揚(yáng)州沿運(yùn)灌區(qū)暗管排水土工布外包濾料的水力性能試驗(yàn)研究

張大偉，賈忠華，賀園春，張?jiān)＃_紈

(揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州225009)

長(zhǎng)江下游稻麥輪作區(qū)降雨量大，且集中分布在夏秋之際的水稻生長(zhǎng)季.作為一種喜水耐淹的農(nóng)作物，水稻對(duì)于地下排水的要求較低，但近年來(lái)農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)對(duì)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，江蘇省多地因?yàn)榻涤昶?，許多農(nóng)田土壤過(guò)濕導(dǎo)致機(jī)械無(wú)法下田，造成水稻未能及時(shí)收割而大面積減產(chǎn).目前廣泛分布的明溝排水設(shè)施，不僅占用耕地面積大，不利于農(nóng)機(jī)作業(yè)，而且維護(hù)費(fèi)用高.而在以水稻種植為主的日本，為了改善機(jī)械化作業(yè)條件，自20世紀(jì)70年代起，就在稻田安裝了暗管排水系統(tǒng)，便于及時(shí)降低地下水位，滿足機(jī)械下田作業(yè)要求，這也將是長(zhǎng)江下游水稻種植區(qū)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)[2].

為保證暗管具有穩(wěn)定高效的排水效果，需在穿孔暗管的外圍包裹濾料，所選取的外包濾料需具備良好的透水性和抗淤堵能力[3].傳統(tǒng)上，反濾層為級(jí)配良好的砂石材料；按規(guī)范選取的砂石濾層能保證暗管長(zhǎng)期穩(wěn)定的排水效果[4].例如，研究人員對(duì)寧夏銀北灌區(qū)暗管排水運(yùn)行效果的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，砂礫石級(jí)配濾料對(duì)不同土壤狀況適應(yīng)性強(qiáng)，在多種質(zhì)地的土壤中運(yùn)行7～13 a后均能保證暗管的排水要求[5].不過(guò)，砂石濾料成本較高且不利于機(jī)械化施工，近年來(lái)以新型合成材料土工布作為暗管外包濾層成為一種發(fā)展趨勢(shì).土工布外包濾料不僅能夠節(jié)省成本，而且可以預(yù)先完成套裹，便于機(jī)械化施工，極大地促進(jìn)了暗管排水技術(shù)的推廣.但是，土工布外包濾料的使用受土壤特性影響較大，其反濾性能與土壤級(jí)配以及土工布自身孔徑分布等因素有關(guān).針對(duì)不同的土壤粒徑選取孔徑大小合適的土工布，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者做了一些研究工作，提出類型眾多的土工布選取準(zhǔn)則.現(xiàn)有研究結(jié)果表明，粉粒含量較高的土壤對(duì)于排水暗管外包濾料的要求也較高；如果選擇不當(dāng)，土工布發(fā)生淤堵，就會(huì)嚴(yán)重影響暗管排水能力，導(dǎo)致排水系統(tǒng)喪失其功能，形成農(nóng)田漬害或阻礙田間作業(yè)的正常進(jìn)行.近年來(lái)，江蘇省揚(yáng)州市沿運(yùn)灌區(qū)開始探索農(nóng)田暗管排水系統(tǒng)建設(shè)，力求改善作物機(jī)械收割條件以及麥作期土壤排水條件.但是灌區(qū)土壤中粉粒含量高，黏粒含量少，屬于易造成暗管淤堵的土壤，市場(chǎng)上現(xiàn)有土工布是否可有效攔截土壤顆粒，從而保證暗管排水系統(tǒng)的正常運(yùn)行則需要通過(guò)試驗(yàn)研究來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證.

因此，文中開展土工布外包濾料的室內(nèi)水力滲透試驗(yàn)研究，采集研究區(qū)典型土壤，選取2種在國(guó)內(nèi)其他地區(qū)已有應(yīng)用的土工布，并與砂濾料進(jìn)行透水性和抗淤堵性能對(duì)比試驗(yàn)，以期為土工布在沿運(yùn)灌區(qū)暗管排水系統(tǒng)建設(shè)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤取江蘇省揚(yáng)州市江都區(qū)農(nóng)田水利科學(xué)研究站(119°30′E,32°33′N)，取土深度60～90 cm，風(fēng)干后過(guò)2 mm篩剔除粗粒礫石，使用馬爾文MS3000激光粒度儀測(cè)定土壤粒徑組成.圖1為土壤的粒徑ds分布曲線圖.

