海綿城市工程化措施在道路排水中的應(yīng)用

楊斯棋

（上海市市政規(guī)劃設(shè)計研究院，上海市200031）

0 引言

海綿城市的含義是，城市像“海綿”一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”，下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，并進一步對蓄存的水進行處理并回用。由此衍生出低影響開發(fā)（LID）概念，即通過生態(tài)化措施，盡可能維持城市開發(fā)建設(shè)前后水文特征不變，有效緩解不透水層面積增加的徑流總量、徑流洪峰與徑流污染的增加對環(huán)境的不利影響[1-2]。

道路是城市的動脈，同時是城市排水的依托。道路排水安全直接關(guān)系到行人和交通安全，特別是近年來極端天氣頻發(fā)，全國沿海城市多次遭受特大暴雨的侵襲，道路積水不僅影響市民的正常通勤，市民的人身和財產(chǎn)安全也得不到保障。因此在城市道路建設(shè)中將海綿城市理念落地，通過實際的工程化措施與道路排水相結(jié)合，具有非常重要的意義。

僅從交通安全的考慮，最理想的是道路匯水范圍收集的雨水以最快的速度排入雨水口并通過道路下敷設(shè)的城市雨水管道排放至水體。在實際道路排水設(shè)計中，道路排水需要滿足各種上位規(guī)劃，特別是海綿城市專項規(guī)劃和地方政府的約束性指標要求。以上海為例，根據(jù)《上海市海綿城市建設(shè)指標體系》，作為對年徑流總量控制率進行目標分解的子項，道路和廣場系統(tǒng)新建項目和改建項目的年徑流量控制指標分別為12%～15%和10%～12%，人行道透水鋪裝率是道路系統(tǒng)約束下二級指標，新建道路和改建道路的人行道透水鋪裝率分別為50%和30%。然而僅僅通過人行道透水鋪裝一項工程化措施，往往難以滿足專項規(guī)劃對徑流量削減的要求，因此本文以實際工程為研究對象，重點分析設(shè)計需要考慮的問題和實際工程措施，反向校核徑流削減指標，探討海綿城市建設(shè)要求下道路排水的優(yōu)化設(shè)計，為城市道路海綿城市的建設(shè)提供參考。

1 工程概況

1.1 項目概況

星友路新建工程項目位于上海市閔行區(qū)九星地區(qū)，是規(guī)劃地塊開發(fā)的市政配套項目。工程范圍為：西起智聯(lián)路，東至虹莘路，全長557.72 m，規(guī)劃紅線寬度16 m。道路中心線兩側(cè)各包含5 m 寬車行道和3 m 寬人形道。道路兩側(cè)為居住和商業(yè)用地。

1.2 設(shè)計標準

1.2.1 路面排水工程設(shè)計標準

路面設(shè)計降雨重現(xiàn)期5 a，地面集水時間10 min。

1.2.2 徑流削減指標

海綿城市專項規(guī)劃對本道路工程的徑流削減指標見表1。

2 海綿城市工程設(shè)計

2.1 徑流系數(shù)的校核

根據(jù)《閔行區(qū)九星地區(qū)海綿城市建設(shè)規(guī)劃》，該大區(qū)域內(nèi)綜合徑流系數(shù)為0.69，按海綿城市專項規(guī)劃建設(shè)后綜合徑流系數(shù)為0.47。海綿工程措施實施前后徑流系數(shù)變化見圖1。

表1 星友路徑流削減控制指標

圖1 海綿技術(shù)措施實施前后徑流系數(shù)變化圖

海綿技術(shù)措施實施后，本路段道路徑流系數(shù)降至0.7，星中路東側(cè)服務(wù)地塊徑流系數(shù)降至0.6，星中路西側(cè)服務(wù)地塊匯水面積降至0.5，本路段星友路路面及道路兩側(cè)服務(wù)地塊匯水面積共7.84 hm2，加權(quán)計算后本路段匯水面積內(nèi)徑流系數(shù)經(jīng)計算為0.54。

由于排水管道不僅需要收集路面雨水，同時需要轉(zhuǎn)輸上游地塊匯流的雨水，盡管道路建設(shè)中可以通過工程措施完成滿足規(guī)劃徑流削減量，對上游海綿城市雨水徑流削減效果缺乏掌控能力，為了保證管道的排水能力和交通安全，本工程按照海綿城市專項規(guī)劃建設(shè)后綜合徑流系數(shù)為0.47進行設(shè)計，以加權(quán)計算綜合系數(shù)0.54 校核。計算結(jié)果見表2。

