智能化毛細(xì)滲灌節(jié)水技術(shù)在京張高鐵路堤邊坡綠化中的應(yīng)用

馬旭東

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概述

鐵路建設(shè)對(duì)沿線的水土環(huán)境改變較大，其中路堤工程兩側(cè)均形成突出地表的坡面結(jié)構(gòu)，隨著“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”理念的推行，對(duì)鐵路邊坡生態(tài)綠化要求越來越高，傳統(tǒng)邊坡防護(hù)因采用較多的漿砌片石和噴射水泥砂漿護(hù)面等破壞自然環(huán)境的工藝逐漸被淘汰，取而代之的是各種柔性支護(hù)和生態(tài)防護(hù)措施，如客土噴播、土工網(wǎng)墊植草、噴混植草、液壓噴播、厚層基材植被護(hù)坡、三維植被網(wǎng)植草等[1-5]。而鐵路路堤邊坡綠化的養(yǎng)護(hù)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(yǎng)護(hù)困難或成本高等問題。針對(duì)以上存在的問題，近年來鐵路行業(yè)積極開展科技攻關(guān)，鐵路邊坡綠化新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，智能化毛細(xì)滲灌節(jié)水技術(shù)就是一項(xiàng)創(chuàng)新性成果，其核心技術(shù)是利用毛細(xì)透排水帶的雙向?qū)潘{(diào)節(jié)功能形成的毛細(xì)滲灌帶，與供水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)連接在一起為邊坡植物根系智能供水，達(dá)到使邊坡植物長(zhǎng)期存活的目的。

京張高鐵秉承綠色、智能鐵路的設(shè)計(jì)理念，根據(jù)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(fēng)光段、關(guān)塞風(fēng)光段、大澤風(fēng)光段、燕北風(fēng)光段、雪國(guó)風(fēng)光段等五大景觀段，為了打造京張高鐵綠色生態(tài)通道，開展了邊坡綠化專題研究和專項(xiàng)設(shè)計(jì)。智能化毛細(xì)滲灌節(jié)水技術(shù)在本線得到試驗(yàn)應(yīng)用，取得了較好的效果。

2 毛細(xì)滲灌節(jié)水技術(shù)原理

滲灌節(jié)水技術(shù)自20世紀(jì)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(xì)透排水帶的應(yīng)用，該產(chǎn)品巧妙利用了大自然中水的4種物理現(xiàn)象，即“毛細(xì)力、虹吸力、表面張力、重力[9-10]”，設(shè)計(jì)出一套模擬大自然生態(tài)機(jī)制，具有雙向?qū)潘δ芎透咝Э褂俣滦阅躘11]，在滲灌技術(shù)領(lǐng)域逐步得到了應(yīng)用。

2.1 毛細(xì)透排水帶結(jié)構(gòu)

毛細(xì)透排水帶采用耐候可塑性PVC軟質(zhì)材料擠出成型。其材料所設(shè)集排水槽孔及結(jié)構(gòu)尺寸如下。(1)設(shè)置于厚度為2 mm可塑PVC軟質(zhì)塑片上，橫向每間隔1.5 mm開設(shè)直徑為1 mm的毛細(xì)孔并沿塑片縱向全長(zhǎng)延伸；(2)沿全長(zhǎng)延伸的毛細(xì)孔下方縱向全長(zhǎng)度剖開0.2～0.3 mm寬度的導(dǎo)水溝槽，孔槽相接形成內(nèi)大外小“Ω”形結(jié)構(gòu)[12-13]；(3)毛細(xì)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(shè)槽孔的加強(qiáng)型排水結(jié)構(gòu)。毛細(xì)透排水帶詳見圖1。

