“海綿城市”理念在集裝箱堆場的應用探討

劉錦石，翟甲棟

（中交第一航務工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222）

引 言

我國城市目前排水基本采用快排模式，即雨水通過硬化地面、地表徑流匯入井、渠、溝和管道內(nèi)集中快速排放，但強降雨一來，目前管道的建設(shè)明顯不夠用。城市建設(shè)模式主要是硬化場地和面層，雨水排放主要以“快速排除”和“末端集中”控制為主要設(shè)計理念，依靠“灰色”的管渠、泵站等設(shè)施來排水[1]，從使用的實際情況來看，就是“逢雨必澇，旱澇急轉(zhuǎn)”。

2012低碳城市與區(qū)域發(fā)展科技論壇上首次提出“海綿城市”的概念，國際通用術(shù)語稱之為“低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建”。實現(xiàn)下雨時吸水[2]、滲透、凈化、存蓄，在干旱和需要使用時將存蓄的水進行釋放加以利用?！昂＞d城市”又稱之為“水彈性城市”，是城市建設(shè)新時代的雨洪設(shè)計理念，使城市在適應水環(huán)境變化，應對雨水收集、滲透、凈化、回用、排放等方面具有良好的“彈性”。

圖1 “海綿城市”水循環(huán)收集與釋放示意

圖2 傳統(tǒng)城市與“海綿城市“排水示意

港口有些“清潔”類碼頭，如集裝箱、鋼鐵、滾裝、客運、郵輪、糧食等貨類碼頭，地表雨水都是通過徑流，經(jīng)排水溝、集水井收集后，流經(jīng)排水管從碼頭前方直排進海里，造成水資源的浪費。

鑒于多年碼頭設(shè)計工作經(jīng)驗的積累，思考如何在“清潔”碼頭工程中融入“海綿城市”設(shè)計理念和方法，一方面通過雨水滲透、凈化和涵養(yǎng)，可以減少雨水外排量，避免水資源浪費；另一方面減少雨水溢流量，進而可以把雨水管道管徑減小，從而降低工程造價。

1 集裝箱堆場融入“海綿城市”理念的切入點

將“海綿城市”的設(shè)計理念融入碼頭工程，首先選取較為典型的集裝箱碼頭進行嘗試，主要基于集裝箱碼頭有如下特點：

1）標準化（生產(chǎn)的不同形狀和質(zhì)量的產(chǎn)品、貨物能夠裝進標準箱里，實現(xiàn)門對門的標準化運輸）；

2）規(guī)范化（堆場箱位根據(jù)不同工藝布置合理編排，有明確的位置和編碼）；

3）模塊化（根據(jù)設(shè)備選型不同，堆場的布置呈現(xiàn)有規(guī)律的模數(shù)）；

4）自動化（近年新建和改造的自動化碼頭）。

基于集裝箱堆場布置的特點，融入“海綿城市”的設(shè)計理念具備了基礎(chǔ)條件。2018年全球前20大集裝箱港口完成集裝箱吞吐量 3.4億 TEU，同比增速為3.8 %。全球前20大集裝箱港口排名，中國港口占據(jù)半壁江山。基于目前集裝箱碼頭的總量和后續(xù)改造自動化碼頭的趨勢，融入“海綿城市”的設(shè)計有足夠的發(fā)展及應用空間。

2 傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場的布置型式

2.1 一般集裝箱堆場的布置型式

北方某港口傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場平行于碼頭布置，堆場采用軌道式/輪胎式龍門起重機，跨內(nèi)通行車道一側(cè)布置，剩余布置集裝箱堆場，如圖3，軌距33 m，2條車道一側(cè)布置，8排箱子集中布置，箱角基礎(chǔ)采用條形基礎(chǔ)，除條基外采用碎石鋪面，中間設(shè)置排水溝，將雨水收集后，通過排水干管經(jīng)碼頭前方排放入海。

