海綿城市理念在北方地區(qū)市政道路設(shè)計中的應(yīng)用

張 孝，劉 旺，羅 瓊

（呼和浩特市政工程設(shè)計研究院有限公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010070）

0 引 言

為改善城市水循環(huán)，我國先后推出一批城市進行“海綿城市”試點建設(shè)，以期為其他城市提供可復制、可推廣的經(jīng)驗和模式。然而，在試點城市中，北方城市相對較少，導致可供北方地區(qū)應(yīng)用的海綿城市建設(shè)經(jīng)驗尤為稀缺。北方冬季氣候寒冷，季節(jié)性凍土層達到1～3 m，許多標準的海綿做法和措施在北方尤其是嚴寒地區(qū)并不適用，需要在現(xiàn)有經(jīng)驗基礎(chǔ)上探索一種北方地區(qū)特有的海綿城市建設(shè)模式。

城市市政道路既是城市交通運輸?shù)妮d體，又是海綿城市建設(shè)的重要組成部分。本文通過分析北方地區(qū)海綿城市道路建設(shè)的特殊性，總結(jié)了北方地區(qū)海綿道路設(shè)計的影響因素，提出了北方地區(qū)海綿道路設(shè)計要點，最終以呼和浩特市市政道路工程為依托，將“海綿城市”理念運用到市政道路工程建設(shè)中，以期為北方地區(qū)海綿城市道路建設(shè)提供參考。

1 海綿道路

海綿城市作為一種全新的城市建設(shè)理念，在實現(xiàn)各項調(diào)蓄水功能的同時，能夠促進城市生態(tài)環(huán)境的發(fā)展，有利于城市水循環(huán)，是我國城市今后重要的發(fā)展方向。海綿道路是在滿足基本功能的前提下，應(yīng)用不同海綿技術(shù)措施，通過有組織的匯流與轉(zhuǎn)輸，經(jīng)截污等預處理后引入道路紅線內(nèi)或紅線外綠地內(nèi)，并通過設(shè)置在綠地內(nèi)的以雨水滲透、儲存、調(diào)節(jié)等為主要功能的海綿設(shè)施進行處理，改善城市道路和周邊生態(tài)環(huán)境（見圖1）。

圖1 海綿城市建設(shè)流程圖

2 北方地區(qū)海綿道路建設(shè)的特殊性

由近年來的海綿城市建設(shè)經(jīng)驗可知，我國南北地區(qū)間存在較大差異，北方地區(qū)寒冷干燥的氣候特點給北方地區(qū)海綿城市，尤其是海綿道路建設(shè)帶來重要影響。

（1）四季分明，年降水集中。北方地區(qū)一年四季分明，春季少雨干旱，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。年降水量多在400～800 mm，降水集中在7—8 月，多暴雨。

（2）道路凍脹翻漿病害普遍。北方冬季嚴寒的氣候特點使道路凍脹翻漿病害普遍。在季節(jié)凍土地區(qū)，隨著氣溫的下降，土體溫度降到土中孔隙水結(jié)晶點時，導致土體發(fā)生凍脹。到了春季，隨著氣溫的上升，凍結(jié)后的土體從上層開始融化，但凍土層的下層尚未消融，水分無法下滲，使土體含水量增大，導致強度降低。一旦土體中的冰消融成水，而土體又未能完全排水固結(jié)，就會出現(xiàn)道路翻漿冒泥等現(xiàn)象。

（3）融雪劑的使用破壞了土壤結(jié)構(gòu)。北方地區(qū)融雪劑的大量使用破壞了土壤結(jié)構(gòu)，降低了土壤的滲透性，導致海綿設(shè)施中植被生存非常困難。并且融雪劑含有的氯化物可能會污染地下水，對環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

（4）道路周邊的綠色海綿體匱乏。海綿道路建設(shè)的基礎(chǔ)為海綿體，包括城市水系和基礎(chǔ)設(shè)施兩類。目前北方城市城區(qū)內(nèi)綠化率總體較低，且普遍缺少綠色海綿體。

