，但應滿足濾料的級配條件，在Cu＞4的同時不宜缺少小粒徑濾料。

（3）提出了一種改進梯度比方法，考慮了土工布及濾料在防淤堵時各部分GR所占的權重，并以此分析了復合型外包濾料的防淤堵情況。作為復合型外包濾料防淤堵分析方法而言，改進梯度比方法可以為更多分層結構形式濾料的防淤分析提供參考價值。