基于海绵城市建设某山体市政道路工程设计方案探索

2018-03-06胡汉文樊建军林伟雄

净水技术 2018年2期

胡汉文，樊建军，林林，林伟雄

（1.广州大学土木工程学院，广东广州 510006；2.广东恩菲工程技术有限公司，广东广州 510640）

广州市黄埔区某市政道路（A路）位于山体下，规划中未设置雨水排放设施，根据地形图绘出汇水面积，计算后得知雨期将产生较大径流量。经实地考察，发现道路将穿过一条现状排洪沟（图1）。在与业主协商后决定，该路采用双侧布设雨水管的方式，并利用道路雨水管连通现状排洪沟。如何控制雨水径流，提高道路的排洪防涝能力，降低暴雨洪峰的危害性［1］，成为本工程的设计难点和创新点。本市政道路红线宽40 m，道路长度约1.7 km。雨水的汇水面积及相应雨水管道的布置如图1所示，雨水工程规划图如图2所示。

1 传统排水方案

1.1 雨水流量的初步计算

雨水设计流量的计算公式如式（1）。

图1 雨水汇水总平面图Fig.1 General Layout of Rainwater Catchment

图2 雨水工程规划图Fig.2 Planning Chart of Rainwater Engineering

其中：Ψ—综合径流系数，公共绿地、林地、园地等取0.20～0.30，混凝土及沥青路面按0.86～0.95取值，非铺砌路面取0.30，其余采用0.70，综合径流系数按地面种类加权平均计算。本工程范围主要由自然山体、自然水体及自然绿地组成，其中有远期规划二类居住用地等，加权平均计算取得本工程综合径流系数Ψ＝0.6；

q—暴雨强度，L ／（s·hm2）；

F—汇水面积，hm2，汇水面积如图1所示。

依据《广州市排水工程技术管理规定》，广州市黄埔区宜采用本区公式或者参照选用中心城区暴雨强度公式。广州市中心城区暴雨强度公式分为区间公式（表1）和总公式，推荐采用区间公式计算设计暴雨强度。本工程采用广州市中心城区暴雨强度区间公式，如式（2）。

其中：q—设计暴雨强度，L ／（s·hm2）；

A、b、n—地方参数，根据统计方法计算确定；

t—降雨历时，min。按照《室外排水设计规范》（GB 50014—2006）（2016年版），设计雨水重现期取P＝5年，得到A＝32.41，b＝12.874，n＝0.758，得出暴雨强度公式如式（3）。

其中：q—设计暴雨强度，L ／（s·hm2）；

t＝ t1＋t2—降雨历时，min。其中t1为地面

集水时间，取10 min；t2为管内流行时间。

表1 区间公式表［3］Tab.1 Formula Table of Intensity Interval of Stormwater［3］

1.2 计算结果

雨水管道的水力计算结果如表2所示。

表2 雨水管道水力计算表Tab.2 Hydraulic Calculation Table of Rainwater Drainage Pipelines

由计算结果可知，本道路北侧雨水管管径敷设至DN2 000，南侧敷设至DN2 200；道路穿过一现状排水渠，填埋道路红线范围内的排水渠，由道路雨水管进行连通；片区雨水由道路雨水管收集后由东向西排入B路雨水管，最终排向北部的水系。

在当前的排水设计方案下，片区雨水全部收入道路雨水管，使雨水由自然的地表漫流尽快转化至地下管网径流，以降低地表雨水对城市的影响。但随着城市现代化建设，道路及地面的硬化导致地表径流系数增大，径流流速增大，因而导致暴雨洪峰的峰值增大［4］；而雨水下落到地表后随即进入地下管网，失去了蒸发、下渗等雨水的自然耗损过程，径流总量增大。当前城市的排水设施并没有显著提高城市的抗洪能力，城市遇雨内涝现象反而愈发严重［5］，雨水成为了城市的负担。

在此背景下，“海绵城市”应运而生，改变传统的“直排快排”城市防洪排涝思维，将雨洪资源作为重要的水资源进行管理［6］，打造人与自然和谐共处的低影响发展模式，是城市防洪排涝的全新发展方向。

2 新型排水方案探究

根据“海绵城市”的指导思想，同时考虑到本工程的实际地形情况，在原设计中增设多级排水系统，以增加对雨水的吸附、蓄渗、净化和缓释作用，控制雨水径流，使区域在不同强度的暴雨下均具有良好的弹性，旨在减小当暴雨强度超出设计重现期强度时的洪涝灾害影响。

2.1 排水方案

在本路南侧山体护坡上建一条山洪截洪沟，如图 3所示，自节点④ ～①（图 1），长度约1 380 m，截洪沟下道路护坡，护坡植草；截洪沟靠道路侧每隔2 m设置溢流口；在坡脚建一条景观植草沟，如图4所示，长度约1 380 m，内植耐水性植物，此沟将截流由坡顶截洪沟溢流下的雨水，植草沟中间内凹处每隔30 m设溢流雨水口，接DN300雨水管至道路雨水井，收入市政雨水管网；北侧为丘陵状绿地，仅新建一条植草沟。坡顶截洪沟、坡底植草沟与市政雨水管在B路起点处合流，排向B路雨水渠箱，最终排向北边规划水系。平面布置简图如图5所示，横断面布置如图6所示。

