基于低影响开发模式的高速公路海绵化设计研究

2020-11-04杨涟

公路交通技术 2020年5期

杨涟

(南宁交通投资集团有限责任公司，南宁 530021)

高速公路排水设计的目的是尽快排除雨水，以保证道路和行车安全。研究表明，高速公路地面径流含有一定泥砂量，降雨后会形成悬浮物并携带有机污染物随着径流进入周边河流水系，引起水体富营养化及周边生态环境的变化[1-5]。

低影响开发模式指在城市开发建设过程中采用源头削减、中途转输、末端调蓄等多种手段，通过渗、滞、蓄、净、用、排等多种技术，实现城市良性水文循环[6-8]。因此在满足交通功能的前提下，利用低影响开发措施所具有的雨水净化功能[9-13]，将高速公路与海绵城市有机结合，以减少高速公路对周边环境的影响。

1 项目概况

吴圩机场第二高速公路是南宁市中心城区对外交通路网建设的重要组成部分，起于吴圩机场北部，连接机场大道北出入口，终点接南宁市玉洞西快速路，路线全长约20.5 km。沿线主要环境敏感点有蕾桑水库和鹧鸪井水库。吴圩机场第二高速公路多依山腰而建，沿线主要为丘陵地带，地形起伏较大，山顶多呈浑圆状，径流迅速汇集。同时，沿线主要土质为粘土，土壤下渗能力较弱。项目区位示意如图1所示。

图1 项目区位示意

2 高速公路建成后面临的水环境问题

吴圩机场第二高速公路建成通车后，预估将产生3个关于水资源利用和环境问题：

1)降雨径流会冲刷挖方段边坡，造成水土流失并在低洼处沉积淤泥。

2)降雨径流会冲刷带走路面油污并沿着地形流入附近水库，对水库造成一定影响。

3)高速公路里程较长，距市区集中供水区域较远，且中央分隔带宽10.5 m，绿化浇灌用水量较大，使用市政自来水输水成本较高。

3 设计方案

为减小高速公路建设对周边环境破坏，尽可能降低初期雨水对周边水库的水质影响，同时减少绿化浇灌等管养维护成本，采取低影响开发技术措施对路面径流雨水进行滞留净化，并通过雨水收集回用设施，将净化后的雨水用于绿化浇灌，提高经济效益。

3.1 设计思路

总体设计思路：在满足使用功能、保障行车安全的前提下，对第二高速公路进行低影响开发设计，因地制宜布置海绵措施，削减径流污染，减少对周边水库水系的影响，改善生态环境，节约水资源。

已有研究表明，植被过滤带能有效拦蓄径流、拦截悬浮固体等污染物质,具有较好水土保持和水质净化效益[14-15]。据此，低影响开发措施应尽量布置于植被建设区域，并具备一定调蓄容积，以此充分利用周边植被进行径流净化。同时由于道路中分带绿化区域长期受雨水浸泡可能影响道路结构安全[16]，本着安全优先原则，因此先排除对高速公路产生安全影响的方案。综合分析后，海绵措施布置主要位于：1)道路区段两侧绿化区；2)立交区段、高架桥区段桥下绿化区域；3)服务站、收费站硬化区域；4)水库外围。

另外，根据雨水收集须满足需求回用水量等于汇水范围收集雨水量，此时雨水收集回用最经济，既可减少雨水长期不使用发生变质的几率，又可减少投资。

3.2 雨水控制策略

3.2.1 高架段海绵雨水系统

主体工程设计中，降雨后桥面雨水通过桥梁落水管排入桥梁下方空地。考虑雨水落水管多点分散排放桥面雨水，因此可通过海绵措施的连片布置，既能去除污染物，又能整体提高措施的景观性及经济性。

设置相关海绵设施后，雨水经落水管先流到沉砂池中，进行消能、沉砂后，引流至桥下海绵措施中，如生物滞留池、下沉式绿地等，植被应布置于可见光照射之处，避免其因光照不足而导致非正常死亡的情况发生。海绵雨水系统流程如图2所示。

(a)雨水径流流程示意

3.2.2 边坡、路面海绵雨水系统

高速公路两侧为边坡，降雨后，边坡、路面雨水进入排水边沟，最后排至下游水体。考虑到路面初期雨水污染，增加沉砂池削减悬浮物含量。边坡、路面海绵雨水系统流程如图3所示。

图3 边坡、路面海绵雨水系统示意

考虑到混凝土边沟对污染物削减能力较差，为此，在不影响边沟基本排水功能、满足过流能力的前提下，将混凝土排水沟变更为植草沟，并在开阔区域增加生物滞留设施，充分利用低影响开发措施削减径流污染。最后在水库前增加砂石过滤区，通过土壤过滤减少水库污染。

同时，考虑灌溉的简便性，道路中分带设置灌溉管线，既可使用自来水进行供水，也可调整阀件使用收集雨水。

3.2.3 收费站、服务区海绵雨水系统

收费站、服务区作为高速公路人流量最大的区域，每天大量车辆往来，存在引起地面油污的风险，可见此区域面源污染控制需求大。同时，收费站、服务区可利用区域较大，适合进行低影响开发建设。

