城市河道直立硬质挡墙生态化改造

罗日洪，黄锦林，叶合欣

(1.广东省水利水电科学研究院，广州 510635；2.广东省水利新材料与结构工程技术研究中心，广州 510635；3.广东省水利水电技术中心，广州 510635)

随着我国经济社会发展，城市化程度不断提高，城市建设过度硬化导致城市河道汇水情况发生较大变化，为快速排泄保障防洪安全，城市河道护岸普遍采用单一的两边直立式硬质挡墙结构[1]，硬质挡墙使河流与河岸的生态系统隔离；另外，单一的硬质直立式挡墙与自然和谐生态景观不协调，因此，对城市河道直立硬质挡墙的生态化改造技术进行研究具有重要的现实意义。

对于城市河道直立硬质挡墙的生态化改造，一般有2种措施：一是拆除原有硬质挡墙，采用生态形河流护岸，国外较早开展研究且较为广泛地应用到受损河道中[2]。城市已有的河道直立式挡墙护岸投资巨大，且具有使行洪排涝速度快、保护河岸稳定、占地面积小、材料易获取、施工较简单等特点，因此，大规模拆除城市硬质挡墙护岸，无论从经济、防洪安全和空间的角度看，代价巨大[3]。二是直接在硬质挡墙表面上进行生态化改造，通过栽种植物或敷设天然材料等手段，使其具有一定的生态修复功能和景观效果。李新芝等[4]结合城市直立挡墙实际，筛选5种适宜于直立硬质河道护岸的改造技术；吴凤环[5]利用蚝壳、竹片、椰壳纤维垫3种材料敷设在直立式砼护岸表面以研究其生态化改造效果；江浔等[6]研究了挂网铺草皮、荣勋挡墙和植物护坡对城市传统护岸的改造方案；李志华等[7]结合徐州市奎河提出了城区河道护岸改造的技术方案；袁以美等[8-10]提出了一种阶梯式植绿生态挡墙，通过实际工程应用，在挡墙临水侧形成全覆盖的生态美景效果。以上研究为城市河道直立硬质护岸生态化改造提供了思路，但也存在一定的局限，有些研究仍处于探索阶段，不够成熟，有些仍需拆除部分现有直立式挡墙，不够经济，占地较大，且防护能力较低。本文提出了一种施工难度和破坏性都比较小的生态景观改造方案，以较小的经济代价提高河道生态活力和营造河道生态景观廊道，并以欧阳支涌广州中学段为例，以期为相关工程提供参考。

1 城市河道直立硬质挡墙改造原则

1)安全性原则

安全是城市河道护岸建设的首要目标，安全的内涵既有保护河岸上的居民生命和财产及各类公共设施免受洪水威胁的防洪安全，也包括护岸本身的稳定安全。对城市河道直立硬质挡墙的改造首先应符合安全性原则，不影响河道行洪，也不能影响挡墙自身的稳定。

2)生态性原则

城市河道直立硬质挡墙改造的主要目的是在确保安全的前提下，最大限度恢复硬质河岸生态，同时改善河床生境，创造水生动物、植物生长空间，提高生物多样性，使河道恢复一定的生态功能，达到与周边整体生态相协调的目的。

3)景观性原则

通过在城市河道直立硬质挡墙创造植物生长空间，应用不同植物的配置和布设美化河岸立面，形成河道景观生态廊道，满足人们对景观美感需求，丰富市民生活休闲需求，对城市旅游及文化资源的开发也具有重要的意义。

4)可行性原则

城市河道直立硬质挡墙生态改造所采用的技术应具有施工难度较低、材料易获取及造价较低的特点。依据现状评价成果及周边环境情况，提出的改造方案应科学合理、切实可行。

2 城市河道直立硬质挡墙改造技术

2.1 城市直立挡墙垂直绿化介绍

近年城市垂直绿化中普遍采用的板槽式、摆花式、模块式、铺贴式等4种结构形式[11](见图1所示)。

图1 4种城市垂直绿化形式示意

这些结构形式均需在墙面上安装大型的金属或混凝土支撑构架，部件较多，不利于大规模城市河道直立挡墙改造，其中板槽式、铺贴式种植槽空间太小，基质少，植物的寿命不足；摆花式、模块式和铺贴式在植物只能横向摆放，不利于生长；另外，铺贴式还存在耐久性不足的问题，因此，在前人研究的基础上，对目前主流的改造技术存在的问题进行深入分析，并结合工程实际，提出城市河道直立硬质挡墙锚固式和升降式改造技术。在不改变原有挡墙的前提下，主要通过在挡墙表面增加固定或可以升降的植绿设施，达到生态化改造的目的。

