基于低影響開(kāi)發(fā)模式的高速公路海綿化設(shè)計(jì)研究

楊 漣

(南寧交通投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，南寧 530021)

高速公路排水設(shè)計(jì)的目的是盡快排除雨水，以保證道路和行車(chē)安全。研究表明，高速公路地面徑流含有一定泥砂量，降雨后會(huì)形成懸浮物并攜帶有機(jī)污染物隨著徑流進(jìn)入周邊河流水系，引起水體富營(yíng)養(yǎng)化及周邊生態(tài)環(huán)境的變化[1-5]。

低影響開(kāi)發(fā)模式指在城市開(kāi)發(fā)建設(shè)過(guò)程中采用源頭削減、中途轉(zhuǎn)輸、末端調(diào)蓄等多種手段，通過(guò)滲、滯、蓄、凈、用、排等多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)城市良性水文循環(huán)[6-8]。因此在滿足交通功能的前提下，利用低影響開(kāi)發(fā)措施所具有的雨水凈化功能[9-13]，將高速公路與海綿城市有機(jī)結(jié)合，以減少高速公路對(duì)周邊環(huán)境的影響。

1 項(xiàng)目概況

吳圩機(jī)場(chǎng)第二高速公路是南寧市中心城區(qū)對(duì)外交通路網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分，起于吳圩機(jī)場(chǎng)北部，連接機(jī)場(chǎng)大道北出入口，終點(diǎn)接南寧市玉洞西快速路，路線全長(zhǎng)約20.5 km。沿線主要環(huán)境敏感點(diǎn)有蕾桑水庫(kù)和鷓鴣井水庫(kù)。吳圩機(jī)場(chǎng)第二高速公路多依山腰而建，沿線主要為丘陵地帶，地形起伏較大，山頂多呈渾圓狀，徑流迅速匯集。同時(shí)，沿線主要土質(zhì)為粘土，土壤下滲能力較弱。項(xiàng)目區(qū)位示意如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目區(qū)位示意

2 高速公路建成后面臨的水環(huán)境問(wèn)題

吳圩機(jī)場(chǎng)第二高速公路建成通車(chē)后，預(yù)估將產(chǎn)生3個(gè)關(guān)于水資源利用和環(huán)境問(wèn)題：

1)降雨徑流會(huì)沖刷挖方段邊坡，造成水土流失并在低洼處沉積淤泥。

2)降雨徑流會(huì)沖刷帶走路面油污并沿著地形流入附近水庫(kù)，對(duì)水庫(kù)造成一定影響。

3)高速公路里程較長(zhǎng)，距市區(qū)集中供水區(qū)域較遠(yuǎn)，且中央分隔帶寬10.5 m，綠化澆灌用水量較大，使用市政自來(lái)水輸水成本較高。

3 設(shè)計(jì)方案

為減小高速公路建設(shè)對(duì)周邊環(huán)境破壞，盡可能降低初期雨水對(duì)周邊水庫(kù)的水質(zhì)影響，同時(shí)減少綠化澆灌等管養(yǎng)維護(hù)成本，采取低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)措施對(duì)路面徑流雨水進(jìn)行滯留凈化，并通過(guò)雨水收集回用設(shè)施，將凈化后的雨水用于綠化澆灌，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 設(shè)計(jì)思路

總體設(shè)計(jì)思路：在滿足使用功能、保障行車(chē)安全的前提下，對(duì)第二高速公路進(jìn)行低影響開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，因地制宜布置海綿措施，削減徑流污染，減少對(duì)周邊水庫(kù)水系的影響，改善生態(tài)環(huán)境，節(jié)約水資源。

