海綿技術在城市市政工程建設中的應用

張 楊 張建蒙

（山東華富建設有限公司，山東 濰坊 261000）

0 引言

近些年，隨著我國城市化進程的不斷加快，城市市政工程建設越來越多，在城市大規(guī)模發(fā)展過程中，城市地表徑流問題也越來越嚴重，城市原有的水系被圍、被填用于基建，水污染問題、垃圾問題越發(fā)嚴重。這些問題直接導致城市水自然循環(huán)規(guī)律被破壞，徑流發(fā)生很大變化，城市水生態(tài)系統(tǒng)被割裂，生物種類越來越少。在大雨自然天氣的影響下，城市內(nèi)澇嚴重，城市河道被污染，城市水源被破壞。這些問題可以通過自然的力量來解決，通過自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿理念來處理。完善城市化發(fā)展，推動城市化進程的加快，為城市居民創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)良好的生態(tài)環(huán)境。

1 城市市政工程建設中海綿技術設計

1.1 海綿技術建設三要素

海綿技術建設三要素：1）自然積存，主要是指利用城市自然地形和地貌的優(yōu)勢來合理控制徑流，削峰調(diào)蓄，調(diào)整雨水的徑流；2）自然滲透，主要是指利用下墊面的自然優(yōu)勢來調(diào)整雨水的滯滲問題，促進自然生態(tài)循環(huán)，幫助生態(tài)環(huán)境的恢復；3）自然凈化，主要是指對城市的水質(zhì)進行改善，通過合理利用 天然植被、土壤和微生物等生態(tài)系統(tǒng)中的自然物質(zhì)來減少污染，凈化水質(zhì)，改善自然環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)。

1.2 海綿技術應用的三重關系

在城市市政工程建設過程中，海綿技術的應用需要處理好以下3個關系：第一，要處理好水量和水質(zhì)的關系，避免出現(xiàn)水的質(zhì)量很好，但是水量不足，或者是有充分的水量，但是水質(zhì)利用率不高的情況；第二，要處理好景觀和功能的關系，避免出現(xiàn)好看的景觀沒有實質(zhì)性的作用和價值的情況，以及有功能作用的景觀但是無法滿足城市居民的需求；第三，要處理好集中和分布的關系，要實現(xiàn)源頭減排，化整為零；以及末端統(tǒng)一，集零為整。

2 海綿技術在城市市政道路工程建設中的實際應用

2.1 工程介紹

該工程為某城市市政道路建設工程，道路總長度為683.81m，道路紅線寬度為30m，道路等級為次干路。該道路工程的地質(zhì)地層分布：上層是近代人工填土，包括了填石、素植土、雜填土；下層是殘積砂質(zhì)黏性土、中砂、淤泥，更深層為花崗巖。為了達到路基基礎持力層的實際要求，在施工之前對地質(zhì)進行了部分換填處理。工程施工現(xiàn)場地下水主要是近代人工填土孔隙中的上層滯水，潛水、中砂、粉質(zhì)黏土、殘積砂紙黏性土等孔隙中的潛水和承壓水。進行地質(zhì)勘察后地下水位埋深在1.10m~6.15m。

2.2 海綿技術建設應用目標分析

根據(jù)項目施工要求，工程所在位置對市政道路年徑流總量需要控制在70%左右，所對應的降水量為26.8mm。在年徑流污染物消減率方面，按照工程設計規(guī)劃的要求，工程所在位置面源污染中化學需氧量的消減率要大于73%，總氮消減率不能小于61%，懸浮物的消減率要大于79%、總磷的消減率要高于85%。按照《海綿城市建設技術指南—低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構建》中的要求，城市市政道路徑流污染物中懸浮物和其他類型的污染物指標之間有很大的關系，所以，經(jīng)常會把懸浮物作為徑流污染物控制的標準，這樣在該工程市政道路規(guī)劃年徑流污染物消減率目標時，每年懸浮物總量的去除率要高于79%。

2.3 海綿技術在城市市政道路工程中的應用設計

在該工程中，道路包括了機動車道、人行道、非機動車道、綠化帶4個部分。因為該城市降水量比較多，傳統(tǒng)的道路路面的滲水性比較差，在雨量比較大的雨季雨水徑流量會明顯增加。另外，因為雨水收集主要是通過雨水口來收集雨水，之后通過雨水管道排入收納水體中，在暴雨天氣道路路面洪峰流量會非常大，造成道路嚴重積水，形成內(nèi)澇。此外，因為雨水地表徑流的形成，雨水排出的過程中把路面中的污染物帶入收納水體中，造成了水體污染。為了解決這些問題，在進行海綿技術建設應用的過程中，需要在機動車道內(nèi)設置截污式環(huán)保雨水口，凈化雨水中的污染物；在非機動車道和人行橫道中增設透水鋪裝；在道路邊緣地帶設置開口路緣石；在機動車道和非機動車道中間的綠化帶中設置下沉式綠化帶，要使用溢流式雨水口。施工道路的總寬度為30m，其中兩邊綠化帶為3m，2條人行道4m，2條非機動車道5m，兩側(cè)下沉式綠化帶為4m，機動車道為14m，具體的道路橫斷面如下圖1所示。

