排水暗管滤层土工布的水力性能与其孔隙结构关系的研究

2020-12-28谢中意李明思蓝明菊

灌溉排水学报 2020年12期

谢中意，李明思，韩寒，蓝明菊

（石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832003）

0 引言

【研究意义】农田暗管排水技术在我国干旱半干旱盐碱地区得到了广泛应用[1-3]。早期的排水暗管滤层多采用砂砾石或碎石屑等多孔介质材料[4]，施工成本较高。目前，排水暗管滤层广泛采用土工织物（土工布或无纺布），不仅显著降低了施工成本，而且实现管布一体化生产，使暗管的施工效率大大提高[5]。新疆是我国盐碱地分布广泛的地区[6]，同时也是干旱缺水的地区。为了实现农田节水目的，新疆大面积推广膜下滴灌技术，但同时废弃了大量的田间排水农沟，给盐碱地治理造成了一定困难。为了能够同时获得田间节水和治理土壤盐碱的效果，近年来，基于土工织物滤层的暗管排水技术在新疆滴灌农田中逐步推广，并显示出较好的控制地下水和抑制土壤盐碱状况的优势，取得了良好的效果[7-9]。

【研究进展】土工布由于具有良好的过滤、排水、隔离、加筋、防渗和防护作用，最初被广泛用于降低海岸侵蚀、水库坝体防渗、污水处理、建筑物排水滤料等领域[10-11]。水利工程中常采用厚度较大的单层或多层复合型土工布，且土工布大都是处在水平面、垂直面、或斜平面的条件下工作[12]。根据土工布在水利工程中的使用环境，国内外学者研究了土工布的渗透系数、渗透模型、以及在非饱和条件下土工布的毛细屏障、水分特征曲线与纤维结构之间的关系等问题[13-17]。吴灵芝等[14]研究表明，单层非织造材料的孔径与渗透率之间的关系完全不同于复合多层材料的孔径与渗透率之间的关系，对于复合材料来说，一定程度地减小孔径仍可提高渗透率，而这对于单层材料来说较难实现。Henry[15]发现，在非饱和土壤中，土工织物排水特点与砂层的排水特点相似，都会在毛细管破裂情况下使排水界面上方的水流运动受阻且积聚。吕擎峰等[17]研究发现，土工布的等效孔径越小，其毛细水高度越大，且具有较好的持水性能。

作为农田排水暗管外包滤料的土工布，国内外学者主要关注的是其透水阻力和堵塞问题。Nieuwenhuis 等[18]指出，使用土工布作为排水暗管的滤层可以略微增加管道的有效半径，当约1 cm 厚的滤层发生阻塞现象时，水流进入排水暗管所增加的阻力可忽略不计。Stuyt 等[19]研究表明，当外包滤料的渗透系数为周围土壤渗透系数的10倍以上时，能很好地降低排水阻力。刘文龙等[20]研究表明，如果用O90/d90≥1.0的条件筛选土工布作为排水暗管的外包滤层，该暗管在黄河三角洲粉细砂土中工作时，易使土工布发生一定程度的淤堵，土工布的稳定渗透能力将下降30%左右，但并不影响其排水功能。丁昆仑等[21]在2种土壤中对6种合成外包料进行了一维渗透试验，试验结果显示，按照O90/d15≥4 标准选出的土工布可满足暗管排水的透水性要求。

【切入点】作为农田排水暗管滤层的土工布其工作面是圆弧形的，水流在土工布中运动时易产生绕流现象；特别是在滴灌条件下，土壤处在非饱和状态，土壤水分沿着排水暗管周围产生的绕流现象更加明显[22]，水分较难进入暗管。土工布属于多孔介质，将其作为排水暗管的外包滤层时，应该考虑其在饱和土壤和非饱和土壤环境下的工作要求，即不仅要考虑土工布的透水性，还要考虑土工布的持水能力；而这些水力特征都与土工布的材料质地、孔隙结构、骨架类型、以及使用方式有关。然而，目前关于土工布水力特征与其孔隙结构和材料质地之间的关系的研究成果还很少，不利于农田排水暗管设计中对外包滤层的科学选择。因此，我国相关规范[23]要求，排水暗管外包滤料土工布的选择应通过具体工程试验确定。

