智能化毛細滲灌節水技術在京張高鐵路堤邊坡綠化中的應用

馬旭東

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

鐵路建設對沿線的水土環境改變較大，其中路堤工程兩側均形成突出地表的坡面結構，隨著“生態優先、綠色發展”理念的推行，對鐵路邊坡生態綠化要求越來越高，傳統邊坡防護因采用較多的漿砌片石和噴射水泥砂漿護面等破壞自然環境的工藝逐漸被淘汰，取而代之的是各種柔性支護和生態防護措施，如客土噴播、土工網墊植草、噴混植草、液壓噴播、厚層基材植被護坡、三維植被網植草等[1-5]。而鐵路路堤邊坡綠化的養護問題，由于鐵路線路的帶狀分布，主要依靠降雨或人工噴灌，存在養護困難或成本高等問題。針對以上存在的問題，近年來鐵路行業積極開展科技攻關，鐵路邊坡綠化新技術不斷涌現，智能化毛細滲灌節水技術就是一項創新性成果，其核心技術是利用毛細透排水帶的雙向導排水調節功能形成的毛細滲灌帶，與供水系統和控制系統連接在一起為邊坡植物根系智能供水，達到使邊坡植物長期存活的目的。

京張高鐵秉承綠色、智能鐵路的設計理念，根據沿線自然特征、地域特色，將京張高鐵及崇禮鐵路綠化劃分為城郊風光段、關塞風光段、大澤風光段、燕北風光段、雪國風光段等五大景觀段，為了打造京張高鐵綠色生態通道，開展了邊坡綠化專題研究和專項設計。智能化毛細滲灌節水技術在本線得到試驗應用，取得了較好的效果。

2 毛細滲灌節水技術原理

滲灌節水技術自20世紀80年代提出，曾采用橡膠[6]、塑料毛管上用針錐扎孔[7]、多孔陶瓷[8]作為滲灌管，由于難以解決淤堵問題或成本高等原因，沒有得到大面積的推廣。隨著毛細透排水帶的應用，該產品巧妙利用了大自然中水的4種物理現象，即“毛細力、虹吸力、表面張力、重力[9-10]”，設計出一套模擬大自然生態機制，具有雙向導排水功能和高效抗淤堵性能[11]，在滲灌技術領域逐步得到了應用。

2.1 毛細透排水帶結構

毛細透排水帶采用耐候可塑性PVC軟質材料擠出成型。其材料所設集排水槽孔及結構尺寸如下。(1)設置于厚度為2 mm可塑PVC軟質塑片上，橫向每間隔1.5 mm開設直徑為1 mm的毛細孔并沿塑片縱向全長延伸；(2)沿全長延伸的毛細孔下方縱向全長度剖開0.2～0.3 mm寬度的導水溝槽，孔槽相接形成內大外小“Ω”形結構[12-13]；(3)毛細透排水帶一面為吸水開槽面，另一面為光滑面，特殊情況也可采用雙面開設槽孔的加強型排水結構。毛細透排水帶詳見圖1。

圖1 毛細透排水帶

2.2 毛細透排水帶雙向導排水、防淤堵及節水原理

毛細透排水帶克服了傳統導排水材料存在的如泥沙淤積、孔洞容易被堵塞、反濾層易板結不透水等問題，其雙向導排水及防堵塞原理：(1)毛細排水帶開槽面向下或垂直、傾斜鋪設于工作面，水流由下往上或水平、傾斜倒吸進入毛細導管內[14]，由于重力的作用，且土顆粒的密度比水要大，土顆粒不會隨著水流進入導水槽孔內[15-16]，而是自行向下沉淀，形成水土自動分離現象；(2)槽孔為內大外小的結構，吸水溝槽寬度0.3 mm較毛細導水孔直徑1 mm窄許多，小于0.3 mm細小顆粒進入毛細導管內也可隨水排出或排放中再次因重力原理沉淀回歸土體，而大于0.3 mm細小顆粒則完全不能進入毛細導管內，即不能造成毛細導管堵塞現象，且位于排水帶開槽面四周土體穩定后形成自然的反濾層，使排水帶具有自清功能；(3)按裂縫抗堵塞原理，吸水槽為無限長柔性裂縫設計，較之傳統分離孔洞設計更不易堵塞；(4)毛細吸水原理不會造成較強的水土擾動，較之重力排水原理更平緩、穩定;(5)相反，當毛細透排水帶中的水受到一定的水壓作用時，與非飽和土壤相接觸的位置產生的毛細力會將毛細透排水帶中儲存的水吸入土壤孔隙中，因此，毛細透排水帶具有雙向導水功能；(6)毛細透排水帶使水以小孔出流、吸出的形式濕潤土壤，給植物根部供水，是一項節水技術。

