海绵技术在城市市政工程建设中的应用

张 杨 张建蒙

（山东华富建设有限公司，山东 潍坊 261000）

0 引言

近些年，随着我国城市化进程的不断加快，城市市政工程建设越来越多，在城市大规模发展过程中，城市地表径流问题也越来越严重，城市原有的水系被围、被填用于基建，水污染问题、垃圾问题越发严重。这些问题直接导致城市水自然循环规律被破坏，径流发生很大变化，城市水生态系统被割裂，生物种类越来越少。在大雨自然天气的影响下，城市内涝严重，城市河道被污染，城市水源被破坏。这些问题可以通过自然的力量来解决，通过自然积存、自然渗透、自然净化的海绵理念来处理。完善城市化发展，推动城市化进程的加快，为城市居民创造优质良好的生态环境。

1 城市市政工程建设中海绵技术设计

1.1 海绵技术建设三要素

海绵技术建设三要素：1）自然积存，主要是指利用城市自然地形和地貌的优势来合理控制径流，削峰调蓄，调整雨水的径流；2）自然渗透，主要是指利用下垫面的自然优势来调整雨水的滞渗问题，促进自然生态循环，帮助生态环境的恢复；3）自然净化，主要是指对城市的水质进行改善，通过合理利用 天然植被、土壤和微生物等生态系统中的自然物质来减少污染，净化水质，改善自然环境生态系统。

1.2 海绵技术应用的三重关系

在城市市政工程建设过程中，海绵技术的应用需要处理好以下3个关系：第一，要处理好水量和水质的关系，避免出现水的质量很好，但是水量不足，或者是有充分的水量，但是水质利用率不高的情况；第二，要处理好景观和功能的关系，避免出现好看的景观没有实质性的作用和价值的情况，以及有功能作用的景观但是无法满足城市居民的需求；第三，要处理好集中和分布的关系，要实现源头减排，化整为零；以及末端统一，集零为整。

2 海绵技术在城市市政道路工程建设中的实际应用

2.1 工程介绍

该工程为某城市市政道路建设工程，道路总长度为683.81m，道路红线宽度为30m，道路等级为次干路。该道路工程的地质地层分布：上层是近代人工填土，包括了填石、素植土、杂填土；下层是残积砂质黏性土、中砂、淤泥，更深层为花岗岩。为了达到路基基础持力层的实际要求，在施工之前对地质进行了部分换填处理。工程施工现场地下水主要是近代人工填土孔隙中的上层滞水，潜水、中砂、粉质黏土、残积砂纸黏性土等孔隙中的潜水和承压水。进行地质勘察后地下水位埋深在1.10m~6.15m。

2.2 海绵技术建设应用目标分析

根据项目施工要求，工程所在位置对市政道路年径流总量需要控制在70%左右，所对应的降水量为26.8mm。在年径流污染物消减率方面，按照工程设计规划的要求，工程所在位置面源污染中化学需氧量的消减率要大于73%，总氮消减率不能小于61%，悬浮物的消减率要大于79%、总磷的消减率要高于85%。按照《海绵城市建设技术指南—低影响开发雨水系统构建》中的要求，城市市政道路径流污染物中悬浮物和其他类型的污染物指标之间有很大的关系，所以，经常会把悬浮物作为径流污染物控制的标准，这样在该工程市政道路规划年径流污染物消减率目标时，每年悬浮物总量的去除率要高于79%。

2.3 海绵技术在城市市政道路工程中的应用设计

在该工程中，道路包括了机动车道、人行道、非机动车道、绿化带4个部分。因为该城市降水量比较多，传统的道路路面的渗水性比较差，在雨量比较大的雨季雨水径流量会明显增加。另外，因为雨水收集主要是通过雨水口来收集雨水，之后通过雨水管道排入收纳水体中，在暴雨天气道路路面洪峰流量会非常大，造成道路严重积水，形成内涝。此外，因为雨水地表径流的形成，雨水排出的过程中把路面中的污染物带入收纳水体中，造成了水体污染。为了解决这些问题，在进行海绵技术建设应用的过程中，需要在机动车道内设置截污式环保雨水口，净化雨水中的污染物；在非机动车道和人行横道中增设透水铺装；在道路边缘地带设置开口路缘石；在机动车道和非机动车道中间的绿化带中设置下沉式绿化带，要使用溢流式雨水口。施工道路的总宽度为30m，其中两边绿化带为3m，2条人行道4m，2条非机动车道5m，两侧下沉式绿化带为4m，机动车道为14m，具体的道路横断面如下图1所示。

