深圳地鐵長(zhǎng)圳車(chē)輛段海綿城市設(shè)施設(shè)計(jì)與施工

劉 建，劉 派，王曉雷，劉少然，王 剛，吳 爽，龔小強(qiáng)，吳凌壹

1)深圳大學(xué)建設(shè)工程生態(tài)技術(shù)研究所，廣東深圳 518060；2)深圳地鐵集團(tuán)有限公司，廣東深圳 518040；3)中建南方投資有限公司，廣東深圳 518001；4)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031

目前，中國(guó)很多城市雨季“看?！爆F(xiàn)象時(shí)有發(fā)生．原因之一是城市下墊面多為滲透性差的硬質(zhì)鋪裝路面、混凝土、玻璃或鋼結(jié)構(gòu)建筑．導(dǎo)致城市生態(tài)本底遭到破壞，寶貴的雨水資源白白流失，并造成城市面源污染．

2013年12月，習(xí)近平總書(shū)記在中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議上發(fā)表了“優(yōu)先考慮更多利用自然力量排水，建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市”的重要講話[1]．2015年10月，國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》，要求通過(guò)建設(shè)海綿城市，綜合采取滲、滯、蓄、凈、用、排等措施，最大限度地減少城市開(kāi)發(fā)建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，將70%的降雨就地消納和利用，具體為：截至2020年，城市建成區(qū)20%以上的面積達(dá)到此目標(biāo)要求；到2030年，城市建成區(qū)80%以上的面積達(dá)到此目標(biāo)要求[2]．

自2015年國(guó)家開(kāi)展海綿城市建設(shè)試點(diǎn)城市以來(lái)，海綿城市建設(shè)在建筑與小區(qū)、公園綠地和城市道路等工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但是由于技術(shù)和安全原因，截至2019年年底，在地鐵、輕軌和高鐵等軌道交通領(lǐng)域尚未有案例．

2018年，深圳大學(xué)和深圳市地鐵集團(tuán)有限公司合作，嘗試將海綿城市理念應(yīng)用于深圳地鐵長(zhǎng)圳車(chē)輛段建設(shè)中．針對(duì)長(zhǎng)圳車(chē)輛段匯水面積大、硬化下墊面多及屋面排水為虹吸排水系統(tǒng)等特點(diǎn)，創(chuàng)新性地提出了生態(tài)屋頂、高位雨水花壇、多功能蓄水池等新型海綿城市設(shè)施[3]．

1 項(xiàng)目概述

長(zhǎng)圳車(chē)輛段是深圳地鐵6號(hào)線一期工程的組成部分，位于科裕路以西、東長(zhǎng)路以東、光僑路以北、十七號(hào)路以南的圍合地塊，同觀路和鵝頸水河道東西向橫穿地塊中部，地塊西南角有條鵝頸水南支流穿過(guò)，如圖1所示．長(zhǎng)圳車(chē)輛段海綿城市設(shè)施由深圳大學(xué)建設(shè)工程生態(tài)技術(shù)研究所提供設(shè)計(jì)方案和技術(shù)指導(dǎo)，中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，中國(guó)建筑股份有限公司第四工程局負(fù)責(zé)工程施工,于2019年12月開(kāi)工建設(shè)，2020年5月底竣工．

2 海綿城市設(shè)施設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路及匯水分區(qū)

2.1.1 設(shè)計(jì)條件

海綿城市設(shè)施的布置和選擇主要考慮以下條件：① 長(zhǎng)圳車(chē)輛段建設(shè)對(duì)原有地形地貌改變較大，原有的透水性下墊面被改變；② 長(zhǎng)圳車(chē)輛段蓋體和基礎(chǔ)為大面積不透水混凝土結(jié)構(gòu)，需要處理大量的雨水徑流，包括流量和水質(zhì)，但是長(zhǎng)圳車(chē)輛段周?chē)苡糜谧匀粶顑艋晁木G地很少；③ 未經(jīng)處理的雨水不得外排，處理后的雨水能夠回收利用；④ 利用場(chǎng)地空間構(gòu)造，因地制宜地布置和選擇海綿城市設(shè)施．