【拟解决的关键问题】本文选取针刺短丝、聚酯长丝、超薄型等3种类型的土工布，用显微观测技术分析不同土工织物的微观孔隙结构特征；并通过室内测试，分析不同土工布的饱和渗透特性、非饱和持水特性以及土工布中的水势随其放置角度变化而发生的转换过程；在此基础上分析非织造土工布水力性能与其微观结构之间的关系，为农田排水暗管设计中对土工布的合理选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 土工布材料

试验于2018年11月—2019年3月在石河子大学水利与土木工程实验中心（44°18'25''N，86°03'27''E，海拔451 m）进行。供试土工布均来自河北顺泰土工材料有限公司，共3种类型、10种规格，分别为：短纤针刺非织造无纺土工布（简称短丝土工布），规格分别为300 g/m2（D300）、400 g/m2（D400）、500 g/m2（D500）；聚酯长丝针刺无纺土工布（简称长丝土工布），规格分别为300 g/m2（C300）、500 g/m2（C500）；超薄型无纺土工布（简称薄型土工布），规格分别为30 g/m2（B30）、60 g/m2（B60）、100 g/m2（B100）、150 g/m2（B150）、260 g/m2（B260）。供试土工布的基本参数如表1所示。

表1 供试土工布的基本参数Table1 Basic parameters of geotextiles for test

1.2 测试指标与方法

1.2.1 土工布孔隙结构特征

每种规格的土工布选取3 块质地较均匀的布样，剪成正方形（5 cm×5 cm），用XSP-8CA 三目生物显微镜（具有图像截取功能、并自带精度0.01 mm的分度尺）观测土工布孔隙结构，每个布样选取3个点进行观测。将观察到的图像导入CAD（2010 版）平台中进行编辑和量测。量测时，根据图像中土工布表面的丝（纤维）分布结构，在CAD 平台上描绘出丝（纤维）所围出的孔隙形状，计算所有孔隙的面积，并求和，再与图像的总面积之比，便得到布样观测范围内的平面孔隙率nxy。将孔隙概化为理想圆形，在面积守恒的条件下，算出单个孔隙的直径，进而求出土工布的平均孔隙直径。

1.2.2 土工布渗透性

分别选取每种规格土工布中质地较为均匀的3 块布样，制成直径为10 cm的圆形试样。用饱和渗透仪测量土工布试样的垂直渗透系数和透水率；每个布样重复测量3次。测试中测压管水位差保持10~15 cm水头，待水头稳定，观测1 min 内的土工布渗水量；由式（1）、式（2）计算其垂直渗透系数和透水率[24]。

式中：Kn20为标准温度（20℃）时试样的垂直渗透系数（cm/s）；φ20为标准温度（20℃）时的透水率（1/s）；A为试样的透水面积（cm3）；ΔH为土工布上下面测压管水位差；t为观测透水的时间（s）；Q为t时间的透水量（cm3）；δ为土工布的厚度（cm）；ηr为实际温度时的水动力黏滞系数（kPa∙s），查表得到；η20为20℃时的水动力黏滞系数（kPa∙s），查表得到。

1.2.3 土工布持水能力

为了测定土工布在非饱和条件下的持水能力、以及其持水能力随土工布铺设角度的变化，本文开发了相应的实验装置—坡度板。如图1所示，该装置主要由面板、调坡支架、排水容器等组成。面板主要用于安放和固定排水容器；排水容器被防滑的透水网分割成上、下2层；将供试土工布饱和后剪成5 cm×5 cm正方形，平铺在透水网上，任其自由排水；调坡支架沿面板侧边上的滑槽滑动，调节面板的放置角度。

图1 坡度板测土工布变角度持水性示意图Fig.1 The schematic diagram of slope plank used to measure the water holding capacity of geotextiles placed at different angles

测试中，对各种土工布选取质地较均匀的布样3块，剪成5 cm×5 cm 正方形；以土工布放置角度（即面板放置角度）为0°时的含水率作为饱和标准；观测土工布在不同倾斜角度下自由排水后的质量。土工布排水过程中排水容器加盖防止蒸发。用相对饱和度表示土工布在不同放置角度时的持水能力。