由表2 可知，當?shù)缆方ㄔO(shè)達到目標徑流削減量時，即使不考慮周邊地塊海綿措施對雨水徑流的削減，雨水管道排水能力仍可以滿足最不利條件雨水排放要求。

2.2 海綿城市工程技術(shù)措施設(shè)計原則

根據(jù)《上海市閔行區(qū)七寶九星地區(qū)海綿城市建設(shè)規(guī)劃》，星友路海綿城市技術(shù)措施設(shè)計原則如下：

（1）人行道與機動車道間設(shè)置生物滯留設(shè)施，通過路緣石開孔，使機動車道雨水匯集到生物滯留設(shè)施帶中；在生物滯留設(shè)施帶內(nèi)增設(shè)雨水口兼作溢流井，下滲雨水和超量徑流通過溢流井流入市政雨水管渠系統(tǒng)。

（2）城市道路海綿城市建設(shè)設(shè)施應(yīng)采取相應(yīng)的防滲措施，防止徑流雨水下滲對車行道路面和路基造成損壞。

（3）城市道路與廣場的海綿城市建設(shè)設(shè)施應(yīng)建設(shè)有效的溢流排放設(shè)施并與城市雨水管渠系統(tǒng)和超標雨水徑流排放系統(tǒng)有效銜接。

為了滿足規(guī)劃徑流削減要求，同時為了保證行車安全并結(jié)合工程實際，對于車行道本項目不設(shè)置海綿城市工程設(shè)施。海綿技術(shù)設(shè)施主要位于人行道，采用透水鋪裝+生物滯留設(shè)施完成徑流削減指標。

2.3 人行道透水鋪裝

人行道透水鋪裝采用透水磚路面，路面結(jié)構(gòu)和材料技術(shù)要求符合《透水磚路面技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T188），透水鋪裝率為38%。

人行道路面結(jié)構(gòu)層由上至下依次為：6 cm 透水磚、3 cm 中砂、200 g/m2透水土工布、10 cm 透水混凝土、10 cm 級配碎石，在級配碎石底層設(shè)置直徑5 cm 軟式透水管以實現(xiàn)縱向的雨水收集[4]。

表2 星友路徑流削減控制指標

2.4 生物滯留設(shè)施

目前常用的海綿城市蓄水滯水措施有雨水塘、生態(tài)樹池和生物滯留設(shè)施等。其中雨水塘主要起到雨水末端削污的作用,通過沉淀作用及植物系統(tǒng),去除水中懸浮物并吸附有機物,不適用于道路海綿措施。生態(tài)樹池是在人行道上設(shè)置生態(tài)樹,以大中型的木本植物為主,適用于人行道寬大于4 m的場合[1],本工程人行道寬3 m,生態(tài)樹種植后影響行人通行,并且上海市地下水位較高,土壤含水率大,經(jīng)計算生態(tài)樹池按照普通行道樹的6 m 的設(shè)置間距無法滿足徑流削減要求。

生物滯留設(shè)施主要的結(jié)構(gòu)包括濾帶、洼地和溢流設(shè)施等，主要用于滯留和凈化初期雨水，通過植物截留、土壤滲濾滯留處理小流量徑流雨水，起到調(diào)節(jié)雨水流量和削減污染物的作用[5]。有研究表明，生物滯留設(shè)施在降雨初期處于非飽和狀態(tài)，對雨水吸收迅速，具有良好的滲透性；從微觀角度，人行道、生物滯留設(shè)施水分變化趨勢一致，生物滯留設(shè)施的最大孔隙水壓力大于人行道側(cè)，且最先達到峰值[6]。

經(jīng)比選，本工程最終采用生物滯留設(shè)施作為海綿技術(shù)措施。生物滯留設(shè)施參照機非分隔帶生物滯留設(shè)施設(shè)置，每12 m 設(shè)置一組，單組生物滯留設(shè)施尺寸為4 m（凈長度）×1.5 m（寬）×2 m（深）。結(jié)構(gòu)層包括：100 mm 卵石濾水層、500 mm 種植土層、外包透水土工布、100 mm 中粗砂過濾層、300 mm礫石過濾層和最外層外包隔水土工布。生物滯留設(shè)施結(jié)構(gòu)見圖2。

生物滯留設(shè)施的溢流雨水口與市政雨水通過DN150 連通管連接，由于需要穿過樹穴，為了防止連通管被樹根刺穿，在連通管外側(cè)滿包50 mm 混凝土。市政雨水口為立篦式，路面徑流通過開口立緣石進入生物滯留設(shè)施，溢流雨水口高于滯留設(shè)施15 cm 且不高于路面，超過滲透能力的雨水通過雨水口進入市政雨水收集系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的雨水收集排放系統(tǒng)屬于快排系統(tǒng)，典型流程為：路面雨水→雨水口→雨水口連接管→檢查井→市政管網(wǎng)[3]。本工程海綿措施實施后，雨水系統(tǒng)流程為：（1）人行道→透水鋪裝→UPVC 穿孔管→溢流雨水口→連通管→市政雨水口→市政管網(wǎng)；（2）機動車道→開口路緣石→生物滯留設(shè)施→溢流雨水口→連通管→市政雨水口→市政管網(wǎng)；（3）機動車道→市政雨水口→市政管網(wǎng)。溢流式雨水口與市政雨水口的銜接見圖3。