圖1 供試土壤的粒徑分布曲線Fig.1 Particle size distribution of tested soil

圖中θ累為累積質(zhì)量百分比，黏粒含量為3.53%，粉粒含量為51.58%，砂粒含量為44.89%(黏粒：<0.002 mm；粉粒：0.002～0.050 mm；砂粒：0.050～2.000 mm)，根據(jù)土壤質(zhì)地分類，供試土壤為砂壤土.排水暗管外包濾料土壤中黏粒含量與粉粒含量的比值小于0.5時(shí)，暗管易被移動(dòng)的土顆粒淤堵.文中供試土壤黏粒含量與粉粒含量的比值僅為0.07，說(shuō)明其屬于易淤堵土壤，對(duì)暗管外包濾料的要求較高.

從圖1可以看出，供試土壤的粒徑分布曲線呈上凹形，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，濾層在這種土壤中使用時(shí)，發(fā)生淤堵的可能性較大；土壤的不均勻系數(shù)Cu是土壤d60與d10的比值，反映的是土壤顆粒的均勻程度，Cu>5.0的土稱為不均勻土，其大中小粒徑相互之間的關(guān)系較疏遠(yuǎn)，在這種土壤中鋪設(shè)的暗管易被流失土壤淤堵.供試土壤的不均勻系數(shù)Cu為10.8，暗管外部應(yīng)包裹濾料，同時(shí)圖1顯示供試土壤的粒徑分布曲線呈上凹形，說(shuō)明外包濾料被淤堵的風(fēng)險(xiǎn)較大，選取的土工布應(yīng)當(dāng)具有良好的抗淤堵能力.文中選取在北方灌區(qū)應(yīng)用較多的2種熱熔紡黏絲土工布A和B進(jìn)行試驗(yàn)，具體參數(shù)如表1所示，供試的2種土工布厚度均小于0.5mm，透水性能較好，表中m為質(zhì)量，d為厚度，O90為有效孔徑，P為滲透性.

表1 待測(cè)土工布參數(shù)Tab.1 Parameters of testing geotextiles

1.2 試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析

為了檢驗(yàn)、比較土工布的反濾效果，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)3個(gè)處理，分別為A(使用土工布A作為反濾層)、B(使用土工布B作為反濾層)、河砂(根據(jù)反濾層設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，選取級(jí)配良好的河砂作為反濾層，其不均勻系數(shù)為8).其中河砂是傳統(tǒng)使用的反濾材料[6]，文中用來(lái)比較土工布濾層的透水性能.

試驗(yàn)所用儀器為自制水力滲透儀，材質(zhì)為透明有機(jī)玻璃，內(nèi)徑10 cm，土壤填充深度30 cm，儀器整體結(jié)構(gòu)如圖2所示.試驗(yàn)開始前，在河砂反濾層土柱下方裝入10 cm厚河砂，在另外2個(gè)土柱的支撐網(wǎng)上分別放置土工布A與土工布B，按照固定干容重1.33 g/cm3(與試驗(yàn)區(qū)田間數(shù)據(jù)相同)分層裝填供試土壤，每次裝填高度5 cm，如圖2a,2b所示；隨后密封儀器，自下而上緩慢加入脫氣水用以排出土壤中的空氣，直至土柱飽和(上下測(cè)壓管水位齊平時(shí)土壤完全飽和).在土柱不同位置安裝測(cè)壓管，用以計(jì)算各部分滲透系數(shù).為防止產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象，抬起一定高度的軟管接出水閥門并在軟管內(nèi)部預(yù)先裝滿水，在土壤充分飽和48 h后，改為自上而下注水，打開出水閥門使?jié)B流從軟管流出，試驗(yàn)開始.試驗(yàn)初期每隔12 h測(cè)量1次排水流量和測(cè)壓管水位，用以計(jì)算各試驗(yàn)儀器的整體滲透系數(shù).當(dāng)滲透系數(shù)趨向穩(wěn)定后，改為24 h測(cè)量1次，數(shù)據(jù)連續(xù)5 d無(wú)變化時(shí)結(jié)束試驗(yàn).試驗(yàn)觀測(cè)從2019年11月至2020年5月結(jié)束，歷時(shí)7個(gè)月.試驗(yàn)結(jié)束拆除儀器后，將沉積在土工布下側(cè)的土壤取出風(fēng)干，稱重后進(jìn)行顆粒分析測(cè)驗(yàn).