圖1 毛細(xì)透排水帶

2.2 毛細(xì)透排水帶雙向?qū)潘⒎烙俣录肮?jié)水原理

毛細(xì)透排水帶克服了傳統(tǒng)導(dǎo)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(jié)不透水等問題，其雙向?qū)潘胺蓝氯恚?1)毛細(xì)排水帶開槽面向下或垂直、傾斜鋪設(shè)于工作面，水流由下往上或水平、傾斜倒吸進(jìn)入毛細(xì)導(dǎo)管內(nèi)[14]，由于重力的作用，且土顆粒的密度比水要大，土顆粒不會(huì)隨著水流進(jìn)入導(dǎo)水槽孔內(nèi)[15-16]，而是自行向下沉淀，形成水土自動(dòng)分離現(xiàn)象；(2)槽孔為內(nèi)大外小的結(jié)構(gòu)，吸水溝槽寬度0.3 mm較毛細(xì)導(dǎo)水孔直徑1 mm窄許多，小于0.3 mm細(xì)小顆粒進(jìn)入毛細(xì)導(dǎo)管內(nèi)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(xì)小顆粒則完全不能進(jìn)入毛細(xì)導(dǎo)管內(nèi)，即不能造成毛細(xì)導(dǎo)管堵塞現(xiàn)象，且位于排水帶開槽面四周土體穩(wěn)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(zhǎng)柔性裂縫設(shè)計(jì)，較之傳統(tǒng)分離孔洞設(shè)計(jì)更不易堵塞；(4)毛細(xì)吸水原理不會(huì)造成較強(qiáng)的水土擾動(dòng)，較之重力排水原理更平緩、穩(wěn)定;(5)相反，當(dāng)毛細(xì)透排水帶中的水受到一定的水壓作用時(shí)，與非飽和土壤相接觸的位置產(chǎn)生的毛細(xì)力會(huì)將毛細(xì)透排水帶中儲(chǔ)存的水吸入土壤孔隙中，因此，毛細(xì)透排水帶具有雙向?qū)δ埽?6)毛細(xì)透排水帶使水以小孔出流、吸出的形式濕潤(rùn)土壤，給植物根部供水，是一項(xiàng)節(jié)水技術(shù)。

用毛細(xì)透排水帶形成的毛細(xì)滲灌帶見圖2(邊坡施工的毛細(xì)滲灌帶)，克服了傳統(tǒng)滲灌系統(tǒng)存在的淤堵問題并具有雙向?qū)潘δ?，埋設(shè)于路堤邊坡植物根系活動(dòng)層，能把植物所需水分準(zhǔn)確地、均勻地滲到植物根部附近的土壤中，是毛細(xì)滲灌節(jié)水技術(shù)的關(guān)鍵所在。

圖2 毛細(xì)滲灌帶

3 智能化毛細(xì)滲灌節(jié)水技術(shù)方案

根據(jù)已有滲灌系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合京張高鐵選取的試驗(yàn)段路堤邊坡設(shè)計(jì)方案和周邊條件，設(shè)計(jì)了一套鐵路路堤邊坡智能化毛細(xì)滲灌節(jié)水系統(tǒng)。

京張高鐵設(shè)計(jì)速度350 km/h，鐵路沿線邊坡綠化要求高，屬于高寒區(qū)，環(huán)境惡劣，養(yǎng)護(hù)條件差，項(xiàng)目試驗(yàn)段選取DK90+020～DK90+604段，線路兩側(cè)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(jí)配碎石，基床底層凍脹范圍內(nèi)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(shè)混凝土截水槽及上、下鑲邊，截水槽之間為生態(tài)綠化帶。智能化毛細(xì)滲灌技術(shù)主要解決生態(tài)綠化帶的土壤層含水量控制、日常滲灌養(yǎng)護(hù)的智能化控制等問題，包括供水系統(tǒng)、滲灌系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)，其組成見圖3。

圖3 鐵路路堤邊坡綠化智能化毛細(xì)滲灌節(jié)水系統(tǒng)

圖4 供水水箱

3.1 供水系統(tǒng)

供水系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)供應(yīng)水源，一般可以采用直接連接市政管網(wǎng)或多組水箱等方式。水源通過壓力供水主管給滲灌系統(tǒng)供水。根據(jù)本線試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及水源條件，確定在路基邊坡坡肩位置設(shè)置長(zhǎng)條形水箱供水，見圖4。供水系統(tǒng)設(shè)置自動(dòng)電子控制閥和水溫水位感應(yīng)器，水箱出水口接φ110 mm壓力供水主管。

3.2 滲灌系統(tǒng)

3.2.1 滲灌系統(tǒng)組成

滲灌系統(tǒng)由毛細(xì)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(shè)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(dòng)調(diào)水功能；每滲灌單元滲灌管上下行間距2 m布置；毛細(xì)滲灌帶與滲灌管通過安裝鈕連接。每條滲灌帶規(guī)格為3孔流道的毛細(xì)透排水帶，順邊坡落差由上向下鋪設(shè)，其毛細(xì)排水管開槽面向下設(shè)置于植物根系層下，邊坡毛細(xì)滲灌系統(tǒng)平面、剖面見圖5。

