基于海綿城市理念的高架橋雨水排水設(shè)計

杜建康

（合肥市規(guī)劃設(shè)計研究院，安徽 合肥 230041）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，越來越多的城市急需解決交通擁堵問題，而建設(shè)高架橋、立交橋逐步成為提高道路通行效率、緩解交通擁堵的重要手段。高架橋設(shè)計中，傳統(tǒng)的排水設(shè)計按照“以排為主、保證安全”原則，將橋面雨水收集后通過立管排至路面下的市政雨水管網(wǎng)。

因高架橋橋面雨水具有集水快、峰值流量大、污染物濃度高[1]等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的直排模式不僅易對下游管網(wǎng)造成較大沖擊、引發(fā)積澇，而且不利于控制雨水污染物排入河流。

在土壤滲透性好、地下水匱乏、內(nèi)澇頻發(fā)的地區(qū)，運(yùn)用海綿城市理念優(yōu)化高架橋、立交橋排水設(shè)計，加大綠化澆灌和雨水下滲量，對減輕地下水旱情、城市內(nèi)澇、河流污染都具有重要意義。

1 工程概況

亳州市魏武大道是一條重要的南北向交通干道，北起北外環(huán)，南至亳蕪大道，全長約16 km。根據(jù)中心城區(qū)快速路網(wǎng)綜合規(guī)劃，魏武大道（和平路～亳蕪大道）是亳州市中心城區(qū)快速路網(wǎng)的重要組成部分，長約12.7 km，紅線寬60 m，擬改造為快速路。

為滿足沿線不同路段的設(shè)計需求，對貫穿老城區(qū)、路網(wǎng)較密、兩側(cè)地塊聯(lián)系緊密、不宜分隔的路段采用高架快速路，對開發(fā)程度較低、建設(shè)條件較好的路段采用地平式快速路。高架快速路長約8.0 km、地平式快速路長約4.7 km。工程總投資約39.7億元。

針對本道路的高架橋雨水，按海綿理念就地吸納、蓄滲雨水用于綠化澆灌，控制雨水外排量、減少初期雨水污染。采用的排水系統(tǒng)如下：橋面雨水→高架橋雨落管→過濾消能帶→沉泥井→中央滲溝→生物滯留綠帶→溢流式雨水口→市政雨水管網(wǎng)→河道。

2 設(shè)計理念及原則

（1）以積極運(yùn)用海綿城市技術(shù)、構(gòu)建低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)為理念。將灰色排水系統(tǒng)與低影響開發(fā)設(shè)施相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)雨水優(yōu)先滲透、自然凈化和可持續(xù)利用，提高自然修復(fù)能力，維護(hù)城市良好的生態(tài)功能。

（2）以“因地制宜”為原則。根據(jù)項(xiàng)目所在地的地質(zhì)條件、降雨規(guī)律、水環(huán)境保護(hù)要求，合理確定排水設(shè)計和低影響開發(fā)控制標(biāo)準(zhǔn)、措施、目標(biāo)。

3 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

（1）雨水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

本道路為城市快速路，屬于中心城區(qū)的重要地區(qū)，為保證排水安全，正常路段設(shè)計降雨重現(xiàn)期取5 a，下立交泵排區(qū)設(shè)計降雨重現(xiàn)期取50 a。

（2）雨水年徑流總量控制

根據(jù)規(guī)劃，本道路雨水年徑流總量控制率為75%，即滿足28.5 mm雨量不外排的建設(shè)要求。

4 控制指標(biāo)計算

4.1 控制水量計算

本設(shè)計以年徑流總量控制率為控制指標(biāo)，采用容積法計算：

式中：V為設(shè)計調(diào)蓄容積，m3；h為設(shè)計降雨量，取28.5 mm；Ψ為綜合雨量徑流系數(shù)，取0.95；F為匯水面積，hm2。

4.2 生物滯留帶蓄水深度計算

通常根據(jù)服務(wù)區(qū)域的下墊面透水特性和范圍進(jìn)行計算。本項(xiàng)目高架橋上為車行道及設(shè)施帶，均為不透水結(jié)構(gòu)：

