基于海綿城市理念的立交橋區(qū)積水改造方案研究

【摘" " 要】：針對現(xiàn)狀立交橋區(qū)積水問題，采用InfoWorks ICM軟件對采用生物滯留設(shè)施改善立交橋區(qū)積水效果進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，設(shè)置生物滯留設(shè)施對于改善立交橋區(qū)積水問題有明顯的效果，積水深度明顯降低，退水時(shí)長顯著縮短且方案工程造價(jià)低，后續(xù)運(yùn)營養(yǎng)護(hù)簡單，是一種經(jīng)濟(jì)、綠色、低碳的立交橋區(qū)積水改造方案。

【關(guān)鍵詞】：海綿城市；立交橋區(qū)；積水；生物滯留設(shè)施

【中圖分類號】：U443.5 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2024）06-59-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.06.015

Research on Waterlogging Retrofit Program for Overpass Area Based on the Sponge City Concept

【Abstract】： In view of considering the current waterlogging problem in the overpass area， a softwareInfoWorks ICM simulation was conducted to improve the waterlogging problem in the overpass area by using bioretention facilities. The results show that the installation of bioretention facilities significantly mitigates the problem of water accumulation， notably reducing the depth of accumulated water and considerably shortening the duration of water recession. Additionally， this solution is cost-effective， with low construction and maintenance expenses， making it an economical， environmentally friendly， and low-carbon option for remodeling water accumulation issues in overpass areas.

【Key words】： sponge city；overpass" area；water accumulation；bioretention facilities

作為城市交通體系重要節(jié)點(diǎn)的立交橋區(qū)，由于周邊地塊建設(shè)時(shí)序等因素的影響，易形成城市區(qū)域的“人為滯水點(diǎn)”，在遭遇降雨時(shí)頻繁發(fā)生內(nèi)澇積水災(zāi)害，對城市交通、行人和車輛的安全構(gòu)成了嚴(yán)重的危害[1]；因此，開展現(xiàn)狀立交區(qū)積水問題的分析研究，進(jìn)而提出有效的改造策略具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

某立交橋及周邊地塊雨水管網(wǎng)及雨水泵站均已建成。由于建設(shè)時(shí)間較早，雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期大部分為1 a，雨水泵站設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為3 a，泵站收水面積約143.8 hm2，設(shè)計(jì)規(guī)模13.5 m3/s，設(shè)置6臺雨水泵，出水管道管徑為3 200 mm，排水出路為下游排水明渠。見圖1。

2 現(xiàn)狀問題

2.1 積水

1）現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)偏低。66%的雨水管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為1 a一遇，主要位于立交南側(cè)及東側(cè)道路，設(shè)計(jì)管徑400～1 000 mm；34%的雨水管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為3 a一遇，主要位于立交西側(cè)道路，設(shè)計(jì)管徑1 200 mm及3 000 mm×3 000 mm（方涵）。

2）周邊地勢高導(dǎo)致收水面積過大。立交東側(cè)輔道內(nèi)雨水管道原設(shè)計(jì)僅考慮收集輔道及東側(cè)部分綠地的雨水，匯水面積約6.4 hm2；但是，后續(xù)周邊地塊開發(fā)建設(shè)導(dǎo)致周邊場地高于東側(cè)輔道路面標(biāo)高且地塊排水管徑偏小，大量雨水通過地面徑流匯集于東側(cè)輔道最低點(diǎn)。輔道雨水系統(tǒng)實(shí)際匯水面積約27.6 hm2，是設(shè)計(jì)匯水面積的4倍，導(dǎo)致現(xiàn)狀雨水管道系統(tǒng)能力嚴(yán)重不足。

3）短時(shí)高強(qiáng)度降雨造成積水。根據(jù)相關(guān)降雨資料，2022年8月18日07：00—8月19日01：00，該區(qū)域累計(jì)降雨量148.3 mm，最大小時(shí)降雨量發(fā)生在23：00—00：00，小時(shí)降雨量達(dá)到79.8 mm，經(jīng)測算，小時(shí)降雨強(qiáng)度超過10 a一遇。降雨造成東側(cè)輔道嚴(yán)重積水，積水路段長約300 m，最大積水深度約80 cm。見圖2。

4）排水出路不暢導(dǎo)致泵站無法滿負(fù)荷運(yùn)行。雨水泵站的運(yùn)行記錄顯示，受下游排水明渠過流能力的限制， 2022年8月18日23：00—8月19日07：00雨水泵站6臺雨水泵僅可以運(yùn)行1臺。疊加其他因素的影響，期間泵站甚至出現(xiàn)暫停排水的情況。

2.2 現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)評價(jià)

為分析現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)在極端天氣下的排水能力，采用InfoWorks ICM軟件建模，模擬雨水泵站僅開啟1臺水泵，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P為1、3 a及2022年8月18日實(shí)際降雨條件下的路面的積水程度。見圖3。

