基于海綿城市建設某山體市政道路工程設計方案探索

胡漢文，樊建軍，林 林，林偉雄

（1.廣州大學土木工程學院，廣東廣州 510006；2.廣東恩菲工程技術有限公司，廣東廣州 510640）

廣州市黃埔區(qū)某市政道路（A路）位于山體下，規(guī)劃中未設置雨水排放設施，根據(jù)地形圖繪出匯水面積，計算后得知雨期將產(chǎn)生較大徑流量。經(jīng)實地考察，發(fā)現(xiàn)道路將穿過一條現(xiàn)狀排洪溝（圖1）。在與業(yè)主協(xié)商后決定，該路采用雙側布設雨水管的方式，并利用道路雨水管連通現(xiàn)狀排洪溝。如何控制雨水徑流，提高道路的排洪防澇能力，降低暴雨洪峰的危害性［1］，成為本工程的設計難點和創(chuàng)新點。本市政道路紅線寬40 m，道路長度約1.7 km。雨水的匯水面積及相應雨水管道的布置如圖1所示，雨水工程規(guī)劃圖如圖2所示。

1 傳統(tǒng)排水方案

1.1 雨水流量的初步計算

雨水設計流量的計算公式如式（1）。

圖1 雨水匯水總平面圖Fig.1 General Layout of Rainwater Catchment

圖2 雨水工程規(guī)劃圖Fig.2 Planning Chart of Rainwater Engineering

其中：Ψ—綜合徑流系數(shù)，公共綠地、林地、園地等取0.20～0.30，混凝土及瀝青路面按0.86～0.95取值，非鋪砌路面取0.30，其余采用0.70，綜合徑流系數(shù)按地面種類加權平均計算。本工程范圍主要由自然山體、自然水體及自然綠地組成，其中有遠期規(guī)劃二類居住用地等，加權平均計算取得本工程綜合徑流系數(shù)Ψ＝0.6；

q—暴雨強度，L ／（s·hm2）；

F—匯水面積，hm2，匯水面積如圖1所示。

依據(jù)《廣州市排水工程技術管理規(guī)定》，廣州市黃埔區(qū)宜采用本區(qū)公式或者參照選用中心城區(qū)暴雨強度公式。廣州市中心城區(qū)暴雨強度公式分為區(qū)間公式（表1）和總公式，推薦采用區(qū)間公式計算設計暴雨強度。本工程采用廣州市中心城區(qū)暴雨強度區(qū)間公式，如式（2）。

其中：q—設計暴雨強度，L ／（s·hm2）；

A、b、n—地方參數(shù)，根據(jù)統(tǒng)計方法計算確定；

t—降雨歷時，min。按照《室外排水設計規(guī)范》（GB 50014—2006）（2016年版），設計雨水重現(xiàn)期取P＝5年，得到A＝32.41，b＝12.874，n＝0.758，得出暴雨強度公式如式（3）。

其中：q—設計暴雨強度，L ／（s·hm2）；

t＝ t1＋t2—降雨歷時，min。其中t1為地面

集水時間，取10 min；t2為管內流行時間。

表1 區(qū)間公式表［3］Tab.1 Formula Table of Intensity Interval of Stormwater［3］

1.2 計算結果

雨水管道的水力計算結果如表2所示。

表2 雨水管道水力計算表Tab.2 Hydraulic Calculation Table of Rainwater Drainage Pipelines

由計算結果可知，本道路北側雨水管管徑敷設至DN2 000，南側敷設至DN2 200；道路穿過一現(xiàn)狀排水渠，填埋道路紅線范圍內的排水渠，由道路雨水管進行連通；片區(qū)雨水由道路雨水管收集后由東向西排入B路雨水管，最終排向北部的水系。

在當前的排水設計方案下，片區(qū)雨水全部收入道路雨水管，使雨水由自然的地表漫流盡快轉化至地下管網(wǎng)徑流，以降低地表雨水對城市的影響。但隨著城市現(xiàn)代化建設，道路及地面的硬化導致地表徑流系數(shù)增大，徑流流速增大，因而導致暴雨洪峰的峰值增大［4］；而雨水下落到地表后隨即進入地下管網(wǎng)，失去了蒸發(fā)、下滲等雨水的自然耗損過程，徑流總量增大。當前城市的排水設施并沒有顯著提高城市的抗洪能力，城市遇雨內澇現(xiàn)象反而愈發(fā)嚴重［5］，雨水成為了城市的負擔。

在此背景下，“海綿城市”應運而生，改變傳統(tǒng)的“直排快排”城市防洪排澇思維，將雨洪資源作為重要的水資源進行管理［6］，打造人與自然和諧共處的低影響發(fā)展模式，是城市防洪排澇的全新發(fā)展方向。

