袁以美，葉合欣，羅日洪

(1.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣州 510635；2.廣東省水利水電技術(shù)中心， 廣州 510635；3.廣東省水利水電科學(xué)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定，技術(shù)成熟，適用范圍廣，但臨水側(cè)光滑、陡立，顯得僵硬而單調(diào)，缺少生態(tài)特性，且不利于落水者攀爬上岸。這與新時(shí)代堅(jiān)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(xié)調(diào)。為此，提出植綠生態(tài)擋墻[1]，即在傳統(tǒng)擋墻臨水側(cè)墻面上增加數(shù)排生態(tài)槽，在槽內(nèi)種植景觀植物，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)擋墻生態(tài)功能上的不足，而工程造價(jià)增加甚微[2]。該科研成果被寫(xiě)入《廣東省水利工程生態(tài)建設(shè)指導(dǎo)意見(jiàn)》(粵水辦[2019]3號(hào))：對(duì)使用混凝土、漿砌石等材料的圬工擋墻，可考慮在臨水側(cè)墻面上設(shè)置數(shù)排生態(tài)種植槽以進(jìn)行植綠[3]。根據(jù)施工要求，提出兩種施工方法。生態(tài)槽內(nèi)植物健康生長(zhǎng)需要滿足一定條件，進(jìn)而提出生態(tài)槽主要設(shè)計(jì)參數(shù)及自動(dòng)澆灌系統(tǒng)。

1 植綠生態(tài)擋墻

1.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

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

圖1 植綠生態(tài)擋墻Fig.1 Planting concrete retaining wall

圖2 生態(tài)槽示意圖Fig.2 Sketch map of ecological trough

生態(tài)槽施工方法有兩種：一是生態(tài)槽與混凝土擋墻同步澆筑，需要設(shè)置模板，施工工序較復(fù)雜；二是先階梯后砌筑槽壁，槽壁采用砌體結(jié)構(gòu)，施工較為簡(jiǎn)單。不同施工方法需要的槽壁厚度也是不同的。

1.2 生態(tài)槽與擋墻混凝土同步澆筑的壁厚

當(dāng)生態(tài)槽與擋墻混凝土同步澆筑施工時(shí)，經(jīng)分析計(jì)算，槽壁最小厚度d可按下式確定[5]：

(1)

式中：d為生態(tài)槽壁砌體厚度；k為繞流系數(shù)，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(tài)槽的夾角；v為靠近擋墻生態(tài)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(tài)槽河道水流的平均流速；[σ]為混凝土材料允許拉應(yīng)力；H0為槽深。

當(dāng)d計(jì)算值小于10 cm時(shí)，為方便施工宜取10 cm。當(dāng)計(jì)算值大于15 cm時(shí)，為減少占地，宜沿槽間隔設(shè)置橫向肋板或局部布設(shè)鋼筋，并使槽壁厚控制在15 cm以內(nèi)。上下兩排相鄰生態(tài)槽的垂直距離H1一般為80～100 cm，以方便植物生長(zhǎng)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(duì)具體工程實(shí)際情況再按照擋墻臨水側(cè)坡比、擋墻整體穩(wěn)定性來(lái)調(diào)整。

1.3 先階梯后砌筑槽壁的壁厚

槽壁立?？赡軙?huì)影響工程進(jìn)度。經(jīng)調(diào)研，提出先階梯后砌筑槽壁的施工方法。將傳統(tǒng)混凝土及漿砌石擋墻陡立的臨水側(cè)，改進(jìn)為階梯式外墻(圖3)，在各階梯外沿設(shè)置砌體矮墻，形成數(shù)排長(zhǎng)條形生態(tài)槽。與整體澆筑生態(tài)槽相比，階梯式擋墻立模較簡(jiǎn)單，澆筑混凝土較方便。

圖3 階梯式生態(tài)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(tài)槽壁后，槽凈寬D0不宜小于30 cm，以便于植物生長(zhǎng)、動(dòng)物棲息。臨水側(cè)墻面坡比以1∶0.4～1∶0.6為宜，若坡度過(guò)緩，可方便地布置生態(tài)槽，但將增大擋墻斷面；若坡度過(guò)陡，雖可縮小擋墻斷面，但相鄰槽距過(guò)大，植綠后生態(tài)效果不理想。有條件時(shí)，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(jià)[7]。經(jīng)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(qiáng)度[σ]對(duì)槽壁厚度d影響較大，而砌體彎曲抗拉強(qiáng)度與砌塊類型、砌塊強(qiáng)度、砂漿黏結(jié)強(qiáng)度、砌筑方式、施工質(zhì)量關(guān)系密切[8]?？煽紤]添加外加劑來(lái)提高砂漿黏結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)而提高[σ]的取值[9]，以減少槽壁厚度，增加生態(tài)槽凈寬。

