植绿生态挡墙及自动浇灌系统研究

2020-06-11袁以美叶合欣罗日洪

中国农村水利水电 2020年4期

袁以美，叶合欣，罗日洪

(1.广东水利电力职业技术学院，广州 510635；2.广东省水利水电技术中心，广州 510635；3.广东省水利水电科学研究院，广州 510635)

0 前言

混凝土及浆砌石挡墙常用于河道堤防，其结构稳定，技术成熟，适用范围广，但临水侧光滑、陡立，显得僵硬而单调，缺少生态特性，且不利于落水者攀爬上岸。这与新时代坚持人与自然和谐共生、践行绿水青山就是金山银山的理念不相协调。为此，提出植绿生态挡墙[1]，即在传统挡墙临水侧墙面上增加数排生态槽，在槽内种植景观植物，可弥补传统挡墙生态功能上的不足，而工程造价增加甚微[2]。该科研成果被写入《广东省水利工程生态建设指导意见》(粤水办[2019]3号)：对使用混凝土、浆砌石等材料的圬工挡墙，可考虑在临水侧墙面上设置数排生态种植槽以进行植绿[3]。根据施工要求，提出两种施工方法。生态槽内植物健康生长需要满足一定条件，进而提出生态槽主要设计参数及自动浇灌系统。

1 植绿生态挡墙

1.1 主要设计参数

植绿生态挡墙既可用于新建挡墙，也可用于既有挡墙生态化改造[4](图1)，其核心思想是放缓临水侧坡比，在挡墙面上设置数排生态槽，充填种植土后植绿。挡墙临水侧坡比、生态槽壁厚、槽深、槽距、槽宽尺寸，是设计该生态挡墙的关键参数。其中槽壁厚度d的设计至关重要。为方便施工，生态槽底也可采用平底(图2)。

图1 植绿生态挡墙Fig.1 Planting concrete retaining wall

图2 生态槽示意图Fig.2 Sketch map of ecological trough

生态槽施工方法有两种：一是生态槽与混凝土挡墙同步浇筑，需要设置模板，施工工序较复杂；二是先阶梯后砌筑槽壁，槽壁采用砌体结构，施工较为简单。不同施工方法需要的槽壁厚度也是不同的。

1.2 生态槽与挡墙混凝土同步浇筑的壁厚

当生态槽与挡墙混凝土同步浇筑施工时，经分析计算，槽壁最小厚度d可按下式确定[5]：

(1)

式中：d为生态槽壁砌体厚度；k为绕流系数，0.7～1.0，一般取1.0；γw为水的容重；g为重力加速度；θ为水流冲击方向与挡墙生态槽的夹角；v为靠近挡墙生态槽壁处的水流断面平均流速，可按压缩断面的平均流速考虑，也可近似取生态槽河道水流的平均流速；[σ]为混凝土材料允许拉应力；H0为槽深。

当d计算值小于10 cm时，为方便施工宜取10 cm。当计算值大于15 cm时，为减少占地，宜沿槽间隔设置横向肋板或局部布设钢筋，并使槽壁厚控制在15 cm以内。上下两排相邻生态槽的垂直距离H1一般为80～100 cm，以方便植物生长及落水者攀爬上岸为宜。槽深H0一般可取40～50 cm[6]，槽宽D0可取30～50 cm。针对具体工程实际情况再按照挡墙临水侧坡比、挡墙整体稳定性来调整。

1.3 先阶梯后砌筑槽壁的壁厚

槽壁立模可能会影响工程进度。经调研，提出先阶梯后砌筑槽壁的施工方法。将传统混凝土及浆砌石挡墙陡立的临水侧，改进为阶梯式外墙(图3)，在各阶梯外沿设置砌体矮墙，形成数排长条形生态槽。与整体浇筑生态槽相比，阶梯式挡墙立模较简单，浇筑混凝土较方便。

图3 阶梯式生态挡墙Fig.3 Stepped ecological retaining wall

阶梯高度H1以落水者方便攀爬上岸为宜，一般为80～100 cm。阶梯宽度B0一般为40～60 cm，砌筑生态槽壁后，槽净宽D0不宜小于30 cm，以便于植物生长、动物栖息。临水侧墙面坡比以1∶0.4～1∶0.6为宜，若坡度过缓，可方便地布置生态槽，但将增大挡墙断面；若坡度过陡，虽可缩小挡墙断面，但相邻槽距过大，植绿后生态效果不理想。有条件时，尽量采用仰斜式挡墙，则可大大减小断面尺寸，降低工程造价[7]。经分析，与水上种植槽相比，位于水下的种植槽为控制工况，槽壁厚度可按下式确定。

(2)

砌体弯曲抗拉强度[σ]对槽壁厚度d影响较大，而砌体弯曲抗拉强度与砌块类型、砌块强度、砂浆黏结强度、砌筑方式、施工质量关系密切[8]。可考虑添加外加剂来提高砂浆黏结强度，进而提高[σ]的取值[9]，以减少槽壁厚度，增加生态槽净宽。

1.4 植绿生态挡墙设计参数

经工程设计验证，植绿生态挡墙的生态槽与墙身混凝土同步浇筑时，厚10 cm的C20混凝土槽壁，可抵抗5.5 m/s的河道水流冲刷[10]。先阶梯后砌体槽壁施工时，厚15 cm的浆砌砖槽壁可满足要求。表1列出了不同施工方法对应的设计参数。

表1 不同施工方法对应的设计参数Tab.1 Design parameters corresponding to different construction methods