3 北方地區(qū)海綿道路設(shè)計的影響因素

結(jié)合國內(nèi)外海綿城市建設(shè)經(jīng)驗和北方地區(qū)海綿道路建設(shè)的特殊性，北方地區(qū)海綿道路設(shè)計需要考慮的因素較多，特別是氣候條件、降雨量特點、土壤滲透性、路面結(jié)構(gòu)是否抗凍，以及周邊環(huán)境是否存在排水設(shè)施等。

3.1 海綿設(shè)施凍脹影響

北方嚴寒氣候?qū)Φ缆肥褂迷斐傻挠绊懼饕憩F(xiàn)在兩個方面：（1）海綿設(shè)施管道凍結(jié)將影響調(diào)蓄、凈化效果，同時也對設(shè)施維修或更換帶來負擔。（2）長期的凍融循環(huán)將改變設(shè)施內(nèi)部的孔隙度，從而降低海綿設(shè)施對污染物的去除效果。

3.2 土壤滲透性影響

冬季降雪量較大，路面滲透能力弱，容易產(chǎn)生凍脹破壞。同時積雪在冬季不能夠全部融化，部分積雪會積存到春季并在短時間內(nèi)融化，從而形成大量徑流，而此時地面的表層土壤可能還未完全解凍，土壤滲透性降低，下滲量有限。

3.3 季節(jié)性降雨影響

北方地區(qū)受氣候影響，存在明顯季節(jié)性積水特征。道路市政管網(wǎng)的設(shè)計不應(yīng)僅簡單地通過增大雨水管徑來解決城市積水，而應(yīng)結(jié)合周邊環(huán)境，充分利用透水鋪裝、下凹式綠地、雨水花園等海綿設(shè)施，減少地表徑流總量，緩解市政管網(wǎng)的排水壓力。

3.4 透水路面結(jié)構(gòu)孔隙易堵塞影響

北方地區(qū)春季風沙較大，冬季氣溫較低。低溫下的車輛發(fā)動機效率較低而產(chǎn)生較多污染物、冬季融雪劑的使用和春季風沙等，均易造成透水路面結(jié)構(gòu)的孔隙堵塞。

3.5 周邊海綿設(shè)施匱乏影響

海綿城市建設(shè)是系統(tǒng)工程，海綿道路功能的發(fā)揮離不開周邊海綿設(shè)施的建設(shè)。然而，北方城市海綿設(shè)施普遍較少，多數(shù)城區(qū)道路周邊無建設(shè)條件，造成海綿道路設(shè)計和建設(shè)多為試點、示范工程，無法大規(guī)模推廣。

4 北方地區(qū)海綿道路設(shè)計要點

通過北方地區(qū)海綿道路設(shè)計影響分析，北方地區(qū)海綿道路設(shè)計應(yīng)結(jié)合北方地區(qū)氣候、降雨等特點，針對性地選取海綿道路建設(shè)技術(shù)與經(jīng)驗，因地制宜、因勢利導地展開海綿城市道路建設(shè)。

4.1 合理制定海綿道路設(shè)計目標

北方地區(qū)受氣候影響，城市道路海綿城市控制目標應(yīng)以削減地表徑流與控制面源污染為主，以雨水收集利用為輔。北方地區(qū)機動車道雨水多以調(diào)蓄排放為主，人行道雨水多以入滲為主。

4.2 道路斷面優(yōu)化設(shè)計

通過斷面優(yōu)化，合理設(shè)置中分帶和側(cè)分帶寬度，并充分利用道路縱斷面，讓積水能夠在短時間內(nèi)流入標高較低節(jié)點或側(cè)分帶內(nèi)，進而進行統(tǒng)一的收集和處理。在道路兩旁的綠化帶處設(shè)置相應(yīng)的排水管，下雨時，雨水可通過排水管實現(xiàn)綠化澆灌。待土壤濕度達到一定程度時，再通過管道排放到相應(yīng)的地下排水系統(tǒng)中，以實現(xiàn)水資源的有效、合理利用。