2.1.2 海綿城市建設(shè)目標(biāo)的選定

1)根據(jù)GB/T 51345—2018《海綿城市建設(shè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[4]，參照深圳市及光明區(qū)的各類(lèi)海綿城市建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，將海綿城市設(shè)施年徑流總量控制率設(shè)定為70%，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量為31.3 mm；

2)針對(duì)長(zhǎng)圳車(chē)輛段滲透下墊面少、不滲透下墊面多的實(shí)際情況，采用生態(tài)屋頂、高位雨水花壇和多功能蓄水池等創(chuàng)新性海綿城市設(shè)施；

3)建成后的海綿城市設(shè)施應(yīng)具有示范效果．

2.1.3 匯水區(qū)域的劃分

根據(jù)用地功能、周邊地形和排水情況，將長(zhǎng)圳車(chē)輛段劃分為6個(gè)子匯水分區(qū)，如圖2所示．匯水分區(qū)S1為車(chē)輛段出入段，匯水分區(qū)S2為生產(chǎn)倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)，匯水分區(qū)S3、S4和S5為車(chē)輛段運(yùn)行庫(kù)，匯水分區(qū)S6為宿舍辦公區(qū)．

2.2 方案布置

根據(jù)長(zhǎng)圳車(chē)輛段區(qū)域特點(diǎn)，結(jié)合下墊面分析結(jié)果以及上蓋平臺(tái)規(guī)劃的生態(tài)屋頂，設(shè)計(jì)了以下3種海綿型設(shè)施布置方案：

方案1：考慮后期車(chē)輛段上蓋平臺(tái)修建生態(tài)屋頂(即考慮蓄水功能的綠色屋頂)；

方案2：鑒于上蓋建筑物與目前的車(chē)輛段工程建設(shè)不同步，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)周邊的綠地功能進(jìn)行優(yōu)化，取消方案1中設(shè)置在S4的生態(tài)屋頂，將其承擔(dān)雨水消納的功能分散到地表S3、S4和S5匯水分區(qū)地表綠地中的生態(tài)滯留帶(植草溝)；

方案3：在方案1的基礎(chǔ)上增加方案2中的生態(tài)滯留帶．

采用容積法計(jì)算可得，3種方案海綿城市設(shè)施年徑流總量控制率分別為70.8%、72.1%和77.2%，均能滿足年徑流總量控制率70%的要求，實(shí)現(xiàn)徑流不外排．3種方案中的海綿型設(shè)施規(guī)模和年徑流總量控制率如表1所示．因?yàn)榉桨?充分利用了地表的海綿城市設(shè)施，減少了生態(tài)屋頂?shù)拿娣e，便于維護(hù)管理，所以技術(shù)上方案2較優(yōu)．

表1 三種方案海綿型設(shè)施規(guī)模和年徑流總量控制率

根據(jù)《關(guān)于市財(cái)政支持海綿城市建設(shè)實(shí)施方案(試行)》[5](深財(cái)居[2018]7 號(hào))提供的海綿型設(shè)施價(jià)格，計(jì)算3種方案的工程造價(jià)，結(jié)果如表2．其中，近期指建設(shè)透水鋪裝、下沉式綠地和雨水花園等海綿設(shè)施的工程造價(jià)，僅在6號(hào)匯水分區(qū)內(nèi)建設(shè)400 m2生態(tài)屋頂，其他庫(kù)蓋頂未布置生態(tài)屋頂；遠(yuǎn)期指在車(chē)輛段運(yùn)用庫(kù)蓋頂以上建設(shè)生態(tài)屋頂，即在近期工程造價(jià)的基礎(chǔ)上增加生態(tài)屋頂造價(jià)．根據(jù)表2所示，從近期和遠(yuǎn)期考慮，方案2的總造價(jià)低于其他2個(gè)方案．

表2 三種方案海綿型設(shè)施工程造價(jià)

綜合以上分析，方案2的海綿型設(shè)施設(shè)計(jì)理念先進(jìn)，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面均是最優(yōu)，海綿型設(shè)施齊全且有創(chuàng)新，可以推廣應(yīng)用于軌道交通項(xiàng)目．因此，選取方案2作為長(zhǎng)圳車(chē)輛段海綿型設(shè)施建設(shè)方案．

