植綠生態擋墻及自動澆灌系統研究

袁以美，葉合欣，羅日洪

(1.廣東水利電力職業技術學院， 廣州 510635；2.廣東省水利水電技術中心， 廣州 510635；3.廣東省水利水電科學研究院， 廣州 510635)

0 前 言

混凝土及漿砌石擋墻常用于河道堤防，其結構穩定，技術成熟，適用范圍廣，但臨水側光滑、陡立，顯得僵硬而單調，缺少生態特性，且不利于落水者攀爬上岸。這與新時代堅持人與自然和諧共生、踐行綠水青山就是金山銀山的理念不相協調。為此，提出植綠生態擋墻[1]，即在傳統擋墻臨水側墻面上增加數排生態槽，在槽內種植景觀植物，可彌補傳統擋墻生態功能上的不足，而工程造價增加甚微[2]。該科研成果被寫入《廣東省水利工程生態建設指導意見》(粵水辦[2019]3號)：對使用混凝土、漿砌石等材料的圬工擋墻，可考慮在臨水側墻面上設置數排生態種植槽以進行植綠[3]。根據施工要求，提出兩種施工方法。生態槽內植物健康生長需要滿足一定條件，進而提出生態槽主要設計參數及自動澆灌系統。

1 植綠生態擋墻

1.1 主要設計參數

植綠生態擋墻既可用于新建擋墻，也可用于既有擋墻生態化改造[4](圖1)，其核心思想是放緩臨水側坡比，在擋墻面上設置數排生態槽，充填種植土后植綠。擋墻臨水側坡比、生態槽壁厚、槽深、槽距、槽寬尺寸，是設計該生態擋墻的關鍵參數。其中槽壁厚度d的設計至關重要。為方便施工，生態槽底也可采用平底(圖2)。

圖1 植綠生態擋墻Fig.1 Planting concrete retaining wall

圖2 生態槽示意圖Fig.2 Sketch map of ecological trough

生態槽施工方法有兩種：一是生態槽與混凝土擋墻同步澆筑，需要設置模板，施工工序較復雜；二是先階梯后砌筑槽壁，槽壁采用砌體結構，施工較為簡單。不同施工方法需要的槽壁厚度也是不同的。

1.2 生態槽與擋墻混凝土同步澆筑的壁厚

當生態槽與擋墻混凝土同步澆筑施工時，經分析計算，槽壁最小厚度d可按下式確定[5]：

(1)

式中：d為生態槽壁砌體厚度；k為繞流系數，0.7～1.0，一般取1.0；γw為水的容重；g為重力加速度；θ為水流沖擊方向與擋墻生態槽的夾角；v為靠近擋墻生態槽壁處的水流斷面平均流速，可按壓縮斷面的平均流速考慮，也可近似取生態槽河道水流的平均流速；[σ]為混凝土材料允許拉應力；H0為槽深。

當d計算值小于10 cm時，為方便施工宜取10 cm。當計算值大于15 cm時，為減少占地，宜沿槽間隔設置橫向肋板或局部布設鋼筋，并使槽壁厚控制在15 cm以內。上下兩排相鄰生態槽的垂直距離H1一般為80～100 cm，以方便植物生長及落水者攀爬上岸為宜。槽深H0一般可取40～50 cm[6]，槽寬D0可取30～50 cm。針對具體工程實際情況再按照擋墻臨水側坡比、擋墻整體穩定性來調整。

1.3 先階梯后砌筑槽壁的壁厚

槽壁立模可能會影響工程進度。經調研，提出先階梯后砌筑槽壁的施工方法。將傳統混凝土及漿砌石擋墻陡立的臨水側，改進為階梯式外墻(圖3)，在各階梯外沿設置砌體矮墻，形成數排長條形生態槽。與整體澆筑生態槽相比，階梯式擋墻立模較簡單，澆筑混凝土較方便。

