基于海綿城市理念的高速公路建設(shè)應(yīng)用研究

王新宇

（廣東省高速公路有限公司陽茂擴建管理處）

0 前言

為減輕雨水對城市的影響，合理利用雨水，一些雨洪管理理念被提出，如降雨徑流最佳管理措施BMPs、可持續(xù)城市排水系統(tǒng)SUDS、低影響開發(fā)LID、洼地-滲渠系統(tǒng)MR[1]、綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施理念等，也研究出了諸如SWMM、MOUSE、SUSTAIN、STORM 等雨洪管理模型[2]。

海綿城市的概念由我國學(xué)者首次提出，它集國內(nèi)外雨洪管理理念之大成，用以促進雨水資源利用和生態(tài)環(huán)境保護。顧名思義，海綿城市設(shè)想城市就像一塊海綿，通過一定的改造，能吸水、儲水、放水。通過吸水、儲水的方式集中雨水，以減輕降雨對城市的影響；通過釋放儲存并處理后的雨水，又可以用來涵養(yǎng)地下水和綠植、灌溉農(nóng)田等?？偨Y(jié)起來，通過將海綿城市理念付諸實踐，可以提高雨水資源利用效率、減輕洪澇災(zāi)害，并能帶來一定的社會效益。

我國高速公路穿越地形較為復(fù)雜，沿線兩側(cè)可能是大型邊坡、農(nóng)田、湖泊、山體、林地、自然保護區(qū)等。雨水的治理以及對沿線生態(tài)環(huán)境的保護對高速公路的營運至關(guān)重要。將海綿城市理念引入到高速公路的建設(shè)中，使這些應(yīng)用可以增加其應(yīng)對環(huán)境變化的“彈性”，既環(huán)保節(jié)約又順應(yīng)自然，并能成為高速公路一道靚麗的風(fēng)景線，符合國家倡導(dǎo)的綠色公路建設(shè)。

本文在分析雨水對高速公路路面、邊坡、互通立交以及服務(wù)區(qū)四方面的影響后，介紹一些海綿城市理念在高速公路上應(yīng)用的低影響開發(fā)設(shè)施，隨后結(jié)合工程實例對部分應(yīng)用進行可行性分析。進行實例分析的工程主要有陽茂高速公路改擴建工程（以下簡稱“陽茂擴建項目”）、包茂高速公路和湛徐高速公路徐聞港支線。

1 雨水對高速公路的影響

我國高速公路現(xiàn)階段的雨水管控形式主要是靠設(shè)置路拱、邊溝、排水溝、盲溝、中央排水管、橫向排水管、急流槽等方式將雨水排放，對雨水的利用不夠，對周圍生態(tài)系統(tǒng)的保護也不夠。雨水作用易對高速公路的路基路面、邊坡、互通式立交、服務(wù)區(qū)四方面產(chǎn)生較大的影響，下面將詳細論述。

1.1 雨水對高速公路路基路面的影響

高速公路水損害是影響路面結(jié)構(gòu)安全及耐久性的一大隱患，常見的幾種路面病害有：車轍、網(wǎng)裂、坑槽、唧漿、路基沉陷等[3]。產(chǎn)生原因主要是路面防排水能力薄弱、路面表面層孔隙率偏大[4]、原地基未處理到位等。雨水的沖刷又會將路面表層的污染物直接排到公路兩側(cè)，如重金屬、SS、BOD、COD、TN、TP 等[5，9]，在高速公路穿越水源保護區(qū)的情況下更應(yīng)重視。

1.2 雨水對高速公路邊坡的影響

高速公路邊坡植草防護很普遍，但對雨水的吸附能力有限，大雨過后，往往邊坡沖刷較嚴重。圬工防護可增強邊坡穩(wěn)定性，但也僅僅防止了邊坡的垮塌，在降雨量較大時，仍無法將雨水保留并儲存下來加以利用，使之不至匯成水流侵害公路外的農(nóng)田、村莊等。

