“海绵城市”理念在集装箱堆场的应用探讨

2020-08-04刘锦石翟甲栋

港工技术 2020年4期

刘锦石，翟甲栋

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引言

我国城市目前排水基本采用快排模式，即雨水通过硬化地面、地表径流汇入井、渠、沟和管道内集中快速排放，但强降雨一来，目前管道的建设明显不够用。城市建设模式主要是硬化场地和面层，雨水排放主要以“快速排除”和“末端集中”控制为主要设计理念，依靠“灰色”的管渠、泵站等设施来排水[1]，从使用的实际情况来看，就是“逢雨必涝，旱涝急转”。

2012低碳城市与区域发展科技论坛上首次提出“海绵城市”的概念，国际通用术语称之为“低影响开发雨水系统构建”。实现下雨时吸水[2]、渗透、净化、存蓄，在干旱和需要使用时将存蓄的水进行释放加以利用。“海绵城市”又称之为“水弹性城市”，是城市建设新时代的雨洪设计理念，使城市在适应水环境变化，应对雨水收集、渗透、净化、回用、排放等方面具有良好的“弹性”。

图1 “海绵城市”水循环收集与释放示意

图2 传统城市与“海绵城市“排水示意

港口有些“清洁”类码头，如集装箱、钢铁、滚装、客运、邮轮、粮食等货类码头，地表雨水都是通过径流，经排水沟、集水井收集后，流经排水管从码头前方直排进海里，造成水资源的浪费。

鉴于多年码头设计工作经验的积累，思考如何在“清洁”码头工程中融入“海绵城市”设计理念和方法，一方面通过雨水渗透、净化和涵养，可以减少雨水外排量，避免水资源浪费；另一方面减少雨水溢流量，进而可以把雨水管道管径减小，从而降低工程造价。

1 集装箱堆场融入“海绵城市”理念的切入点

将“海绵城市”的设计理念融入码头工程，首先选取较为典型的集装箱码头进行尝试，主要基于集装箱码头有如下特点：

1）标准化（生产的不同形状和质量的产品、货物能够装进标准箱里，实现门对门的标准化运输）；

2）规范化（堆场箱位根据不同工艺布置合理编排，有明确的位置和编码）；

3）模块化（根据设备选型不同，堆场的布置呈现有规律的模数）；

4）自动化（近年新建和改造的自动化码头）。

基于集装箱堆场布置的特点，融入“海绵城市”的设计理念具备了基础条件。2018年全球前20大集装箱港口完成集装箱吞吐量 3.4亿 TEU，同比增速为3.8 %。全球前20大集装箱港口排名，中国港口占据半壁江山。基于目前集装箱码头的总量和后续改造自动化码头的趋势，融入“海绵城市”的设计有足够的发展及应用空间。

2 传统集装箱码头堆场的布置型式

2.1 一般集装箱堆场的布置型式

北方某港口传统集装箱码头堆场平行于码头布置，堆场采用轨道式/轮胎式龙门起重机，跨内通行车道一侧布置，剩余布置集装箱堆场，如图3，轨距33 m，2条车道一侧布置，8排箱子集中布置，箱角基础采用条形基础，除条基外采用碎石铺面，中间设置排水沟，将雨水收集后，通过排水干管经码头前方排放入海。

图3 港口集装箱堆场局部断面示意

2.2 自动化集装箱堆场的布置型式

以东部沿海某个大型自动化集装箱码头堆场布置为例，堆场垂直于码头布置，堆场设备采用自动化轨道式龙门起重机，轨距为28.5 m，轨内布置9列集装箱，邻近码头端为海侧交接区，另一端为陆侧交接区。在每跨堆场内中间位置设置排水沟，轨道梁顶高程比箱角条形基础顶高程高出10 cm，条基本身是平的，条基之间布置碎石，将堆场区的雨水收集到排水沟内，由海侧交接区向陆侧交接区汇总进入雨水管后统一排放。