图3 截洪沟大样Fig.3 Detail Drawing of Drainage Channel

图4 植草沟大样Fig.4 Detail Drawing of Landscape Ditch

图5 排水平面布置简图Fig.5 Layout of Drainage Plan

图6 横断面布置简图Fig.6 Layout of Cross Section

2.2 流量削减计算

2.2.1 截洪沟设计流量计算

采用公路科学研究所的经验公式：当暴雨资料缺乏，汇水面积F＜10 km2时，可按式（4）计算。

其中：Q—设计洪峰流量，m3／s；m—面积指数；当F≤1 km2时，m＝1；当1＜F＜10 km2时，按相关资料查取；本式取 m＝1。

Kp—流量模数；根据地区划分及设计标准查取。本式按照频率P＝20%，东南沿海地区，取Kp＝15。

对道路北侧进行雨水设计洪峰流量计算，结果如表3所示。

表3 雨水设计洪峰流量计算表Tab.3 Calculation Table of Rainwater Design for Peak Flow

由计算结果可知，经验公式设计流量小于区间公式设计流量。本设计按照经验公式设计流量确定截洪沟尺寸，以得出截洪沟截留流量。

2.2.2 植草沟削减流量计算

植草沟削减流量计算如式（5）。

其中：Qz—植草沟雨水径流削减量，L／s；

Uz—植草沟蓄水量，L；

t—降雨历时，s；

Tz—植草沟蓄水量排空时间，s；

Sz—植草沟下渗量，L ／S。

植草沟断面为梯形（图4），本工程段植草沟尺寸为固定尺寸，设计流速为 0.8 m／s，总长度为1 380 m。

其中，下渗量Sz根据式（6）计算得到。

其中：α—综合安全系数，一般可取0.5～0.6；

K—土壤渗透速率，m／s；

J—水力坡度，垂直下渗时，J＝1；

Fa—下凹式绿地面积，m2。

本工程中，α 取 0.6，K 取 5.79×10－5，J取 1，垂直下渗。植草沟削减流量的计算结果如表4所示。

表4 植草沟削减流量计算表Tab.4 Calculation Table of Flow Reduction by Landscape Ditch

植草沟设定为景观湿性植草沟，降雨的初期雨水大部分被截洪沟截留，当植草沟内水量不足以维持常水位时，可适时抽调排洪沟或附近水体水源补充；考虑到旱季或无水源补充时，为维持必要的景观效果，须对植草沟内栽种植物进行合理配置，满足植物的干湿习性。道路南北两侧皆有自然水体，可对其进行人工改造，营造景观湖或生态公园，与现状排洪渠、截洪沟、植草沟和道路雨水管形成完整的区域水循环系统。

总之，区域内的自然水体不仅是雨水的受纳体，还是景观水甚至饮用水的供体，雨水在区域范围内循环，形成了良好的水循环生态圈［8］。

2.2.3 总削减流量计算

雨水经过截洪沟与植草沟的流量削减后，由道路雨水管承担最后的流量排放，计算得到雨水管的管径如表5所示。

表5 总削减流量及雨水管管径计算表Tab.5 Calculation Table of Total Flow Reduction and Rainwater Drainage Pipe Diameter

由表5可知，经过截留后，北侧雨水管敷设至DN1 800，南侧敷设至DN1 500，说明植草沟对雨水径流有一定的削减能力，主要在于对雨水的存蓄和下渗；截洪沟具备较大的排洪能力，增强了道路在遭受暴雨洪峰时的抗洪能力，减轻了道路雨水管的负担。在截洪沟、植草沟和道路雨水管形成的三级排水系统下，每年排入雨水管网的雨水量较传统方案减少约40%［9］，较大提升了道路的抗洪能力，减小了道路雨水管管径，降低了道路施工难度，形成了以“海绵城市”为指导思想的排水系统和生态系统［10］（图7），有利于城市的可持续发展。

图7 传统快排模式与“海绵”排放模式Fig.7 Drainage System of Conventional Mode and Sponge City Mode

3 投资估算与经济分析

传统方案雨水工程造价约为801.8万元；新型方案雨水工程造价约为936万元，其中雨水管道工程造价为695.2万元，截洪沟工程造价为85.3万元，植草沟工程造价为155.5万元。

截洪沟和植草沟的设置减小了雨水管道的管径和施工难度，继而降低了管道工程的造价，但增加了工程的总造价和综合技术难度。在本工程的初步设计中，考虑到经济和技术上的困难，以传统的快排方案为主，利用道路雨水管联通道路南北两侧的现状排洪渠，并对现状排洪渠进行修缮；对人行道采用透水性铺装，预留植草沟用地；将道路附近水体纳入到道路的雨水管理体系中，保护现状“海绵体［11］”，为后续的海绵体系建设构建物质基础。