1.3 雨水對高速公路互通式立交的影響

現(xiàn)階段的大部分高速公路互通式立交的設(shè)計重在通過管網(wǎng)、涵洞進行疏水，雨水來臨時，存在水土流失、沖刷農(nóng)田、污染魚塘的風(fēng)險；同時，過度追求形式主義，不能很好地結(jié)合立交處特有的地形進行具體化、創(chuàng)新化設(shè)計，綠化植被品種也較為單一；此外，大方量的土石方工程也增加周邊的生態(tài)系統(tǒng)被擾動甚至破壞的風(fēng)險[6]。

1.4 雨水對高速公路服務(wù)區(qū)的影響

我國高速公路服務(wù)區(qū)傳統(tǒng)的“外排”理念導(dǎo)致雨水的利用率極低，因為離城鎮(zhèn)較遠的緣故，排水系統(tǒng)只能依靠建設(shè)時期做好的管網(wǎng)進行疏水，暴雨時服務(wù)區(qū)排水不通暢、積水的現(xiàn)象時有發(fā)生，雨水徑流又會沖刷和污染周邊農(nóng)林作物、水體等[7]。同時，由于服務(wù)區(qū)屋面硬化、且路面大多為水泥混凝土路面，使得雨水無法下滲到土層中，無法降低雨水峰值。在非雨季時節(jié)，又會由于降水量較少，導(dǎo)致服務(wù)區(qū)內(nèi)的綠植需要專門引水灌溉，成本較高[8]。

2 海綿城市理念下的高速公路建設(shè)方案

通過將海綿城市理念中的“海綿”功能運用到高速公路的建設(shè)方案中，以期創(chuàng)建環(huán)境友好的海綿型綠色公路。借鑒住建部下發(fā)的《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南--低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建（試行）》[9]，海綿城市理念在高速公路建設(shè)上運用時的三大注意要點：對原有生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境的保護、對高速公路沿線周邊生態(tài)的修復(fù)和恢復(fù)、低影響開發(fā)建設(shè)理念的運用。核心主要是：減少擾動周邊生態(tài)，若擾動需恢復(fù)；制定合理有效的方案，充分利用雨水資源。

下面將闡述具體的低影響開發(fā)設(shè)施應(yīng)用場景，并結(jié)合相關(guān)高速公路建設(shè)項目分析其落地實施的可行性。

2.1 海綿城市理念運用之路面篇

2.1.1 下沉式綠地、蒸發(fā)池

雨水通過盲溝、急流槽等匯入到下沉式綠地中，通過綠地中的植物吸收部分雨水；過量的雨水可以流入地下埋設(shè)的PP 組合式儲水模塊中儲存起來，后期可用來澆灌綠植、清洗路面等[10]。下沉式綠地中的綠植通常選用耐浸泡、耐洪澇能力強的品種。下沉式綠地可部分緩解短時間內(nèi)強降雨量造成的管網(wǎng)排水壓力，補充地下水資源。此外，通過設(shè)置路側(cè)蒸發(fā)池，也可以達到收集并利用雨水的目的。

在湛徐高速公路徐聞港支線項目中，K514+012、K516+600 等處路基兩側(cè)設(shè)置有大型蒸發(fā)池，用于雨水的收集，既避免了大量雨水沖刷周邊農(nóng)田，又可以儲存后用于農(nóng)田的灌溉。在陽茂擴建項目，若將部分原設(shè)計邊溝、排水溝替換為下沉式綠地，雖然可能會增加征地面積，但能大大避免對于雨水資源的浪費。

2.1.2 透水瀝青路面

透水瀝青路面分為三種：I 型、II 型和III 型。III型宜用作高速公路服務(wù)區(qū)的人行道、車輛停車區(qū)等，能承受中小型荷載，通常被稱為“透水路面”；I、II 型一般用于各類新建及改擴建公路中，通常被稱為“排水路面”，其中I 型可減少地表徑流和降低路面噪聲，如OGFC 路面；而II 型可降低強降雨時路面排水系統(tǒng)的負擔(dān)。[11，12]