圖2 滲透儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental permeameter

對(duì)土工布排水性能的分析，可以通過(guò)分析土工布處理的整體滲透系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn).圖2中，根據(jù)土柱不同位置測(cè)壓管的讀數(shù)，應(yīng)用達(dá)西定律來(lái)計(jì)算土工布以及整體土柱的滲透系數(shù).其中，試驗(yàn)系統(tǒng)整體的滲透系數(shù)(KT)計(jì)算式為

(1)

土工布部分(土工布及其表面1.5 cm土壤)的滲透系數(shù)Kg與相對(duì)穩(wěn)定的土壤部分滲透系數(shù)Ks進(jìn)行對(duì)比，以進(jìn)一步探究土工布對(duì)于臨近土體滲透性的影響.土工布部分滲透系數(shù)和土壤部分滲透系數(shù)(通過(guò)11號(hào)與12號(hào)測(cè)壓管測(cè)得)計(jì)算式為

(2)

(3)

上述式中：KT為整體滲透系數(shù)；Q為透過(guò)土柱的流量，cm3/s；H為測(cè)壓管的水頭，cm；L為整個(gè)土柱高度;Lg為土工布+1.5 cm土壤；Ls為11與12號(hào)測(cè)壓管之間的27 cm土壤高.為了便于分析，將K的單位由cm/s轉(zhuǎn)化為m/d.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同處理導(dǎo)水性能變化

圖3為3種反濾材料處理的試驗(yàn)系統(tǒng)整體滲透系數(shù)變化情況.試驗(yàn)時(shí)間共計(jì)210 d，在試驗(yàn)進(jìn)行至100 d時(shí)，3個(gè)處理的滲透系數(shù)均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；處理A的整體滲透系數(shù)穩(wěn)定在0.013 9 m/d，為初始值的54.1%；處理B的整體滲透系數(shù)穩(wěn)定在0.008 2 m/d，僅為初始值的30.2%；河砂處理的整體滲透系數(shù)穩(wěn)定在0.011 5 m/d，為初始值的46.1%.其中，表現(xiàn)較好的土工布A是河砂的121.0%，而土工布B僅為河砂的71%.如果以河砂為參照，可以認(rèn)為厚度較大、開孔率稍小的土工布A的透水性能最好.在隨后的110 d中數(shù)據(jù)未發(fā)生變化.

圖3 測(cè)試系統(tǒng)整體滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.3 Change of overall hydraulic permeability coefficient of test system with time

從圖3可以看出，3個(gè)處理的整體滲透系數(shù)均在排水初期發(fā)生了較大程度的衰減，試驗(yàn)進(jìn)行至第5 d，處理A、處理B和河砂處理的整體滲透系數(shù)較初始值分別下降了16.6%，44.3%和28.4%；而當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至100 d時(shí)，各處理的滲透性趨于穩(wěn)定，3個(gè)處理的整體滲透系數(shù)在隨后的5 d里僅變化了0.2%,0.5%和0.1%；試驗(yàn)進(jìn)行至210 d時(shí)，各處理的整體滲透系數(shù)與100 d時(shí)持平，這表明選用的2種土工布與河砂濾層最終均能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，即均能與土壤形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，保證整體滲透系數(shù)保持在一定水平.

2.2 土工布抗淤堵性能變化

上面列出的整體滲透系數(shù)反映了試驗(yàn)階段土樣的整體表現(xiàn)，而實(shí)際影響反濾效果的卻是反濾層附近土壤(包括反濾材料本身)性能的變化.本研究在土工布上方增設(shè)了測(cè)壓管(圖2中的12號(hào))，用以計(jì)算土工布和其上1.5 cm厚的土壤的滲透系數(shù).圖4為各處理土工布部分與土壤部分的滲透系數(shù)變化.穩(wěn)定后處理A的土工布部分滲透系數(shù)為0.009 6 m/d，而處理B土工布部分的滲透系數(shù)僅為0.001 2 m/d.