2.3 海綿型設(shè)施效果分析

2.3.1 設(shè)計(jì)降雨徑流分析

為了解不同重現(xiàn)期降雨情況下的海綿城市設(shè)施的削減效果，采用美國(guó)環(huán)保署開(kāi)發(fā)的暴雨洪水管理模型(storm water management model, SWMM)對(duì)3種布置方案進(jìn)行模擬分析[5-6]．

根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》[7]，計(jì)算過(guò)程中不考慮透水鋪裝的調(diào)蓄功能．由于本研究采用具有蓄水功能的生態(tài)屋頂替代傳統(tǒng)的綠色屋頂，所以計(jì)算過(guò)程中考慮了生態(tài)屋頂?shù)男钏δ埽?/p>

深圳市年徑流總量控制率70%對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量為31.3 mm．該條件下3種海綿城市布置方案的徑流量、流量峰值及徑流系數(shù)如表3．由表3可見(jiàn)，相對(duì)于無(wú)海綿城市設(shè)施傳統(tǒng)設(shè)計(jì)(SWMM模擬結(jié)果分別為徑流量3 800 m3，流量峰值0.33 m3/s，徑流系數(shù)0.55)，3種方案下徑流量、流量峰值和徑流系數(shù)均大幅減少．海綿型設(shè)施方案的徑流量+蓄水量小于海綿城市設(shè)施的蓄水能力，這種布置方案理論上可實(shí)現(xiàn)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》要求的徑流不外排，從而滿足70%的年徑流總量控制率的目標(biāo). 這也說(shuō)明，利用容積法確定的海綿城市設(shè)施規(guī)模和蓄水能力是合理的. 需要說(shuō)明的是，由于海綿城市設(shè)施的排水花管位于礫石層底部，只要徑流滲透至排水花管，就會(huì)產(chǎn)生雨水徑流；在計(jì)算過(guò)程中，如果添加虛擬的溢流控制設(shè)施，則SWMM模型也可以模擬徑流不外排的現(xiàn)象[3].

表3 三種方案在設(shè)計(jì)降雨條件下徑流參數(shù)對(duì)比分析

2.3.2 大降雨事件海綿城市設(shè)施滯留效果分析

為驗(yàn)證海綿城市設(shè)施大降雨事件的滯留效果，利用SWMM模擬3種海綿城市設(shè)施布置方案在不同降雨重現(xiàn)期(P)下24 h的滯留暴雨情景[8]．P為5、10、25、50和100 a時(shí)，對(duì)應(yīng)24 h的降雨量分別為217.6、286.0、386.3、471.4和565.8 mm.

表4為不同降雨重現(xiàn)期降雨情況下3種方案徑流量對(duì)比分析結(jié)果．P為5、10、25、50和100 a時(shí)，無(wú)海綿城市設(shè)施徑流量依次為3.90、5.25、7.31、9.06和11.04萬(wàn)m3．由表4可以看出，海綿城市設(shè)施可有效減少長(zhǎng)圳車(chē)輛段的徑流量．徑流量的削減效果隨海綿城市設(shè)施規(guī)模的增大而增大．隨降雨重現(xiàn)期的增大，3種海綿城市設(shè)施的削減效果逐漸降低．

表4 三種設(shè)計(jì)方案徑流量對(duì)比分析

表5為不同降雨重現(xiàn)期時(shí)3種海綿城市設(shè)施布置方案流量峰值的對(duì)比分析結(jié)果．P為5、10、25、50和100 a時(shí)，無(wú)海綿城市設(shè)施流量峰值依次為3.30、4.47、6.34、7.68和9.43 m3/s．由表5可見(jiàn)，海綿城市設(shè)施可有效減少長(zhǎng)圳車(chē)輛段的流量峰值．流量峰值的削減效果隨著海綿城市設(shè)施規(guī)模增大而增大．隨著降雨重現(xiàn)期的增大，各個(gè)海綿城市設(shè)施方案的削峰效果逐漸降低.當(dāng)P≥50 a時(shí)，海綿城市設(shè)施幾乎沒(méi)有消峰作用．