圖3 港口集裝箱堆場局部斷面示意

2.2 自動化集裝箱堆場的布置型式

以東部沿海某個大型自動化集裝箱碼頭堆場布置為例，堆場垂直于碼頭布置，堆場設(shè)備采用自動化軌道式龍門起重機，軌距為28.5 m，軌內(nèi)布置9列集裝箱，鄰近碼頭端為海側(cè)交接區(qū)，另一端為陸側(cè)交接區(qū)。在每跨堆場內(nèi)中間位置設(shè)置排水溝，軌道梁頂高程比箱角條形基礎(chǔ)頂高程高出10 cm，條基本身是平的，條基之間布置碎石，將堆場區(qū)的雨水收集到排水溝內(nèi)，由海側(cè)交接區(qū)向陸側(cè)交接區(qū)匯總進入雨水管后統(tǒng)一排放。

3 集裝箱堆場“海綿城市”設(shè)計思路和方法

根據(jù)《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）》的基本原則。各類低影響開發(fā)技術(shù)又包含若干不同形式的低影響開發(fā)設(shè)施，主要有綠色屋頂、透水鋪裝、下沉式綠地、滲透塘、生物滯留設(shè)施、滲井、雨水濕地、濕塘、蓄水池、調(diào)節(jié)池、雨水罐、植草溝、滲管/渠、初期雨水棄流設(shè)施、植被緩沖帶、人工土壤滲濾等[3]。

實際海綿城市的技術(shù)手段已經(jīng)相當成熟，只是在如何結(jié)合集裝箱堆場的平面布置，合理選擇低影響開發(fā)設(shè)施進行布置和應用方面仍有待探討。

既然常規(guī)和自動化集裝箱碼頭堆場箱角基礎(chǔ)普遍采用條形基礎(chǔ)，空檔區(qū)面層采用聯(lián)鎖塊鋪面或碎石鋪墊，中間利用排水溝收集雨水，排水溝的長度基本和軌道長度基本相當，基礎(chǔ)采用碎石墊層，鋼筋混凝土的溝壁和溝底，加之蓋板，一條堆場的長度為300～400 m，一個泊位后方堆場對應10條堆場，排水溝長度為3～4 km，另外空檔區(qū)的鋪面或碎石的工程量相對也較大，實際使用上，這部分的投資又無實際使用效果。具體的鋪面布置如圖4、圖5。

圖4 “傳統(tǒng)”集裝箱堆場平面

圖5 “傳統(tǒng)”集裝箱堆場斷面

為有效改進集裝箱堆場雨水收集方式，融入“海綿城市”的設(shè)計思路：利用軌道梁、箱角梁圍合的區(qū)域擬采用下沉式綠地、溢流井和雨水管等組建成低影響開發(fā)設(shè)施，堆場區(qū)占整個陸域面積的60 %～70 %，堆場區(qū)的雨水經(jīng)下沉式綠地下滲，補給地下水，當雨水飽和時，超過一定高度蓄水層的雨水進入溢流井，經(jīng)雨水管排出。將傳統(tǒng)通長的排水溝布置用局部設(shè)溢流井+雨水管連通的方式進行替代，硬化鋪裝通過植草皮進行替代，降水可以通過下滲，補給地下水，大雨土壤飽和后雨水進入溢流井、雨水管道收集或排放。堆場的空檔區(qū)綠化成大面積的“綠道”，環(huán)境也會得到明顯改善。

圖6 “下沉式”集裝箱堆場平面布置示意

圖7 “下沉式”集裝箱堆場橫斷面示意

圖8 “下沉式”集裝箱堆場縱斷面

圖9 “下沉式”集裝箱堆場示意

3 下沉式綠地對條形基礎(chǔ)的穩(wěn)定性論證

利用集裝箱堆場條基之間的空檔區(qū)設(shè)置下沉式綠地，綠地下滲雨水后，是否會對周圍條形基礎(chǔ)產(chǎn)生影響進行了初步核算，以某港區(qū)一日最大降雨量180 mm為計算參數(shù)，考慮種植土的下滲性能。