2.2 改造安全复核

根据安全性原则，在实施具体改造之前，应对挡墙生态化改造后的稳定性和植物设施的安全性进行计算。

2.2.1稳定性复核

实施上述提出在挡墙表面增加固定或可以升降的植绿设施的改造技术，首先应复核改造后挡墙的稳定性，应满足SL 379—2007《水工挡土墙设计规范》的要求。

2.2.2锚固安全设计

首先制作植绿设施，即植物种植槽，种植槽宜采用高强度薄壁结构的轻质材料，宽30 cm左右、深40 cm左右，能够满足所种植植物生长的空间需求。种植槽可固定在锚固于挡墙面的支承架上，也可直接锚固于挡墙面。锚固设计需满足自重、抗风荷载、抗水流冲刷、抗飘浮物撞击、落水人员攀爬的要求，合理选用锚固形式，确保锚固安全。一般采用机械锚栓固定即可满足要求，具体参照JGJ 145—2013《混凝土结构后锚固技术规程》进行计算。

2.3 锚固式改造技术

2.3.1锚固支承式方案

先将支承架锚固于墙面，再将种植槽置于支承架上的方式(见图2所示)。首先将开有卡座支承架锚固于挡墙上，将在苗圃实行批量化生产的种植槽运至现场，整体吊装固定在支承架卡座上。种植槽植物的浇灌可以采用直接喷灌方式，有条件的地区可以铺设滴管管道，以雨水或河水为来源，发展以太阳能为动力的绿色自动浇灌模式[12]。在植物配置方面，应结合生态和景观需求，每层植物根据需求选择观花类植物或观叶类植物。后续维护时可以根据需要对种植槽及其植物进行整体更换。这种改造方式对河岸立面破坏小，且结构简单，具有施工难度小、后期维护方便、改造成本低等优点，且可以迅速提升城市河岸生态和景观属性，达到恢复和提高河道生态和景观活力的目的。

图2 城市直立挡墙锚固式改造示意

2.3.2锚固模块式方案

2.3.1节中改造方案需首先安装支撑架，再种植植物，而且植物容易受上方种植槽阻挡，生长空间不足。为此，提出一种新型的城市河道直立挡墙改造技术，该改造技术基于模块化技术，在以下方面进行优化：

1)简化支撑结构，采用挂于墙顶的骨架形式，墙顶为主要受力区，减少在墙面上打孔，降低对原有挡墙的破坏，节省骨架材料，工程量更少，施工周期更短。

2)结合板槽式和铺贴式的结构优点，利用该模块化种植槽，可在苗圃集中种植植物(见图3所示)，整体运输到现场安装，大大降低施工难度，可以快速施工，而且降低了现场种植植物的维护工作。

图3 基于模块化新型种植槽的城市直立挡墙生态改造示意

2.4 升降式改造技术

2.4.1手动升降式改造方案

2.3.2节提出城市直立挡墙生态改造技术，在挡墙面上设置支承骨架，再放置植物种植槽。在遇到超标准洪水和更换植物需提起或放下时，均需用起吊工具，不利于管理和维护。因此，需考虑一种城市河岸挡墙立面可升降生态景观装置，借鉴类似折叠防盗门的伸缩机械结构，并与螺杆的共同作用，设计了通过摇动螺杆就可以实现种植槽升降的城市直立挡墙生态改造装置，该装置遇到超标准洪水和更换植物需提起或放下时，不需吊车，可方便地对整个装置和所种植的植物进行管理和维护(见图4所示)，还可根据挡墙的高度增减固定柱的长度及放置板的层数。主要技术步骤如下：

图4 可升降的城市河岸挡墙立面生态景观装置示意

1)带导槽的2根固定柱安装好固定块，把固定块通过螺栓固定安装在河岸直立式挡墙面上。

2)固定柱顶部安装了连接板和固定板。固定板上分别转动套接2个转轴，转轴一端贯穿固定板并固定连接摇把，摇把与固定板间安装有止动机构。转轴两侧分别通过螺纹结构转动套接滑板，滑板滑动卡接在连接板的滑槽内。

3)滑板底部安装伸缩杆，伸缩杆贯穿连接板并安装限位杆，固定柱上滑动卡接放置板，放置板紧密压在限位杆上。再根据景观布局要求，把植物连盆放置于放置板上。

2.4.2自动升降式改造方案

2.4.1节所述手动升降改造方案机械连杆结构较为复杂，造价比较高，施工难度较大，需手动控制，还需专门敷设浇灌管道。因此，需对其进行优化，在结构简化的同时，使其能根据河道水位自动升降，并且具备免浇灌功能。该方案具有以下优点：

1)与固定式进行组合，布置方式更加灵活。根据挡墙的情况，可以选择升降式，也可以根据挡墙的高度和固定式进行灵活组合。如挡墙较高的情况下，可以采用多层的固定式和自动升降式进行组合。