表6為不同降雨重現(xiàn)期時(shí)3種海綿城市設(shè)施布置方案徑流系數(shù)的對(duì)比結(jié)果．P為5、10、25、50和100 a時(shí)，無(wú)海綿城市設(shè)施徑流系數(shù)依次為0.84、0.86、0.88、0.89和0.91 m3/s．由表6可以看出，海綿城市設(shè)施可以一定程度上減少長(zhǎng)圳車(chē)輛段的徑流系數(shù)．對(duì)于降雨重現(xiàn)期較小的情況，隨著海綿城市設(shè)施規(guī)模的增大，徑流系數(shù)有所減??；但降雨重現(xiàn)期增大時(shí)，徑流系數(shù)的變化不明顯[9]．

表5 三種方案流量峰值對(duì)比分析

表6 各方案徑流系數(shù)對(duì)比分析

3 新型海綿城市設(shè)施

根據(jù)深圳市長(zhǎng)圳車(chē)輛段的場(chǎng)地和運(yùn)行維護(hù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了生態(tài)屋頂、高位雨水花壇和多功能蓄水池等新型海綿城市設(shè)施．

3.1 生態(tài)屋頂

生態(tài)屋頂一般由表層植物、輕質(zhì)混合土層、礫石排水層、排水花管和出流控制裝置組成．在車(chē)輛段上蓋平臺(tái)和擬建的建筑物屋頂設(shè)置一定厚度和結(jié)構(gòu)形式的創(chuàng)新性生態(tài)屋頂，用于控制雨水徑流和營(yíng)造綠色景觀．該生態(tài)屋頂與傳統(tǒng)綠色屋頂?shù)膮^(qū)別是：生態(tài)屋頂不用澆水、施肥，基本不需要維護(hù)；生態(tài)屋頂厚度大于簡(jiǎn)易型綠色屋頂，小于復(fù)雜型綠色屋頂.長(zhǎng)圳車(chē)輛段采用25 cm厚的生態(tài)屋頂，蓄水深度18 cm，其中，種植層15 cm，礫石層10 cm[10]．由于長(zhǎng)圳車(chē)輛段上蓋物業(yè)尚未施工，布置的生態(tài)屋頂暫時(shí)停留在設(shè)計(jì)階段．

3.2 高位雨水花壇

在匯水分區(qū)S4東側(cè)設(shè)置了蓄水容積20 m3的高位雨水花壇(圖3)，用于處理落水管流出的部分雨水．高位雨水花壇同雨水花園一樣，可減少暴雨徑流，削減暴雨徑流峰值，推遲徑流峰值出現(xiàn)時(shí)間，也能去除雨水徑流中的污染物[11].雨水花壇的斷面形狀和構(gòu)造與雨水花園相似，但高于地表，不僅能用于處理建筑屋面的雨水，還可用于超高層建筑屋頂雨水或者帶有壓力的虹吸排水系統(tǒng)中的屋頂雨水.其結(jié)構(gòu)自上而下為：雨水儲(chǔ)存層、植被覆蓋層、種植土層、砂層和礫石排水層.虹吸雨落管中的帶壓雨水通過(guò)三通管連接到高位雨水花壇中的消能井，用于耗散能量和減慢水流速.三通管的位置位于落水管零壓力點(diǎn)下方0.5 m處．從消能井溢流出來(lái)的水進(jìn)入到植被區(qū)，經(jīng)過(guò)植物的根莖、土壤中的微生物以及中砂和礫石層的滲透凈化作用后，再通過(guò)礫石排水層中的穿孔花管將雨水排入到右側(cè)的溢流控制井中，穿孔花管在溢流控制井中的一端開(kāi)口向上，并在不同的高度設(shè)置了不同直徑的圓形開(kāi)口.當(dāng)流量很小時(shí)，水從下部開(kāi)口流出，當(dāng)流量變大時(shí)，上部開(kāi)口將釋放．

圖3 高位雨水花壇模擬圖和實(shí)景Fig.3 Effect draning of bioretention parterre and scene

3.3 多功能蓄水池

多功能蓄水池(景觀湖)用于滯留、凈化暴雨徑流，平時(shí)作為景觀湖(圖4)使用．多功能蓄水池岸邊按人工濕地設(shè)計(jì)，池中央按滯洪池設(shè)計(jì)．多功能蓄水池的容量參照GB 50773—2012《蓄滯洪區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求確定，按滯留水量為設(shè)計(jì)暴雨對(duì)應(yīng)徑流量的1/3～1/2進(jìn)行設(shè)計(jì)[12]．設(shè)計(jì)的多功能蓄水池(景觀湖)蓄水能力為200 m3，水深0.8 m，最大蓄水深為1.0 m，雨季蓄水深度為0.3 m．岸邊按人工濕地選配植物，深水部分可選擇沉水植物或挺水植物[3]．