3.2.2 埋深與間距

毛細(xì)透排水帶的間距和滲灌系統(tǒng)埋深，主要取決于土壤的性質(zhì)、樹木種類，應(yīng)使灌溉水能借毛細(xì)管作用上升濕潤(rùn)表層土壤，而深層滲漏又最小[17]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試兩側(cè)土壤達(dá)到濕潤(rùn)狀態(tài)，毛細(xì)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(jù)邊坡種植衛(wèi)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(xì)滲灌系統(tǒng)平面、剖面(單位：m)

3.2.3 滲灌系統(tǒng)工作原理

(1)當(dāng)植物根系層含水量下降需要滲灌補(bǔ)水時(shí)，供水系統(tǒng)中主供水系統(tǒng)電子控制閥自動(dòng)打開，通過φ110 mm主供水管流入各滲灌單元，每條φ20 mm供水聯(lián)接管通過調(diào)壓控制閥進(jìn)入各層滲灌管內(nèi)(滲灌管內(nèi)為無壓力自流水)，通過每條毛細(xì)滲灌帶將管內(nèi)水流引入管外土體進(jìn)行植物滲灌，當(dāng)植物根系層含水量達(dá)到飽和狀態(tài)，水流在滲灌系統(tǒng)末端有水溢出時(shí)，報(bào)警模塊給出信號(hào)，主供水系統(tǒng)中電子控制水閥自動(dòng)關(guān)閉，停止供水滲灌。

(2)滲灌系統(tǒng)具有旱時(shí)灌，澇時(shí)排水的雙向功能，當(dāng)雨季土體處于含水量過飽和狀況時(shí)，滲灌帶具有自動(dòng)將土體中過飽和水引入滲灌管內(nèi)排出，保持土體含水為飽和狀態(tài)，利于植物生長(zhǎng)，穩(wěn)定坡體結(jié)構(gòu)。

3.3 智能控制系統(tǒng)

3.3.1 智能控制系統(tǒng)組成

智能控制系統(tǒng)由土壤濕度傳感器、數(shù)據(jù)處理器、供電系統(tǒng)、水位水溫傳感器、網(wǎng)絡(luò)終端組成，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過數(shù)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(jiān)測(cè)單元在毛細(xì)滲灌帶按上中下位置布置6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，濕度監(jiān)測(cè)點(diǎn)由鋰電池組、無線傳輸模塊、單片機(jī)模塊、濕度傳感器模塊、電源模塊等組成。

(2)數(shù)傳模塊

將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為無線數(shù)字信號(hào)發(fā)射上傳。

(3)控制模塊

控制模塊是系統(tǒng)的核心部分，接收上傳數(shù)據(jù)處理并判別，然后控制電動(dòng)執(zhí)行器狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)通斷水控制，并將運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)超限危險(xiǎn)狀態(tài)，則自動(dòng)鎖定并發(fā)出報(bào)警信號(hào)；也可接受遠(yuǎn)程信息強(qiáng)制系統(tǒng)運(yùn)行。

(4)供電系統(tǒng)

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

(5)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

包括水溫水位傳感器和電子控制閥。

3.3.2 智能控制系統(tǒng)的功能

根據(jù)土壤濕度傳感器和擬灌溉水溫水量傳感器的數(shù)據(jù)采集傳輸，經(jīng)系統(tǒng)綜合處理分析判斷，使用不同的供水制度，實(shí)現(xiàn)智能及遠(yuǎn)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(tǒng)可預(yù)設(shè)土壤濕度上下限值，土壤中的濕度傳感器將檢測(cè)到土壤含水率的數(shù)據(jù)傳送至控制系統(tǒng)，經(jīng)判別土壤水分已接近于植物適宜生長(zhǎng)的下限值時(shí)，發(fā)出灌溉指令，進(jìn)行灌溉；當(dāng)濕度傳感器檢測(cè)到土壤濕度接近植物適宜生長(zhǎng)的上限時(shí)，電子控制閥關(guān)閉，停止?jié)B灌。

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

(3)當(dāng)儲(chǔ)水箱水量不足，或水溫過高不適合灌溉時(shí)，提前發(fā)出報(bào)警信息，便于及時(shí)補(bǔ)充和更新用水，使系統(tǒng)在高溫天氣時(shí)段(如夏季中午)也能灌溉，保護(hù)植物不受損傷。