圖3 階梯式生態擋墻Fig.3 Stepped ecological retaining wall

階梯高度H1以落水者方便攀爬上岸為宜，一般為80～100 cm。階梯寬度B0一般為40～60 cm，砌筑生態槽壁后，槽凈寬D0不宜小于30 cm，以便于植物生長、動物棲息。臨水側墻面坡比以1∶0.4～1∶0.6為宜，若坡度過緩，可方便地布置生態槽，但將增大擋墻斷面；若坡度過陡，雖可縮小擋墻斷面，但相鄰槽距過大，植綠后生態效果不理想。有條件時，盡量采用仰斜式擋墻，則可大大減小斷面尺寸，降低工程造價[7]。經分析，與水上種植槽相比，位于水下的種植槽為控制工況，槽壁厚度可按下式確定。

(2)

砌體彎曲抗拉強度[σ]對槽壁厚度d影響較大，而砌體彎曲抗拉強度與砌塊類型、砌塊強度、砂漿黏結強度、砌筑方式、施工質量關系密切[8]。可考慮添加外加劑來提高砂漿黏結強度，進而提高[σ]的取值[9]，以減少槽壁厚度，增加生態槽凈寬。

1.4 植綠生態擋墻設計參數

經工程設計驗證，植綠生態擋墻的生態槽與墻身混凝土同步澆筑時，厚10 cm的C20混凝土槽壁，可抵抗5.5 m/s的河道水流沖刷[10]。先階梯后砌體槽壁施工時，厚15 cm的漿砌磚槽壁可滿足要求。表1列出了不同施工方法對應的設計參數。

表1 不同施工方法對應的設計參數Tab.1 Design parameters corresponding to different construction methods

從表1可知，生態槽與墻身同步澆筑時，代表性的生態槽設計參數為：槽凈寬30 cm，槽壁高40 cm，壁厚10 cm，相鄰槽距80 cm，擋墻臨水側綜合坡比為1∶0.5。先階梯后砌體槽壁施工時，代表性的生態槽設計參數為：擋墻臨水面階梯寬45 cm，高90 cm，擋墻綜合坡比為1:0.5，M10砂漿砌筑標準燒結普通磚形成槽壁厚15 cm、壁高40 cm、凈寬30 cm的生態槽。

2 自動澆灌系統

生態種植槽內的景觀植物需要必要的水分，設置自動澆灌系統是必要的。現提出堤壩雨水收集自動澆灌系統[11-13]及堤壩太陽能墑情監測自動澆灌系統[14]。

2.1 堤壩雨水收集自動澆灌系統

堤壩雨水收集自動澆灌系統，指根據堤壩所處地形條件，將雨水收集后，經過濾、消毒、凈化，達到符合設計使用標準，用來澆灌生態擋墻生態槽植物的系統，可節約水資源，緩解缺水問題。一般由棄流過濾系統、蓄水系統、凈化系統、澆灌系統等組成。對于城市河道堤壩，雨水來源可為屋頂雨水與地面雨水。屋頂雨水相對干凈，雜質、泥沙及其他污染物少，可通過棄流和簡單過濾后，直接排入蓄水系統，進行處理后使用。地面雨水雜質多，污染物源復雜，在棄流和粗略過濾后，還必須進行沉淀才能排入蓄水系統。因此，有條件時，應盡量利用屋頂雨水。圖4為堤壩雨水收集自動澆灌系統，根據生態槽植物種類、濕熱條件、降水等環境因素確定需水時段與需水量，計算蓄水量，布置管線，結合生態槽墑情監測，實現自動澆灌功能。

1-排水溝； 2-蓄水池；3-沉沙池；4-施肥管；5-澆灌管道圖4 堤壩雨水收集自動澆灌系統Fig.4 Rainwater collection and automatic watering system of dam

2.2 堤壩太陽能墑情監測自動澆灌系統

除利用雨水外，還可考慮以太陽能水泵為動力，結合生態槽墑情監測，從河道直接提水，實現自動澆灌，即堤壩太陽能墑情監測自動澆灌系統。圖5和圖6分別為堤壩太陽能墑情監測自動澆灌系統示意圖及實物模型。