图1 道路横断面示意图（单位：m）

2.3.1 海绵技术在透水铺装设计中的应用

因为该道路工程是城市道路的次干路，所以，交通流量相对来说比较大，在应用海绵技术的过程中需要重视道路路面结构荷载的实际需求，同时还要关注车辆尾气所产生的污染问题。因此，在进行机动车道设计时要采用不透水路面结构设计方式。费机动车道位置不会涉及机动车尾气污染的问题，因此，在选择道路结构时可以采用全透水结构设计。但是在选择道路头水结构铺装设计的过程中，还要引起注意的是道路透水铺装设计的厚度，厚度的选择要根据施工道路路面规划的透水性能情况、承载力情况，以及《海绵城市建设技术标准》规定透水铺装设计按照以下的标准来进行设计。1）在进行非机动车道透水铺装设计的过程中，道路的表面层需要采用透水性沥青砼，规格可以采用3cm的PAC10，下层面的透水性沥青可以采用4cmPAC13的规格；公路的基层要采用透水性能比较高的水泥混凝土，规格可以选择19cm的厚度；采用10cm厚的3∶7的砂垫层来作为垫层的材料；这时费机动车道道路的透水结构厚度就要控制在36cm左右。2）在进行人行横道透水铺装设计的过程中，面层要选择透水性路面板，规格可以是50cm×25cm×8cm的；选择3cm的厚透水干硬性的水泥中粗砂来作为调平层设计规格；基层的设计可以选择15cm厚度的水泥混凝土；垫层可以和费机动车道的垫层规格相同，选择10cm厚的3∶7的沙碎；综合来说人行道的道路透水铺装结构的厚度也可以控制在36cm左右，和非机动车道的厚相同。

2.3.2 海绵技术在下沉式绿化带中的应用设计

道路工程施工过程中，人行道和机动车道之间的绿化带设计主要采用的是下沉式绿化带，因为该工程所在的城市其他下沉式绿化带的深度均在15cm以下，绿化带的深度比较浅，无法达到蓄水的目的；所以在该项目工程中下沉式绿化带的深度要进行科学合理地把控，绿化带的深度不能过深，因为过深会影响到绿化带景观效果，并且存在一些安全隐患，因此，该项目中下沉式绿化带的深度设计为15 cm~20cm。如果绿化带深度控制在20cm时，绿化带标准高度会低于周围机动车道20cm，此时，如果有效水深为15cm时，下沉式绿化带可以满足雨水的调蓄需求。在下沉式绿化带中需要在一定的距离设置溢流式雨水口，在雨水流量超过绿化带蓄水能力时，多余的雨水会进入溢流式雨水口中，排入市政雨水管网系统中。而下沉式绿化带中的植物选择，也要选择那些耐淹和耐水性植物，这样不仅可以过滤截流雨水，同时还可以渗透到土壤中，达到调蓄雨水的目的。

2.3.3 海绵技术在溢流式雨水口设计中的应用

根据国家相关标准中，对普通雨水口不知间距的实际要求，在设置溢流式雨水口下沉式绿化带中，雨水口设置的间距要控制在30m~35m，并且在顶部还要使用称重等级为C250的球墨铸铁箅子，在雨水口侧面的位置设置泄水孔。其中箅子和机动车道标准高度相比要低5cm左右，这样便于机动车道上的雨水更好地排入雨水口中。溢流式雨水口泄水的能力可以达到20L/s，深度为90cm。使用DN300的雨水管道连接雨水检查井和溢流式雨水口，并把超过下沉式绿化带调蓄体积流进的雨水排入市政雨水管网中。

2.3.4 海绵技术在开口路缘石设计中的应用

道路工程设计中，把绿化带和机动车道之间的路缘石设置为开口路缘石，一般情况下开口路缘石包括3种，一种是圆形开口、一种是矩形开口、一种是豁口形式。其中矩形开口和豁口形式的路缘石有比较大的过流截面，施工起来比较方便，在雨水比较大时，可以很好地进行雨水收集排放，但是其景观观赏性不足；圆形开口的路缘石过流断面比较小，施工难度也比较大，在雨水排放量比较多时，非常容易发生堵塞的问题。因此，在该工程施工过程中采用的是豁口形式的路缘石，并且路缘石的开口长度设置为50cm，具体的尺寸如下图2。