(4)儲(chǔ)水水量和溫度、土壤溫濕度以及灌水狀態(tài)可即時(shí)上傳至網(wǎng)絡(luò)，便于遠(yuǎn)程控制管理。

(5)系統(tǒng)控制包括自動(dòng)、人工干預(yù)和強(qiáng)制灌溉三種工作模式。

3.4 鐵路路堤邊坡綠化智能化毛細(xì)滲灌節(jié)水系統(tǒng)安裝調(diào)試流程

鐵路路堤邊坡綠化智能化毛細(xì)滲灌節(jié)水系統(tǒng)安裝調(diào)試流程見圖7。

圖7 智能化毛細(xì)滲灌節(jié)水系統(tǒng)安裝調(diào)試流程

3.5 鐵路路堤邊坡綠化智能化毛細(xì)滲灌節(jié)水系統(tǒng)綜合效益分析

以本試驗(yàn)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(xì)滲灌節(jié)水技術(shù)，水的利用率可達(dá)到80%，根據(jù)已運(yùn)行多年的滲灌工程調(diào)查，滲灌一般每畝每次需水10～25 m3[18]，每次節(jié)省用水5～12.5 m3，有效提高了水的利用率；(2)試驗(yàn)段邊坡單側(cè)總長(zhǎng)度約1 400 m，坡面面積約7 000 m2，智能化毛細(xì)滲灌節(jié)水系統(tǒng)總投資75萬元，單價(jià)約107元/m2；運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用估算：減少澆水人工工時(shí)1人，每天節(jié)省運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)按200元估算，按運(yùn)營(yíng)維護(hù)期20年，每年扣除寒冷期天數(shù)按250 d計(jì)，共節(jié)省運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)100萬元；綜上所述，智能化毛細(xì)滲灌節(jié)水綜合效益為35.7元/m2。

4 智能化毛細(xì)滲灌節(jié)水技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

(1)毛細(xì)滲灌節(jié)水技術(shù)滲灌系統(tǒng)埋設(shè)于地表以下位置，使系統(tǒng)避免了傳統(tǒng)澆灌方式中裝置長(zhǎng)期裸露地表，在日曬雨淋光合作用下帶來的系統(tǒng)老化損壞缺陷，使?jié)B灌裝置較傳統(tǒng)方式具有更長(zhǎng)的使用壽命。

(2)滲灌系統(tǒng)將植物所需水分滲灌于植物根系層，灌水量可根據(jù)植物最佳含水率自動(dòng)控制，不產(chǎn)生土壤的深層滲透[19]；不產(chǎn)生地面徑流[20]，土壤表面蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地面澆灌方式[21]；節(jié)約了大量用水。

(3)通過毛細(xì)滲灌帶將水流導(dǎo)入毛細(xì)孔槽內(nèi)，通過干燥土壤的毛細(xì)力作用將毛細(xì)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(guī)律和自然的物理現(xiàn)象，使灌溉穩(wěn)定均勻，減少水土擾動(dòng)，保持邊坡穩(wěn)定。

(4)智能系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤溫濕度、水量水溫，自動(dòng)啟動(dòng)灌水和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)邊坡監(jiān)測(cè)、澆灌智能化管理。

(5)智能化毛細(xì)滲灌節(jié)水技術(shù)在鐵路路堤邊坡綠化工程中應(yīng)用，可以很好地解決傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)方式存在的難題，并具有較好的綜合效益。

5 結(jié)語

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，高鐵、城際鐵路和軌道交通建設(shè)對(duì)綠色節(jié)能要求越來越高，工程設(shè)計(jì)在“生態(tài)鐵路”“景觀設(shè)計(jì)”“展現(xiàn)地域風(fēng)光”上增大了工程投入，這些也給鐵路開通后的養(yǎng)護(hù)提出更高的要求。應(yīng)用新型排水材料毛細(xì)透排水帶形成的滲灌節(jié)水系統(tǒng)，安裝智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)滲灌系統(tǒng)自動(dòng)澆灌和遠(yuǎn)程管理，解決線路沿線的綠化澆灌的養(yǎng)護(hù)問題，完成安裝調(diào)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(yàn)段是智能化滲灌節(jié)水技術(shù)在鐵路工程路堤邊坡上的首次應(yīng)用，對(duì)此技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行初步探討，為今后鐵路工程智能綠化養(yǎng)護(hù)技術(shù)的進(jìn)一步研究提供借鑒。