1-生態擋墻；2-生態槽；3-供水主管；4-直流水泵；5-進水井；6-濾網；7-Y型過濾器；8-太陽能光伏陣列；9-太陽能水泵控制箱；10-墑情監測及反饋線路；11-水泵啟停線路；12-出水管；13-滴灌管；14-墑情監測器；15-堤身填土圖5 堤壩太陽能墑情監測自動澆灌系統Fig.5 Automatic irrigation system for monitoring solar moisture content of dam

圖6 自動澆灌系統實物模型(2019年中國創新創業成果交易會)Fig.6 Physical model of automatic irrigation system (2019 China Innovation and Entrepreneurship Fair)

系統設計主要包括以下內容[15,16]：

(1)灌溉首部包括抽水井、抽水水泵、水路管網、控制閥(手控閥和電磁閥)及相應噴頭組成，其功能是當現場控制站給出水泵接觸器接通信號時，太陽能轉換系統輸出電源供給抽水水泵，水泵工作，將水送入輸送管網，現場控制站根據管路壓力和綠化作物土壤濕度確定相應電磁閥開通，對應的噴頭開始噴灌工作；當現場工作站發送關閉信號時，所有供電關閉，水泵、電磁閥處于關閉狀態。

(2)灌溉控制系統主要由現場控制站及其附件組成，現場控制站連續讀取綠化作物土壤濕度傳感器信息和太陽能電池板的工作狀態信息，利用現場控制站的設定控制策略對水泵、閥實現閉環控制，對太陽能轉換版的工作狀態進行調整。保證綠化作物的正常生長和太陽能供電系統的可靠工作。

(3)太陽能轉換系統包括太陽能光電池板、蓄電池和轉換系統板，轉換板接收現場工作站的控制指令，實現光電池板的工作狀態調整，使其轉換效率較高，并且將蓄電池的工作狀態發送給現場控制站。

(4)監控系統包括遠程監控方案，現場控制站將當前工作狀態通過現場無線通信網絡發送給遠程監控系統，遠程監控系統將必要數據進行分析后保存在數據庫并通過遠程控制策略下發控制參數。

3 工程應用

某中小河流位于粵西北地區，流域總面積為 105.67 km2，主河道長 26.71 km，平均坡降0.78%，多年平均降雨量1 819 mm。河道樁號K9+800～K9+900右岸為當地中學正門廣場(圖7)。從防護對象重要性、防護結構安全性、水環境與水景觀方面考慮，經多種方案比選，采用植綠生態擋墻。為減少投資，優化為仰斜式擋墻。在擋墻臨水側設置生態槽，并回填種植土、種植綠化，以增加擋墻生態性，同時，有助于不幸落水者沿生態槽攀爬上岸。

圖7 工程現狀(右岸為學校) Fig.7 Project status (school on right bank)

植綠生態擋墻高4.2 m，設4排生態槽，相鄰槽距80～100 cm，槽壁厚15 cm。根據植物生長需要，槽高40 cm，槽寬30～50 cm，槽底每2 m設直徑50 mm排水管，槽內回填種植土厚30 cm，以種植景觀植物。為維持生態槽植物健康生長，同時布設堤壩太陽能墑情監測自動澆灌系統(圖8)。圖9為工程效果圖。

對比工程現狀(圖7)與效果圖(圖9)，二者反差明顯。按設計圖施工后，中學門前河段將形成河暢、水清、堤固、岸綠、景美的水生態環境。

1-連鎖植草護坡磚；2-粗砂墊層厚100 mm；3-草皮護坡；4-混凝土路面圖8 設計剖面圖(單位：m)Fig.8 Design sectional view

圖9 工程效果圖Fig.9 Engineering effect diagram

4 結 語

傳統混凝土及漿砌石擋墻適用較廣，但臨水側光滑、陡立，缺少生態特性。將陡立的外墻適當放緩，在墻面上設置數排生態槽，充填種植土進行景觀綠化，即植綠生態擋墻，可在臨水側形成生態美景，為動物生長提供棲息空間，且方便不幸落水者攀爬上岸。

利用雨水收集自動澆灌系統、太陽能墑情監測自動澆灌系統，可為槽內景觀植物提供必要的水分，保證植物健康成長。中小河流治理工程表明，適用于傳統混凝土擋墻之處，植綠生態擋墻均可適用。

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