4.3 透水鋪裝設(shè)計

受北方地區(qū)凍融影響，車行道透水設(shè)計應(yīng)經(jīng)過試驗和經(jīng)濟性比選后，慎重選用。透水性人行道是海綿道路建設(shè)中重要的技術(shù)選擇之一。透水性人行道是指能使降水通過空隙率較高、透水性能良好的道路結(jié)構(gòu)層，直接滲入土基中，從而將雨水還原為土壤水的人行道[1]。對于年降雨量較少、年際不均、風沙大的北方地區(qū)，透水路面的孔隙容易堵塞，一般優(yōu)先考慮使用透水磚鋪裝和透水水泥混凝土鋪裝[2]。

4.4 凍脹處理

北方地區(qū)可適當考慮增加管道壁厚和埋深以防凍脹。在設(shè)計時，需注重對海綿設(shè)施材料選取和管道保護，確保海綿設(shè)施的有效應(yīng)用。同時，管道鋪設(shè)完畢后，可用砂或礫石進行回填，粗粒度的材料不易發(fā)生凍脹。

5 呼和浩特市海綿城市道路設(shè)計應(yīng)用

5.1 呼和浩特市概況

呼和浩特屬典型的蒙古高原大陸性氣候，四季氣候變化明顯，年溫差和日溫差均較大。氣候主要特點為：春季干燥多風，冷暖變化劇烈；夏季短暫、炎熱、少雨；秋季降溫迅速，常有霜凍；冬季漫長、嚴寒、少雪。年平均降水量為335.2～534.6 mm，且主要集中在7—8 月。

根據(jù)《國務(wù)院辦公廳關(guān)于推進海綿城市建設(shè)的指導意見》（國辦發(fā)[2015]75 號）和住建部《海綿城市建設(shè)指南》要求，呼和浩特市委、市政府高度重視海綿城市建設(shè)工作，于2015 年和2016 年兩次申報海綿城市建設(shè)試點城市，始終按照海綿城市目標不斷強化城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和管理，加大道路、綠地、水系等生態(tài)系統(tǒng)對雨水消納和利用功能，努力將呼和浩特建設(shè)成為生態(tài)安全、美麗宜居的草原都市。

5.2 呼和浩特市海綿城市道路設(shè)計應(yīng)用

5.2.1 項目概況

呼和浩特市東站南路規(guī)劃為城市次干路，位于火車東客站南廣場。本工程南起機場高速北輔路，北至車站南街，實施長度為342.308 m，規(guī)劃紅線寬度40 m，設(shè)計速度為40 km/h。在進行路面承載能力計算時采用的路面設(shè)計荷載為BZZ-100 標準車荷載，瀝青路面的設(shè)計使用年限為15 a。

東站南路是呼和浩特市火車東站與市區(qū)聯(lián)系的重要通道，也是呼和浩特市路網(wǎng)中重要的集散通道之一。根據(jù)片區(qū)規(guī)劃，東站南路兩側(cè)均為綠地，本工程基于火車東客站南廣場片區(qū)綠地改造，設(shè)計為海綿型道路。

此次道路設(shè)計考慮到北方城市冬季氣溫低，道路存在凍融破壞這一客觀條件，如果全部采用透水結(jié)構(gòu)，一旦水在路基深處結(jié)凍，將對道路造成嚴重的凍融破壞，同時目前北方尤其是嚴寒城市車行道采用透水結(jié)構(gòu)還不成熟，因此此次車行道設(shè)計不采用透水結(jié)構(gòu)，人行道設(shè)計全部采用了環(huán)保型透水路面結(jié)構(gòu)。

5.2.2 海綿道路設(shè)計方案

（1）道路橫斷面設(shè)計

道路紅線寬度為40 m，橫斷面設(shè)置為單幅路形式，雙向4 車道。車行道兩側(cè)設(shè)置較寬設(shè)施帶，便于收集車行道路面雨水。具體橫斷面布置形式為：5 m（人行道）+4 m（設(shè)施帶）+3.5 m（非機動車道）+15 m（車行道）+3.5 m（非機動車道）+4 m（設(shè)施帶）+5 m（人行道）=40 m（見圖2）。