圖1 道路橫斷面示意圖（單位：m）

2.3.1 海綿技術在透水鋪裝設計中的應用

因為該道路工程是城市道路的次干路，所以，交通流量相對來說比較大，在應用海綿技術的過程中需要重視道路路面結構荷載的實際需求，同時還要關注車輛尾氣所產(chǎn)生的污染問題。因此，在進行機動車道設計時要采用不透水路面結構設計方式。費機動車道位置不會涉及機動車尾氣污染的問題，因此，在選擇道路結構時可以采用全透水結構設計。但是在選擇道路頭水結構鋪裝設計的過程中，還要引起注意的是道路透水鋪裝設計的厚度，厚度的選擇要根據(jù)施工道路路面規(guī)劃的透水性能情況、承載力情況，以及《海綿城市建設技術標準》規(guī)定透水鋪裝設計按照以下的標準來進行設計。1）在進行非機動車道透水鋪裝設計的過程中，道路的表面層需要采用透水性瀝青砼，規(guī)格可以采用3cm的PAC10，下層面的透水性瀝青可以采用4cmPAC13的規(guī)格；公路的基層要采用透水性能比較高的水泥混凝土，規(guī)格可以選擇19cm的厚度；采用10cm厚的3∶7的砂墊層來作為墊層的材料；這時費機動車道道路的透水結構厚度就要控制在36cm左右。2）在進行人行橫道透水鋪裝設計的過程中，面層要選擇透水性路面板，規(guī)格可以是50cm×25cm×8cm的；選擇3cm的厚透水干硬性的水泥中粗砂來作為調(diào)平層設計規(guī)格；基層的設計可以選擇15cm厚度的水泥混凝土；墊層可以和費機動車道的墊層規(guī)格相同，選擇10cm厚的3∶7的沙碎；綜合來說人行道的道路透水鋪裝結構的厚度也可以控制在36cm左右，和非機動車道的厚相同。

2.3.2 海綿技術在下沉式綠化帶中的應用設計

道路工程施工過程中，人行道和機動車道之間的綠化帶設計主要采用的是下沉式綠化帶，因為該工程所在的城市其他下沉式綠化帶的深度均在15cm以下，綠化帶的深度比較淺，無法達到蓄水的目的；所以在該項目工程中下沉式綠化帶的深度要進行科學合理地把控，綠化帶的深度不能過深，因為過深會影響到綠化帶景觀效果，并且存在一些安全隱患，因此，該項目中下沉式綠化帶的深度設計為15 cm~20cm。如果綠化帶深度控制在20cm時，綠化帶標準高度會低于周圍機動車道20cm，此時，如果有效水深為15cm時，下沉式綠化帶可以滿足雨水的調(diào)蓄需求。在下沉式綠化帶中需要在一定的距離設置溢流式雨水口，在雨水流量超過綠化帶蓄水能力時，多余的雨水會進入溢流式雨水口中，排入市政雨水管網(wǎng)系統(tǒng)中。而下沉式綠化帶中的植物選擇，也要選擇那些耐淹和耐水性植物，這樣不僅可以過濾截流雨水，同時還可以滲透到土壤中，達到調(diào)蓄雨水的目的。

2.3.3 海綿技術在溢流式雨水口設計中的應用

根據(jù)國家相關標準中，對普通雨水口不知間距的實際要求，在設置溢流式雨水口下沉式綠化帶中，雨水口設置的間距要控制在30m~35m，并且在頂部還要使用稱重等級為C250的球墨鑄鐵箅子，在雨水口側(cè)面的位置設置泄水孔。其中箅子和機動車道標準高度相比要低5cm左右，這樣便于機動車道上的雨水更好地排入雨水口中。溢流式雨水口泄水的能力可以達到20L/s，深度為90cm。使用DN300的雨水管道連接雨水檢查井和溢流式雨水口，并把超過下沉式綠化帶調(diào)蓄體積流進的雨水排入市政雨水管網(wǎng)中。

2.3.4 海綿技術在開口路緣石設計中的應用

道路工程設計中，把綠化帶和機動車道之間的路緣石設置為開口路緣石，一般情況下開口路緣石包括3種，一種是圓形開口、一種是矩形開口、一種是豁口形式。其中矩形開口和豁口形式的路緣石有比較大的過流截面，施工起來比較方便，在雨水比較大時，可以很好地進行雨水收集排放，但是其景觀觀賞性不足；圓形開口的路緣石過流斷面比較小，施工難度也比較大，在雨水排放量比較多時，非常容易發(fā)生堵塞的問題。因此，在該工程施工過程中采用的是豁口形式的路緣石，并且路緣石的開口長度設置為50cm，具體的尺寸如下圖2。