2 新型排水方案探究

根據(jù)“海綿城市”的指導思想，同時考慮到本工程的實際地形情況，在原設計中增設多級排水系統(tǒng)，以增加對雨水的吸附、蓄滲、凈化和緩釋作用，控制雨水徑流，使區(qū)域在不同強度的暴雨下均具有良好的彈性，旨在減小當暴雨強度超出設計重現(xiàn)期強度時的洪澇災害影響。

2.1 排水方案

在本路南側山體護坡上建一條山洪截洪溝，如圖 3所示，自節(jié)點④ ～①（圖 1），長度約1 380 m，截洪溝下道路護坡，護坡植草；截洪溝靠道路側每隔2 m設置溢流口；在坡腳建一條景觀植草溝，如圖4所示，長度約1 380 m，內植耐水性植物，此溝將截流由坡頂截洪溝溢流下的雨水，植草溝中間內凹處每隔30 m設溢流雨水口，接DN300雨水管至道路雨水井，收入市政雨水管網(wǎng)；北側為丘陵狀綠地，僅新建一條植草溝。坡頂截洪溝、坡底植草溝與市政雨水管在B路起點處合流，排向B路雨水渠箱，最終排向北邊規(guī)劃水系。平面布置簡圖如圖5所示，橫斷面布置如圖6所示。

圖3 截洪溝大樣Fig.3 Detail Drawing of Drainage Channel

圖4 植草溝大樣Fig.4 Detail Drawing of Landscape Ditch

圖5 排水平面布置簡圖Fig.5 Layout of Drainage Plan

圖6 橫斷面布置簡圖Fig.6 Layout of Cross Section

2.2 流量削減計算

2.2.1 截洪溝設計流量計算

采用公路科學研究所的經(jīng)驗公式：當暴雨資料缺乏，匯水面積F＜10 km2時，可按式（4）計算。

其中：Q—設計洪峰流量，m3／s；m—面積指數(shù)；當F≤1 km2時，m＝1；當1＜F＜10 km2時，按相關資料查??；本式取 m＝1。

Kp—流量模數(shù)；根據(jù)地區(qū)劃分及設計標準查取。本式按照頻率P＝20%，東南沿海地區(qū)，取Kp＝15。

對道路北側進行雨水設計洪峰流量計算，結果如表3所示。

表3 雨水設計洪峰流量計算表Tab.3 Calculation Table of Rainwater Design for Peak Flow

由計算結果可知，經(jīng)驗公式設計流量小于區(qū)間公式設計流量。本設計按照經(jīng)驗公式設計流量確定截洪溝尺寸，以得出截洪溝截留流量。

2.2.2 植草溝削減流量計算

植草溝削減流量計算如式（5）。

其中：Qz—植草溝雨水徑流削減量，L／s；

Uz—植草溝蓄水量，L；

t—降雨歷時，s；

Tz—植草溝蓄水量排空時間，s；

Sz—植草溝下滲量，L ／S。

植草溝斷面為梯形（圖4），本工程段植草溝尺寸為固定尺寸，設計流速為 0.8 m／s，總長度為1 380 m。

其中，下滲量Sz根據(jù)式（6）計算得到。

其中：α—綜合安全系數(shù)，一般可取0.5～0.6；

K—土壤滲透速率，m／s；

J—水力坡度，垂直下滲時，J＝1；

Fa—下凹式綠地面積，m2。

本工程中，α 取 0.6，K 取 5.79×10－5，J取 1，垂直下滲。植草溝削減流量的計算結果如表4所示。

表4 植草溝削減流量計算表Tab.4 Calculation Table of Flow Reduction by Landscape Ditch

植草溝設定為景觀濕性植草溝，降雨的初期雨水大部分被截洪溝截留，當植草溝內水量不足以維持常水位時，可適時抽調排洪溝或附近水體水源補充；考慮到旱季或無水源補充時，為維持必要的景觀效果，須對植草溝內栽種植物進行合理配置，滿足植物的干濕習性。道路南北兩側皆有自然水體，可對其進行人工改造，營造景觀湖或生態(tài)公園，與現(xiàn)狀排洪渠、截洪溝、植草溝和道路雨水管形成完整的區(qū)域水循環(huán)系統(tǒng)。

總之，區(qū)域內的自然水體不僅是雨水的受納體，還是景觀水甚至飲用水的供體，雨水在區(qū)域范圍內循環(huán)，形成了良好的水循環(huán)生態(tài)圈［8］。

2.2.3 總削減流量計算

雨水經(jīng)過截洪溝與植草溝的流量削減后，由道路雨水管承擔最后的流量排放，計算得到雨水管的管徑如表5所示。

表5 總削減流量及雨水管管徑計算表Tab.5 Calculation Table of Total Flow Reduction and Rainwater Drainage Pipe Diameter

