透水铺装合理搭配在海绵建设中的综合效益

2020-07-17余太平何延召李泽丰

净水技术 2020年7期

余太平，何延召，蔡洪，李泽丰

(1.湖北省城建设计院股份有效公司，湖北武汉 430051；2.武汉理工大学土建学院市政工程系，湖北武汉 430070)

伴随城市化进程，城市表面透水能力减弱，在极端降雨气候下，“城市观海”现象普遍，对人民生活、城市发展都带来不利影响。针对这一现象，美国马里兰州提出“低影响雨水开发系统构建”。在全国人大十二届五次会议上，我国提出的海绵城市理念，其核心思想就是，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水[1]。海绵城市理念，即在土地开发过程中，通过场地控制降雨径流，达到减少径流量和雨水污染负荷的一种管理方法和应用技术[2]。当下的海绵城市建设项目主要分为建筑群和广场、绿地、排水系统和道路4大类。其中，道路用地面积一般占建设用地的8%～15%，道路内非透水下垫面占75%左右，是城市不透水面积的一大来源。研究显示，25%的道路场次径流量可产生40%～80%的污染物[3]。因此，透水铺装系统发展成为基于“海绵城市”理念的源控制技术[4]，尤其在老城区的排水改造中，具有重要意义。

1 项目概况

1.1 工程背景

武汉市处于亚热带季风区，季风气候特征明显，随着冬夏季风的进退，降水量季节变化明显。年平均降水量为1 200 mm，6月—9月(汛期)是多雨季节，一般占年降水量的40%～50%，如表1所示[5]。如图1所示，项目位属武汉市巡司河武泰闸晒湖片区，于武汉市武昌区南部，总面积为11.5 km2，道路面积约为1.0 km2。该片区由于老旧城区较多，合流制管道较多，大部分雨水通过合流管道进入黄家湖污水处理厂进行处理。

表1 武汉市1951年—2000年月均降水量统计[5]Tab.1 Statistics of Monthly Average Precipitation during 1951 to 2000 in Wuhan[5]

图1 片区径流系数分布平面图Fig.1 Distribution Plan of Runoff Coefficient in the Area

1.2 方案设计

多雨季节降雨量大，初期雨水经管网汇流入污水处理厂，导致污水处理厂负荷过大。片区老旧建筑密集，管网改造困难。经方案比选，建设调蓄池，缓冲初期雨水流量，降低多雨季节时污水处理厂处理负荷。调蓄池建设用地受到限制，因此，提出了强化竖向透水能力，从道路透水铺装材料选择上，实现削峰减流。晋存田等[6]采用SWMM模型软件对下凹式绿地和渗透铺装进行模拟，分析两种技术措施在不同重现期对径流系数、管道峰值流量以及峰值流量延后时间的影响。研究结果表明，两种措施均有一定的效果。

2 透水铺装材料方案比选

2.1 常见渗透性道路材料的分析与比较

对混凝土植草砖、普通透水混凝土(露骨料)、普通透水砖、普通陶瓷砖、普通透水沥青混合料的抗压、抗折强度及透水性能，采用《透水水泥混凝土路面技术规程》(CJJ/T 135—2009)、《透水路面砖和透水路面板》(GB/T 25993—2010)等规范方法，进行相关测试。测试结果表明，5种常见普通透水材料的抗压、抗折强度均略大于规范要求，抗压强度均在10～36 MPa，抗折强度均在4～5 MPa；孔隙率均小于30%，且透水系数值均小于0.8 mm/s。

2.2 3种新型渗透性道路材料性能分析

采用市售透水砖，对多雨时期的径流量模拟计算，所需的调蓄池容积在建设中受限。因此，利用武汉理工大学硅酸盐国家重点实验室的技术优势，制备透水性能与强度都有一定保证的透水混凝土、陶瓷透水砖、透水沥青混合料3种新型透水材料。

2.2.1 新型陶瓷透水砖

以陶瓷废料为主要原料，厚度约为10 mm，制备原料再加钠长石、高岭土、滑石粉、莫来石晶须，改善烧结性能。按设计配方分别称量原料，进行配料。将配好的料混合均匀后，压制成型，压力为10 MPa，又1 160 ℃高温锻烧1.5 h。