圖4 竣工時(shí)的多功能蓄水池Fig.4 Multi-purpose pondon on completion

4 海綿城市設(shè)施施工

按照設(shè)計(jì)圖紙和CJJ 82—2012《園林綠化工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》 和GB/T 50905—2014《建筑工程綠色施工規(guī)范》 等規(guī)范要求，施工單位編制了《深圳市城市軌道交通6號(hào)線工程長(zhǎng)圳車(chē)輛段綜合工程6103標(biāo)段園林綠化及海綿城市工程施工方案》，2019年12月海綿城市設(shè)施開(kāi)始施工，2020年5月底竣工．

長(zhǎng)圳車(chē)輛段海綿城市設(shè)施施工經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)主要有：① 按照綠色施工要求，對(duì)施工人員進(jìn)行了技術(shù)安全質(zhì)量等培訓(xùn)，減少了工程返工率，提高了工程質(zhì)量合格率．② 開(kāi)工前，對(duì)項(xiàng)目經(jīng)理和施工人員進(jìn)行了海綿城市技術(shù)培訓(xùn)；施工過(guò)程中，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，保證了海綿城市設(shè)施的施工質(zhì)量.③ 海綿城市設(shè)施的景觀效果較為單調(diào)，沒(méi)有呈現(xiàn)出植物多樣性；④ 沒(méi)有設(shè)置自動(dòng)觀測(cè)設(shè)施，不利于評(píng)價(jià)海綿城市設(shè)施的運(yùn)營(yíng)效果．

結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合深圳地鐵長(zhǎng)圳車(chē)輛段的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了生態(tài)屋頂、高位雨水花壇、多功能蓄水池等新型海綿城市設(shè)施,采用容積法確定了海綿城市設(shè)施的規(guī)模和蓄水能力,并利用SWMM驗(yàn)證了海綿城市設(shè)施設(shè)計(jì)的合理性,模擬了3種海綿城市設(shè)施布置方案的削減效果．SWMM模擬結(jié)果表明，海綿城市設(shè)施可以減少長(zhǎng)圳車(chē)輛段的徑流量、徑流峰值和徑流系數(shù)，但隨著降雨重現(xiàn)期的增大，海綿城市設(shè)施的削減效果逐漸降低．當(dāng)降雨重現(xiàn)期大于等于50 a時(shí)，海綿城市設(shè)施幾乎沒(méi)有消減作用．

深圳市長(zhǎng)圳車(chē)輛段海綿城市設(shè)施的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)表明：① 70%年徑流總量控制率作為深圳市軌道交通車(chē)輛段海綿城市建設(shè)指標(biāo)是可行的；② 在綠化面積較小的工程項(xiàng)目中，利用高位雨水花園、多功能蓄水池和生態(tài)屋頂?shù)葎?chuàng)新性海綿城市設(shè)施，可達(dá)到較高的年徑流總量控制率，效果優(yōu)于傳統(tǒng)的海綿城市設(shè)施；③ 對(duì)于軌道交通項(xiàng)目，宜根據(jù)其特點(diǎn)，設(shè)計(jì)新型海綿城市設(shè)施，不宜直接套用建筑小區(qū)和城市道路的海綿城市標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)根據(jù)工程項(xiàng)目需要，制定適用于軌道交通項(xiàng)目的海綿城市標(biāo)準(zhǔn)．

深圳市長(zhǎng)圳車(chē)輛段海綿城市設(shè)施竣工，實(shí)現(xiàn)了將海綿城市理念應(yīng)用到城市軌道交通建設(shè)項(xiàng)目的目標(biāo)，拓展了海綿城市的應(yīng)用領(lǐng)域，為深圳及其他城市軌道交通項(xiàng)目的海綿城市建設(shè)提供了可參考的應(yīng)用范例．