北方地區(qū)冬季寒冷氣候條件下低影響開發(fā)雨水設(shè)施設(shè)計及維護管理的關(guān)鍵問題分析
——以濟南魯能領(lǐng)秀城為例

王崇藝，張鵬，朱崇文，崔永順

（1.山東魯能亙富開發(fā)有限公司，濟南250000；2.深圳市喜喜仕景觀及建筑規(guī)劃設(shè)計有限公司，廣東 深圳518000）

1 引言

目前，全國海綿城市建設(shè)全面展開，各城市面臨從建設(shè)模式、前期規(guī)劃、工程設(shè)計到后期績效考核與運營管理各方面問題和挑戰(zhàn)，如何因地制宜、合理高效地選擇技術(shù)設(shè)施成為突出問題。我國地域廣闊，地形地貌、水文地質(zhì)和氣候特征差別較大，不同城市也因此面臨不同問題和需求。針對我國北方地區(qū)冬季寒冷氣候，其低影響開發(fā)雨水設(shè)施的選擇會受寒冷氣候、水文地質(zhì)等影響，本文選擇濟南市魯能領(lǐng)秀城海綿城市建設(shè)為例，研究北方地區(qū)冬季寒冷氣候低影響開發(fā)雨水設(shè)施的設(shè)計與維護管理問題[1]。

2 寒冷氣候?qū)τ晁O(shè)施的影響關(guān)鍵問題

2.1 凍融對透水鋪裝的影響

透水鋪裝的使用越來越廣泛，但其使用成本、冬季性能、堵塞和維護等方面仍受到關(guān)注。濟南魯能領(lǐng)秀城地處中緯度地帶，四季分明，冬季寒冷，最冷月氣溫-5℃左右，最低氣溫-19.7℃，冬季長達(dá)136～157d，因此，在使用透水鋪裝時會面臨凍融對其結(jié)構(gòu)和性能的影響。

凍融對地面鋪裝的影響表現(xiàn)在飽水狀態(tài)下水在孔隙中結(jié)冰體積膨脹對孔隙周圍產(chǎn)生凍脹力，造成凍脹開裂，導(dǎo)致其抗壓強度、抗拉強度等力學(xué)性能嚴(yán)重下降，加上荷載作用等其他環(huán)境條件的影響而導(dǎo)致其耐久性不足，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能和使用性能的喪失[2]。透水鋪裝能夠快速將表面的雪（雨）水滲透到內(nèi)部，不會積累在表面，一定程度上緩解了凍融對其的破壞作用，但同時透水鋪裝將雪（雨）水更快地引到了表層以下，如果雪（雨）水沒有及時排走，或者排走后表層孔隙中依然殘留有水分，這樣徑流會在鋪裝表面以下的結(jié)構(gòu)中發(fā)生凍脹現(xiàn)象，對透水鋪裝產(chǎn)生的破壞甚至比傳統(tǒng)的鋪裝還要嚴(yán)重。

此外，氯鹽型融雪劑的使用會在結(jié)構(gòu)層中形成濃度差，加劇凍融的破壞力；防滑沙礫的使用會堵塞孔隙，減少滲透性，不利于雪的融化和及時排走，帶來更嚴(yán)重的凍融問題。

這些問題可通過合理的設(shè)計和施工、長期維護及材料制備質(zhì)量控制來解決。相關(guān)研究證明，寒冷氣候條件下透水路面的使用比傳統(tǒng)路面鋪裝更耐凍結(jié)，主要是因為透水材料空隙空間可以使融雪徑流下滲得更快。Gunderson（2008）[3]在新罕布什爾大學(xué)風(fēng)暴雨中心（UNHSC）的研究發(fā)現(xiàn)，排水良好的透水鋪裝系統(tǒng)降低了凍融的敏感性。Cahill et al.（2003）研究表明停車場透水瀝青鋪裝比傳統(tǒng)鋪裝可以使冰雪更快地融化，透水瀝青的孔隙空間可以更快地將融雪水排走[4]。

2.2 融雪劑的使用對生物滯留設(shè)施的影響

融雪劑的使用會造成土壤鹽淸化、板結(jié)，還會造成植物死亡、污染地下水等問題。眾所周知，融雪劑會對道路綠化植物造成侵害，尤其是海綿型道路，含融雪劑的融雪徑流會順利排入道路下沉式綠化帶中，更容易對植物產(chǎn)生不利影響。

3 抗凍融透水鋪裝與生物滯留設(shè)施融雪劑棄流設(shè)計要點

針對濟南魯能領(lǐng)秀城冬季時間長、氣溫低的特點，透水鋪裝和道路生物滯留帶的設(shè)計應(yīng)注重抗凍融與融雪劑棄流設(shè)計，實現(xiàn)道路融雪徑流和初期雨水的優(yōu)先滲濾凈化與排放，并選擇適合本地生長的抗堿性強的植物，解決融雪劑侵害植物的問題。此外，在注重技術(shù)性的同時還需注重經(jīng)濟性，融雪劑棄流應(yīng)實現(xiàn)自動滲濾棄流，節(jié)省建設(shè)成本[5]。

3.1 抗凍融透水鋪裝設(shè)計

寒冷氣候下的透水鋪裝的承載能力設(shè)計在常規(guī)透水鋪裝的承載能力設(shè)計的基礎(chǔ)上還要考慮凍融循環(huán)給其結(jié)構(gòu)性能帶來的影響。以透水混凝土為例，相關(guān)實驗表明，經(jīng)過20 次和35次凍融循環(huán)，透水混凝土的抗壓強度分別下降了2MPa 和4MPa，因此，在濟南魯能領(lǐng)秀城透水鋪裝設(shè)計時，要充分考慮到凍融循環(huán)對鋪裝的結(jié)構(gòu)強度的影響。據(jù)此，建議在選擇透水磚的抗壓強度時，比一般情況下高一級。