圖4 處理A和B的整體、土壤和土工布部分滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.4 Change of hydraulic permeability coefficient of whole, soil and geotextiles of treatments A and B with time

相比于整體滲透性的研究，對(duì)土工布部分滲透性的研究能更好地反饋土工布的透水性能和抗淤堵能力.文獻(xiàn)[7-8]在各自的試驗(yàn)中，都增設(shè)了用以計(jì)算土工布部分滲透系數(shù)的測(cè)壓管，發(fā)現(xiàn)土工布部分的滲透性變化極大程度影響了排水系統(tǒng)整體的透水性.陳星柏[9]在對(duì)土工布滲透性準(zhǔn)則的研究中指出，當(dāng)土工布部分與土壤部分的滲透性比值(Kg/Ks)大于0.100時(shí)，該土工布不會(huì)給排水系統(tǒng)帶來(lái)較大危害，且比值越大則土工布的透水性能越好，處理A與處理B的Kg/Ks比值分別為0.905和0.115.這顯示了土工布A能夠形成更好的反濾保護(hù)，在研究區(qū)土壤中具有更好的抗淤堵能力和透水性能.土工布B雖能滿足排水標(biāo)準(zhǔn)的要求，但相較土工布A，仍然存在較大的堵塞風(fēng)險(xiǎn).

在處理A中，整體、土壤和土工布這3部分的滲透系數(shù)變化規(guī)律基本一致，且整體和土壤的數(shù)值較為接近，這表明主導(dǎo)處理A整體滲透系數(shù)變化的因素是土壤的滲透系數(shù)，而土工布部分滲透性與土壤變化一致，說(shuō)明土工布A對(duì)局部滲透性的影響很小，滲透性變化主要來(lái)自于1.5 cm厚的土壤，土工布并未產(chǎn)生較大程度淤堵；土工布部分滲透性低于土壤部分是因?yàn)樵摬糠?.5 cm厚的土壤位于土柱最下層，受土壤固結(jié)的影響較大.但在處理B中，土工布部分滲透系數(shù)變化與土壤和整體不同，該部位受到土工布的影響較大，主要是由于土工布B的使用過(guò)程中產(chǎn)生較大程度的淤堵，對(duì)滲透性的影響因此較大.

2.3 土工布淤堵及對(duì)反濾性能的影響

被保護(hù)土壤的顆粒在水流作用下產(chǎn)生移動(dòng)，一部分穿過(guò)土工布進(jìn)入排水系統(tǒng)，而另一部分則被土工布截留.這些被截留的土壤顆粒，以2種形態(tài)存在：① 淤堵，細(xì)土粒淤堵在土工布的內(nèi)部，減少其透水面積；② 淤塞，土粒聚集在土工布迎水面，形成一層透水性較低的濾餅.無(wú)論是哪種形態(tài)，均會(huì)對(duì)處理整體的透水性產(chǎn)生一定程度的影響，在土工布的選取中，應(yīng)探查這2種情況發(fā)生的程度.因此在試驗(yàn)結(jié)束后，輕取土工布做進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)在土工布迎水面的土壤在土工布取下后會(huì)與其緊密結(jié)合在一起，且結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，如圖5a所示.圖5b，5c，5d是通過(guò)掃描電子顯微鏡SEM觀察到的土工布表面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，微米級(jí)視圖顯示選用的土工布孔隙會(huì)被細(xì)小土顆粒組成的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)淤塞和淤堵，土工布過(guò)水面積減少.但從圖5b和圖5d也可以看出，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后的土壤顆粒并不會(huì)完全堵死選用的2種土工布，仍有大量孔隙保留.

圖5 土工布電子顯微鏡掃描圖和表面濾餅圖Fig.5 Electron microscope scanning pattern and surface filter cake diagram of geotextile

