海绵城市工程化措施在道路排水中的应用

2019-11-23杨斯棋

城市道桥与防洪 2019年11期

杨斯棋

（上海市市政规划设计研究院，上海市200031）

0 引言

海绵城市的含义是，城市像“海绵”一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，并进一步对蓄存的水进行处理并回用。由此衍生出低影响开发（LID）概念，即通过生态化措施，尽可能维持城市开发建设前后水文特征不变，有效缓解不透水层面积增加的径流总量、径流洪峰与径流污染的增加对环境的不利影响[1-2]。

道路是城市的动脉，同时是城市排水的依托。道路排水安全直接关系到行人和交通安全，特别是近年来极端天气频发，全国沿海城市多次遭受特大暴雨的侵袭，道路积水不仅影响市民的正常通勤，市民的人身和财产安全也得不到保障。因此在城市道路建设中将海绵城市理念落地，通过实际的工程化措施与道路排水相结合，具有非常重要的意义。

仅从交通安全的考虑，最理想的是道路汇水范围收集的雨水以最快的速度排入雨水口并通过道路下敷设的城市雨水管道排放至水体。在实际道路排水设计中，道路排水需要满足各种上位规划，特别是海绵城市专项规划和地方政府的约束性指标要求。以上海为例，根据《上海市海绵城市建设指标体系》，作为对年径流总量控制率进行目标分解的子项，道路和广场系统新建项目和改建项目的年径流量控制指标分别为12%～15%和10%～12%，人行道透水铺装率是道路系统约束下二级指标，新建道路和改建道路的人行道透水铺装率分别为50%和30%。然而仅仅通过人行道透水铺装一项工程化措施，往往难以满足专项规划对径流量削减的要求，因此本文以实际工程为研究对象，重点分析设计需要考虑的问题和实际工程措施，反向校核径流削减指标，探讨海绵城市建设要求下道路排水的优化设计，为城市道路海绵城市的建设提供参考。

1 工程概况

1.1 项目概况

星友路新建工程项目位于上海市闵行区九星地区，是规划地块开发的市政配套项目。工程范围为：西起智联路，东至虹莘路，全长557.72 m，规划红线宽度16 m。道路中心线两侧各包含5 m 宽车行道和3 m 宽人形道。道路两侧为居住和商业用地。

1.2 设计标准

1.2.1 路面排水工程设计标准

路面设计降雨重现期5 a，地面集水时间10 min。

1.2.2 径流削减指标

海绵城市专项规划对本道路工程的径流削减指标见表1。

2 海绵城市工程设计

2.1 径流系数的校核

根据《闵行区九星地区海绵城市建设规划》，该大区域内综合径流系数为0.69，按海绵城市专项规划建设后综合径流系数为0.47。海绵工程措施实施前后径流系数变化见图1。

表1 星友路径流削减控制指标

图1 海绵技术措施实施前后径流系数变化图

海绵技术措施实施后，本路段道路径流系数降至0.7，星中路东侧服务地块径流系数降至0.6，星中路西侧服务地块汇水面积降至0.5，本路段星友路路面及道路两侧服务地块汇水面积共7.84 hm2，加权计算后本路段汇水面积内径流系数经计算为0.54。

由于排水管道不仅需要收集路面雨水，同时需要转输上游地块汇流的雨水，尽管道路建设中可以通过工程措施完成满足规划径流削减量，对上游海绵城市雨水径流削减效果缺乏掌控能力，为了保证管道的排水能力和交通安全，本工程按照海绵城市专项规划建设后综合径流系数为0.47进行设计，以加权计算综合系数0.54 校核。计算结果见表2。

由表2 可知，当道路建设达到目标径流削减量时，即使不考虑周边地块海绵措施对雨水径流的削减，雨水管道排水能力仍可以满足最不利条件雨水排放要求。

2.2 海绵城市工程技术措施设计原则

根据《上海市闵行区七宝九星地区海绵城市建设规划》，星友路海绵城市技术措施设计原则如下：

（1）人行道与机动车道间设置生物滞留设施，通过路缘石开孔，使机动车道雨水汇集到生物滞留设施带中；在生物滞留设施带内增设雨水口兼作溢流井，下渗雨水和超量径流通过溢流井流入市政雨水管渠系统。

（2）城市道路海绵城市建设设施应采取相应的防渗措施，防止径流雨水下渗对车行道路面和路基造成损坏。

（3）城市道路与广场的海绵城市建设设施应建设有效的溢流排放设施并与城市雨水管渠系统和超标雨水径流排放系统有效衔接。

为了满足规划径流削减要求，同时为了保证行车安全并结合工程实际，对于车行道本项目不设置海绵城市工程设施。海绵技术设施主要位于人行道，采用透水铺装+生物滞留设施完成径流削减指标。

2.3 人行道透水铺装

人行道透水铺装采用透水砖路面，路面结构和材料技术要求符合《透水砖路面技术规程》（CJJ/T188），透水铺装率为38%。

人行道路面结构层由上至下依次为：6 cm 透水砖、3 cm 中砂、200 g/m2透水土工布、10 cm 透水混凝土、10 cm 级配碎石，在级配碎石底层设置直径5 cm 软式透水管以实现纵向的雨水收集[4]。