1.2.4 土工布水分特征曲线

为提高砂芯漏斗排水观测精度，本文对传统的砂芯漏斗装置[25]做了改造，用其精准观测在负压（吸力）作用下，土工布沿厚度方向的脱水过程，从而绘制出土工布（沿厚度方向）的水分特征曲线。对每种土工布重复观测3次。用观测出的测压管水头（吸力）和土工布的相对饱和度来表达其水分特征曲线。

2 结果与分析

2.1 土工布的孔隙结构分析

同一种土工布中平面质量（面积质量）越大的规格，其体积密度也越大，且其厚度越大（表1）。土工布越厚，其孔隙结构就越复杂，具有一定厚度的土工布的孔隙结构具有三维随机特性。超薄型土工布的孔隙结构主要是平面结构，但其大小和形状也具有随机性（图2）。

由图2可知，虽然薄型土工布（B）的孔隙通透性比长丝（C）和短丝（D）土工布的通透性好，但是，其热黏合加固工艺[24]使该材料上有规则分布的方形不透水密质区，且在非密质区上均匀分布有较多孔径接近的小孔隙，这些因素都将降低超薄型土工布的透水性能。另外，超薄型土工布的纤维直径比长丝（短丝）土工布的纤维直径更粗，纤维弯曲度较小，这些因素也将降低其持水性能。长丝土工布的孔隙通透性比短丝的指标好，这有利于该土工布的渗透性能。长丝（短丝）土工布具有大小不一、分布不均的孔隙结构特征，可使其具有一定的持水能力。

图2 土工布的微观孔隙结构图（放大倍数：35倍）Fig.2 The microscopic pore structure of geotextiles (Magnification:35 times)

对各种类及不同规格土工布的孔隙直径分析发现，长丝土工布（C）的大孔隙比例多于短丝土工布（D）的值，更大于多数超薄型土工布（B）的同类指标。如图3所示，同类型土工布的孔隙直径随着面积质量的增大而减小；其中，短丝土工布D300 规格的平均孔隙直径（0.082 mm）分别比D400 和D500 规格的值大27.93%、20.97%；长丝土工布C300 规格的平均孔隙直径（0.112 mm）比C500 规格的值大2.05%；薄型土工布B30 规格的平均孔隙直径（0.219 mm）分别比B60、B100、B150、B260 规格的同类指标大65.06%、66.92%、66.36%、85.45%。从透水能力方面评价，土工布大孔隙比率越高、孔隙直径越大，其透水性越好。

图3 土工布的孔径分布曲线Fig.3 The aperture distribution curves of geotextiles

图4 土工布的孔隙率特征参数Fig.4 The porosity characteristic parameters of geotextiles

表1相关指标与土工布空间孔隙率n的关系[26]为：

式中：ρ为纤维材料密度（g/cm3）；γ为土工布的体积密度（g/cm3）。

根据式（3）计算土工布的空间孔隙率n；依据显微镜图像计算土工布平面孔隙率nxy，建立土工布空间孔隙率和平面孔隙率随体积密度的变化关系。

由图4可知，各类型土工布的平面孔隙率和空间孔隙率都与其体积密度呈负相关关系，即土工布的体积密度越大，其平面孔隙率和空间孔隙率越小。短丝土工布D300的空间孔隙率分别比D400 和D500的值大2.43%、3.59%；而其平面孔隙率分别比后者的值大16.71%、30.41%。长丝土工布C300的空间孔隙率比C500的值大0.09%，其平面孔隙率比后者的值大5.15%。薄型土工布B30的空间孔隙率比B60、B100、B150、B260的值分别大4.68%、5.46%、11.63%、19.73%；其平面孔隙率分别比后者的值大14.18%、23.01%、27.79%、36.13%。另外，超薄型土工布的体积密度最大，其空间孔隙率和平面孔隙率都比其他2种类型土工布的同类指标小，不利于超薄型土工布的透水能力。