2.2.2 新型透水混凝土

水泥:万安P042.5水泥；细骨料：天然砂，含泥量为0.8%，泥块含量为0.1%，细度模数为2.8；粗骨料:再生粗骨料，来自上海城建物资再生骨料生产线，经人工破碎筛分成5～10、10～15 mm和5～25 mm 3种粒径；天然粗骨料:来自湖州某骨料生产厂家，粒径为5～10 mm；减水剂:浙江传化聚羧酸减水剂，含固量为20%，减水率为27%。采用人工搅拌，机械振捣，使骨料吸水率为1%～3%，混凝土浇筑1 d后，常温下洒水养护，每天洒水5～6次，养护7 d后进行自然养护。

2.2.3 新型透水沥青

采用江阴宝利生产的SBS成品改性沥青，粗细集料均为镇江玄武岩，矿粉为磨细的镇江石灰岩；选用的HVA改性剂由交通运输部公路科学研究院开发，HVA改性剂掺量为沥青用量的8.7%。

2.2.4 材料性能分析

采用2.1内所述相同测试方法，对3种透水材料性能进行测试，得出其抗压、抗折强度和透水能力都有一定的提高，具体结果如表2所示。

表2 3种新型透水材料的性能指标Tab.2 Performance Indicators of Three New Permeable Materials

2.3 新型透水材料应用前景

在现阶段透水铺装设计中，对于仅有少量机动车辆行驶的硬化地面，如住宅区道路、城市道路硬路肩、停车场停车区等，因通行车辆较少，设计时可不考虑车辆对路面的综合累计损伤，只需以标准轴载对铺面结构作静载分析，在确定各项设计指标容许值时，也无需考虑荷载的累计作用。对类似人行道、步行街、城市广场、公园硬地等以行人、非机动车为主要服务对象以及无机动车辆通行的路面，透水铺装在设计时只需进行透水设计，无需考虑交通荷载的作用。目前，透水铺装的主要应用场合为人行道、广场、运动场、停车场、小区道路等，这些场合对于铺面的承载力要求较低。

改善后的新型透水铺装材料在强度上较普通透水铺装材料更优越，有望将透水铺装的应用扩展到城市行车道上。针对各种不同场合需承受的车辆荷载的不同，选择适当的结构方案，提高设计方案的经济性。新型透水沥青具有较高的整体强度，又兼有一定的变形适应性。透水混凝土层强度较高，承受荷载的作用能力强。陶瓷透水层承受荷载能力与前两者相比较弱，但其透水性较好，具体如表3所示。

表3 3种新型透水铺装应用设计适用范围Tab.3 Application Scope of Three New Type Permeable Pavements

3 径流系数计算

3.1 试验仪器

径流量测定仪-JZ-KJ1700，翻斗式雨量计 076 RS-05B。

3.2 试验方法

划定2个排水口中线作为排水区界，选取1块排水区域，长约为30 m，宽约为5 m。其中，两中线处标高分别为40.02、40.02 m，试验场地集水口处标高39.90 m。降雨时，通过径流量测定仪器实测数据，对比实际降雨强度。根据式(1)反算径流系数Ψ。

Q=ΨqF

(1)

其中：Ψ——径流系数；

q——降雨强度，mm/h；

F——汇水面积，m2。

综合径流系数计算如式(2)。

(2)

其中：F——不同汇水面面积，m2；

i——对应汇水面序数。

4 综合效益分析

4.1 经济效益分析

透水铺装径流系统对比如表4所示。

表4 采用新型透水铺径流系数比较Tab.4 Comparison of Runoff Coefficients of New Type Permeable Pavements

由表4可知，3种新型透水铺装的径流系数Ψ为0.3～0.5，较市面上的透水沥青、透水砖等，可削减约0.2。

武汉地区暴雨强度计算如式(3)。

(3)

其中：P——设计重现期，a；

t——集水时间，min。

集水时间t由地面集水时间t1和管内雨水流行时间t2两部分组成，如式(4)。

t=t1+t2

(4)

透水铺装配合自然绿地对不透水地面进行分割，也可实现对t1的增加。一定降雨条件下，最大化地使渗透面对不透水面进行阻断，降低地表径流量，增加渗入量，减小区域综合径流系数[7]；在有效控制雨水径流的同时，实现自然积存和渗透，采取自然净化的发展方式，修复城市的水生态系统，涵养水源，增强了城市的防涝能力[8]；另在雨水管网建设中，采用透水铺装，可在相同管径下增加其设计重现期。

根据现行《室外排水设计规范》(GB 50014—2006)，分流制调蓄池设计容积如式(5)。

V=0.001DFΨβ

(5)