根据汇水面积，可采取的海绵措施有：下沉式绿地、透水铺装、雨水罐、绿色屋顶、生物滞留带、植草沟、雨水花园、湿塘等。另外，雨水收集池设置于收费站和服务区，方便维护管理及检修。海绵雨水系统流程如图4所示。

图4 收费站、服务区海绵雨水系统示意

3.2.4 水库保护措施

高速公路沿线有雷桑水库及鹧鸪井水库，均为非饮用水水源小型水库。由沿线地形可知，高速公路地表径流可通过排水边沟及地势直接进入该水体。为进一步减少地面径流携带悬浮物直接进入水库水体，在水库外围，根据对应道路汇水面积设置砂石过滤区，通过过滤吸附作用，减少直排水体的悬浮物含量。

3.2.5 主要海绵措施

根据高速公路设计文件，结合现场施工实际情况，主要对排水系统、绿地系统等进行海绵化设计，实现削减雨水径流污染。

本工程应用了多种低影响开发措施，有植草沟、下沉式绿地、生物滞留设施、透水铺装、绿色屋顶、雨水收集利用系统、雨水罐、沉砂设施等，现选取主要措施进行说明。

1)植草沟

本工程将部分区域原设计的混凝土边沟改为转输型植草沟，为保证高速公路路基安全，植草沟不考虑下渗，同时植草沟根据所在区域条件增大尺寸，以满足原有边沟设计过流能力要求。对于坡度较大区域，采用阶梯排水形式布置植草沟。植草沟剖面如图5所示。

单位：mm

此外，在植草沟下游增加沉砂池，可进一步控制径流污染。

2)生物滞留设施

包括生物滞留带及生物滞留池。考虑到道路外围可利用区域较小，为兼顾景观效果，采用生物滞留带的形式布置，如图6所示。另外，高架桥桥面下方区域与水系较为接近，为了强化净化效果，采用生物滞留池。

单位：mm

设计生物滞留设施蓄水深度为0.3 m。此外，在生物滞留池上游处增加沉砂池，可减少污染物进入滞留池，提高生物滞留池污染处理效果。

3)透水铺装

收费站、服务区等场地存在大量硬化路面，径流系数较大，通过透水铺装，可减少径流量的产生。透水砖孔透水率不小于0.1 mm/s，保水量在通常使用状态下达 10 000 cc/m，抗压强度不小于Cc50，抗折强度不小于Cf5，防滑等级为R2，防滑性能指标BPN≥70。

4)雨水收集利用系统

吴圩机场第二高速公路绿化浇灌原设计主要采用自来水进行滴灌、人工浇灌，因高速公路远离市区，绿化浇灌存在成本太高的问题。增加雨水收集利用系统，可在一定程度上减少浇灌支出，节约成本。雨水收集利用系统设置要求：(1)地势平缓处；(2)车辆容易到达、方便检修且不影响交通的区域；(3)方便雨水回用的区域。

根据地形，结合设置要求，本工程雨水收集利用池设置在收费站、服务区区域。其余地区因地形起伏较大、施工以及运行后维护困难，暂不考虑。另外，收费站、服务区路面较为平缓，若直接埋设，需有较大深度才能收集较多雨水。因此选择在收费站、服务区雨水排水沟下游处设置雨水收集循环利用水池。水池平面布置如图7所示。

注：1.1—排泥泵；2—排泥管；3-1—进水总管；3-2—进水支管；4—防水土工膜；5—底板；6—通气帽；7—供水管；8—供水泵；9—加气砌块；10—透水砌块；11—盖板；12—检查井；13—分配水池池体；14—隔板；15—溢流管。2.单位：mm。

在高速公路附近设置雨水池需要考虑道路基础安全问题，应尽量选用抗浮、抗沉降性能较好的水池。另外，考虑水池便于安装、运输、后期管理维护以及整体使用的经济性等因素，本工程使用硅砂蜂窝结构式雨水收集循环利用水池，硅砂结构透气效果好，可在一定程度上延缓净化后雨水水质变差，收集并净化后的雨水主要用于服务区绿化浇灌和高速公路沿线部分路段的中间绿化带浇灌。

5)砂石过滤区

雷桑水库及鹧鸪井水库位于部分路段下游，为减少雨水流入时带入的污染物，在水库接近道路的一侧增加砂石过滤区，让地面雨水进入水库前进行过滤吸附，减少污染。

6)沉砂装置

雨水冲刷地面及管道，会携带较多的污染物质，在设计范围内采取沉淀措施可降低雨水中悬浮物的含量，减少排放对水体的影响。本工程中沉淀措施主要为设置沉砂池。在植草沟、生物滞留带(池)上游及下游合适位置设置沉砂池，可将雨水进行沉淀净化，另外，沉砂池还可作为桥梁雨水立管消能池使用。