用毛細透排水帶形成的毛細滲灌帶見圖2(邊坡施工的毛細滲灌帶)，克服了傳統滲灌系統存在的淤堵問題并具有雙向導排水功能，埋設于路堤邊坡植物根系活動層，能把植物所需水分準確地、均勻地滲到植物根部附近的土壤中，是毛細滲灌節水技術的關鍵所在。

圖2 毛細滲灌帶

3 智能化毛細滲灌節水技術方案

根據已有滲灌系統經驗，結合京張高鐵選取的試驗段路堤邊坡設計方案和周邊條件，設計了一套鐵路路堤邊坡智能化毛細滲灌節水系統。

京張高鐵設計速度350 km/h，鐵路沿線邊坡綠化要求高，屬于高寒區，環境惡劣，養護條件差，項目試驗段選取DK90+020～DK90+604段，線路兩側為耕地，交通方便，地形平坦開闊，路堤中心填土高5～6 m，邊坡坡率1∶1.5，基床表層填筑級配碎石，基床底層凍脹范圍內填筑非凍脹性A、B組填料，凍脹范圍以下填筑A、B組填料，路堤本體填筑C組粗顆粒土。路堤坡面設混凝土截水槽及上、下鑲邊，截水槽之間為生態綠化帶。智能化毛細滲灌技術主要解決生態綠化帶的土壤層含水量控制、日常滲灌養護的智能化控制等問題，包括供水系統、滲灌系統、智能控制系統，其組成見圖3。

圖3 鐵路路堤邊坡綠化智能化毛細滲灌節水系統

圖4 供水水箱

3.1 供水系統

供水系統為整個系統供應水源，一般可以采用直接連接市政管網或多組水箱等方式。水源通過壓力供水主管給滲灌系統供水。根據本線試驗段現場實際情況及水源條件，確定在路基邊坡坡肩位置設置長條形水箱供水，見圖4。供水系統設置自動電子控制閥和水溫水位感應器，水箱出水口接φ110 mm壓力供水主管。

3.2 滲灌系統

3.2.1 滲灌系統組成

滲灌系統由毛細滲灌帶、供水支管、控壓管、滲灌管組成。供水主管每間隔6～8 m設置φ20 mm供水支管，并與滲灌管連接；上層與下層之間通過φ32 mm控壓管連接，控壓管有均衡控壓自動調水功能；每滲灌單元滲灌管上下行間距2 m布置；毛細滲灌帶與滲灌管通過安裝鈕連接。每條滲灌帶規格為3孔流道的毛細透排水帶，順邊坡落差由上向下鋪設，其毛細排水管開槽面向下設置于植物根系層下，邊坡毛細滲灌系統平面、剖面見圖5。

3.2.2 埋深與間距

毛細透排水帶的間距和滲灌系統埋深，主要取決于土壤的性質、樹木種類，應使灌溉水能借毛細管作用上升濕潤表層土壤，而深層滲漏又最小[17]。根據現場測試兩側土壤達到濕潤狀態，毛細透排水帶的間距不宜過大，考慮植物種植確定間距為30 cm;根據邊坡種植衛矛、紫葉矮櫻植物根系情況，滲灌帶埋深為15～20 cm。

圖5 鐵路路堤邊坡綠化毛細滲灌系統平面、剖面(單位：m)

3.2.3 滲灌系統工作原理

(1)當植物根系層含水量下降需要滲灌補水時，供水系統中主供水系統電子控制閥自動打開，通過φ110 mm主供水管流入各滲灌單元，每條φ20 mm供水聯接管通過調壓控制閥進入各層滲灌管內(滲灌管內為無壓力自流水)，通過每條毛細滲灌帶將管內水流引入管外土體進行植物滲灌，當植物根系層含水量達到飽和狀態，水流在滲灌系統末端有水溢出時，報警模塊給出信號，主供水系統中電子控制水閥自動關閉，停止供水滲灌。

(2)滲灌系統具有旱時灌，澇時排水的雙向功能，當雨季土體處于含水量過飽和狀況時，滲灌帶具有自動將土體中過飽和水引入滲灌管內排出，保持土體含水為飽和狀態，利于植物生長，穩定坡體結構。

3.3 智能控制系統

3.3.1 智能控制系統組成

智能控制系統由土壤濕度傳感器、數據處理器、供電系統、水位水溫傳感器、網絡終端組成，監測數據通過數傳模塊、控制模塊處理判斷并上傳。

(1)土壤濕度傳感器

按照監測單元在毛細滲灌帶按上中下位置布置6個監測點位，濕度監測點由鋰電池組、無線傳輸模塊、單片機模塊、濕度傳感器模塊、電源模塊等組成。

(2)數傳模塊

將數據轉化為無線數字信號發射上傳。

(3)控制模塊

控制模塊是系統的核心部分，接收上傳數據處理并判別，然后控制電動執行器狀態，實現通斷水控制，并將運行狀態的數據上傳至網絡，進行遠程監控。當數據顯示系統運行出現超限危險狀態，則自動鎖定并發出報警信號；也可接受遠程信息強制系統運行。