显微镜显示的图像特征仅仅是各类型土工布的平面特征；而在土工布工作中，沿其平面方向和厚度方向都有水分运动，因此，需要分析其厚度方向的水力特性。为此，本文建立了计算土工布各向填充率λ、λxy、λz、以及纵向（沿土工布的厚度方向）孔隙率nz的模型。

对于多孔介质，其填充率为单位体积多孔介质中所含骨架介质的体积数量λ，即：

式中：λ为纤维空间填充率（%）；其他符号含义同前。

由于骨架介质的体积与孔隙体积的和为多孔介质的体积，则对于单位厚度的多孔介质有：

式中：nxy为平面孔隙率（%）；λxy为纤维平面填充率（%）。

假设具有一定厚度的多孔介质的各层平面孔隙率相等（孔隙结构不一定相等），则有：

式中：λz为纤维纵向填充率（%）。

由此可推导出计算纵向孔隙率nz的公式：

式中：nz为多孔介质的纵向孔隙率（%）。

同一种材料、不同厚度的土工布之间的纤维纵向填充率成比例关系，如式（9）所示。

式中：mi为土工布的平面质量10-4（g/m2）；δi为土工布的厚度（cm）。

如图4所示，短丝和长丝类型的土工布的纵向孔隙率与其体积密度之间呈正相关关系；而超薄型土工布的纵向孔隙率存在最优值。由式（4）—式（8）计算出的土工布纵向孔隙率可知，短丝土工布D300的纵向孔隙率分别比D400 和D500的值小2.30%、4.64%；长丝土工布C300的纵向孔隙率比C500的值小6.08%；薄型土工布B30的纵向孔隙率分别比B60、B100、B150、B260的值小9.03%、15.84%、11.28%、7.71%。如果土工布的纤维材质不确定，可由（9）式计算出同类土工布、不同规格之间的纤维纵向填充率的比例关系。结果表明，D400 和D500的纵向纤维填充率分别是D300的88.75%、77.24%；C500的纵向纤维填充率是C300的82.46%；B60、B100、B150和B260的纵向纤维填充率分别是B30的84.61%、75.17%、78.45%、84.05%。由于纤维填充率越高表示纵向孔隙率越低，所以2种计算方式得到的土工布的纵向孔隙变化特征具有高度的一致性。

综合各项孔隙率的变化特点分析，土工布（特别是短丝和长丝类型土工布）的平面孔隙率与其纵向孔隙率的变化特点相反。这是因为在土工布的纤维成网过程中，材料在平面方向上受拉应力或剪切应力的作用，可使平面上的孔隙增大；而在纵向上主要受压应力作用[26]，可使纵向孔隙减小。土工布平面应力的减小、或纵向应力的增大，都可使土工布密度增加；所以，随着土工布体积密度的增加，其平面孔隙率与纵向孔隙率的变化趋势可以相反。另外，虽然各种类型土工布的空间孔隙率都大于其平面孔隙率，但是二者之间的变化趋势相同，说明土工布的空间孔隙率主要受其平面孔隙率主导。

作为田间排水暗管外包滤层的土工布，在非饱和土壤环境下工作时，土壤水分沿暗管外围存在绕流现象，则水分将沿土工布布面维度运动（渗流）；当土工布接近饱和时，水分将沿其纵向（厚度方向）运动（渗流）进入暗管内。所以当土工布平面孔隙率大时，有利于缓解土壤水分在暗管外围的绕流现象；而当土工布纵向孔隙率大时，有利于水分垂直深入管道。

2.2 土工布的渗透性

如图5所示，短丝和长丝土工布的渗透系数及透水率都随面积质量的增大而增大；超薄型土工布的渗透系数和透水率则随面积质量的增大呈抛物线型变化。

图5 土工布渗透性能特征分析Fig.5 The characteristic analysis of geotextiles' permeability

短丝土工布D300 和D400的渗透系数值比D500的值分别小37%、26%，其透水率分别比后者小4.9%、5.1%；长丝土工布C300的渗透系数值比C500 小61.92%，其透水率比后者小5%；薄型土工布B30、B100、B150、B260的渗透系数比B60 分别小58.61%、-6.47%、37.48%、38.40%，其透水率分别比后者小28.48%、24.07%、57.91%、60.84%。在相同面积质量条件下，长丝土工布的渗透系数和透水率大于短丝土工布的值。

