海绵城市理念在市政道路排水设计中的应用分析

2023-09-21张敬阳

交通科技与管理 2023年17期

张敬阳,吴倩

（1.广东省建筑设计研究院有限公司,广东广州 510000; 2.南宁市建设工程消防服务中心,广西南宁 530000）

0 引言

随着城市化的持续推进，市政道路的建设规模日益扩大，破坏了自然地面，导致城市在连续降雨天气下容易出现内涝，危及居民的生命和财产安全。为了解决这一问题，很多学者提出了“海绵城市”的建设理念。海绵城市道路是指道路像海绵一样具有良好的弹性，在连续降雨天气下，具有“渗、蓄、滞、净、用、排”功能，以控制地面径流、排水防涝、改善生态环境、促进水资源的循环利用等[1]。但是，目前海绵城市道路的设计理论仍不完善，可参考的落地项目较少，因此，进一步研究海绵城市理念在市政道路排水设计中的应用意义重大。

1 海绵城市道路设计原则和设计思路

1.1 设计原则

海绵城市道路设计时应在满足基本交通功能的前提下坚持以下原则：一是生态优先原则。道路排水设施布置时要尽量保护现有河流、湿地、湖泊、草地等水源敏感区，从而最大限度地保持其在道路建设前的水文特征。二是节水原则。对于缺水地区，应加大市政道路排水设施的蓄水、滞水、净水等，以便于将雨水回收再利用。三是因地制宜原则。市政道路排水设计时要结合当地水文特征、地势、气候气象、路网规划、投资金额等合理布置LID 设施（Low Impact Development）[2]。

1.2 设计思路

为了确保海绵城市道路实现“小雨不积水，大雨不内涝”的目标，排水设计应采取源头减排、过程控制的方案。具体阐述如下：

源头减排：利用下沉式绿地、透水铺装等LID 设施使雨水入渗、就地利用，从源头上控制地表径流，减小路面积水，以免影响行车和行人安全。

过程控制系统：先梳理出城市排水系统，对易出现内涝的排水段落提高设计标准，改造原有排水设施，同时，利用山谷、自然沟壑、人工雨洪水调蓄设施等来减缓汛期洪峰，增补地下水。

2 海绵城市道路常用LID 设施设计

应用LID 设施后可以确保场地开发前后的水文特征基本保持不变，以提高雨水利用效率，减少城市内涝。根据《海绵城市建设指南》，市政道路常用的LID 设施有透水铺装和生物滞留设施（生态树池、生物滞留带、雨水花园等）、植草沟等。

2.1 透水铺装设计

按使用功能不同，可将市政道路的透水铺装分为透水沥青路面、透水混凝土、透水砖三类，分别阐述如下[3]：

2.1.1 透水沥青路面

透水沥青路面可用于交通量较大的城市主干路或快速路的机动车道，有面层排水型、基层排水型、全透水型三类，如图1 所示。面层排水型沥青路面只有上面层是透水材料，下面层不透水，并在上面层和下面层之间设计一层沥青封层，以确保雨水从上面层底部排向两侧。基层排水型沥青路面的面层和基层都是透水材料，垫层不透水，并在基层与垫层之间设计一层沥青封层，以确保雨水从基层底部排向两侧。全透水型沥青路面的所有结构层和路基都是透水材料，且垫层和路基之间设计一层反滤隔离层，防止渗入路基中的水通过毛细作用渗入路面结构层内部。

图1 透水沥青路面结构示意

2.1.2 透水混凝土

透水混凝土又称多孔混凝土，多用于荷载＜40 kN 的非机动车道、园区道路等。透水混凝土由粗集料（粒径＞5 mm 的碎石或卵石）、水泥基、增强剂、水等均匀拌和而成，其连续孔隙率＞10%，渗透系数≥1 mm/s。根据《透水水泥混凝土路面技术规程》（CJJ/T 135—2009），可将透水混凝土分为全透水结构和半透水结构，两者主要区别在于基层材料不同。

2.1.3 透水砖

透水砖的结构强度小，价格也较低，多用于人行道、公园绿道等。按生产工艺不同，透水砖可分为烧制产品和非烧产品，前者是利用工业废料、建筑材料等与结合剂结合，在高温条件下烧制而成，并在砖内预留通道孔；后者是将级配良好的水泥、石灰、黏结材料等压制而成，砖内也是预留通道孔。需注意，透水砖施工工艺复杂，对找平层材料配比要求较高。

2.2 生物滞留设施设计

2.2.1 生态树池

传统的树池是高于周边场地的，雨水难以流向树池，且树池中的植物以大型乔木或灌木为主，树冠会遮挡雨水。生态树池则是对传统树池的改造和优化，具体如下：一方面，降低生态树池的标高，使其顶面低于周边场地，为雨水渗入提供条件；另一方面，在生态树池上方铺种植土（不压实），下方铺砂砾或碎石过滤层，使雨水入渗、滞留，减小市政道路排水管网的压力。如果生态树池位于地下建筑物之上，或者特殊岩土区域，需对生态树池的侧面和地面进行防水处理。

