透水鋪裝合理搭配在海綿建設(shè)中的綜合效益

余太平，何延召，蔡 洪，李澤豐

(1.湖北省城建設(shè)計(jì)院股份有效公司，湖北武漢 430051；2.武漢理工大學(xué)土建學(xué)院市政工程系，湖北武漢 430070)

伴隨城市化進(jìn)程，城市表面透水能力減弱，在極端降雨氣候下，“城市觀?！爆F(xiàn)象普遍，對人民生活、城市發(fā)展都帶來不利影響。針對這一現(xiàn)象，美國馬里蘭州提出“低影響雨水開發(fā)系統(tǒng)構(gòu)建”。在全國人大十二屆五次會(huì)議上，我國提出的海綿城市理念，其核心思想就是，下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水[1]。海綿城市理念，即在土地開發(fā)過程中，通過場地控制降雨徑流，達(dá)到減少徑流量和雨水污染負(fù)荷的一種管理方法和應(yīng)用技術(shù)[2]。當(dāng)下的海綿城市建設(shè)項(xiàng)目主要分為建筑群和廣場、綠地、排水系統(tǒng)和道路4大類。其中，道路用地面積一般占建設(shè)用地的8%～15%，道路內(nèi)非透水下墊面占75%左右，是城市不透水面積的一大來源。研究顯示，25%的道路場次徑流量可產(chǎn)生40%～80%的污染物[3]。因此，透水鋪裝系統(tǒng)發(fā)展成為基于“海綿城市”理念的源控制技術(shù)[4]，尤其在老城區(qū)的排水改造中，具有重要意義。

1 項(xiàng)目概況

1.1 工程背景

武漢市處于亞熱帶季風(fēng)區(qū)，季風(fēng)氣候特征明顯，隨著冬夏季風(fēng)的進(jìn)退，降水量季節(jié)變化明顯。年平均降水量為1 200 mm，6月—9月(汛期)是多雨季節(jié)，一般占年降水量的40%～50%，如表1所示[5]。如圖1所示，項(xiàng)目位屬武漢市巡司河武泰閘曬湖片區(qū)，于武漢市武昌區(qū)南部，總面積為11.5 km2，道路面積約為1.0 km2。該片區(qū)由于老舊城區(qū)較多，合流制管道較多，大部分雨水通過合流管道進(jìn)入黃家湖污水處理廠進(jìn)行處理。

表1 武漢市1951年—2000年月均降水量統(tǒng)計(jì)[5]Tab.1 Statistics of Monthly Average Precipitation during 1951 to 2000 in Wuhan[5]

圖1 片區(qū)徑流系數(shù)分布平面圖Fig.1 Distribution Plan of Runoff Coefficient in the Area

1.2 方案設(shè)計(jì)

多雨季節(jié)降雨量大，初期雨水經(jīng)管網(wǎng)匯流入污水處理廠，導(dǎo)致污水處理廠負(fù)荷過大。片區(qū)老舊建筑密集，管網(wǎng)改造困難。經(jīng)方案比選，建設(shè)調(diào)蓄池，緩沖初期雨水流量，降低多雨季節(jié)時(shí)污水處理廠處理負(fù)荷。調(diào)蓄池建設(shè)用地受到限制，因此，提出了強(qiáng)化豎向透水能力，從道路透水鋪裝材料選擇上，實(shí)現(xiàn)削峰減流。晉存田等[6]采用SWMM模型軟件對下凹式綠地和滲透鋪裝進(jìn)行模擬，分析兩種技術(shù)措施在不同重現(xiàn)期對徑流系數(shù)、管道峰值流量以及峰值流量延后時(shí)間的影響。研究結(jié)果表明，兩種措施均有一定的效果。

2 透水鋪裝材料方案比選

2.1 常見滲透性道路材料的分析與比較

對混凝土植草磚、普通透水混凝土(露骨料)、普通透水磚、普通陶瓷磚、普通透水瀝青混合料的抗壓、抗折強(qiáng)度及透水性能，采用《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 135—2009)、《透水路面磚和透水路面板》(GB/T 25993—2010)等規(guī)范方法，進(jìn)行相關(guān)測試。測試結(jié)果表明，5種常見普通透水材料的抗壓、抗折強(qiáng)度均略大于規(guī)范要求，抗壓強(qiáng)度均在10～36 MPa，抗折強(qiáng)度均在4～5 MPa；孔隙率均小于30%，且透水系數(shù)值均小于0.8 mm/s。