其中：V——调蓄池有效容积，m3；

D——调蓄量，mm，按降雨量计，可取4～8 mm；

F——汇水面积，m2；

Ψ——径流系数；

β——安全系数，可取1.1～1.5。

在海绵建设中，通过削减径流量，可有效缩减调蓄池的体积，减小调蓄池的挖土方量。对于不便大开挖的老城区的街道改造而言，有利于实现对老城区海绵改造的建设。

4.1.1 固定投资效益C1

新型透水铺装投资C11如式(6)。

C11=F1(x-m)+F2(y-n)+F3(z-p)

(6)

其中：Fi——不同新型透水铺装采用面积，m2；

m、n、p——对应传统透水铺装单位面积单价，万元/m2；

x、y、z——对应铺装单位面积造价，万元/m2。

管网投资效益C12如式(7)。

C12=(Ψ’-Ψ)F0qb

(7)

其中：Ψ’——传统透水铺装对应总径流系数；

Ψ——采用新型透水铺装后对应总径流系数；

q——设计暴雨强度，mm；

b——单位流量下管网建设综合经济投资，万元/(m3·s-1)。

调蓄池投资效益C13如式(8)。

C13=10DFβ(Ψ’-Ψ)a

(8)

其中：Ψ’——传统透水铺装对应总径流系数；

Ψ——采用新型透水铺装后对应总径流系数；

a——单位立方调蓄池造价，万元/m3。

4.1.2 后期运行维护投资效益C2

运行维护投资如表5所示。

表5 部分海绵设施平均维护投资比例[9]Tab.5 Proportion of Average Maintenance Investment of Some Sponge Facilities[9]

新型透水铺装采用分层压制烧结，控制不同层粒度大小，在纵向颗粒粒度分配上，实现反粒度分布，可降低运行过程中维护的频率。模拟使用时，普通透水铺装冲洗维护周期为25～30 d，新型透水铺装冲洗周期为40～45 d。通过调研，运营时间按10 a计，保守估计其维护成本比例适当下降1%～2%。

新型透水铺装维护费用效益C21如式(9)。

C21=0.015 ×10×C12

(9)

调蓄池维护效益C22如式(10)。

C22=0.04×10×C13

(10)

4.1.3 总体经济效益C

总体经济效益C如式(11)。

C=C12+C13-C11-C21+C22

(11)

对于C11，即新型透水铺装费用上，由于新型透水铺装采用大量工业废料作为原材料，其单位面积铺装成本仍较普通透水铺装低，在与普通透水铺装做比较时，C11为负值，C定为正值效益。

假定已知条件：雨水汇水面积为1 km2，道路面积为0.1 km2。其中，新型陶瓷透水铺装为0.025 km2，新型混凝土透水铺装为0.025 km2，透水沥青铺装为0.05 km2，设计使用年限为10 a。

设计重现期为2 a，集流时间为10 min，得到q=178 72 L/(s·km2)；设计面积为1 km2，雨水管网造价b=42.43元/m2，调蓄池造价a=3 500元/m3。

计算得到：Ψ=0.40；C11=245万元；C12=327.59万元；C13=136.5万元；直接效益值C=1168.94万元。

经济效益分析汇总如表6所示。

表6 经济效益分析Tab.6 Analysis of Economic Benefit

注：表中设施单价借鉴往期实际工程中的设施单价

4.2 生态效益分析

4.2.1 试验方法

试验装置由渗透柱、雨水模拟喷头、提升水泵、雨水水箱、塑料软管以及转子流量计和调节阀组成。渗透柱材料为有机玻璃，至上而下模拟布置透水铺装、透水路基、土壤层，底端设置出水口。土壤层下垫纱布，防止土壤流失。所采用试验用水为武汉市洪山区某住宅区道路雨水口处收集。渗透水采用《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91—2002)中方法进行检测。

4.2.2 试验结论

由图2可知，新型透水材料对污染物的去除效果良好，未经渗滤雨水，其CODCr≈400 mg/L、TN≈16 mg/L、TP≈0.6 mg/L、SS≈230 mg/L，经渗滤后水CODCr≈40 mg/L、TN≈6 mg/L、TP≈0.25 mg/L、SS≈8 mg/L，4项污染物指标在浓度上均满足GB 18918—2002一级A排水标准。根据上述测试结果分析可知，这3种新型透水材料对城市雨水的面源污染治理方面可产生积极影响，它可以有效截留雨水中的污染物，防止雨水排入水体引起富营养化；同时，这对于采用地下水作为供水水源的地区，可避免地下水水源污染，并对地下水水资源进行补充。另外，可以将渗滤水进行集中统一收集，经简单处理后，作为城市绿化灌溉用水，在一定程度上减少了水处理成本。