（2）道路縱、橫坡設(shè)計

道路縱坡均大于0.3%。

道路橫坡設(shè)計為車行道單向2%三次拋物線路拱，橫坡朝向外側(cè)；人行道單向1%直線路拱，橫坡朝向外側(cè)。

圖2 東站南路橫斷面布置圖

（3）道路排水設(shè)計

本工程充分考慮海綿道路設(shè)計理念，在車行道兩側(cè)設(shè)置排水口，路面雨水通過道路橫坡流向排水口匯入設(shè)施帶內(nèi)，繼而通過設(shè)施帶的過濾設(shè)施澆灌設(shè)施帶內(nèi)植物。當雨水高于設(shè)施帶內(nèi)的排水管口高度時，超標雨水通過人行道下雨水管匯入道路兩側(cè)下沉式綠地中。人行道設(shè)置外側(cè)坡度，將人行道上未下滲的雨水排入道路兩側(cè)下沉式綠地中。

東站南路排水斷面設(shè)計圖，見圖3。

圖3 東站南路排水斷面設(shè)計圖

a.下沉式綠化帶

在進行綠化帶中心標高設(shè)計時，依據(jù)兩邊路面的設(shè)計標高，將其標高低于兩側(cè)路面設(shè)計標高。并且在進行排水口的標高設(shè)計時，將其值定在綠化帶的標高和路面標高兩者的范圍之間，從而使匯水區(qū)域的雨水能夠流入綠化帶內(nèi)。待綠化帶內(nèi)土壤達到一定的濕潤度后，剩余的雨水從相關(guān)的排水管排出。本工程設(shè)施帶和道路兩側(cè)綠地都設(shè)計為下沉式，下沉式綠化帶的地面標高設(shè)計為低于兩側(cè)路緣石20~25cm，并在最低點設(shè)置卵石帶（見圖4）。

圖4 下沉式綠地設(shè)計圖

b.排水口

在路段上，為引導雨水進入下沉式綠化帶，在路側(cè)平均每隔25 m 設(shè)置一處排水口，同步設(shè)置復合砂基攔污過濾槽，攔截進入綠化帶的顆粒污染物。

在交叉口附近，布置雙聯(lián)立篦式雨水口，降雨量大時將雨水引入排水管道，防止交叉口積水過多。雨水口應(yīng)設(shè)在道路匯水點處，立箅式雨水口進水孔底面低于附近路面100 mm。

（4）透水鋪裝結(jié)構(gòu)厚度計算

為保證透水性，人行道路面結(jié)構(gòu)滿足透水、儲水功能的要求，路面結(jié)構(gòu)層總厚度的計算按下列公式進行透水結(jié)構(gòu)厚度計算：

式中：H 為透水鋪裝結(jié)構(gòu)厚度（不包括墊層的厚度），cm；i 為地區(qū)設(shè)計降雨強度，mm/h；q 為土基的平均滲透系數(shù)，cm/s；t 為降雨持續(xù)時間，min；V 為透水鋪裝結(jié)構(gòu)層的平均有效孔隙率，%。

經(jīng)計算，該透水人行道無停車荷載的結(jié)構(gòu)層厚度應(yīng)不小于35.5 cm。

（5）透水人行道路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計

為減少透水路面孔隙堵塞影響，本次透水人行道采用彩色混凝土面層，使用的無機色料應(yīng)具有良好的耐高溫、耐紫外線和耐久性等功能。綜合考慮承載能力、透水儲水能力和抗凍性的要求，東站南路透水性人行道路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方案具體見表1。

6 結(jié) 語

本文通過分析北方地區(qū)海綿道路建設(shè)影響因素，總結(jié)了北方地區(qū)海綿道路設(shè)計要點，并以呼和浩特市東站南路道路工程設(shè)計為例，在道路的縱橫斷面、路面材料和排水設(shè)施的設(shè)計等方面融入了海綿城市和海綿道路發(fā)展理念，促進城市雨水收集，降低洪澇災(zāi)害對城市的影響，提升整個城市的空間環(huán)境建設(shè)。

表1 構(gòu)層設(shè)計方案

研究成果不僅為類似工程建設(shè)與相關(guān)技術(shù)標準的制定提供技術(shù)依據(jù)，而且為北方地區(qū)海綿城市的設(shè)計提供理論指導，以期為北方地區(qū)海綿城市建設(shè)提供借鑒。