土工布渗透试验中水流垂直土工布布面下渗，即沿着土工布厚度方向（纵向）运动；而土工布的渗透性与其纵向孔隙率呈正相关关系，表明土工布的纵向孔隙率决定了其渗透阻力，因此对土工布的渗透性能影响最大。超薄型土工布的纵向孔隙率随土工布面积质量的增加呈抛物线形变化，这是受热黏合加固工艺[24]的影响；密质不透水区大大减小了其渗透面积，所以超薄型土工布的渗透系数较短丝（长丝）土工布的值小很多。综上可知，就渗透性而言，C500和D500 更适于非饱和排水暗管的外包滤料。

2.3 土工布的角度持水特性

本文利用自制设备分别测定出短丝和长丝类型土工布（超薄型土工布的持水量太小，难以测量）的饱和度随其放置角度的变化情况。结果如图6所示，2种类型、不同规格土工布的饱和度均随着土工布放置角度由小（0°）变大（90°）而降低，即随着土工布放置角度的增大出现明显的排水现象。

图6 土工布持水性与布置角度的关系Fig.6 The relationship between water holding capacity of geotextiles and their laying angles

随着放置角度的增大，体积密度更大的土工布，其排水量更少，即持水能力更强。因为在纤维质地不变的情况下，土工布体积密度越大，表明其小孔隙数量越多，使得其基质吸力越大。在土壤非饱和条件下，土工布沿排水暗管周围包裹的角度呈360°变化。在土工布基质吸力作用下，土壤水分被吸进土工布中并沿着土工布布面绕着管壁周围运动；在暗管横断面下半部（即土工布接近垂直铺设状态），孔隙中的水分通过孔隙结构连成水柱，将产生相对较大的水压力，基质吸力同时降低；这导致土工布的这一部位较容易产生局部饱和，有利于水分渗入暗管。对各规格土工布随放置角度的排水过程建立回归模型，有利于认识其在非饱和条件下的排水效果（表2）。

表2 土工布的排水量随布置角度变化的拟合方程Table2 Fitting equations of geotextiles’ water loss changing with the placed angle

由表2可知，在短丝（长丝）不同规格的土工布中，体积密度越小，其拟合方程中二次项系数的绝对值越大，说明其排水量随角度的变化速率越大。用积分中值定理对表2 中的拟合方程计算出1/4 圆弧状（由0°（水平）逐渐增大到90°（垂直））的土工布排水量得出，D300、D400、D500、C300 和C500 规格的土工布排水量分别是其饱和水量的7.33%、5.11%、4.79%、5.84%、3.60%。因此，从非饱和状态的排水效果分析，D300 和C300 土工布的工作效果较理想。

2.4 土工布的水分特性曲线

本文利用改进后的砂芯漏斗测定短丝和长丝类型土工布的水分特性曲线（超薄型土工布的水面降幅太小，其水分特性曲线难以测量），结果如图7所示，各类型土工布的基质吸力均随饱和度的降低而增大。

如图7（a）所示，在同一饱和度下，土工布基质吸力由小到大的规格分别为C300、D300、D400、D500、C500。由土工布厚度变化（表1）可知，土工布的吸力与其厚度呈正相关。为探究土工布材料及平面孔隙结构对水分特征曲线的影响，对测得的水分特征曲线除以土工布厚度做单位厚度处理，如图7（b）所示，结果表明材料质地也对土工布吸力产生影响，在同一饱和度条件下，长丝土工布的吸水能力大于短丝土工布的指标。这是由于长丝土工布是由聚酯纤维材料制成，短丝土工布是由聚丙烯纤维丝制成；而聚酯纤维材料本身就比聚丙烯材料有更强的吸湿性[27]。

如表3所示，本文测得的土工布饱和度与吸力之间的关系是非线性的，说明随着土工布饱和度的降低、排水量的增大，多孔介质的基质吸力加速增大。这一现象符合多孔介质排水的特点，即大孔隙先排水，相应的基质吸力小；小孔隙后排水，相应的基质吸力大，而且，孔径越小，吸力越大。