此外，透水鋪裝設(shè)計除改變鋪裝本身材料外，還可調(diào)整其結(jié)構(gòu)層防止凍漲，如增加墊層（砂層）的厚度，或者在砂墊層中增加排水帶，將融雪水快速排走，不在結(jié)構(gòu)層中存留太長時間。對于透水鋪裝抗凍融設(shè)計，水平方向上，通過設(shè)置的變形縫提高其抗凍性能；垂直方向上，設(shè)置砂墊層，并在砂墊層中設(shè)置排水帶，排水帶與滲排管連接，可及時將透水鋪裝結(jié)構(gòu)層中的融化水排走，以解決垂直方向上的凍脹問題。

新罕布什爾大學(xué)暴雨中心（UNHSC 2009）以位于新罕布什爾州達(dá)勒姆停車場的透水瀝青為對象進行了一項有關(guān)透水瀝青在寒冷氣候下的應(yīng)用研究，研究將透水瀝青表層以下的結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為多孔介質(zhì)滲透床，并推薦了寒冷條件下適合的結(jié)構(gòu)：10.16～20.32cm 的碎石基層（考慮到多孔瀝青的壓實問題20.32cm 優(yōu)先）；接著是20.32～30.48cm（砂濾層；然后是7.62cm（最小厚度）的過濾層（即豆礫石），最后是碎石儲水層。其中，砂濾層進一步地精細(xì)分級是為了強化過濾過程并起到延緩下滲的作用；而均勻粒級碎石儲水層設(shè)計成較高的孔隙率是為了最大程度地儲存滲透下來的水，延緩其滲透時間，阻礙水的垂流運動，進而有助于防止冬季的凍融和隆起等破壞現(xiàn)象。

3.2 生物滯留設(shè)施融雪劑棄流設(shè)計

生物滯留設(shè)施的設(shè)計目標(biāo)及其結(jié)構(gòu)特點要求其必須接受道路等匯水面產(chǎn)生的徑流的流入，因此，需采用工程措施將融雪徑流排走，后期徑流再進入設(shè)施。英國有些城市在城市道路旁，鋪設(shè)了專門的管道用于收集含有融雪劑的融雪徑流，通過管道送至污水處理廠進行處理。

生物滯留設(shè)施的設(shè)計需強化預(yù)處理、清淤區(qū)，因此，可在生物滯留設(shè)施的進水口處設(shè)置前池/沉淀池，不僅便于雨季清淤，也可防止冬季時融雪徑流直接進入生物滯留設(shè)施蓄滲區(qū)，在冬季，利用融雪徑流的流量一般較小的特點，融雪徑流進入生物滯留帶后，通過合理的導(dǎo)流路徑設(shè)計，使之優(yōu)先經(jīng)沉淀池預(yù)沉淀后，由沉淀池溢流進入滲排渠，經(jīng)碎石過濾、滲排管收集后排入市政雨水管。也可在道路與生物滯留設(shè)施銜接處，沿道路設(shè)置一條較小的溝槽，溝槽接排水系統(tǒng)，當(dāng)積雪融化后，含融雪劑的融雪徑流會被溝槽收集，導(dǎo)入排水系統(tǒng)。由于融雪徑流一般流量不大，因此，溝槽的規(guī)格可以很小，避免影響車輛行駛。

4 濟南魯能領(lǐng)秀城透水鋪裝管理與維護的關(guān)鍵

（1）應(yīng)避免將沙子用于透水鋪裝的防滑處理，防止堵塞孔隙。（2）要增加對透水孔瀝青的檢查和維護頻率，特別是在秋冬季節(jié)，碎片堆積和沉積相對嚴(yán)重，不及時處理，會嚴(yán)重影響之后雨雪的滲透。（3）不要將清掃過的雪堆在透水鋪裝表面，它們會聚集高濃度的沉積物，從而更快地堵塞孔隙。（4）注意防冰處理，在雨或雪來臨前應(yīng)用防冰處理措施，以最低的成本增加交通安全，減少對環(huán)境的影響。當(dāng)遇到不易處理的致密的冰雪時，根據(jù)情況可使用除冰劑和防滑材料。（5）注意在鋪裝完成的初期不要使用，避免對其結(jié)構(gòu)造成破壞。含氯化鈉或氯化鈣的除冰劑可用于透水混凝土表面，而含有硫酸銨和硝酸銨等化肥成分的藥劑不要使用，這些可能會引起混凝土表面的化學(xué)反應(yīng)。（6）注意減少用鏟、犁等工具清雪進行物理處理透水鋪裝表面的頻率，當(dāng)積雪積到一定厚度（≥5cm）時再考慮使用，避免頻繁的使用對表面造成破壞。在使用鏟、犁等工具的時候，稍微抬高一點刀片來防止對路面造成刮痕。（7）使用防滑材料的情況下，應(yīng)在寒冷天氣季節(jié)后徹底清洗表面。

5 結(jié)語

濟南魯能領(lǐng)秀城的透水鋪裝設(shè)計要充分考慮寒冷氣候?qū)ν杆禂?shù)帶來的影響及凍融循環(huán)對其結(jié)構(gòu)性能造成的影響，道路生物滯留設(shè)施要考慮融雪劑對土壤及植物的影響。本文對濟南魯能領(lǐng)秀城的抗凍融透水鋪裝及生物滯留設(shè)施融雪劑棄流設(shè)計提出建議，以期為寒冷氣候條件下低影響開發(fā)雨水設(shè)施的設(shè)計與維護提供參考。