式中：H為生物滯留帶蓄水深度，mm；Ψ1為車行道雨量徑流系數(shù)，取0.95；Ψ2為其他區(qū)域雨量徑流系數(shù)，本次取0.95；h為設(shè)計降雨量，取28.5 mm；L為生物滯留帶所服務(wù)的道路長度，m；B1為生物滯留帶所服務(wù)的車行道寬度，m；B2為生物滯留帶所服務(wù)的其他區(qū)域?qū)挾?，m；l為生物滯留帶長度，m；b為生物滯留帶寬度，m。

4.3 卵石過濾帶體積計算

卵石過濾帶為初期雨水污染控制的主要技術(shù)措施，其具有去除大顆粒污染物、穩(wěn)定雨水流速、避免種植土沖刷流失等作用，卵石帶有效蓄水容積應(yīng)大于初期雨水控制量。

卵石帶容積計算公式如下：

式中：V為卵石帶容積，m3；η為卵石帶孔隙率；A為卵石帶所服務(wù)的匯水面積，m2；hc為初期雨水控制量，本設(shè)計為5 mm。

5 工程設(shè)計方案

本設(shè)計中，橋面雨水經(jīng)雨水口收集后，由雨水立管排放至橋下，在立管出口處設(shè)置卵石過濾消能帶和沉泥井，進(jìn)行消能，同時去除大的漂浮物及泥沙，然后雨水經(jīng)中央滲溝分配至生物滯留綠帶內(nèi)，被植被、土壤吸收并下滲，超過下滲能力的超量雨水經(jīng)溢流式雨水口溢流至雨水管道系統(tǒng)，外排，見圖1。

5.1 消能帶及沉泥井設(shè)計

圖1 橋面雨水收集排放示意圖（單位：m）

結(jié)合高架橋雨水立管高差大、流速快的特點(diǎn)，為避免水流沖擊造成水土流失，在橋梁雨水立管出口處設(shè)置消能帶。

按照初期雨水污染控制要求，初雨控制率按5 mm設(shè)計，卵石帶容積按式3計算，確定消能帶由漿砌卵石帶（長1.5 m）+散鋪卵石帶（長1.5 m）組成，不僅起到消能作用，也同時具有攔截垃圾、微生物降解污染的作用。消能帶總長3 m，漿砌段和散鋪段分別長1.5 m，卵石粒徑8～10 cm，漿砌段卵石密度40顆/m2，散鋪段卵石密度70顆/m2。

雨水消能后，流經(jīng)沉泥井，去除泥沙等顆粒物。沉泥井長1.2 m，深1 m，寬度同帶綠化帶，頂部設(shè)鍍鋅鋼格板，便于清污。沉泥井需定期進(jìn)行維護(hù)，以保證其正常使用功能。

5.2 生物滯留帶設(shè)計

根據(jù)下墊面特點(diǎn)，城市中最常見的幾類下墊面（路面、廣場、屋面、綠地）產(chǎn)生的徑流污染迥異，其中，路面徑流中的初期雨水產(chǎn)生的污染負(fù)荷最重[2]。

本工程利用高架橋下空間，設(shè)置7 m寬生物滯留綠帶，下滲、生物降解雨水污染物。結(jié)合景觀需求，生物滯留帶內(nèi)種植根系發(fā)達(dá)、耐蔭、耐水濕、耐旱、適合本地氣候、污染降解能力強(qiáng)的植被，如八角金盤、灑金珊瑚、細(xì)葉芒、細(xì)葉麥冬、鳶尾、花葉扶芳藤、地錦等。

高架橋橋面總面積為204 800 m2，橋下生物滯留綠帶總面積為55 920 m2，按容積法復(fù)核，總控制水量V1=5 545 m3，生物滯留帶總滯蓄水量V2=5 592 m3，V2＞V1，滿足要求。

為保證生物滯留帶蓄水容積，按式（2）計算蓄水深度。橋面（標(biāo)準(zhǔn)段）寬度為24 m，生物滯留綠帶寬7m，以單位長度（1 m）標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行計算，H=0.12 m。本設(shè)計生物滯留帶較車行道側(cè)石低15cm，較溢流雨水口頂面低10 cm。