即使僅遭遇重現(xiàn)期為1 a的降雨，立交東側(cè)輔道路面也存在一定程度的積水，積水路段長度為250 m，路面最大積水深度可達(dá)0.557 m，由于道路存在局部低點(diǎn)，雨后積水退水時(shí)間為82 min。此時(shí)城市道路、基礎(chǔ)設(shè)施等已經(jīng)受到威脅，無法正常使用。隨著降雨強(qiáng)度增大到3 a一遇，立交匝道積水區(qū)域及積水深度增大，積水路段長度為280 m，路面最大積水深度可達(dá)0.623 m，雨后積水退水時(shí)間為108 min，整條輔道已處于癱瘓狀態(tài)。使用2022年8月18日實(shí)際降雨雨型對該區(qū)域積水情況進(jìn)行模擬，雨后積水路段長度為380 m，路面最大積水深度可達(dá)0.709 m，雨后積水退水時(shí)間為136 min，與當(dāng)天立交東側(cè)輔道的積水實(shí)際基本一致，證明模型的建立及參數(shù)的率定是滿足模型精度要求的。

3種情況下，雨水泵站的排水曲線見圖4。

1 a一遇標(biāo)準(zhǔn)降雨條件下，降雨開始后50 min，雨水泵站開始運(yùn)行，降雨開始后200 min，泵站停止運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)長150 min。3 a一遇標(biāo)準(zhǔn)降雨條件下，降雨開始后35 min，雨水泵站開始運(yùn)行，降雨開始后340 min，泵站停止運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)長305 min。實(shí)際降雨雨型條件下，降雨開始后35 min，雨水泵站開始運(yùn)行，降雨開始后380 min，泵站停止運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)長345 min?？梢钥闯?，隨著降雨強(qiáng)度的增大，泵站運(yùn)行時(shí)間明顯增加，但是始終無法持續(xù)運(yùn)行。雨水管網(wǎng)傳輸能力不足，是導(dǎo)致路段積水及泵站無法持續(xù)運(yùn)行的主要因素。

3 雨水系統(tǒng)改造

3.1 改造方案

由于該段道路車流量較大，增大現(xiàn)狀雨水管道管徑的改造方案實(shí)施難度大；另外，由于下游排水出路能力的限制，單純增大雨水管道管徑，不能保證雨水及時(shí)有效排除。

海綿城市建設(shè)理念的提出為解決上述問題提供了切實(shí)可行的建設(shè)思路。目前，國內(nèi)解決現(xiàn)狀建成區(qū)立交區(qū)域積水問題，主要以調(diào)蓄及錯(cuò)峰排放手段為主，通過修建雨水調(diào)蓄池或者生物滯留設(shè)施等海綿設(shè)施，實(shí)現(xiàn)對超標(biāo)雨水的調(diào)蓄。北京市立交橋區(qū)采用劃分高水系統(tǒng)和低水系統(tǒng)的方式，在不改變徑流系數(shù)的前提下，減少客水流入[2]，通過改造，使雨水泵站達(dá)到5 a一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，新建調(diào)蓄池，對5～10 a的降雨進(jìn)行削峰調(diào)蓄[3]。天津洞庭路立交采用蓄水模塊、下凹式綠地等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)年徑流總量控制率75%的目標(biāo)[4]，有效的解決了橋頭積水及排水管網(wǎng)沖擊負(fù)荷較大的問題。

綜上所述，本工程提出充分利用立交橋匝道圍成的區(qū)域內(nèi)的綠地，修建調(diào)蓄設(shè)施，對超過雨水管道排水能力的雨水進(jìn)行調(diào)蓄，以實(shí)現(xiàn)雨水錯(cuò)峰排放，緩解地面道路積水問題的目的，經(jīng)初步計(jì)算，為緩解3 a一遇降雨條件下路段積水的問題，需要增加調(diào)蓄容積9 000 m3。

針對雨水調(diào)蓄的需求，目前主要有修建地下雨水調(diào)蓄池或修建生物滯留設(shè)施兩種技術(shù)措施。結(jié)合本工程本底條件，對上述兩種技術(shù)措施在工程造價(jià)、占地面積及養(yǎng)護(hù)難度等方面進(jìn)行比較。見表1。

雖然調(diào)蓄池占地面積較小，但工程造價(jià)遠(yuǎn)高于生物滯留設(shè)施且后期運(yùn)行運(yùn)維難度較大；因此，建議將現(xiàn)狀綠地改造為生物滯留設(shè)施，通過構(gòu)建地表徑流通道，將超標(biāo)雨水引入生物滯留設(shè)施。

現(xiàn)狀可利用綠化面積19 500 m2，考慮到生物滯留設(shè)施和現(xiàn)狀橋梁安全凈距的要求，按照60%綠化面積可以建設(shè)生物滯留設(shè)施、有效深度0.8 m計(jì)算，生物滯留設(shè)施可達(dá)到9 360 m3的調(diào)蓄能力。

3.2 改造后雨水系統(tǒng)模擬分析

為驗(yàn)證改造后的雨水系統(tǒng)應(yīng)對不同設(shè)計(jì)重現(xiàn)期降雨的能力，基于目前雨水泵站僅能開啟一臺水泵的現(xiàn)實(shí)條件，在構(gòu)建的現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上增加生物滯留設(shè)施模塊進(jìn)行模擬。見圖5。