由表5可知，經(jīng)過截留后，北側雨水管敷設至DN1 800，南側敷設至DN1 500，說明植草溝對雨水徑流有一定的削減能力，主要在于對雨水的存蓄和下滲；截洪溝具備較大的排洪能力，增強了道路在遭受暴雨洪峰時的抗洪能力，減輕了道路雨水管的負擔。在截洪溝、植草溝和道路雨水管形成的三級排水系統(tǒng)下，每年排入雨水管網(wǎng)的雨水量較傳統(tǒng)方案減少約40%［9］，較大提升了道路的抗洪能力，減小了道路雨水管管徑，降低了道路施工難度，形成了以“海綿城市”為指導思想的排水系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)［10］（圖7），有利于城市的可持續(xù)發(fā)展。

圖7 傳統(tǒng)快排模式與“海綿”排放模式Fig.7 Drainage System of Conventional Mode and Sponge City Mode

3 投資估算與經(jīng)濟分析

傳統(tǒng)方案雨水工程造價約為801.8萬元；新型方案雨水工程造價約為936萬元，其中雨水管道工程造價為695.2萬元，截洪溝工程造價為85.3萬元，植草溝工程造價為155.5萬元。

截洪溝和植草溝的設置減小了雨水管道的管徑和施工難度，繼而降低了管道工程的造價，但增加了工程的總造價和綜合技術難度。在本工程的初步設計中，考慮到經(jīng)濟和技術上的困難，以傳統(tǒng)的快排方案為主，利用道路雨水管聯(lián)通道路南北兩側的現(xiàn)狀排洪渠，并對現(xiàn)狀排洪渠進行修繕；對人行道采用透水性鋪裝，預留植草溝用地；將道路附近水體納入到道路的雨水管理體系中，保護現(xiàn)狀“海綿體［11］”，為后續(xù)的海綿體系建設構建物質基礎。

4 結論

（1）截洪溝和植草溝在降雨初期的蓄水量共約5 100 m3，在突發(fā)暴雨時具有削減洪峰量的作用；植草溝具備穩(wěn)定的下滲能力，在一定程度上補充了地下水，植草溝同時是配套景觀工程的核心設施。

（2）截洪溝和植草溝的設計是本方案的難點和創(chuàng)新點，需根據(jù)工程地質資料，對截洪溝和植草溝的結構、尺寸作進一步優(yōu)化，以滿足其功能性和安全性要求。

（3）截洪溝和植草溝的設置降低了管道工程的造價，但增加了工程的總造價，提高了工程的綜合技術難度。說明海綿城市的建設需要更多的資金和技術支持，只有在政府的引領下，發(fā)動民間各界的力量，讓海綿城市現(xiàn)代雨洪管理的理念［1，12-13］普及群眾，海綿城市的建設進程才能穩(wěn)步向前。

［1］住房城鄉(xiāng)建設部.海綿城市建設技術指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構建 （試行）［EB／OL］.（2014-10-22）http：／／www.mohurd.gov.cn／wjfb／201411／t20141102＿219465.html.

［2］室外排水設計規(guī)范：GB 50014—2006［S］.

［3］廣州市市政工程設計研究院.廣州市建設項目雨水徑流控制指引 ［EB／OL ］.2014. https：／／max.book118.com／html／2016／0511／42705240.shtm.

［4］吳丹潔，詹圣澤，李友華，等.中國特色海綿城市的新興趨勢與實踐研究［J］.中國軟科學，2016（1）：79-97.

［5］章林偉.海綿城市建設概論［J］.給水排水，2015，41（6）：1-7.

［6］費振宇，吳成國，金菊良，等.海綿城市群建設理念與思路［J］.人民珠江，2016，37（5）：1-4.

［7］北京市市政工程設計研究總院.給水排水設計手冊城鎮(zhèn)排水［M］.2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［8］李運杰，張弛，冷祥陽，等.智慧化海綿城市的探討與展望［J］.南水北調與水利科技，2016，14（1）：161-164，171.

［9］彭樂樂.海綿城市目標下的公園綠地規(guī)劃設計研究［D］.福州：福建農(nóng)林大學，2016.

［10］來鳳濤.“海綿城市”理念在城市公園綠地規(guī)劃設計中的應用［J］.中國市政工程，2016（5）：25-27.

［11］孫芳.基于海綿城市的城市道路系統(tǒng)化設計研究［D］.西安：西安建筑科技大學，2015.

［12］王寧，吳連豐.廈門海綿城市建設方案編制實踐與思考［J］.給水排水，2015，41（6）：28-32.

［13］白志遠.以建設“海綿型城市”改善城市排水及生態(tài)環(huán)境的探索［J］.中國建設信息，2014（13）：76-77.