已有研究表明，植被過(guò)濾帶能有效攔蓄徑流、攔截懸浮固體等污染物質(zhì),具有較好水土保持和水質(zhì)凈化效益[14-15]。據(jù)此，低影響開(kāi)發(fā)措施應(yīng)盡量布置于植被建設(shè)區(qū)域，并具備一定調(diào)蓄容積，以此充分利用周邊植被進(jìn)行徑流凈化。同時(shí)由于道路中分帶綠化區(qū)域長(zhǎng)期受雨水浸泡可能影響道路結(jié)構(gòu)安全[16]，本著安全優(yōu)先原則，因此先排除對(duì)高速公路產(chǎn)生安全影響的方案。綜合分析后，海綿措施布置主要位于：1)道路區(qū)段兩側(cè)綠化區(qū)；2)立交區(qū)段、高架橋區(qū)段橋下綠化區(qū)域；3)服務(wù)站、收費(fèi)站硬化區(qū)域；4)水庫(kù)外圍。

另外，根據(jù)雨水收集須滿足需求回用水量等于匯水范圍收集雨水量，此時(shí)雨水收集回用最經(jīng)濟(jì)，既可減少雨水長(zhǎng)期不使用發(fā)生變質(zhì)的幾率，又可減少投資。

3.2 雨水控制策略

3.2.1 高架段海綿雨水系統(tǒng)

主體工程設(shè)計(jì)中，降雨后橋面雨水通過(guò)橋梁落水管排入橋梁下方空地?？紤]雨水落水管多點(diǎn)分散排放橋面雨水，因此可通過(guò)海綿措施的連片布置，既能去除污染物，又能整體提高措施的景觀性及經(jīng)濟(jì)性。

設(shè)置相關(guān)海綿設(shè)施后，雨水經(jīng)落水管先流到沉砂池中，進(jìn)行消能、沉砂后，引流至橋下海綿措施中，如生物滯留池、下沉式綠地等，植被應(yīng)布置于可見(jiàn)光照射之處，避免其因光照不足而導(dǎo)致非正常死亡的情況發(fā)生。海綿雨水系統(tǒng)流程如圖2所示。

(a)雨水徑流流程示意

3.2.2 邊坡、路面海綿雨水系統(tǒng)

高速公路兩側(cè)為邊坡，降雨后，邊坡、路面雨水進(jìn)入排水邊溝，最后排至下游水體。考慮到路面初期雨水污染，增加沉砂池削減懸浮物含量。邊坡、路面海綿雨水系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 邊坡、路面海綿雨水系統(tǒng)示意

考慮到混凝土邊溝對(duì)污染物削減能力較差，為此，在不影響邊溝基本排水功能、滿足過(guò)流能力的前提下，將混凝土排水溝變更為植草溝，并在開(kāi)闊區(qū)域增加生物滯留設(shè)施，充分利用低影響開(kāi)發(fā)措施削減徑流污染。最后在水庫(kù)前增加砂石過(guò)濾區(qū)，通過(guò)土壤過(guò)濾減少水庫(kù)污染。

同時(shí)，考慮灌溉的簡(jiǎn)便性，道路中分帶設(shè)置灌溉管線，既可使用自來(lái)水進(jìn)行供水，也可調(diào)整閥件使用收集雨水。

3.2.3 收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)海綿雨水系統(tǒng)

收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)作為高速公路人流量最大的區(qū)域，每天大量車(chē)輛往來(lái)，存在引起地面油污的風(fēng)險(xiǎn)，可見(jiàn)此區(qū)域面源污染控制需求大。同時(shí)，收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)可利用區(qū)域較大，適合進(jìn)行低影響開(kāi)發(fā)建設(shè)。

根據(jù)匯水面積，可采取的海綿措施有：下沉式綠地、透水鋪裝、雨水罐、綠色屋頂、生物滯留帶、植草溝、雨水花園、濕塘等。另外，雨水收集池設(shè)置于收費(fèi)站和服務(wù)區(qū)，方便維護(hù)管理及檢修。海綿雨水系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)海綿雨水系統(tǒng)示意