5.3 中央滲溝設(shè)計

本設(shè)計在生物滯留帶內(nèi)沿路方向設(shè)置一道中央滲溝，使雨水快速、均勻地流入生物滯留帶。中央滲溝寬1.2 m、深0.3 m，由透水性材料（透水混凝土+級配碎石）組成，溝頂與生物滯留帶齊平，溝底坡度同道路縱坡（i=0.002～0.005）。

為防止滯留帶雨水對道路造成破壞，路基與綠化帶之間外貼防水復(fù)合土工膜，土工膜較道路結(jié)構(gòu)厚度深0.8 m，見圖2。

圖2 中央滲溝設(shè)計圖（單位：m）

5.4 溢流雨水口設(shè)計

本項(xiàng)目地勢平坦，道路縱坡在0.003左右，為保證超量雨水排水安全，在生物滯留帶內(nèi)設(shè)溢流式雨水口，平均間距80 m，雨水口頂高高于生物滯留帶10 cm，超量雨水溢流排入雨水管網(wǎng)。溢流雨水口，采用平箅式雨水口，四周散鋪0.2 m寬卵石帶。溢流雨水口大樣及設(shè)置位置見圖3、圖4。

圖3 溢流式雨水口剖面設(shè)計圖

圖4 溢流式雨水口平面設(shè)計圖（單位：m）

6 方案建設(shè)的地域可行性評價

本工程場地地勢整體較平緩，地層屬華北地層區(qū)淮河地層分區(qū)，為厚覆蓋區(qū)，屬黃淮堆積型地貌，微地貌為河間洼地、低丘等。①層填土（Qml）層厚1～4.5 m，土壤滲透性系數(shù)為1×10-4cm/s。

按照本工程設(shè)計積水深度，核算生物滯留帶內(nèi)積蓄雨水全部下滲所需時間小于12 h，滿足設(shè)計最大雨水排空時間為24 h的要求。工程區(qū)位于亳州市渦河南岸，場地的地下水穩(wěn)定靜止水位埋深為1.8～2.2 m，水位隨豐水期、枯水期交替變化，場地地下水水位變化幅度約1～2 m。綜上所述，該工程適合選用雨水滲透技術(shù)進(jìn)行海綿城市設(shè)計。各土層滲透系數(shù)見表1。

表1 各土層滲透系數(shù)一覽表

7 維護(hù)與管理

本工程海綿城市設(shè)計，屬于雨水的源頭控制與利用，其維護(hù)與管理至關(guān)重要，需要市政養(yǎng)護(hù)、園林綠化等單位協(xié)調(diào)和聯(lián)動配合。為保證設(shè)施的正常運(yùn)行，提出以下維護(hù)與管理措施：第一，定期對過濾消能帶、沉泥井、中央滲溝、溢流雨水口等設(shè)施巡檢，保證其完整性。第二，定期清理和沖洗過濾消能帶、中央滲溝，去除粘附的淤泥、油污、雜物等，確保其通暢。第三，加強(qiáng)路面清潔維護(hù)，減少路面雜物進(jìn)入綠化帶。冬季使用融雪劑應(yīng)采用對植物無害的環(huán)保融雪劑。第四，為保證滯留帶的滲透能力及種植土厚度，建議定期補(bǔ)充種植土、翻耕土壤。

8 結(jié) 語

近年來，部分城市頻遭強(qiáng)暴雨襲擊，引發(fā)嚴(yán)重的城市內(nèi)澇，給人民生活和生產(chǎn)造成了嚴(yán)重影響。立交橋是雨水徑流的重要來源，其設(shè)計理念是否得當(dāng)將影響區(qū)域的自然生態(tài)水環(huán)境與城市的可持續(xù)發(fā)展。對于土壤滲透性較好的地區(qū)，通過轉(zhuǎn)變設(shè)計方式，因地制宜地運(yùn)用“海綿城市”措施，增大用于綠化澆灌和下滲的雨水量，可有效減小外排量，在滿足排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、雨水年徑流總量控制率指標(biāo)的同時，有效減少雨水污染。本文將工程設(shè)計的思路、過程進(jìn)行了總結(jié)，以期為類似項(xiàng)目提供參考。