图2 豁口形式开口路缘石示意图（单位：cm）

选用的路缘石是#603号花岗岩条石，光面使用接卸进行切割，直线段和圆曲线路段缘石长度均为1m，用密缝进行安装，每块缘石之间的缝隙控制在3mm以内。机动车车道的边路缘石采用的是35cm×15cm的立缘石，材质为石质，绿化带和人行道外侧的路缘石采用的是10cm×20cm，以及10cm×15cm的石质平缘石。在开口路缘石前50cm~100cm，对道路的坡度进行调整，使道路坡度和路缘石开口处相对应，开口处的标准高度要低于道路标准高度的3cm，以此来保证机动车道的雨水进入绿化带中。为了在进水处达到截污效果，在路缘石开口和绿化带内部铺放一些碎石。

3 海绵技术在市政道路工程中应用效果分析

3.1 暴雨强度、目标调蓄和设计调蓄容积计算分析

3.1.1 暴雨强度计算公式

根据该城市市政道路区域暴雨强度计算公式进行分析，得出该市政道路所在区域暴雨强度分区为Ⅰ区，暴雨强度计算公式如下。

其中p代表的是3a；t=t1+t2；其中t1代表的是10min，t2代表的是管道的长度除以流速。

3.1.2 目标调蓄容积计算公式

式中：H表示的是26.8mm；机动车道ψ表示的是0.8，F是0.88hm2；非机动车道ψ为0.3，F是0.32hm2；人行道有缆线沟ψ表示的是0.5，F是0.13hm2，无缆线沟ψ表示的是0.3，F是0.13hm2；绿化带ψ为0.15，F是0.44hm2。通过计算之后发现V是260.33hm3。

3.1.3 设计调蓄容积计算公式

式中：k是0.7；H1是0.15m；F1是2524m2。计算后V1得出为265.03m3。因为V

3.1.4 渗透时间计算公式

式中：Ws是265.03m3；α为0.5；K为3×10-5m/s；J为1；As为2524m2；按照以上公式计算后得出ts为1.94h，和规范要求放空调蓄水量的要求12h相比较来说，要少很多，因此设计渗透时间可以满足实际的需求和工程规范标准的要求。

3.2 道路工程项目效果分析

3.2.1 年径流总量控制率效果分析

从上述的公式计算中可以发现，该城市市政道路工程项目中海绵技术应用后的设计调蓄容积为265.03m3，其所相对的消解降雨量为30.4mm，而道路实际年径流总量空置率在74.08%左右，74.08%>70%，由此可以说明，海绵技术的应用可以满足道路年径流总量控制率目标的要求。

3.2.2 年径流污染物消减率效果分析

该市年度悬浮物总量去除率为年径流总量控制率×具体海绵技术应用对悬浮物的平均去除率；根据《海绵城市建设技术指南》中低影响开发雨水系统构建关于复杂性的生物滞留设施，下沉式绿化带中悬浮物平均去除率为80%。通过计算之后发现，该市年悬浮物总量去除率为59.26%，和规划目标年径流污染物消减率高于79%的要求并不相符。通常情况下，城市市政道路工程的年悬浮物总量去除率和规划控制目标相吻合是比较困难的，所以，一般情况下经常通过在周围地段应用海绵技术进行截污处理来提高年径流污染物消减率，以此来提高年径流污染物消减率，满足规划要求。

4 结语

在城市市政工程建设中应用海绵技术可以有效缓解城市径流污染和城市内涝问题。但是，在不同地区的城市市政工程建设设计中，海绵技术的应用情况也各不相同，需要根据各个地区和各个市政项目的实际情况来进行区别性的设计。该文以某市城市市政道路工程为海绵技术应用案例，对该项目中海绵技术在各个工程项目中的应用情况进行了分析，并对海绵技术的应用效果进行了计算评价，结果发现，在道路工程中非机动车道和人行道的透水铺装厚度设计为36cm时，透水铺装厚度可以满足道路承载力的要求，同时还可以很好地对道路中的雨水进行快速渗透；另外，在设置下沉式绿化带深度时需要参考道路年径流总量空置率，该项目中下沉式绿化带深度设置为15cm~20cm时，选择溢流式雨水口可以满足道路雨水排量，减少内涝问题；此外，在选择路缘石开口时需要根据施工现场的实际情况、景观效果要求情况和水力条件等情况；豁口形式的路缘石开口具备使用便捷、水力条件好等优势，在该项目施工中有比较高的利用价值和优势。由此可以说明，海绵技术在城市市政道路工程中的应用可以有效缓解城市道路积水、内涝问题。