3.2.4 水庫(kù)保護(hù)措施

高速公路沿線有雷桑水庫(kù)及鷓鴣井水庫(kù)，均為非飲用水水源小型水庫(kù)。由沿線地形可知，高速公路地表徑流可通過(guò)排水邊溝及地勢(shì)直接進(jìn)入該水體。為進(jìn)一步減少地面徑流攜帶懸浮物直接進(jìn)入水庫(kù)水體，在水庫(kù)外圍，根據(jù)對(duì)應(yīng)道路匯水面積設(shè)置砂石過(guò)濾區(qū)，通過(guò)過(guò)濾吸附作用，減少直排水體的懸浮物含量。

3.2.5 主要海綿措施

根據(jù)高速公路設(shè)計(jì)文件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，主要對(duì)排水系統(tǒng)、綠地系統(tǒng)等進(jìn)行海綿化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)削減雨水徑流污染。

本工程應(yīng)用了多種低影響開(kāi)發(fā)措施，有植草溝、下沉式綠地、生物滯留設(shè)施、透水鋪裝、綠色屋頂、雨水收集利用系統(tǒng)、雨水罐、沉砂設(shè)施等，現(xiàn)選取主要措施進(jìn)行說(shuō)明。

1)植草溝

本工程將部分區(qū)域原設(shè)計(jì)的混凝土邊溝改為轉(zhuǎn)輸型植草溝，為保證高速公路路基安全，植草溝不考慮下滲，同時(shí)植草溝根據(jù)所在區(qū)域條件增大尺寸，以滿足原有邊溝設(shè)計(jì)過(guò)流能力要求。對(duì)于坡度較大區(qū)域，采用階梯排水形式布置植草溝。植草溝剖面如圖5所示。

單位：mm

此外，在植草溝下游增加沉砂池，可進(jìn)一步控制徑流污染。

2)生物滯留設(shè)施

包括生物滯留帶及生物滯留池?？紤]到道路外圍可利用區(qū)域較小，為兼顧景觀效果，采用生物滯留帶的形式布置，如圖6所示。另外，高架橋橋面下方區(qū)域與水系較為接近，為了強(qiáng)化凈化效果，采用生物滯留池。

單位：mm

設(shè)計(jì)生物滯留設(shè)施蓄水深度為0.3 m。此外，在生物滯留池上游處增加沉砂池，可減少污染物進(jìn)入滯留池，提高生物滯留池污染處理效果。

3)透水鋪裝

收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)等場(chǎng)地存在大量硬化路面，徑流系數(shù)較大，通過(guò)透水鋪裝，可減少?gòu)搅髁康漠a(chǎn)生。透水磚孔透水率不小于0.1 mm/s，保水量在通常使用狀態(tài)下達(dá) 10 000 cc/m，抗壓強(qiáng)度不小于Cc50，抗折強(qiáng)度不小于Cf5，防滑等級(jí)為R2，防滑性能指標(biāo)BPN≥70。

4)雨水收集利用系統(tǒng)

吳圩機(jī)場(chǎng)第二高速公路綠化澆灌原設(shè)計(jì)主要采用自來(lái)水進(jìn)行滴灌、人工澆灌，因高速公路遠(yuǎn)離市區(qū)，綠化澆灌存在成本太高的問(wèn)題。增加雨水收集利用系統(tǒng)，可在一定程度上減少澆灌支出，節(jié)約成本。雨水收集利用系統(tǒng)設(shè)置要求：(1)地勢(shì)平緩處；(2)車(chē)輛容易到達(dá)、方便檢修且不影響交通的區(qū)域；(3)方便雨水回用的區(qū)域。

根據(jù)地形，結(jié)合設(shè)置要求，本工程雨水收集利用池設(shè)置在收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)區(qū)域。其余地區(qū)因地形起伏較大、施工以及運(yùn)行后維護(hù)困難，暫不考慮。另外，收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)路面較為平緩，若直接埋設(shè)，需有較大深度才能收集較多雨水。因此選擇在收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)雨水排水溝下游處設(shè)置雨水收集循環(huán)利用水池。水池平面布置如圖7所示。