2)结构更加简化，轻松实现自动升降。主要结构为2根开槽的导轨和置于其中的滑动浮筒以及种植槽下方的借鉴船体能保持稳定的V型浮筒。通过这些简单的结构，即可随着水面涨落实现自动升降。浮筒大小应根据整个可动重量进行计算，水面不得超过种植槽底部(见图5所示)。

图5 自动升降免浇灌的组合式城市河道直立挡墙改造示意

3)免浇灌，维护成本低。种植槽内浮箱下表面设置有毛细管直通到种植槽内，保持植物生长所需水分，无需另外架设浇灌管道和浇灌，后期维护成本降低。

2.5 植物配置

2.5.1植物配置原则

1)乡土植物优先原则：根据生境条件选用喜湿热、耐水、耐旱且观赏效果好的植物品种，保证生长效果及种植成本，从而加快场地的景观构架和生态恢复，突出地域特色。

2)生态多样性原则：尽可能多地运用植物种类，以达到生态多样性要求。充分考虑物种的生态学特征，合理选配植物种类，形成结构合理、功能健全、种群稳定的复层群落结构。

3)以人为本原则：种植设计以人为本，营造适合人们在不同植物空间的心理感受。

4)景观艺术原则：植物设计以审美为基础进行艺术配置，形成令人心旷神怡的生态景观，做到“源于自然，高于自然”。

2.5.2植物选择

水面以下选用净化水质性能强的沉水类植物；河道选用挺水植物，具备耐淹、管理粗放、根系发达、抗水流冲刷特性；水面以上应选用草本、木本混合配置，观花种类与观叶种类结合的植物，以保证景观效果。所有花草树木必须健康、新鲜、无病虫害、无缺乏矿物质症状，生长旺盛而不老化，树皮无人为损伤或虫害。

植绿生态挡墙水面以上的植物可在苗圃实行批量化生产，将其直接栽培在种植槽内，需要时运至现场实行整体安装或更换。

3 工程实例

3.1 工程概况

欧阳支涌地处广州市华美路以西、广州中学(凤凰校区)以南，上游发源地为柯木塱榄元水库。由于局部段河涌未进行整治，局部河段淤积严重，欧阳支涌(广州中学段)河道行洪断面较小，行洪能力不满足20年一遇防洪要求，且植被杂乱无章，水环境较差(见图6所示)。为了完善、提升欧阳支涌(广州中学段)防洪排涝能力和生态功能，对欧阳支涌(广州中学段)主涌华美路涵洞出口至金融学院涵洞进口段及北涌进行整治。通过堤防整治提升区域防洪排涝能力，同时进行碧道建设，进一步增加公共空间投放，对区域内绿化与原始植被进行梳理改造，美化及改善水岸沿线生态环境。

图6 改造前的欧阳河涌(广州中学段)

3.2 典型断面改造设计

欧阳支涌(广州中学段)整治工程在挡墙改造方面选择前述锚固式直立挡墙改造技术对原有挡墙进行改造，挡墙上的种植槽可以种植灌木，而在河道内以水生美人蕉、黄花鸢尾、千屈菜、梭鱼草等开花水生植物营造生态自然的水体景观，提升河流河岸生态环境和景观，改造的典型设计断面如图7所示。

图7 欧阳河涌(广州中学段)直立挡墙生态改造典型设计断面示意

3.3 改造后效果

首先防洪能力不足的河道得到了扩宽，且对淤积严重的河床进行清淤疏浚，河道过流能力更通畅，满足20年一遇以上的防洪要求；然后通过生态改造，将自然途径与人工措施相结合，在确保城市排水防涝安全的前提下，在河岸上设置多级阶梯生态植草沟，最大限度地实现雨水在城市区域的积存、渗透和净化目的；最后在原有河道直立硬质挡墙面上锚固植物种植槽，在河道内种植挺水植物等，考虑了不同植物的配置和生态景观功能(见图8所示)。不仅增加了河道和河岸的生态性，也提升了整体景观效果，充分体现自然、生态的河道治理理念。

图8 欧阳河涌(广州中学段)直立挡墙生态改造后效果示意

4 结语

本着合理利用、避免大拆大建、增加生态性和景观性的原则，结合前人研究，提出了相对经济可行的城市河道直立硬质挡墙生态化改造的锚固式改造和升降式改造技术。提出城市河道直立硬质挡墙生态化改造技术通过优化结构，或采用具有更大空间的新形种植槽，或设计为手动升降和自动升降方式，不仅能保留城市河道原有挡墙的防洪能力和稳定性，而且能迅速提升城市河岸生态和景观属性，达到恢复和提高河道生态和景观活力的目的。最后通过具体工程实例，以某城市河道治理挡墙生态化改造后的效果说明了上述技术的科学性和可行性，以期为城市直立硬质挡墙生态化改造提供参考。