表2 星友路径流削减控制指标

2.4 生物滞留设施

目前常用的海绵城市蓄水滞水措施有雨水塘、生态树池和生物滞留设施等。其中雨水塘主要起到雨水末端削污的作用,通过沉淀作用及植物系统,去除水中悬浮物并吸附有机物,不适用于道路海绵措施。生态树池是在人行道上设置生态树,以大中型的木本植物为主,适用于人行道宽大于4 m的场合[1],本工程人行道宽3 m,生态树种植后影响行人通行,并且上海市地下水位较高,土壤含水率大,经计算生态树池按照普通行道树的6 m 的设置间距无法满足径流削减要求。

生物滞留设施主要的结构包括滤带、洼地和溢流设施等，主要用于滞留和净化初期雨水，通过植物截留、土壤渗滤滞留处理小流量径流雨水，起到调节雨水流量和削减污染物的作用[5]。有研究表明，生物滞留设施在降雨初期处于非饱和状态，对雨水吸收迅速，具有良好的渗透性；从微观角度，人行道、生物滞留设施水分变化趋势一致，生物滞留设施的最大孔隙水压力大于人行道侧，且最先达到峰值[6]。

经比选，本工程最终采用生物滞留设施作为海绵技术措施。生物滞留设施参照机非分隔带生物滞留设施设置，每12 m 设置一组，单组生物滞留设施尺寸为4 m（净长度）×1.5 m（宽）×2 m（深）。结构层包括：100 mm 卵石滤水层、500 mm 种植土层、外包透水土工布、100 mm 中粗砂过滤层、300 mm砾石过滤层和最外层外包隔水土工布。生物滞留设施结构见图2。

生物滞留设施的溢流雨水口与市政雨水通过DN150 连通管连接，由于需要穿过树穴，为了防止连通管被树根刺穿，在连通管外侧满包50 mm 混凝土。市政雨水口为立篦式，路面径流通过开口立缘石进入生物滞留设施，溢流雨水口高于滞留设施15 cm 且不高于路面，超过渗透能力的雨水通过雨水口进入市政雨水收集系统。

传统的雨水收集排放系统属于快排系统，典型流程为：路面雨水→雨水口→雨水口连接管→检查井→市政管网[3]。本工程海绵措施实施后，雨水系统流程为：（1）人行道→透水铺装→UPVC 穿孔管→溢流雨水口→连通管→市政雨水口→市政管网；（2）机动车道→开口路缘石→生物滞留设施→溢流雨水口→连通管→市政雨水口→市政管网；（3）机动车道→市政雨水口→市政管网。溢流式雨水口与市政雨水口的衔接见图3。

图3 生物滞留设施平面图（单位：mm）

3 径流削减量的计算和校核

3.1 表层调蓄径流削减量

生物滞留设施蓄水层深度可根据植物耐淹性和土壤渗透能力以及径流控制目标综合考虑，一般宜控制在0～300 mm 范围内，为了不影响生物滞留设施内植物的正常生长，本工程蓄水层设为150 mm。则表层调蓄径流削减量按式（1）计算：

式中：L为生物滞留设施单元长，取4 m；B为生物滞留设施单元宽，取1.5m；H为卵石蓄水层深，取150 mm。

经计算，单组生物滞留设施表层蓄水量为0.72 m3。

3.2 生物滞留设施雨水渗透量

海绵城市生物滞留设施雨水渗透量按式（2）计算：

式中：As为有效渗透面积，m2；β 为安全系数，0.7；k为土壤入渗率，100 mm/h；ts为渗透时间，2 h；J为水力坡降，1.0。

经计算，单组生物滞留设施雨水渗透量为0.672 m3。

3.3 生物滞留设施下部结构蓄水量

生物滞留设施下部结构层中，500 mm 种植土层空隙率为15%，100 mm 中粗砂过滤层空隙率为25%，300 mm 砾石过滤层空隙率为30%。则单组生物滞留设施下部结构蓄水量W3为0.912 m3。

经计算，单组生物滞留设施径流削减量为W1、W2和W3之和，总计2.30 m3，共设置92 组，生物滞留设施设置后星友路全线可以提供210 m3的径流削减量，满足海绵城市专项规划对星友路所属地块194.56 m3的径流量削减要求。

4 生物滞留设施与市政雨水口雨量分配

本工程在设置生物滞留设施的同时保留了按照30 m 间距设置的市政雨水口，一方面是为了将生物滞留设施内溢流式雨水口收集的超量雨水排入市政管网，另一方面从安全性的角度，将道路排水完全经过生物滞留设施渗透或溢流排放存在一定风险，因此有必要定量分析路面雨水（本项目中为机动车道路面雨水）在生物滞留设施和市政雨水口收集系统的水量分配情况。

路缘石开口长度可根据式（3）计算[3]：

式中：L为路缘石开口长度，m；Q为设计径流量，m3/s；S为道路纵坡，取0.33%；n为曼宁系数，取0.016；i为道路横坡，取2%。

以单组生物滞留设施为研究对象，每隔12 m设置一组，对应的机动车道集水面积为60 m2，设计暴雨强度396.93 L/s·hm2，可知单组生物滞留设施雨水收集量为0.0023 m3，经计算单组生物滞留设置路缘石开口长度为1.43 m。实际设置的路缘石开口为1.0 m，反向计算可知两处500 mm 路缘石开口对应的雨水进水量为0.00097 m3，0.0023 m3中剩余的0.00133 m3通过市政雨水口收集，生物滞留设施和市政雨水口收集雨量分别占路面总收集雨量的42%和58%。