2.2 3種新型滲透性道路材料性能分析

采用市售透水磚，對多雨時(shí)期的徑流量模擬計(jì)算，所需的調(diào)蓄池容積在建設(shè)中受限。因此，利用武漢理工大學(xué)硅酸鹽國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)優(yōu)勢，制備透水性能與強(qiáng)度都有一定保證的透水混凝土、陶瓷透水磚、透水瀝青混合料3種新型透水材料。

2.2.1 新型陶瓷透水磚

以陶瓷廢料為主要原料，厚度約為10 mm，制備原料再加鈉長石、高嶺土、滑石粉、莫來石晶須，改善燒結(jié)性能。按設(shè)計(jì)配方分別稱量原料，進(jìn)行配料。將配好的料混合均勻后，壓制成型，壓力為10 MPa，又1 160 ℃高溫鍛燒1.5 h。

2.2.2 新型透水混凝土

水泥:萬安P042.5水泥；細(xì)骨料：天然砂，含泥量為0.8%，泥塊含量為0.1%，細(xì)度模數(shù)為2.8；粗骨料:再生粗骨料，來自上海城建物資再生骨料生產(chǎn)線，經(jīng)人工破碎篩分成5～10、10～15 mm和5～25 mm 3種粒徑；天然粗骨料:來自湖州某骨料生產(chǎn)廠家，粒徑為5～10 mm；減水劑:浙江傳化聚羧酸減水劑，含固量為20%，減水率為27%。采用人工攪拌，機(jī)械振搗，使骨料吸水率為1%～3%，混凝土澆筑1 d后，常溫下灑水養(yǎng)護(hù)，每天灑水5～6次，養(yǎng)護(hù)7 d后進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)。

2.2.3 新型透水瀝青

采用江陰寶利生產(chǎn)的SBS成品改性瀝青，粗細(xì)集料均為鎮(zhèn)江玄武巖，礦粉為磨細(xì)的鎮(zhèn)江石灰?guī)r；選用的HVA改性劑由交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院開發(fā)，HVA改性劑摻量為瀝青用量的8.7%。

2.2.4 材料性能分析

采用2.1內(nèi)所述相同測試方法，對3種透水材料性能進(jìn)行測試，得出其抗壓、抗折強(qiáng)度和透水能力都有一定的提高，具體結(jié)果如表2所示。

表2 3種新型透水材料的性能指標(biāo)Tab.2 Performance Indicators of Three New Permeable Materials

2.3 新型透水材料應(yīng)用前景

在現(xiàn)階段透水鋪裝設(shè)計(jì)中，對于僅有少量機(jī)動(dòng)車輛行駛的硬化地面，如住宅區(qū)道路、城市道路硬路肩、停車場停車區(qū)等，因通行車輛較少，設(shè)計(jì)時(shí)可不考慮車輛對路面的綜合累計(jì)損傷，只需以標(biāo)準(zhǔn)軸載對鋪面結(jié)構(gòu)作靜載分析，在確定各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)容許值時(shí)，也無需考慮荷載的累計(jì)作用。對類似人行道、步行街、城市廣場、公園硬地等以行人、非機(jī)動(dòng)車為主要服務(wù)對象以及無機(jī)動(dòng)車輛通行的路面，透水鋪裝在設(shè)計(jì)時(shí)只需進(jìn)行透水設(shè)計(jì)，無需考慮交通荷載的作用。目前，透水鋪裝的主要應(yīng)用場合為人行道、廣場、運(yùn)動(dòng)場、停車場、小區(qū)道路等，這些場合對于鋪面的承載力要求較低。

改善后的新型透水鋪裝材料在強(qiáng)度上較普通透水鋪裝材料更優(yōu)越，有望將透水鋪裝的應(yīng)用擴(kuò)展到城市行車道上。針對各種不同場合需承受的車輛荷載的不同，選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)方案，提高設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性。新型透水瀝青具有較高的整體強(qiáng)度，又兼有一定的變形適應(yīng)性。透水混凝土層強(qiáng)度較高，承受荷載的作用能力強(qiáng)。陶瓷透水層承受荷載能力與前兩者相比較弱，但其透水性較好，具體如表3所示。

表3 3種新型透水鋪裝應(yīng)用設(shè)計(jì)適用范圍Tab.3 Application Scope of Three New Type Permeable Pavements

3 徑流系數(shù)計(jì)算

3.1 試驗(yàn)儀器

徑流量測定儀-JZ-KJ1700，翻斗式雨量計(jì) 076 RS-05B。

3.2 試驗(yàn)方法

劃定2個(gè)排水口中線作為排水區(qū)界，選取1塊排水區(qū)域，長約為30 m，寬約為5 m。其中，兩中線處標(biāo)高分別為40.02、40.02 m，試驗(yàn)場地集水口處標(biāo)高39.90 m。降雨時(shí)，通過徑流量測定儀器實(shí)測數(shù)據(jù)，對比實(shí)際降雨強(qiáng)度。根據(jù)式(1)反算徑流系數(shù)Ψ。