1.4 植綠生態(tài)擋墻設(shè)計(jì)參數(shù)

經(jīng)工程設(shè)計(jì)驗(yàn)證，植綠生態(tài)擋墻的生態(tài)槽與墻身混凝土同步澆筑時(shí)，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(shí)，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(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 不同施工方法對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters corresponding to different construction methods

從表1可知，生態(tài)槽與墻身同步澆筑時(shí)，代表性的生態(tài)槽設(shè)計(jì)參數(shù)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(cè)綜合坡比為1∶0.5。先階梯后砌體槽壁施工時(shí)，代表性的生態(tài)槽設(shè)計(jì)參數(shù)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(biāo)準(zhǔn)燒結(jié)普通磚形成槽壁厚15 cm、壁高40 cm、凈寬30 cm的生態(tài)槽。

2 自動(dòng)澆灌系統(tǒng)

生態(tài)種植槽內(nèi)的景觀植物需要必要的水分，設(shè)置自動(dòng)澆灌系統(tǒng)是必要的?，F(xiàn)提出堤壩雨水收集自動(dòng)澆灌系統(tǒng)[11-13]及堤壩太陽(yáng)能墑情監(jiān)測(cè)自動(dòng)澆灌系統(tǒng)[14]。

2.1 堤壩雨水收集自動(dòng)澆灌系統(tǒng)

堤壩雨水收集自動(dòng)澆灌系統(tǒng)，指根據(jù)堤壩所處地形條件，將雨水收集后，經(jīng)過(guò)濾、消毒、凈化，達(dá)到符合設(shè)計(jì)使用標(biāo)準(zhǔn)，用來(lái)澆灌生態(tài)擋墻生態(tài)槽植物的系統(tǒng)，可節(jié)約水資源，緩解缺水問(wèn)題。一般由棄流過(guò)濾系統(tǒng)、蓄水系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、澆灌系統(tǒng)等組成。對(duì)于城市河道堤壩，雨水來(lái)源可為屋頂雨水與地面雨水。屋頂雨水相對(duì)干凈，雜質(zhì)、泥沙及其他污染物少，可通過(guò)棄流和簡(jiǎn)單過(guò)濾后，直接排入蓄水系統(tǒng)，進(jìn)行處理后使用。地面雨水雜質(zhì)多，污染物源復(fù)雜，在棄流和粗略過(guò)濾后，還必須進(jìn)行沉淀才能排入蓄水系統(tǒng)。因此，有條件時(shí)，應(yīng)盡量利用屋頂雨水。圖4為堤壩雨水收集自動(dòng)澆灌系統(tǒng)，根據(jù)生態(tài)槽植物種類、濕熱條件、降水等環(huán)境因素確定需水時(shí)段與需水量，計(jì)算蓄水量，布置管線，結(jié)合生態(tài)槽墑情監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)澆灌系統(tǒng)Fig.4 Rainwater collection and automatic watering system of dam

2.2 堤壩太陽(yáng)能墑情監(jiān)測(cè)自動(dòng)澆灌系統(tǒng)

除利用雨水外，還可考慮以太陽(yáng)能水泵為動(dòng)力，結(jié)合生態(tài)槽墑情監(jiān)測(cè)，從河道直接提水，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆灌，即堤壩太陽(yáng)能墑情監(jiān)測(cè)自動(dòng)澆灌系統(tǒng)。圖5和圖6分別為堤壩太陽(yáng)能墑情監(jiān)測(cè)自動(dòng)澆灌系統(tǒng)示意圖及實(shí)物模型。

1-生態(tài)擋墻；2-生態(tài)槽；3-供水主管；4-直流水泵；5-進(jìn)水井；6-濾網(wǎng)；7-Y型過(guò)濾器；8-太陽(yáng)能光伏陣列；9-太陽(yáng)能水泵控制箱；10-墑情監(jiān)測(cè)及反饋線路；11-水泵啟停線路；12-出水管；13-滴灌管；14-墑情監(jiān)測(cè)器；15-堤身填土圖5 堤壩太陽(yáng)能墑情監(jiān)測(cè)自動(dòng)澆灌系統(tǒng)Fig.5 Automatic irrigation system for monitoring solar moisture content of dam

圖6 自動(dòng)澆灌系統(tǒng)實(shí)物模型(2019年中國(guó)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)成果交易會(huì))Fig.6 Physical model of automatic irrigation system (2019 China Innovation and Entrepreneurship Fair)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容[15,16]：