⑴I 型將封層設(shè)置在上面層與中面層之間，通過上面層將雨水排出至鄰近的儲水裝置中。優(yōu)點是有較高穩(wěn)定性，缺點是只能簡單地減少地表徑流和排除積水[8]。

⑵II 型將封層設(shè)置在基層與墊層之間，雨水通過面層到達基層，從基層橫向排出。優(yōu)點是可有效地緩解路面積水，缺點是穩(wěn)定性較I 型差[8]。

⑶III 型將反濾層設(shè)在路基與路面的結(jié)合處，雨水穿過整個路面結(jié)構(gòu)層直達路面墊層底部，通過反濾層慢慢滲透進路基中，再通過路基下滲到土基中去。優(yōu)點是補充了地下水資源，缺點是對路基的滲透性有一定的要求[8]。

鑒于OGFC 路面是當(dāng)前較為成熟的排水路面，陽茂擴建項目又地處廣東省，雨季和臺風(fēng)季節(jié)雨水較多，因此可考慮用作服務(wù)區(qū)路面。通過上面層將雨水排出至鄰近的雨水收集管道，再通過管網(wǎng)輸送至建設(shè)的儲水裝置中，經(jīng)沉淀、凈化用于綠植灌溉、衛(wèi)生間沖洗等，可極大地提高雨水的利用率。

2.1.3 生物滯留設(shè)施

在高速公路路側(cè)可設(shè)置生態(tài)邊溝，在邊溝內(nèi)可種植小型綠植，通過綠植、土壤和微生物組成的小型生態(tài)系統(tǒng)來匯集路面雨水徑流，這樣的方式就是生物滯留設(shè)施，它還可用于高速公路服務(wù)區(qū)、邊坡坡腳以及互通立交的綠地之中。優(yōu)點是適用范圍廣、具有觀賞性、雨水徑流處置效果較好、建設(shè)及運營成本較低，但缺點是不適宜用在地形陡峭、地下水位較高的地段[10]。滲井也可以起到同樣的作用，只是滲井能處理的雨水流量較小，雨水水質(zhì)過濾情況也不大理想。此外，植草溝也可作為生物滯留設(shè)施的預(yù)處理措施配合使用。

高速公路挖方段的淺碟形生態(tài)排水邊溝，是廣東省近年來較多項目使用的一種生物滯留設(shè)施，如陽茂擴建項目、包茂高速公路和紫惠高速公路均在部分挖方路段設(shè)有淺碟形邊溝。在排水路徑不長、非雙向長挖方路段可采用淺碟形邊溝，邊溝內(nèi)植草并用養(yǎng)生膜覆蓋，待草生長較茂盛時揭膜；當(dāng)淺碟形邊溝無法滿足排水要求時，可在其下方增設(shè)一個明矩形溝構(gòu)成組合式邊溝。為了防止后期雜草對排水的影響，一般會在淺碟形邊溝底部鋪設(shè)混凝土預(yù)制塊。

2.2 海綿城市理念運用之邊坡篇

目前應(yīng)用較為廣泛的是使用邊坡生態(tài)防護，但種植綠植要考慮生長高度對邊坡的影響，若綠植較為高大，風(fēng)力作用下可能會傾覆，從而造成邊坡坡面、臺階受損，從而影響整體的穩(wěn)定性。同時，也要考慮在自然環(huán)境中生存的能力，因為日常的邊坡養(yǎng)護較少，主要靠吸收自然養(yǎng)分存活，若生存能力較差導(dǎo)致較快死亡，則對于穩(wěn)固邊坡的作用性就不大。

結(jié)合陽茂擴建項目，若將具有景觀和生態(tài)防護雙重性質(zhì)的綠植栽培到挖方邊坡碎落臺上，具有一定觀賞性的同時提高了邊坡穩(wěn)定性和雨水吸收、涵養(yǎng)的水平。

2.3 海綿城市理念運用之互通式立交篇

通過詳細研究互通式立交圍合區(qū)域的微地形，進行地形設(shè)計，將濕塘、蓄水池、下沉式綠地等低影響開發(fā)設(shè)施的引入，并在一定程度上具備了儲水的功能。蓄水池可凈化雨水，起到類似污水處理的過濾與初沉的作用。處理后的雨水可以通過管道輸送到就近的養(yǎng)護工區(qū)用于公共衛(wèi)生間[13]、綠植澆灌等。