將土工布迎水面的土壤輕輕刮下，使用激光粒度儀進(jìn)行顆粒分析，結(jié)果如表2所示,表中γ為粒徑級(jí)配.土工布A與土工布B表面土壤中的細(xì)顆粒增多，黏粒和粉?？偤糠謩e高于原裝土壤36%和40%，這主要是因?yàn)橥寥拦探Y(jié)的影響，但土工布B表層的土壤更加密實(shí)，低透水性濾餅存在的可能更大.胡丹兵等[10]在其研究中發(fā)現(xiàn)，距離土工布1 cm處土壤中的細(xì)顆粒顯著增加，0.05 mm以下土顆粒含量較原裝土多了20%，同時(shí)發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒淤積形成的淤堵層滲透性下降幅度較大，僅為初始值的10%.而根據(jù)WEGGEL等[11]的研究結(jié)果，在土工布上方形成的濾餅會(huì)持續(xù)吸納更小粒徑的顆粒，其厚度隨時(shí)間推移而逐漸增加，透水性也隨之逐漸減少.本研究中，土工布B表面土壤更加密實(shí)，濾餅使整體滲透性大幅度下降的風(fēng)險(xiǎn)較大，這也與其土工布部分較低的滲透性表現(xiàn)一致.

表2 濾餅的土壤顆粒分析結(jié)果Tab.2 Analysis results of soil particles of filter cake

取出土工布后，自然風(fēng)干并測(cè)量其質(zhì)量變化，表3為測(cè)定結(jié)果,表中m初為土工布初始質(zhì)量，m后為淤堵后質(zhì)量，m淤為淤堵量,ω淤為淤堵率.土工布A和土工布B均發(fā)生淤堵，2種土工布的淤堵率分別為21%和37%.相比于土工布B，厚度較大的土工布A在沿運(yùn)灌區(qū)土壤環(huán)境下具備更好的抗淤堵能力.鮑子云等[5]在對(duì)暗管外包料應(yīng)用效果的實(shí)地調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)4 a的使用，淤堵率在70%～80%的幾種土工布依舊保持良好的透水性能，所包裹暗管仍能夠滿足田間排水需求.因此可以認(rèn)為，本研究選用的2種土工布淤堵率均保持在可接受范圍內(nèi)，能夠滿足暗管的排水需求.

表3 供試土工布淤堵率Tab.3 Blockage rate of test geotextile

選取土工布時(shí)需參照土工布的選取標(biāo)準(zhǔn)，也就是根據(jù)土壤粒徑選取合適的土工布孔徑，來(lái)滿足實(shí)際工程中土工布的透水要求和抗淤堵要求.而值得注意的是，相關(guān)研究指出等效孔徑O90與控制粒徑d90太過(guò)于接近時(shí)，土工布被淤堵的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)大幅度提高[10].文中，土工布B的等效孔徑為227 μm，而供試土壤的控制粒徑為225 μm，存在較大的淤堵風(fēng)險(xiǎn)，尤其是在長(zhǎng)期使用后.

對(duì)于土工布B，較高的淤堵率是否是其表面土壤更為密實(shí)的主要原因還有待考證，但對(duì)比土工布A，土工布B更高的淤堵率和更為密實(shí)的土壤直接導(dǎo)致其土工布部分滲透性大幅度降低.土工布部分的厚度雖然僅有1.5 cm，但該部分土工布和濾餅的存在，使得其透水性在很大程度上影響著處理整體的透水性.

3 結(jié) 論

1) 長(zhǎng)期運(yùn)行后，土工布A和土工布B均保持良好的透水性能，對(duì)應(yīng)處理整體滲透系數(shù)分別為初始值的54.1%和30.2%，而使用河砂濾層的處理整體滲透系數(shù)為初始值的46.1%，這表明厚度較厚、開孔率較小的土工布A透水表現(xiàn)最好.

2) 土工布在使用過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生2種狀態(tài)的淤堵，第一種是土工布自身的淤堵，土工布內(nèi)部被土壤顆粒占據(jù)，透水面積減??；第二種是土工布引起的淤堵，未穿過(guò)土工布的土粒堆積在土工布表面，并與土工布緊密結(jié)合，形成致密的濾餅.文中土工布B這2種淤堵的程度均高于土工布A，在試驗(yàn)區(qū)土壤中，土工布A具有更好的抗淤堵能力.

3) 由于土工布B的等效孔徑與控制粒徑大小太過(guò)相近(O90/d90=1)，該土工布發(fā)生了較高程度的淤堵，因此在使用土工布B的處理中，土工布部分的滲透系數(shù)僅為處理A土工布部分的13%，整體滲透系數(shù)也僅為處理A的59%.根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)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，該結(jié)果可為田間實(shí)際應(yīng)用提供有價(jià)值的參考.