2.2.2 生物滞留带

生物滞留带是应用最广的生物滞留设施，由进水口（路缘石豁口）、溢流式雨水口（和雨水管相连接）、蓄水层、种植土、沉砂井等构造物组成，如图2 所示。

图2 生物滞留带典型构造

由图2 可知：在连续降雨天气下，道路路面汇集的雨水通过两侧路缘石豁口进入生物滞留带。对于污染较严重的雨水，需先进入沉沙井预处理，再进入生物滞留带；对于无污染或污染较轻的雨水，可直接进入生物滞留带。当进入生物滞留带中的雨水＞储蓄能力，其余雨水会通过溢流式雨水口与雨水管网相连。此外，由于生物滞留带中存在微生物、砂砾、碎石等，可过滤和净化雨水。

2.2.3 雨水花园

雨水花园是将技术、艺术相结合的典范，可提升市政道路排水设施的美观性。雨水花园是自然形成的或人工挖掘的浅凹绿地，可以汇集并吸收来自市政道路路面的雨水径流，并利用植物等来净化雨水，使净化后的雨水逐渐渗入到雨水花园下方的土壤内，以补充地下水，降道路路面径流洪峰和径流总量。

2.3 植草沟设计

植草沟是设置在道路两侧的浅层地表沟渠排水系统，可实现收集、输送雨水的功能，且具有施工简单、占地面积小、便于维护等优势。按断面形式不同，植草沟有抛物线形、梯形、三角形等。需注意，用地紧张的区域，市政道路不宜使用梯形植草沟[4]。

为了确保排水效果，植草沟的纵坡坡度不宜过大或过小。当植草沟纵坡较小时，雨水可能淤积在沟内，一旦淤积的雨水大于植草沟容量后，会漫流至路面，影响行车安全性；当植草沟过大，会因水流速度过快对沟底产生较大的冲击力，侵蚀沟底土壤。此时，可考虑开挖台阶，以减小植草沟内的水流速度。此外，植草沟内的植物高度宜取100~200 mm，以免植物过高影响过水效率。

综上，每个LID 排水设施的排水特性和适用条件并不完全相同。在市政道路排水设计期间，应将多种LID排水设施有机组合，共同控制路面径流总量和峰值。

3 海绵城市道路应用实例分析

3.1 工程概况

3.1.1 建设标准

研究对象为城市主干路工程，其路线全长12.6 km，起讫桩号为K0+000~K12+600，设计速度60 km/h，设计标准为双向四车道，红线宽度为46 m，由中间分隔带、机动车道、非机动车道、人行道、绿化带等部分组成。路面结构拟采用沥青混合料，厚度68 cm。经调查，道路所在区域为温带季风性气候，年降雨量较大，多年平均降水量约956~1 066 mm，且以短时强降雨为主，全年降雨量的80%集中在5—9 月份。为了打造高品质、示范性城市道路工程，拟基于海绵城市理念进行优化设计。

3.1.2 设计目标

根据所收集的该道路所在区域的降雨量资料，统计了不同年径流总量控制率下的设计降雨量，见表1。

表1 年径流总量控制率与设计降雨量的关系

由《海绵城市建设指南》可知，该市政道路设计目标如下：年径流总量控制率达到80%，设计降雨量取43.2 mm。

3.2 设计方案优化

3.2.1 道路排水设施

从铺装材料、路缘石、植草沟、生态树池、雨水口等方面对市政道路的排水设施进行优化设计，具体优化方案总结见表2。

表2 海绵城市道路排水设施优化设计方案

3.2.2 道路排水设施与周边的衔接

与城市水系衔接：城市水系是道路雨水排放的最终受体，具备雨水调蓄功能，包括湿塘、湿地、河流水系等。道路排水管网中的雨水经过城市水系的沉淀、过滤、净化作用后，可排入城市水系。

与城市绿地衔接：在干旱区域，道路雨水可直接进入城市水系中。而在暴雨多发地区，道路雨水需先经排水管流向调节塘，以削减峰值流量。随后，雨水再从排水口流向城市水系中沉淀、过滤、净化、存储。当雨水径流大于湿塘或雨水湿地的存储体积，则会排向下一个调蓄设施。

3.3 设计效果评价

3.3.1 模拟方法

为了验证海绵城市的设计效果，利用SWMM 模型（Storm Water Management Model）模拟了道路雨水的产汇流及下渗，具体流程如下[5]：①工程参数输入。启动SWMM 软件后，要先输入研究道路的名称、模拟日期等，并结合道路实际情况来调整默认参数；②对象绘制。将道路沿线的汇水区域划分成若干个子区，并生成排水管网；③模型运行。设置好模拟步长、运动模型等数据后运行软件模拟降雨及道路径流产生、汇集、下渗等；④结果查询。根据研究目标，可自动导出相应成果。

3.3.2 模拟结果

结合相关研究成果，以SWMM 模型计算出的市政道路路面淹没深度为指标来评价海绵城市道路的设计效果。当淹没深度为＜15 cm、15~30 cm、30~50 cm、＞50 cm 时，对应的内涝风险等级分别为无风险、低风险、中风险、高风险。在道路沿线取100 个路面淹没深度监测点，利用SWMM 模型计算了降雨重现期为10 年时各个内涝风险等级的占比，计算结果见图3。