在包茂高速公路茂名東互通的圍合區(qū)內(nèi)，有片區(qū)域地處低洼地段，雨水無法靠自然蒸發(fā)或下滲土壤消耗完全。為了更好地解決積水問題，提高雨水涵養(yǎng)水平，設(shè)置了與地方水系連通的濕塘。

2.4 海綿城市理念運用之服務(wù)區(qū)篇

2.4.1 建筑物屋面排水

服務(wù)區(qū)屋面排水可以通過PVC 管道將水引入到如生態(tài)樹池的生物滯留設(shè)施中，也可通過設(shè)置綠色屋頂減少部分雨水的漫流。針對規(guī)模較小的高速公路服務(wù)區(qū)，可采用雨水桶作為收集屋頂雨水的裝置[8]。

2.4.2 透水磚鋪裝

在服務(wù)區(qū)人行道，由于荷載較小，可以采用透水磚進行鋪裝。透水磚具有較少地表徑流、增加雨水滲透能力、調(diào)節(jié)局部地區(qū)小氣候等優(yōu)點[14]。雨水通過透水磚下滲后一部分滲入土壤，另一部分可以通過地下的導(dǎo)流裝置導(dǎo)入附近的儲水模塊儲存起來。透水磚材質(zhì)的選擇很大程度上會影響到雨水的下滲效果。由于陽茂高速公路屬于聯(lián)通粵西的主干道，車流量較大，服務(wù)區(qū)內(nèi)供行人行走的區(qū)域均可供車輛通行，故透水磚鋪裝無法應(yīng)用于陽茂擴建項目。

2.5 雨洪管理模型介紹

SWMM 模型是現(xiàn)階段較為全面且模擬效果較準確的雨洪管理模型，具有LID（低影響開發(fā)）模塊，對我國海綿城市應(yīng)用場景的模擬極具借鑒意義。高速公路沿途地區(qū)的實測降雨數(shù)據(jù)是進行模擬的關(guān)鍵，數(shù)據(jù)年份越多，模擬相對越準確。通過SWMM 模型的模擬情況，可以大致分析得出各種低影響開發(fā)設(shè)施的使用效果，以及參數(shù)的確定和優(yōu)化。

3 結(jié)語及展望

現(xiàn)階段我國的海綿城市建設(shè)并未完全成熟，目前的定位主要是以解決洪澇災(zāi)害為主。在高速公路上的應(yīng)用也主要是為了降低當(dāng)雨水達到峰值時對路面、邊坡等的損毀。凈水、儲水的應(yīng)用還需要在高速公路上實行大規(guī)模應(yīng)用后進行效果檢驗。海綿城市的理念其實就相當(dāng)于一種新型的排水和環(huán)保系統(tǒng)的構(gòu)建，旨在通過一套演化算法解決一系列與水有關(guān)的問題。但很可惜的是，現(xiàn)在缺少很關(guān)鍵的一環(huán)--雨洪數(shù)學(xué)模型的建立，即通過導(dǎo)入數(shù)據(jù)到該數(shù)學(xué)模型中，進行定量分析，從而完成規(guī)劃設(shè)計的工作。

但無論海綿城市理念在高速公路上的應(yīng)用將來是一番什么景象，現(xiàn)在只能一步步走，上述介紹的措施可以作為邁出的第一步，有些已經(jīng)廣泛實踐了，如OGFC 排水路面；有些還尚待更多高速公路項目的應(yīng)用，如建筑物屋面排水、透水磚鋪裝和II 型、III 型透水瀝青路面等。本文綜合考慮了這些低影響開發(fā)設(shè)施，結(jié)合自身實踐經(jīng)驗，給出了較為合理的應(yīng)用及組合建議，并針對實際工程項目分析部分低影響開發(fā)設(shè)施運用的可行性，希望對高速公路的設(shè)計及其他從業(yè)人員有所幫助。