降雨在地面上形成的地表徑流，部分流向兩邊的收水系統(tǒng)，部分透過地基裂隙滲入地下。地基土含水量隨降雨強度大小增不一，當降雨強度低于地基土滲透速率時，地基中含水量變化較小，當降雨強度大于土的滲透速率，地基滲透深度可達1～2 m。集裝箱箱角條形基礎(chǔ)對于人工處理后地基根據(jù)不同地基條件需進行相應處理。

對于原狀地基為透水性較差的土質(zhì)時，可以在土基上鋪設(shè)不透水層或防滲膜，將面層滲透的雨水進行收集至排水管道，排至基礎(chǔ)以外，也可將基礎(chǔ)底一定深度內(nèi)的土基進行換填處理，換填為透水性較好的砂土或碎石。

對于砂性土地基，由于砂土具有較強的水穩(wěn)定性、滲透性，其飽水狀態(tài)下凍脹小，含水量增加對承載力損失影響不大，其抗剪強度主要決定于其內(nèi)摩擦角，當含水量從干燥狀態(tài)增大至最優(yōu)含水量時，砂土的內(nèi)摩擦角在高壓實系數(shù)下（大于0.93）變化的幅度較小[4]；隨著密實度的增加，對于一般強度降雨，含水量對砂土的抗剪強度以及剪切變形會有較小影響（降幅小于5 %）[4]。在極端的暴雨天氣下，其中大部分降雨量由徑流形式通過收水井及排水管排除，基礎(chǔ)范圍內(nèi)砂土地基含水率增幅不超過15 %，砂土抗剪強度及剪切變形有一定程度降低，考慮到砂土地基經(jīng)人工處理后承載力及壓實系數(shù)較高（不小于0.95），有一定的安全儲備，含水量增加后的承載能力仍可滿足集裝箱荷載使用要求。

4 效果分析

根據(jù)《海港總體設(shè)計規(guī)范》（JTS 165-2013），雨水設(shè)計流量Q應按下式計算：

式中：ψ為徑流系數(shù)，目前集裝箱堆場一般采用聯(lián)鎖塊鋪面，徑流系數(shù)ψ取0.5計算；如果應用上述“海綿”設(shè)計，用綠地系統(tǒng)替代聯(lián)鎖塊的鋪面，徑流系數(shù)ψ取0.1～0.2，本次計算取0.2。

4.1 常規(guī)集裝箱堆場條基空檔區(qū)的做法

一般集裝箱堆場條形基礎(chǔ)之間的鋪面形式自下而上依次為150 mm厚級配碎石、200 mm厚水泥穩(wěn)定碎石、50 mm后中粗砂墊層、80 mm厚C50聯(lián)鎖塊，如圖10所示。

圖10 常規(guī)集裝箱堆場條基空檔區(qū)做法示意

4.2 海綿城市的條基空檔區(qū)的做法

集裝箱堆場條形基礎(chǔ)之間下部為處理過的密實沙，上部覆蓋480 mm的種植土，如圖11所示。

圖11 “海綿城市”堆場條基空檔區(qū)做法示意

4.3 經(jīng)濟效益比較

常規(guī)方案計算工程量包括48 cm的空檔區(qū)鋪面+中間排水溝的工程量；海綿城市方案計算工程量包括48 cm的種植土量+綠地+溢流井+排水管。

兩個方案均折算成一條空檔區(qū)，工程量見表1。

表1 常規(guī)方案排水溝的工程量

表2 海綿城市方案的溢流井和管的工程量

經(jīng)初步投資估算，常規(guī)方案的投資為2.6萬元，海綿城市方案為1.5萬元。由此可見，海綿城市的方案可將空檔區(qū)的鋪面費用和排水設(shè)施費用大幅縮減，同時減少雨水的排放，經(jīng)濟和社會效益顯著。

5 結(jié) 語

關(guān)于“海綿城市”的理念融入集裝箱堆場設(shè)計，從理論上分析是可行的，但目前尚缺乏工程實例的驗證，希望同類項目的設(shè)計和研究，根據(jù)工程需要進行逐步探索和應用，使“海綿城市”的理念在港口建設(shè)中不斷發(fā)展和完善，推進我國現(xiàn)代化“綠色港口”建設(shè)進程。