图7 土工布的水分特性曲线Fig.7 The water characteristic curves of geotextiles

表3 土工布水分特征曲线拟合方程Table3 Fitting curve equations of geotextiles’ water characteristic curves

3 讨论

3.1 土工布孔隙结构解析表征

土工布属于多孔介质，具有一定厚度的土工布同时也具有三维孔隙结构，其孔隙率是表征孔隙结构的重要参数。观测发现，土工布的孔隙结构并不均一，这与高翼强等[28]的研究结果一致。另外，本文试验结果显示，水分沿土工布平面方向运动与沿其厚度方向（纵向）运动的特点不同，表明其孔隙结构具有方向性；因此，需要从不同方向来表征土工布孔隙结构。根据显微成像技术提出了计算土工布平面孔隙率的方法，并根据物质守恒原则将纤维分布沿平面和厚度方向进行空间正交分解，以空间孔隙率和平面孔隙率为基础，建立了计算土工布纵向孔隙率的式（4）—式（8）。依据这些模型分析得出，对于具有一定厚度的长丝（短丝）土工布，其平面孔隙率和空间孔隙率都与土工布的体积密度呈负相关关系，而纵向孔隙率与土工布的体积密度呈正相关关系。本文分析出的孔隙结构的这一变化规律，与李彬[29]对短纤针刺土工布截面孔隙率的实测结果高度一致，证明了文中推求土工布纵向孔隙率方法的有效性，该方法测得的孔隙特征的空间差异性可以为土工布水力性能的空间差异性提供合理解释。

3.2 土工布水力性能

Hsieh[30]的研究显示，纤维间的孔隙必须具有适当的尺寸才能产生足够的毛细管压力和连通通道，以便输运液体、或把持液体。在水利工程应用中，主要关注土工布的渗透能力，其相关问题被学者们研究较多，而对土工布的持水能力关注不多[31-32]。蒋雅君等[33]对土工布的水平排水试验表明，当其单位面积质量较高时，土工布的等效孔径小、且孔隙数量多，其排水能力较弱。所以在很多情况下，工程中采用较薄的土工布作为滤层或防渗材料。但是在农田排水暗管上、或非饱和土壤环境中，往往需要土工布具有一定的持水能力。试验表明，土工布的持水能力与其厚度呈正相关；其透水能力与其纵向孔隙率呈正相关。张华赞[34]的研究表明，纤维质多孔材料的小孔径的孔隙数量越多，其产生的毛管吸力越大。在制作土工布的过程中，土工布厚度方向上受到压力作用[26]，所以其厚度方向上的孔径较小，对水分产生显著的吸持力。但是，如果纵向孔隙率较小，就会对水分渗透运动产生显著的阻力作用。这些特点都表明，用于农田排水暗管上的土工布选择依据与用于水利工程建筑物上的土工布的选择依据有所不同。

3.3 土工布水分特性曲线

土工布是较薄的多孔材料，观测其水分特征曲线有一定的困难。吕擎峰等[17]、Lafleur 等[35]用毛细高度试验得到了土工布沿平面方向的吸湿过程的水分特性曲线；Stormont 等[36]、Bouazza 等[37]和Knight等[38]利用悬挂柱试验和改良悬挂柱设备（一种可控出流毛细管压力计）观测出土工布沿厚度方向脱湿过程的水分特性曲线。土工布的吸力随含水率的增大而减小，在工程中可产生毛细屏障作用；土工织物孔隙吸力变化范围小（与土壤相比较），孔隙中的大部分水在较小的吸力（约1 kPa 即10 cmH2O)）作用下便可排出[35-38]。本文运用坡度板和改进的砂性漏斗装置，分别观测短丝和长丝土工布沿平面方向和厚度方向的脱水曲线，所得结果与前人运用悬挂柱法得到的规律十分相似。由于本文同时对土工布平面方向和厚度方向的水分特性曲线进行了测定，所以能在此基础上通过对土工布的厚度进行同一化处理，并分析出纤维材质对土工布沿厚度方向水力特征的影响。