从表1可知，生态槽与墙身同步浇筑时，代表性的生态槽设计参数为：槽净宽30 cm，槽壁高40 cm，壁厚10 cm，相邻槽距80 cm，挡墙临水侧综合坡比为1∶0.5。先阶梯后砌体槽壁施工时，代表性的生态槽设计参数为：挡墙临水面阶梯宽45 cm，高90 cm，挡墙综合坡比为1:0.5，M10砂浆砌筑标准烧结普通砖形成槽壁厚15 cm、壁高40 cm、净宽30 cm的生态槽。

2 自动浇灌系统

生态种植槽内的景观植物需要必要的水分，设置自动浇灌系统是必要的。现提出堤坝雨水收集自动浇灌系统[11-13]及堤坝太阳能墒情监测自动浇灌系统[14]。

2.1 堤坝雨水收集自动浇灌系统

堤坝雨水收集自动浇灌系统，指根据堤坝所处地形条件，将雨水收集后，经过滤、消毒、净化，达到符合设计使用标准，用来浇灌生态挡墙生态槽植物的系统，可节约水资源，缓解缺水问题。一般由弃流过滤系统、蓄水系统、净化系统、浇灌系统等组成。对于城市河道堤坝，雨水来源可为屋顶雨水与地面雨水。屋顶雨水相对干净，杂质、泥沙及其他污染物少，可通过弃流和简单过滤后，直接排入蓄水系统，进行处理后使用。地面雨水杂质多，污染物源复杂，在弃流和粗略过滤后，还必须进行沉淀才能排入蓄水系统。因此，有条件时，应尽量利用屋顶雨水。图4为堤坝雨水收集自动浇灌系统，根据生态槽植物种类、湿热条件、降水等环境因素确定需水时段与需水量，计算蓄水量，布置管线，结合生态槽墒情监测，实现自动浇灌功能。

1-排水沟； 2-蓄水池；3-沉沙池；4-施肥管；5-浇灌管道图4 堤坝雨水收集自动浇灌系统Fig.4 Rainwater collection and automatic watering system of dam

2.2 堤坝太阳能墒情监测自动浇灌系统

除利用雨水外，还可考虑以太阳能水泵为动力，结合生态槽墒情监测，从河道直接提水，实现自动浇灌，即堤坝太阳能墒情监测自动浇灌系统。图5和图6分别为堤坝太阳能墒情监测自动浇灌系统示意图及实物模型。

1-生态挡墙；2-生态槽；3-供水主管；4-直流水泵；5-进水井；6-滤网；7-Y型过滤器；8-太阳能光伏阵列；9-太阳能水泵控制箱；10-墒情监测及反馈线路；11-水泵启停线路；12-出水管；13-滴灌管；14-墒情监测器；15-堤身填土图5 堤坝太阳能墒情监测自动浇灌系统Fig.5 Automatic irrigation system for monitoring solar moisture content of dam

图6 自动浇灌系统实物模型(2019年中国创新创业成果交易会)Fig.6 Physical model of automatic irrigation system (2019 China Innovation and Entrepreneurship Fair)

系统设计主要包括以下内容[15,16]：

(1)灌溉首部包括抽水井、抽水水泵、水路管网、控制阀(手控阀和电磁阀)及相应喷头组成，其功能是当现场控制站给出水泵接触器接通信号时，太阳能转换系统输出电源供给抽水水泵，水泵工作，将水送入输送管网，现场控制站根据管路压力和绿化作物土壤湿度确定相应电磁阀开通，对应的喷头开始喷灌工作；当现场工作站发送关闭信号时，所有供电关闭，水泵、电磁阀处于关闭状态。

(2)灌溉控制系统主要由现场控制站及其附件组成，现场控制站连续读取绿化作物土壤湿度传感器信息和太阳能电池板的工作状态信息，利用现场控制站的设定控制策略对水泵、阀实现闭环控制，对太阳能转换版的工作状态进行调整。保证绿化作物的正常生长和太阳能供电系统的可靠工作。

(3)太阳能转换系统包括太阳能光电池板、蓄电池和转换系统板，转换板接收现场工作站的控制指令，实现光电池板的工作状态调整，使其转换效率较高，并且将蓄电池的工作状态发送给现场控制站。

(4)监控系统包括远程监控方案，现场控制站将当前工作状态通过现场无线通信网络发送给远程监控系统，远程监控系统将必要数据进行分析后保存在数据库并通过远程控制策略下发控制参数。

3 工程应用

某中小河流位于粤西北地区，流域总面积为 105.67 km2，主河道长 26.71 km，平均坡降0.78%，多年平均降雨量1 819 mm。河道桩号K9+800～K9+900右岸为当地中学正门广场(图7)。从防护对象重要性、防护结构安全性、水环境与水景观方面考虑，经多种方案比选，采用植绿生态挡墙。为减少投资，优化为仰斜式挡墙。在挡墙临水侧设置生态槽，并回填种植土、种植绿化，以增加挡墙生态性，同时，有助于不幸落水者沿生态槽攀爬上岸。

图7 工程现状(右岸为学校) Fig.7 Project status (school on right bank)

植绿生态挡墙高4.2 m，设4排生态槽，相邻槽距80～100 cm，槽壁厚15 cm。根据植物生长需要，槽高40 cm，槽宽30～50 cm，槽底每2 m设直径50 mm排水管，槽内回填种植土厚30 cm，以种植景观植物。为维持生态槽植物健康生长，同时布设堤坝太阳能墒情监测自动浇灌系统(图8)。图9为工程效果图。

对比工程现状(图7)与效果图(图9)，二者反差明显。按设计图施工后，中学门前河段将形成河畅、水清、堤固、岸绿、景美的水生态环境。