當(dāng)遭遇1 a一遇降雨時(shí)，超出雨水管道排放能力的雨水均存儲在生物滯留設(shè)施中，雨后路面幾乎積水。當(dāng)遭遇3 a一遇降雨時(shí)，路面積水情況相比改造前得到明顯的改善，積水路段長度約195 m，路面最大積水深度0.230 m，雨停后積水深度即可降低至0.2 m以下，不影響交通。實(shí)際降雨雨型模擬，積水路段長度為260 m，路面最大積水深度0.251 m，雨后積水退水時(shí)間為37 min，道路已不存在積水嚴(yán)重點(diǎn)位。

為進(jìn)一步探索改造方案對路面積水問題的改善能力，利用軟件模擬得到3 a一遇重現(xiàn)期降雨條件下，立交匝道區(qū)域最大積水深度隨時(shí)間的變化曲線。改造前，道路在降雨開始后20 min開始出現(xiàn)積水，最大積水深度0.623 m，235 min后積水深度降低至0.2 m以下。改造后道路在降雨開始后20 min開始出現(xiàn)積水，最大積水深度0.23 m，143 min后積水深度降低至0.15 m以下，滿足車輛正常通行需求。見圖6。

改造方案極大地改善了立交區(qū)域的積水問題，可保證道路在遭遇3 a一遇標(biāo)準(zhǔn)降雨時(shí)能夠迅速恢復(fù)通行能力。

進(jìn)一步模擬遠(yuǎn)期下游排水通道過流能力可以滿足雨水泵站最大排水能力，降雨時(shí)泵站可以滿負(fù)荷運(yùn)行情況下，改造后的雨水系統(tǒng)在不同設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下運(yùn)行。當(dāng)遭遇3 a一遇降雨時(shí)，積水路段長度約190 m，路面最大積水深度0.230 m，雨停后積水深度即可降低至0.2 m以下；當(dāng)遭遇5 a一遇降水時(shí)，積水路段長度約230 m，路面最大積水深度0.236 m，雨后積水退水時(shí)間為3 min；當(dāng)遭遇10 a一遇降水時(shí)積水路段長度約260 m，路面最大積水深度0.242 m，雨后積水退水時(shí)間為7 min。見圖7。

當(dāng)遭遇3 a一遇重現(xiàn)期降雨時(shí)，雨水泵站滿負(fù)荷運(yùn)行與泵站僅能開1臺泵相比，除了積水退水時(shí)間略有縮短外，積水范圍及積水最大深度沒有明顯的改善，輔道內(nèi)雨水管道管徑偏小，過流能力嚴(yán)重不足，成為導(dǎo)致道路仍舊輕微積水的關(guān)鍵原因。但是，由于生物滯留設(shè)施的存在，道路積水深度大大降低，均保持在0.25 m以下且雨后退水時(shí)間大大縮短，可以滿足交通通行的要求。

4 結(jié)語

立交橋區(qū)積水是城市建設(shè)過程中普遍存在的問題，積水點(diǎn)的形成多為雨水系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)低、局部地形低洼及極端暴雨天氣等多因素耦合的結(jié)果，常規(guī)的改造模式多為增大積水點(diǎn)雨水管道直徑，但是由于立交區(qū)交通量較大，管道改造不但造價(jià)高，且對現(xiàn)狀交通的影響較大。

本文提出了一種采用生物滯留設(shè)施方式對立交區(qū)積水點(diǎn)改造的方案，無需對現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模改造，僅利用立交區(qū)現(xiàn)狀綠地建設(shè)生物滯留設(shè)施削減雨水徑流峰值，生物滯留設(shè)施內(nèi)調(diào)蓄的雨水可通過雨水系統(tǒng)排放，以達(dá)到緩解城市內(nèi)澇點(diǎn)的目的。由于整個(gè)系統(tǒng)均采用雨水自流方式排放，不設(shè)置提升泵等耗電設(shè)備，不但降低了工程造價(jià)，也減輕了后續(xù)運(yùn)營維護(hù)的壓力，可以實(shí)現(xiàn)雨水調(diào)蓄系統(tǒng)的綠色、低碳運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]任梅芳，徐宗學(xué)，初""" 祁，等.濟(jì)南市歷下區(qū)立交橋區(qū)域暴雨內(nèi)澇積水模擬[J].南水北調(diào)與水利科技，2018，16（5）：9-15.

[2]何" 翔.北京立交橋區(qū)積水原因分析及工程改造實(shí)踐探討[J].城市道橋與防洪，2018，（4）：90-93+13.

[3]張""" 韻，黃""" 鷗，陳祥瑞，等.北京市下凹式立交橋內(nèi)澇積水原因與治理措施[C].中國工程院土木，水利與建筑工程學(xué)部，中國土木工程學(xué)會，中國水利學(xué)會，中國土木工程學(xué)會市政工程分會.2013城市防洪國際論壇論文專集.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院，2013.

[4]袁曉宇，王旭陽，王""" 穎，等. 天津市洞庭路立交工程海綿改造設(shè)施的應(yīng)用和設(shè)計(jì)[J].建設(shè)科技，2020，（19）：74-77+81.