圖2 豁口形式開口路緣石示意圖（單位：cm）

選用的路緣石是#603號花崗巖條石，光面使用接卸進行切割，直線段和圓曲線路段緣石長度均為1m，用密縫進行安裝，每塊緣石之間的縫隙控制在3mm以內(nèi)。機動車車道的邊路緣石采用的是35cm×15cm的立緣石，材質(zhì)為石質(zhì)，綠化帶和人行道外側(cè)的路緣石采用的是10cm×20cm，以及10cm×15cm的石質(zhì)平緣石。在開口路緣石前50cm~100cm，對道路的坡度進行調(diào)整，使道路坡度和路緣石開口處相對應，開口處的標準高度要低于道路標準高度的3cm，以此來保證機動車道的雨水進入綠化帶中。為了在進水處達到截污效果，在路緣石開口和綠化帶內(nèi)部鋪放一些碎石。

3 海綿技術在市政道路工程中應用效果分析

3.1 暴雨強度、目標調(diào)蓄和設計調(diào)蓄容積計算分析

3.1.1 暴雨強度計算公式

根據(jù)該城市市政道路區(qū)域暴雨強度計算公式進行分析，得出該市政道路所在區(qū)域暴雨強度分區(qū)為Ⅰ區(qū)，暴雨強度計算公式如下。

其中p代表的是3a；t=t1+t2；其中t1代表的是10min，t2代表的是管道的長度除以流速。

3.1.2 目標調(diào)蓄容積計算公式

式中：H表示的是26.8mm；機動車道ψ表示的是0.8，F(xiàn)是0.88hm2；非機動車道ψ為0.3，F(xiàn)是0.32hm2；人行道有纜線溝ψ表示的是0.5，F(xiàn)是0.13hm2，無纜線溝ψ表示的是0.3，F(xiàn)是0.13hm2；綠化帶ψ為0.15，F(xiàn)是0.44hm2。通過計算之后發(fā)現(xiàn)V是260.33hm3。

3.1.3 設計調(diào)蓄容積計算公式

式中：k是0.7；H1是0.15m；F1是2524m2。計算后V1得出為265.03m3。因為V

3.1.4 滲透時間計算公式

式中：Ws是265.03m3；α為0.5；K為3×10-5m/s；J為1；As為2524m2；按照以上公式計算后得出ts為1.94h，和規(guī)范要求放空調(diào)蓄水量的要求12h相比較來說，要少很多，因此設計滲透時間可以滿足實際的需求和工程規(guī)范標準的要求。

3.2 道路工程項目效果分析

3.2.1 年徑流總量控制率效果分析

從上述的公式計算中可以發(fā)現(xiàn)，該城市市政道路工程項目中海綿技術應用后的設計調(diào)蓄容積為265.03m3，其所相對的消解降雨量為30.4mm，而道路實際年徑流總量空置率在74.08%左右，74.08%>70%，由此可以說明，海綿技術的應用可以滿足道路年徑流總量控制率目標的要求。

3.2.2 年徑流污染物消減率效果分析

該市年度懸浮物總量去除率為年徑流總量控制率×具體海綿技術應用對懸浮物的平均去除率；根據(jù)《海綿城市建設技術指南》中低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構建關于復雜性的生物滯留設施，下沉式綠化帶中懸浮物平均去除率為80%。通過計算之后發(fā)現(xiàn)，該市年懸浮物總量去除率為59.26%，和規(guī)劃目標年徑流污染物消減率高于79%的要求并不相符。通常情況下，城市市政道路工程的年懸浮物總量去除率和規(guī)劃控制目標相吻合是比較困難的，所以，一般情況下經(jīng)常通過在周圍地段應用海綿技術進行截污處理來提高年徑流污染物消減率，以此來提高年徑流污染物消減率，滿足規(guī)劃要求。

4 結語

在城市市政工程建設中應用海綿技術可以有效緩解城市徑流污染和城市內(nèi)澇問題。但是，在不同地區(qū)的城市市政工程建設設計中，海綿技術的應用情況也各不相同，需要根據(jù)各個地區(qū)和各個市政項目的實際情況來進行區(qū)別性的設計。該文以某市城市市政道路工程為海綿技術應用案例，對該項目中海綿技術在各個工程項目中的應用情況進行了分析，并對海綿技術的應用效果進行了計算評價，結果發(fā)現(xiàn)，在道路工程中非機動車道和人行道的透水鋪裝厚度設計為36cm時，透水鋪裝厚度可以滿足道路承載力的要求，同時還可以很好地對道路中的雨水進行快速滲透；另外，在設置下沉式綠化帶深度時需要參考道路年徑流總量空置率，該項目中下沉式綠化帶深度設置為15cm~20cm時，選擇溢流式雨水口可以滿足道路雨水排量，減少內(nèi)澇問題；此外，在選擇路緣石開口時需要根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況、景觀效果要求情況和水力條件等情況；豁口形式的路緣石開口具備使用便捷、水力條件好等優(yōu)勢，在該項目施工中有比較高的利用價值和優(yōu)勢。由此可以說明，海綿技術在城市市政道路工程中的應用可以有效緩解城市道路積水、內(nèi)澇問題。