Q=ΨqF

(1)

其中：Ψ——徑流系數(shù)；

q——降雨強(qiáng)度，mm/h；

F——匯水面積，m2。

綜合徑流系數(shù)計(jì)算如式(2)。

(2)

其中：F——不同匯水面面積，m2；

i——對應(yīng)匯水面序數(shù)。

4 綜合效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

透水鋪裝徑流系統(tǒng)對比如表4所示。

表4 采用新型透水鋪徑流系數(shù)比較Tab.4 Comparison of Runoff Coefficients of New Type Permeable Pavements

由表4可知，3種新型透水鋪裝的徑流系數(shù)Ψ為0.3～0.5，較市面上的透水瀝青、透水磚等，可削減約0.2。

武漢地區(qū)暴雨強(qiáng)度計(jì)算如式(3)。

(3)

其中：P——設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，a；

t——集水時(shí)間，min。

集水時(shí)間t由地面集水時(shí)間t1和管內(nèi)雨水流行時(shí)間t2兩部分組成，如式(4)。

t=t1+t2

(4)

透水鋪裝配合自然綠地對不透水地面進(jìn)行分割，也可實(shí)現(xiàn)對t1的增加。一定降雨條件下，最大化地使?jié)B透面對不透水面進(jìn)行阻斷，降低地表徑流量，增加滲入量，減小區(qū)域綜合徑流系數(shù)[7]；在有效控制雨水徑流的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)自然積存和滲透，采取自然凈化的發(fā)展方式，修復(fù)城市的水生態(tài)系統(tǒng)，涵養(yǎng)水源，增強(qiáng)了城市的防澇能力[8]；另在雨水管網(wǎng)建設(shè)中，采用透水鋪裝，可在相同管徑下增加其設(shè)計(jì)重現(xiàn)期。

根據(jù)現(xiàn)行《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014—2006)，分流制調(diào)蓄池設(shè)計(jì)容積如式(5)。

V=0.001DFΨβ

(5)

其中：V——調(diào)蓄池有效容積，m3；

D——調(diào)蓄量，mm，按降雨量計(jì)，可取4～8 mm；

F——匯水面積，m2；

Ψ——徑流系數(shù)；

β——安全系數(shù)，可取1.1～1.5。

在海綿建設(shè)中，通過削減徑流量，可有效縮減調(diào)蓄池的體積，減小調(diào)蓄池的挖土方量。對于不便大開挖的老城區(qū)的街道改造而言，有利于實(shí)現(xiàn)對老城區(qū)海綿改造的建設(shè)。

4.1.1 固定投資效益C1

新型透水鋪裝投資C11如式(6)。

C11=F1(x-m)+F2(y-n)+F3(z-p)

(6)

其中：Fi——不同新型透水鋪裝采用面積，m2；

m、n、p——對應(yīng)傳統(tǒng)透水鋪裝單位面積單價(jià)，萬元/m2；

x、y、z——對應(yīng)鋪裝單位面積造價(jià)，萬元/m2。

管網(wǎng)投資效益C12如式(7)。

C12=(Ψ’-Ψ)F0qb

(7)

其中：Ψ’——傳統(tǒng)透水鋪裝對應(yīng)總徑流系數(shù)；

Ψ——采用新型透水鋪裝后對應(yīng)總徑流系數(shù)；

q——設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，mm；

b——單位流量下管網(wǎng)建設(shè)綜合經(jīng)濟(jì)投資，萬元/(m3·s-1)。

調(diào)蓄池投資效益C13如式(8)。

C13=10DFβ(Ψ’-Ψ)a

(8)

其中：Ψ’——傳統(tǒng)透水鋪裝對應(yīng)總徑流系數(shù)；

Ψ——采用新型透水鋪裝后對應(yīng)總徑流系數(shù)；

a——單位立方調(diào)蓄池造價(jià)，萬元/m3。

4.1.2 后期運(yùn)行維護(hù)投資效益C2

運(yùn)行維護(hù)投資如表5所示。

表5 部分海綿設(shè)施平均維護(hù)投資比例[9]Tab.5 Proportion of Average Maintenance Investment of Some Sponge Facilities[9]