圖3 生物滯留設(shè)施平面圖（單位：mm）

3 徑流削減量的計算和校核

3.1 表層調(diào)蓄徑流削減量

生物滯留設(shè)施蓄水層深度可根據(jù)植物耐淹性和土壤滲透能力以及徑流控制目標綜合考慮，一般宜控制在0～300 mm 范圍內(nèi)，為了不影響生物滯留設(shè)施內(nèi)植物的正常生長，本工程蓄水層設(shè)為150 mm。則表層調(diào)蓄徑流削減量按式（1）計算：

式中：L為生物滯留設(shè)施單元長，取4 m；B為生物滯留設(shè)施單元寬，取1.5m；H為卵石蓄水層深，取150 mm。

經(jīng)計算，單組生物滯留設(shè)施表層蓄水量為0.72 m3。

3.2 生物滯留設(shè)施雨水滲透量

海綿城市生物滯留設(shè)施雨水滲透量按式（2）計算：

式中：As為有效滲透面積，m2；β 為安全系數(shù)，0.7；k為土壤入滲率，100 mm/h；ts為滲透時間，2 h；J為水力坡降，1.0。

經(jīng)計算，單組生物滯留設(shè)施雨水滲透量為0.672 m3。

3.3 生物滯留設(shè)施下部結(jié)構(gòu)蓄水量

生物滯留設(shè)施下部結(jié)構(gòu)層中，500 mm 種植土層空隙率為15%，100 mm 中粗砂過濾層空隙率為25%，300 mm 礫石過濾層空隙率為30%。則單組生物滯留設(shè)施下部結(jié)構(gòu)蓄水量W3為0.912 m3。

經(jīng)計算，單組生物滯留設(shè)施徑流削減量為W1、W2和W3之和，總計2.30 m3，共設(shè)置92 組，生物滯留設(shè)施設(shè)置后星友路全線可以提供210 m3的徑流削減量，滿足海綿城市專項規(guī)劃對星友路所屬地塊194.56 m3的徑流量削減要求。

4 生物滯留設(shè)施與市政雨水口雨量分配

本工程在設(shè)置生物滯留設(shè)施的同時保留了按照30 m 間距設(shè)置的市政雨水口，一方面是為了將生物滯留設(shè)施內(nèi)溢流式雨水口收集的超量雨水排入市政管網(wǎng)，另一方面從安全性的角度，將道路排水完全經(jīng)過生物滯留設(shè)施滲透或溢流排放存在一定風(fēng)險，因此有必要定量分析路面雨水（本項目中為機動車道路面雨水）在生物滯留設(shè)施和市政雨水口收集系統(tǒng)的水量分配情況。

路緣石開口長度可根據(jù)式（3）計算[3]：

式中：L為路緣石開口長度，m；Q為設(shè)計徑流量，m3/s；S為道路縱坡，取0.33%；n為曼寧系數(shù)，取0.016；i為道路橫坡，取2%。

以單組生物滯留設(shè)施為研究對象，每隔12 m設(shè)置一組，對應(yīng)的機動車道集水面積為60 m2，設(shè)計暴雨強度396.93 L/s·hm2，可知單組生物滯留設(shè)施雨水收集量為0.0023 m3，經(jīng)計算單組生物滯留設(shè)置路緣石開口長度為1.43 m。實際設(shè)置的路緣石開口為1.0 m，反向計算可知兩處500 mm 路緣石開口對應(yīng)的雨水進水量為0.00097 m3，0.0023 m3中剩余的0.00133 m3通過市政雨水口收集，生物滯留設(shè)施和市政雨水口收集雨量分別占路面總收集雨量的42%和58%。

5 結(jié)論

（1）由于道路周邊地塊海綿城市技術(shù)措施的建設(shè)和運行維護存在不可控因素，雨水管道設(shè)計時建議以海綿城市技術(shù)措施實施后的區(qū)域綜合徑流系數(shù)設(shè)計，以實施前道路集水范圍內(nèi)加權(quán)綜合徑流系數(shù)進行校核。

（2）為了保障道路排水安全，建議在設(shè)置生物滯留設(shè)施的同時保留市政雨水口。

（3）生物滯留設(shè)施路緣石開口可以通過實際工程經(jīng)驗確定，但是需要計算校核。開口長度過大，路面雜物易進入生物滯留設(shè)施，開口長度不足，路面雨水將主要由市政雨水口收集，生物滯留設(shè)施無法起到蓄水、滯水作用。經(jīng)計算，本工程生物滯留設(shè)施和市政雨水口收集雨量分別占路面總收集雨量的42%和58%。