(1)灌溉首部包括抽水井、抽水水泵、水路管網(wǎng)、控制閥(手控閥和電磁閥)及相應(yīng)噴頭組成，其功能是當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)控制站給出水泵接觸器接通信號(hào)時(shí)，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出電源供給抽水水泵，水泵工作，將水送入輸送管網(wǎng)，現(xiàn)場(chǎng)控制站根據(jù)管路壓力和綠化作物土壤濕度確定相應(yīng)電磁閥開(kāi)通，對(duì)應(yīng)的噴頭開(kāi)始噴灌工作；當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)工作站發(fā)送關(guān)閉信號(hào)時(shí)，所有供電關(guān)閉，水泵、電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

(2)灌溉控制系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)控制站及其附件組成，現(xiàn)場(chǎng)控制站連續(xù)讀取綠化作物土壤濕度傳感器信息和太陽(yáng)能電池板的工作狀態(tài)信息，利用現(xiàn)場(chǎng)控制站的設(shè)定控制策略對(duì)水泵、閥實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，對(duì)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換版的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。保證綠化作物的正常生長(zhǎng)和太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的可靠工作。

(3)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括太陽(yáng)能光電池板、蓄電池和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)板，轉(zhuǎn)換板接收現(xiàn)場(chǎng)工作站的控制指令，實(shí)現(xiàn)光電池板的工作狀態(tài)調(diào)整，使其轉(zhuǎn)換效率較高，并且將蓄電池的工作狀態(tài)發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)控制站。

(4)監(jiān)控系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程監(jiān)控方案，現(xiàn)場(chǎng)控制站將當(dāng)前工作狀態(tài)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)將必要數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后保存在數(shù)據(jù)庫(kù)并通過(guò)遠(yuǎn)程控制策略下發(fā)控制參數(shù)。

3 工程應(yīng)用

某中小河流位于粵西北地區(qū)，流域總面積為 105.67 km2，主河道長(zhǎng) 26.71 km，平均坡降0.78%，多年平均降雨量1 819 mm。河道樁號(hào)K9+800～K9+900右岸為當(dāng)?shù)刂袑W(xué)正門(mén)廣場(chǎng)(圖7)。從防護(hù)對(duì)象重要性、防護(hù)結(jié)構(gòu)安全性、水環(huán)境與水景觀方面考慮，經(jīng)多種方案比選，采用植綠生態(tài)擋墻。為減少投資，優(yōu)化為仰斜式擋墻。在擋墻臨水側(cè)設(shè)置生態(tài)槽，并回填種植土、種植綠化，以增加擋墻生態(tài)性，同時(shí)，有助于不幸落水者沿生態(tài)槽攀爬上岸。

圖7 工程現(xiàn)狀(右岸為學(xué)校) Fig.7 Project status (school on right bank)

植綠生態(tài)擋墻高4.2 m，設(shè)4排生態(tài)槽，相鄰槽距80～100 cm，槽壁厚15 cm。根據(jù)植物生長(zhǎng)需要，槽高40 cm，槽寬30～50 cm，槽底每2 m設(shè)直徑50 mm排水管，槽內(nèi)回填種植土厚30 cm，以種植景觀植物。為維持生態(tài)槽植物健康生長(zhǎng)，同時(shí)布設(shè)堤壩太陽(yáng)能墑情監(jiān)測(cè)自動(dòng)澆灌系統(tǒng)(圖8)。圖9為工程效果圖。

對(duì)比工程現(xiàn)狀(圖7)與效果圖(圖9)，二者反差明顯。按設(shè)計(jì)圖施工后，中學(xué)門(mén)前河段將形成河暢、水清、堤固、岸綠、景美的水生態(tài)環(huán)境。

1-連鎖植草護(hù)坡磚；2-粗砂墊層厚100 mm；3-草皮護(hù)坡；4-混凝土路面圖8 設(shè)計(jì)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(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)混凝土及漿砌石擋墻適用較廣，但臨水側(cè)光滑、陡立，缺少生態(tài)特性。將陡立的外墻適當(dāng)放緩，在墻面上設(shè)置數(shù)排生態(tài)槽，充填種植土進(jìn)行景觀綠化，即植綠生態(tài)擋墻，可在臨水側(cè)形成生態(tài)美景，為動(dòng)物生長(zhǎng)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(dòng)澆灌系統(tǒng)、太陽(yáng)能墑情監(jiān)測(cè)自動(dòng)澆灌系統(tǒng)，可為槽內(nèi)景觀植物提供必要的水分，保證植物健康成長(zhǎng)。中小河流治理工程表明，適用于傳統(tǒng)混凝土擋墻之處，植綠生態(tài)擋墻均可適用。

□