高架道路海綿城市排水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 文 俊

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032)

隨著城市的快速發(fā)展，道路交通量迅猛增加，為緩解交通擁堵現(xiàn)象，提高道路出行的舒適度，各地市大力規(guī)劃建設(shè)高架道路，將平面道路通行方式向立體空間提升改造。高架道路的路面雨水有序收集和排放成為決定行車舒適性的一大重要因素，目前常規(guī)的高架道路路面徑流雨水排水系統(tǒng)為橋面徑流雨水依道路橫縱坡流入橋面收水口，經(jīng)雨水立管排至地面層，匯入市政雨水管道系統(tǒng)?；诟呒艿缆方煌ㄍㄐ刑攸c(diǎn)，高架道路區(qū)域降雨下墊面基本為硬化路面，雨水徑流系數(shù)大，傳統(tǒng)的排水系統(tǒng)以“快排”方式將路面雨水排至附近水體，造成水資源的浪費(fèi)的同時(shí)，在連續(xù)強(qiáng)降雨事件中市政排水系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)營，容易發(fā)生內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。另外受路面聚積的散落泥沙、輪胎屑、汽車尾氣、泄漏油氣、降塵等影響，地面徑流雨水中固體顆粒、有機(jī)物、重金屬、氮氧化物等污染物含量較高，尤其以初期徑流雨水更為嚴(yán)重，對雨水受納水體水質(zhì)帶來一定的不良影響。

鑒于“海綿城市”建設(shè)理念在城市開發(fā)中的成功應(yīng)用，如在高架道路排水系統(tǒng)中執(zhí)行低影響開發(fā)建設(shè)思路，能夠較好解決徑流雨水中污染物對受納水體水質(zhì)的威脅。同時(shí)，海綿城市系統(tǒng)將自然途徑與人工措施相結(jié)合，能夠?qū)⒒疑A(chǔ)設(shè)施建設(shè)為綠色生態(tài)型工程設(shè)施，使其在應(yīng)對城市內(nèi)澇漬水和適應(yīng)周邊環(huán)境變化等方面具有良好的“彈性”，下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)將蓄存水“釋放”并加以利用，能夠?qū)崿F(xiàn)高架道路低影響開發(fā)建設(shè)。

以武漢市楊泗港快速通道四新段(陶家?guī)X立交—國博立交)工程為例，貫徹執(zhí)行“海綿城市”建設(shè)理念，對傳統(tǒng)排水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，綜合考慮高架層和地面層對降雨的徑流總量控制及徑流污染控制。

1 工程概況

楊泗港快速通道四新段(陶家?guī)X立交—國博立交)工程位于漢陽區(qū)四新片區(qū)，西起龍陽大道，東至國博立交，全長約5.4 km，道路紅線寬度50 m～60 m，工程共分為三個(gè)標(biāo)段進(jìn)行設(shè)計(jì)：第2標(biāo)段(K0+000～K1+200)設(shè)計(jì)范圍為自龍陽大道至芳草路、第3標(biāo)段(K1+200～K4+000)設(shè)計(jì)范圍為自芳草路至連通港、第4標(biāo)段(K4+000～K5+372.166)設(shè)計(jì)范圍為自連通港至國博立交。道路全線為高架橋和地面層結(jié)合的交通通行方式設(shè)計(jì)，高架層為過境快速通道，地面層為道路沿線地塊城市交通干道。本項(xiàng)目所在區(qū)域?yàn)樗男轮迸艆^(qū)，連通港、鯉魚溪、總港為本項(xiàng)目區(qū)域雨水排放主要受納水體，海綿城市建設(shè)工程以徑流總量控制及徑流污染控制為主要目標(biāo)，采用以滲透、滯留為主的技術(shù)方案。

本研究以該工程第4標(biāo)段為分析對象，起于道路樁號(hào)K4+000，止于道路樁號(hào)K5+372.166，高架層采用雙向八車道斷面形式，機(jī)動(dòng)車道寬34 m，地面層路基標(biāo)準(zhǔn)斷面為5.5 m人行道(含樹穴帶)+2.5 m非機(jī)動(dòng)車道+2.5 m側(cè)綠化帶+8.0 m機(jī)動(dòng)車道+13.0 m中央綠化帶(或2.5 m綠化帶+8.0 m機(jī)動(dòng)車道+2.5 m綠化帶)+8.0 m機(jī)動(dòng)車道+2.5 m側(cè)綠化帶+2.5 m非機(jī)動(dòng)車道+5.5 m人行道(含樹穴帶)，局部道路外側(cè)設(shè)置15 m寬邊綠化帶。根據(jù)《武漢市城市總體規(guī)劃(2010—2020)》，該地區(qū)排水體制采用雨、污分流制。本設(shè)計(jì)貫徹執(zhí)行國家關(guān)于環(huán)境保護(hù)的政策，與各專業(yè)設(shè)計(jì)統(tǒng)盤考慮，全面規(guī)劃、相互協(xié)調(diào)，使各專業(yè)間協(xié)調(diào)一致。