(4)供電系統

本系統需給智能元器件供電，用電保障系統包括：太陽能板、充放電單元、鋰電池組。

(5)執行機構

包括水溫水位傳感器和電子控制閥。

3.3.2 智能控制系統的功能

根據土壤濕度傳感器和擬灌溉水溫水量傳感器的數據采集傳輸，經系統綜合處理分析判斷，使用不同的供水制度，實現智能及遠程管理功能。智能控制示意見圖6。

圖6 智能控制示意

(1)系統可預設土壤濕度上下限值，土壤中的濕度傳感器將檢測到土壤含水率的數據傳送至控制系統，經判別土壤水分已接近于植物適宜生長的下限值時，發出灌溉指令，進行灌溉；當濕度傳感器檢測到土壤濕度接近植物適宜生長的上限時，電子控制閥關閉，停止滲灌。

(2)總量灌水控制，不受天氣變化影響，按土壤需求進行灌溉或排澇，保持土壤濕潤度既適宜植物生長又不會出現過飽和水影響邊坡穩定性。

(3)當儲水箱水量不足，或水溫過高不適合灌溉時，提前發出報警信息，便于及時補充和更新用水，使系統在高溫天氣時段(如夏季中午)也能灌溉，保護植物不受損傷。

(4)儲水水量和溫度、土壤溫濕度以及灌水狀態可即時上傳至網絡，便于遠程控制管理。

(5)系統控制包括自動、人工干預和強制灌溉三種工作模式。

3.4 鐵路路堤邊坡綠化智能化毛細滲灌節水系統安裝調試流程

鐵路路堤邊坡綠化智能化毛細滲灌節水系統安裝調試流程見圖7。

圖7 智能化毛細滲灌節水系統安裝調試流程

3.5 鐵路路堤邊坡綠化智能化毛細滲灌節水系統綜合效益分析

以本試驗段為例，其綜合效益估算分析如下：(1)普通澆灌方式，水的利用率約40%；智能化毛細滲灌節水技術，水的利用率可達到80%，根據已運行多年的滲灌工程調查，滲灌一般每畝每次需水10～25 m3[18]，每次節省用水5～12.5 m3，有效提高了水的利用率；(2)試驗段邊坡單側總長度約1 400 m，坡面面積約7 000 m2，智能化毛細滲灌節水系統總投資75萬元，單價約107元/m2；運營維護費用估算：減少澆水人工工時1人，每天節省運營維護費按200元估算，按運營維護期20年，每年扣除寒冷期天數按250 d計，共節省運營維護費100萬元；綜上所述，智能化毛細滲灌節水綜合效益為35.7元/m2。

4 智能化毛細滲灌節水技術的優勢

(1)毛細滲灌節水技術滲灌系統埋設于地表以下位置，使系統避免了傳統澆灌方式中裝置長期裸露地表，在日曬雨淋光合作用下帶來的系統老化損壞缺陷，使滲灌裝置較傳統方式具有更長的使用壽命。

(2)滲灌系統將植物所需水分滲灌于植物根系層，灌水量可根據植物最佳含水率自動控制，不產生土壤的深層滲透[19]；不產生地面徑流[20]，土壤表面蒸發量遠遠小于地面澆灌方式[21]；節約了大量用水。

(3)通過毛細滲灌帶將水流導入毛細孔槽內，通過干燥土壤的毛細力作用將毛細孔槽中水流吸入土壤中完成植物根系灌溉，整體過程完全利用了大自然規律和自然的物理現象，使灌溉穩定均勻，減少水土擾動，保持邊坡穩定。

(4)智能系統實時監測土壤溫濕度、水量水溫，自動啟動灌水和關閉，實現邊坡監測、澆灌智能化管理。

(5)智能化毛細滲灌節水技術在鐵路路堤邊坡綠化工程中應用，可以很好地解決傳統養護方式存在的難題，并具有較好的綜合效益。

5 結語

隨著我國經濟的高速發展，高鐵、城際鐵路和軌道交通建設對綠色節能要求越來越高，工程設計在“生態鐵路”“景觀設計”“展現地域風光”上增大了工程投入，這些也給鐵路開通后的養護提出更高的要求。應用新型排水材料毛細透排水帶形成的滲灌節水系統，安裝智能控制系統實現滲灌系統自動澆灌和遠程管理，解決線路沿線的綠化澆灌的養護問題，完成安裝調試近1年，路堤邊坡綠化效果較好，得到較好的滲灌效果反饋。京張高鐵試驗段是智能化滲灌節水技術在鐵路工程路堤邊坡上的首次應用，對此技術的應用進行初步探討，為今后鐵路工程智能綠化養護技術的進一步研究提供借鑒。