注：1.1—排泥泵；2—排泥管；3-1—進(jìn)水總管；3-2—進(jìn)水支管；4—防水土工膜；5—底板；6—通氣帽；7—供水管；8—供水泵；9—加氣砌塊；10—透水砌塊；11—蓋板；12—檢查井；13—分配水池池體；14—隔板；15—溢流管。2.單位：mm。

在高速公路附近設(shè)置雨水池需要考慮道路基礎(chǔ)安全問(wèn)題，應(yīng)盡量選用抗浮、抗沉降性能較好的水池。另外，考慮水池便于安裝、運(yùn)輸、后期管理維護(hù)以及整體使用的經(jīng)濟(jì)性等因素，本工程使用硅砂蜂窩結(jié)構(gòu)式雨水收集循環(huán)利用水池，硅砂結(jié)構(gòu)透氣效果好，可在一定程度上延緩凈化后雨水水質(zhì)變差，收集并凈化后的雨水主要用于服務(wù)區(qū)綠化澆灌和高速公路沿線部分路段的中間綠化帶澆灌。

5)砂石過(guò)濾區(qū)

雷桑水庫(kù)及鷓鴣井水庫(kù)位于部分路段下游，為減少雨水流入時(shí)帶入的污染物，在水庫(kù)接近道路的一側(cè)增加砂石過(guò)濾區(qū)，讓地面雨水進(jìn)入水庫(kù)前進(jìn)行過(guò)濾吸附，減少污染。

6)沉砂裝置

雨水沖刷地面及管道，會(huì)攜帶較多的污染物質(zhì)，在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)采取沉淀措施可降低雨水中懸浮物的含量，減少排放對(duì)水體的影響。本工程中沉淀措施主要為設(shè)置沉砂池。在植草溝、生物滯留帶(池)上游及下游合適位置設(shè)置沉砂池，可將雨水進(jìn)行沉淀凈化，另外，沉砂池還可作為橋梁雨水立管消能池使用。

4 工程效果

吳圩機(jī)場(chǎng)第二高速公路是連接南寧市五象新區(qū)與吳圩機(jī)場(chǎng)的快速通道，也是南寧市海綿城市試點(diǎn)建設(shè)的重要示范項(xiàng)目之一。項(xiàng)目在梳理現(xiàn)狀條件基礎(chǔ)上，分析了項(xiàng)目建成后面臨的水資源和水環(huán)境問(wèn)題。在不影響高速公路使用功能、行車(chē)安全前提下，因地制宜設(shè)置了各種海綿措施，系統(tǒng)性地解決了項(xiàng)目雨水問(wèn)題。

根據(jù)后期施工實(shí)施及監(jiān)測(cè)評(píng)估，采取上述措施后，吳圩機(jī)場(chǎng)第二高速公路綜合徑流系數(shù)由未海綿化之前的0.5降為0.4，雨水年徑流總量控制率為53.7%，年徑流污染物削減率約為39.7%，大大降低了道路污染物對(duì)周邊環(huán)境的影響。同時(shí)，經(jīng)估算，每年可節(jié)約綠化澆灌水費(fèi)約13.22萬(wàn)元。

5 結(jié)束語(yǔ)

1)高速公路海綿化設(shè)計(jì)須以問(wèn)題為導(dǎo)向，通過(guò)梳理項(xiàng)目沿線地形地貌、環(huán)境敏感點(diǎn)等現(xiàn)狀因素，分析項(xiàng)目建成后面臨的水資源和水環(huán)境問(wèn)題，以此作為后續(xù)設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。

2)根據(jù)高速公路不同路段、不同區(qū)域的場(chǎng)地條件，因地制宜布置相應(yīng)的海綿措施組合，可有效削減徑流污染，降低對(duì)原有生態(tài)環(huán)境的影響。

3)在高速公路收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)區(qū)域設(shè)置雨水收集利用系統(tǒng)，收集雨水并回收利用，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。