2 系統(tǒng)控制目標(biāo)

采用年徑流總量控制率作為主要控制目標(biāo)，采用“單位面積控制容積法”計(jì)算，最大限度的使年徑流總量控制率滿足《武漢市海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則(試行)》的要求，根據(jù)導(dǎo)則要求，本工程屬于漢陽地區(qū)四新直排區(qū)系統(tǒng)，為已批在建項(xiàng)目，道路年徑流總量控制率需達(dá)到75%，對應(yīng)設(shè)計(jì)降雨量為29.2 mm。

設(shè)計(jì)調(diào)蓄容量采用下式計(jì)算：

V=10×H×ψ×F。

其中，V為設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積，m3；H為設(shè)計(jì)降雨量，mm；ψ為綜合雨量徑流系數(shù)(根據(jù)加權(quán)計(jì)算，本工程橋面系統(tǒng)取0.9，地面層取0.7，綠地取0.15)；F為匯水面積，hm2。

本道路徑流雨水受納水體為連通港、鯉魚溪、總港水系，面源污染物削減率應(yīng)達(dá)到50%以上。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

3.1 總體方案構(gòu)思

本道路標(biāo)準(zhǔn)斷面寬度50 m～60 m，地面層機(jī)動(dòng)車道兩側(cè)側(cè)分帶(綠化帶)標(biāo)準(zhǔn)寬度為5.0 m(2.5 m+2.5 m)，高架橋下中分帶(綠化帶)標(biāo)準(zhǔn)寬度為13.0 m和5.0 m(2.5 m+2.5 m)兩種類型。根據(jù)《武漢市海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則》要求，結(jié)合本工程特點(diǎn)，按照武漢市園林局要求，綜合考慮各相關(guān)部門意見，為確保行車安全及照明、景觀等設(shè)施的設(shè)置需求，本設(shè)計(jì)分高架層及地面層2個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將高架橋下的中分帶全部設(shè)置為下沉式綠化帶，將地面層局部路段側(cè)分帶設(shè)置為下沉式綠化帶，有邊綠化帶的路段，在邊綠化帶設(shè)置下沉式植草溝。經(jīng)滲透、滯留、截污等工程措施發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)徑流總量控制目標(biāo)和徑流污染控制目標(biāo)(見圖1)。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系

3.2.1 高架橋面控制系統(tǒng)

1)高架橋面雨水通過橋墩雨水立管降落至橋面下的中央綠化帶內(nèi)，雨水降落管排出口處設(shè)置消能井(內(nèi)部填充20 cm厚40 mm～50 mm粒徑的卵石層)，來水消能后排入初期雨水沉泥池，截留去除部分固體顆粒污染物；2)消能雨水經(jīng)沉泥池沉淀后，溢流進(jìn)入綠化帶，待綠地吸水飽和后，綠化帶開始蓄水；3)當(dāng)蓄水深度達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，超量雨水經(jīng)雨水溢流口溢流排入地面層機(jī)動(dòng)車道下設(shè)置的雨水檢查井，經(jīng)轉(zhuǎn)輸最終排入附近河道水系；4)在綠化帶內(nèi)路面結(jié)構(gòu)層側(cè)面及底面鋪設(shè)復(fù)合防滲土工布，以防水流滲透到路基內(nèi)部和損害路基結(jié)構(gòu)；5)為保證下沉式綠化帶內(nèi)排水順暢，避免雨水漫流進(jìn)入路面，在每兩座橋墩之間道路縱坡低點(diǎn)設(shè)置雨水溢流口及橫向排水管，將綠化帶里的超量雨水和滲水排入道路下的雨水管網(wǎng)系統(tǒng)。

3.2.2 地面層控制系統(tǒng)

地面道路兩側(cè)側(cè)分帶寬度僅有2.5 m寬，鑒于道路沿線園林景觀、交安照明設(shè)施及環(huán)衛(wèi)管理力度與下沉式綠化帶基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)之間的矛盾，為保證行車安全及照明、景觀等設(shè)施的設(shè)置需求，本工程在道路沿線選取適當(dāng)路段，將行車道兩側(cè)的綠化帶設(shè)置為下沉式綠化帶，其余路段按常規(guī)綠化帶設(shè)置(見圖2)。在下沉式綠化帶路段，排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為：1)車行道徑流雨水由立箅式雨水箅子進(jìn)入雨水沉泥池，截留去除部分固體顆粒污染物后，溢流排入綠化帶；2)人行道寬度大于5 m時(shí)設(shè)條狀樹池，條狀樹池寬度為1.5 m，采用高站石分隔非機(jī)動(dòng)車道和人行道，并間隔15 m設(shè)置斷口排導(dǎo)人行道路面匯水進(jìn)入非機(jī)動(dòng)車道，再分散排入綠化帶；3)人行道寬度小于5 m時(shí)不設(shè)條狀樹池，與非機(jī)動(dòng)車道雨水一起排入綠化帶；4)待綠地吸水飽和后，綠化帶開始蓄水；5)當(dāng)蓄水深度達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，超量雨水經(jīng)雨水溢流口溢流排入地面層機(jī)動(dòng)車道下設(shè)置的雨水檢查井，經(jīng)轉(zhuǎn)輸最終排入附近河道水系；6)在綠化帶內(nèi)路面結(jié)構(gòu)層側(cè)面及底面鋪設(shè)復(fù)合防滲土工布，以防水流滲透到路基內(nèi)部和損害路基結(jié)構(gòu)；7)為保證下沉式綠化帶內(nèi)排水順暢，避免雨水漫流進(jìn)入路面，每隔30 m左右，在道路縱坡低點(diǎn)設(shè)置雨水溢流口及橫向排水管，將綠化帶里的超量雨水和滲水排入道路下的雨水管網(wǎng)系統(tǒng)；8)邊綠化帶內(nèi)靠近道路邊線側(cè)設(shè)置植草溝，并在植草溝內(nèi)設(shè)置溢流口，對綠化帶內(nèi)雨水起滯留作用。