3 集装箱堆场“海绵城市”设计思路和方法

根据《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》的基本原则。各类低影响开发技术又包含若干不同形式的低影响开发设施，主要有绿色屋顶、透水铺装、下沉式绿地、渗透塘、生物滞留设施、渗井、雨水湿地、湿塘、蓄水池、调节池、雨水罐、植草沟、渗管/渠、初期雨水弃流设施、植被缓冲带、人工土壤渗滤等[3]。

实际海绵城市的技术手段已经相当成熟，只是在如何结合集装箱堆场的平面布置，合理选择低影响开发设施进行布置和应用方面仍有待探讨。

既然常规和自动化集装箱码头堆场箱角基础普遍采用条形基础，空档区面层采用联锁块铺面或碎石铺垫，中间利用排水沟收集雨水，排水沟的长度基本和轨道长度基本相当，基础采用碎石垫层，钢筋混凝土的沟壁和沟底，加之盖板，一条堆场的长度为300～400 m，一个泊位后方堆场对应10条堆场，排水沟长度为3～4 km，另外空档区的铺面或碎石的工程量相对也较大，实际使用上，这部分的投资又无实际使用效果。具体的铺面布置如图4、图5。

图4 “传统”集装箱堆场平面

图5 “传统”集装箱堆场断面

为有效改进集装箱堆场雨水收集方式，融入“海绵城市”的设计思路：利用轨道梁、箱角梁围合的区域拟采用下沉式绿地、溢流井和雨水管等组建成低影响开发设施，堆场区占整个陆域面积的60 %～70 %，堆场区的雨水经下沉式绿地下渗，补给地下水，当雨水饱和时，超过一定高度蓄水层的雨水进入溢流井，经雨水管排出。将传统通长的排水沟布置用局部设溢流井+雨水管连通的方式进行替代，硬化铺装通过植草皮进行替代，降水可以通过下渗，补给地下水，大雨土壤饱和后雨水进入溢流井、雨水管道收集或排放。堆场的空档区绿化成大面积的“绿道”，环境也会得到明显改善。

图6 “下沉式”集装箱堆场平面布置示意

图7 “下沉式”集装箱堆场横断面示意

图8 “下沉式”集装箱堆场纵断面

图9 “下沉式”集装箱堆场示意

3 下沉式绿地对条形基础的稳定性论证

利用集装箱堆场条基之间的空档区设置下沉式绿地，绿地下渗雨水后，是否会对周围条形基础产生影响进行了初步核算，以某港区一日最大降雨量180 mm为计算参数，考虑种植土的下渗性能。

降雨在地面上形成的地表径流，部分流向两边的收水系统，部分透过地基裂隙渗入地下。地基土含水量随降雨强度大小增不一，当降雨强度低于地基土渗透速率时，地基中含水量变化较小，当降雨强度大于土的渗透速率，地基渗透深度可达1～2 m。集装箱箱角条形基础对于人工处理后地基根据不同地基条件需进行相应处理。

对于原状地基为透水性较差的土质时，可以在土基上铺设不透水层或防渗膜，将面层渗透的雨水进行收集至排水管道，排至基础以外，也可将基础底一定深度内的土基进行换填处理，换填为透水性较好的砂土或碎石。

对于砂性土地基，由于砂土具有较强的水稳定性、渗透性，其饱水状态下冻胀小，含水量增加对承载力损失影响不大，其抗剪强度主要决定于其内摩擦角，当含水量从干燥状态增大至最优含水量时，砂土的内摩擦角在高压实系数下（大于0.93）变化的幅度较小[4]；随着密实度的增加，对于一般强度降雨，含水量对砂土的抗剪强度以及剪切变形会有较小影响（降幅小于5 %）[4]。在极端的暴雨天气下，其中大部分降雨量由径流形式通过收水井及排水管排除，基础范围内砂土地基含水率增幅不超过15 %，砂土抗剪强度及剪切变形有一定程度降低，考虑到砂土地基经人工处理后承载力及压实系数较高（不小于0.95），有一定的安全储备，含水量增加后的承载能力仍可满足集装箱荷载使用要求。