新型透水鋪裝采用分層壓制燒結(jié)，控制不同層粒度大小，在縱向顆粒粒度分配上，實(shí)現(xiàn)反粒度分布，可降低運(yùn)行過程中維護(hù)的頻率。模擬使用時(shí)，普通透水鋪裝沖洗維護(hù)周期為25～30 d，新型透水鋪裝沖洗周期為40～45 d。通過調(diào)研，運(yùn)營時(shí)間按10 a計(jì)，保守估計(jì)其維護(hù)成本比例適當(dāng)下降1%～2%。

新型透水鋪裝維護(hù)費(fèi)用效益C21如式(9)。

C21=0.015 ×10×C12

(9)

調(diào)蓄池維護(hù)效益C22如式(10)。

C22=0.04×10×C13

(10)

4.1.3 總體經(jīng)濟(jì)效益C

總體經(jīng)濟(jì)效益C如式(11)。

C=C12+C13-C11-C21+C22

(11)

對于C11，即新型透水鋪裝費(fèi)用上，由于新型透水鋪裝采用大量工業(yè)廢料作為原材料，其單位面積鋪裝成本仍較普通透水鋪裝低，在與普通透水鋪裝做比較時(shí)，C11為負(fù)值，C定為正值效益。

假定已知條件：雨水匯水面積為1 km2，道路面積為0.1 km2。其中，新型陶瓷透水鋪裝為0.025 km2，新型混凝土透水鋪裝為0.025 km2，透水瀝青鋪裝為0.05 km2，設(shè)計(jì)使用年限為10 a。

設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為2 a，集流時(shí)間為10 min，得到q=178 72 L/(s·km2)；設(shè)計(jì)面積為1 km2，雨水管網(wǎng)造價(jià)b=42.43元/m2，調(diào)蓄池造價(jià)a=3 500元/m3。

計(jì)算得到：Ψ=0.40；C11=245萬元；C12=327.59萬元；C13=136.5萬元；直接效益值C=1168.94萬元。

經(jīng)濟(jì)效益分析匯總?cè)绫?所示。

表6 經(jīng)濟(jì)效益分析Tab.6 Analysis of Economic Benefit

注：表中設(shè)施單價(jià)借鑒往期實(shí)際工程中的設(shè)施單價(jià)

4.2 生態(tài)效益分析

4.2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)裝置由滲透柱、雨水模擬噴頭、提升水泵、雨水水箱、塑料軟管以及轉(zhuǎn)子流量計(jì)和調(diào)節(jié)閥組成。滲透柱材料為有機(jī)玻璃，至上而下模擬布置透水鋪裝、透水路基、土壤層，底端設(shè)置出水口。土壤層下墊紗布，防止土壤流失。所采用試驗(yàn)用水為武漢市洪山區(qū)某住宅區(qū)道路雨水口處收集。滲透水采用《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 91—2002)中方法進(jìn)行檢測。

4.2.2 試驗(yàn)結(jié)論

由圖2可知，新型透水材料對污染物的去除效果良好，未經(jīng)滲濾雨水，其CODCr≈400 mg/L、TN≈16 mg/L、TP≈0.6 mg/L、SS≈230 mg/L，經(jīng)滲濾后水CODCr≈40 mg/L、TN≈6 mg/L、TP≈0.25 mg/L、SS≈8 mg/L，4項(xiàng)污染物指標(biāo)在濃度上均滿足GB 18918—2002一級A排水標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)上述測試結(jié)果分析可知，這3種新型透水材料對城市雨水的面源污染治理方面可產(chǎn)生積極影響，它可以有效截留雨水中的污染物，防止雨水排入水體引起富營養(yǎng)化；同時(shí)，這對于采用地下水作為供水水源的地區(qū)，可避免地下水水源污染，并對地下水水資源進(jìn)行補(bǔ)充。另外，可以將滲濾水進(jìn)行集中統(tǒng)一收集，經(jīng)簡單處理后，作為城市綠化灌溉用水，在一定程度上減少了水處理成本。

圖2 不同降雨強(qiáng)度下污染物的去除率Fig.2 Pollutant Removal Rates under Different Rainfall Intensities

5 結(jié)論

(1)在老城區(qū)合流制管網(wǎng)改造中，雨污分流難以實(shí)現(xiàn)，調(diào)蓄池建設(shè)容積受限。通過采用新型透水材料，強(qiáng)化路面豎向透水能力，削減雨季徑流流量，實(shí)現(xiàn)對調(diào)蓄池容積縮減，降低污水處理廠處理負(fù)荷。

(2)采用新型透水鋪裝較常規(guī)透水鋪裝，可有效削減徑流量30%；同時(shí)，可降低直接經(jīng)濟(jì)成本13%；對SS、COD、TP、TN等的去除效果優(yōu)于普通透水鋪裝60%以上，可有效控制周邊水體污染。