3.3 設(shè)計(jì)方案及達(dá)標(biāo)性評估

3.3.1 徑流總量控制

降雨過程中，下沉式綠地系統(tǒng)中同時(shí)發(fā)生降雨、匯流、蓄集、滲透、蒸發(fā)和溢流排放。假設(shè)下沉式綠地蒸發(fā)量、前期蓄水量及滲透量為零。

1)高架橋面徑流控制系統(tǒng)中，橋面匯水面積5.078 hm2，設(shè)計(jì)調(diào)蓄容量1 334.5 m3，下沉式綠化帶面積8 058.37 m2，經(jīng)計(jì)算，綠化帶蓄水深度需0.17 m。本工程中分帶下沉深度取0.25 m，雨水溢流口高出綠化帶地面0.17 m，即蓄水深度為0.17 m。

2)地面層徑流控制系統(tǒng)中，匯水面積為2.455 hm2，設(shè)計(jì)調(diào)蓄容量為501.8 m3，下沉式綠化帶面積為3 405.2 m2，經(jīng)計(jì)算，綠化帶蓄水深度需0.15 m。本工程中分帶下沉深度取0.35 m，雨水溢流口高出綠化帶地面0.15 m，即蓄水深度為0.15 m。

因此，橋面下中分帶蓄水深度0.17 m，側(cè)分帶蓄水深度0.15 m，可滿足年徑流總量控制目標(biāo)。

3.3.2 面源污染物控制

本工程通過設(shè)置初期雨水沉泥池，可凈化道路雨水，有效消減徑流污染物排放量，同時(shí)道路沿線綠化設(shè)施的設(shè)置均有利于改善城市水環(huán)境。中分帶內(nèi)下沉式綠化帶及沉泥池污染物去除率取70%、側(cè)分帶及人行道條狀樹池污染物去除率取50%，對道路范圍內(nèi)的TSS綜合削減量為55%，可滿足面源污染物控制目標(biāo)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢

本次優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合考慮高架層排水系統(tǒng)及地面層排水系統(tǒng)，結(jié)合高架橋面排水特點(diǎn)和地面層道路斷面布置形式進(jìn)行海綿城市建設(shè)，建設(shè)主要特點(diǎn)有：

1)環(huán)保、無能耗：將地面層中央分隔帶設(shè)置為下沉式綠化帶，用于消納、凈化橋面徑流雨水；地面層下沉式側(cè)分帶用于消納、凈化地面車行道、人行道匯流雨水，兩個(gè)系統(tǒng)均采用自然、無動(dòng)力方式建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)保、無能耗的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2)有重點(diǎn)、有目標(biāo)：針對高架橋面雨水流量集中、流速較大的特點(diǎn)，在地面層橋墩雨水降落管處設(shè)置消能池及初期雨水沉泥池，可避免橋面雨水對中分帶內(nèi)種植土沖刷現(xiàn)象的發(fā)生，并對高污染初期雨水實(shí)現(xiàn)截留凈化。

3)強(qiáng)適應(yīng)性、低維護(hù)率：在車行道路緣石開孔處設(shè)置立箅式雨水箅子，避免地面雜物隨水流進(jìn)入綠化帶，為海綿設(shè)施功能的發(fā)揮提供充足空間，降低日常維護(hù)檢修率。

5 結(jié)語

通過將“海綿城市”理念應(yīng)用于典型“高架層+地面層”高架道路建設(shè)中，遵循生態(tài)優(yōu)先的原則，對傳統(tǒng)高架道路排水設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，分別建立高架層和地面層生態(tài)排水系統(tǒng)，將徑流雨水在城市區(qū)域積存、滲透和凈化，達(dá)到雨水徑流總量控制目標(biāo)和面源污染物控制目標(biāo)的同時(shí)，促進(jìn)了雨水資源的利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)。