基于海绵城市理念的市政既有道路改造施工技术探究

文／严志 湖南省岳阳市城乡建设事务中心 湖南岳阳 414000

引言：

随着城市化进程的加速，城市基础设施，尤其是市政道路面临着前所未有的挑战，包括水资源管理和环境保护等方面的问题。海绵城市理念应运而生，旨在通过模拟自然水循环，提高城市的可持续性和韧性。本文旨在探索和分析海绵城市理念下市政既有道路的改造施工技术，从而为城市雨水管理和生态恢复提供实用的解决方案。本研究着重于透水铺装、雨水花园、生物滞留设施以及地下蓄水与渗透系统的应用，旨在为城市基础设施的可持续发展提供指导和参考。

1.海绵城市理念与原则

1.1 自然水循环的模拟与应用

海绵城市的构想深植于自然水循环的高效模拟与应用之中。该模拟旨在通过工程技术和生态设计原理，达成城市水文循环与自然状态的最大程度的契合。在这一过程中，重点是实现降雨水的就地吸收、蓄存、渗透和净化，进而有效调控水流，减少径流。具体做法包括但不限于构建透水性路面、绿色屋顶系统、雨水花园以及其他低影响开发（LID）技术。

1.2 海绵城市的核心理念与目标

海绵城市的核心理念是实现城市与自然水循环的和谐共生。其目标不仅仅是简单的水资源管理，而是通过一系列综合措施，使城市在面对自然降水时更加“柔软”和适应性强，能够像海绵一样在必要时吸水、蓄水、渗水、净水，并在条件允许时释放或利用这些水资源。这一理念的核心是促进生态平衡、减少环境影响、提高城市的生态适应性和减灾能力。实现这一目标，需要从城市规划设计开始，充分考虑土地利用、生态保护、水资源管理和城市基础设施建设等多方面因素，综合运用生态工程技术，形成一个多层次、多元化的城市水管理新模式。

1.3 政策背景与实施框架

随着中国社会经济的快速发展和城镇化进程的加速，城市居住人口数量不断增加。然而，这一过程中不合理的城市规划和基础设施快速扩张不可避免地破坏了原有的城市自然排水系统，引发了包括“热岛效应”和“雨岛效应”在内的诸多城市生态环境问题。党的十八大以来，中央政府高度重视水安全和水环境问题，将水安全保障和水环境保护作为生态文明建设的重要内容。为应对城市洪涝等问题，改善城市水环境，修复城市水生态，中国提出了“海绵城市”发展战略，旨在实现雨水的“自然积存、自然渗透、自然净化”。然而，在海绵城市建设过程中存在诸多挑战。工程建设中普遍存在设计轻视、重视施工、监测缺失、维护不足等问题。暴雨冲刷所带来的颗粒物可能造成城市排水管道堵塞、积水，导致部分管渠系统功能单元损坏，引发内涝。同时，调蓄水、滞留水等区域若水质变坏，可能导致绿藻繁殖、形成黑臭水体。工业废水、生活废水等污染源也可能进入海绵城市工程，造成整个城市水系污染。因此，如何有效处理海绵城市建设后期的监控、管理不足，以及城市水资源的源头管控和数据化处理问题，成为制约海绵城市进一步发展的关键技术难题。

2.市政道路的现状与问题分析

2.1 市政道路水文特性

市政道路在城市水文循环中扮演着关键角色。由于大部分市政道路采用不透水硬质铺装材料，显著改变了城市地表的水文特性。首先，这类材料极大减少了雨水的地面渗透，导致了大量的地表径流。这种径流加速了雨水流向下水道系统，增加了洪水的风险，并可能导致排水系统超负荷运作。其次，由于这些路面材料的高热吸收性质，市政道路在晴朗日子会积聚热量，进而增强了城市热岛效应。这一效应不仅导致城市温度升高，还可能进一步影响城市的水循环，例如通过改变局部气候条件，影响降雨模式。

2.2 现有市政道路结构的环境影响

2.2.1 地表径流与污染物传输

现有市政道路多采用不透水材料，如混凝土和沥青，这导致雨水不能有效渗透地面，形成大量地表径流。这种径流不仅加剧城市内涝的风险，还携带各种污染物，如油类、重金属和悬浮颗粒物，进入城市排水系统。这些污染物最终可能进入河流、湖泊，对水生生态系统产生长期的负面影响。

2.2.2 道路排水系统的挑战

排水系统容量与极端天气适应性不足。当前城市道路排水系统通常设计基于历史降雨数据，但面对气候变化带来的极端天气事件，如暴雨、洪水，这些系统往往显得不够充足。排水系统的容量和设计标准未能适应更高频率和强度的降雨事件，导致在极端天气下容易发生内涝和排水不畅，对城市交通和居民生活造成严重影响。

污水与雨水混合排放问题。在许多城市，道路排水系统与污水系统是合流设计，即雨水和污水通过同一管网排放。这种设计在大雨时容易导致污水处理设施超负荷运转，甚至直接将未经处理的污水和雨水混合物排放到附近的河流或湖泊中，造成水体污染和生态破坏。此外，雨水中的污染物也通过这种方式进入自然水体，加剧了环境污染。

老旧排水设施的维护和升级难题。许多城市的排水设施设计有年代性，不仅在容量上不能满足当前的需求，而且维护和升级成本高昂。由于城市扩张和道路网络的不断增加，老旧的排水系统面临着更大的压力。这些系统的更新换代需要大量的资金和技术投入，同时施工过程可能对城市交通和日常生活产生影响。在资源有限的情况下，如何平衡升级改造和维护成本，是一个重大挑战。

3.海绵城市技术在市政道路改造中的应用

3.1 透水铺装技术

3.1.1 材料选择

在选择透水铺装材料时，需要考虑材料的渗透率、强度、耐久性和环境适应性。常见的透水材料包括透水混凝土、透水沥青、透水砖和透水瓦。例如，透水混凝土的渗透率通常在300-600mm/h 之间，适合高强度和高渗透性要求的应用。材料选择还应考虑地区气候、交通负荷和维护成本。

3.1.2 设计原则

透水铺装设计应遵循以下原则：

渗透性与强度的平衡：设计时需确保材料具备足够的渗透性以促进雨水渗透，同时保持足够的承载能力和耐久性。

水文条件考量：应基于当地的降雨模式和地下水状况设计透水铺装系统。例如，在年降水量500-800mm 的地区，设计时应考虑较高的雨水渗透和储存能力。

生态环境融合：透水铺装设计应与周围的生态环境相协调，如通过配合植被种植，增强地面水和土壤的互动。

系统整体性：透水铺装应与城市排水系统相结合，确保在大流量降雨事件中仍能有效工作。

3.1.3 实施方法

地基处理：首先需确保地基的平整和稳定性。适当厚度的基底层（通常为15-30cm）对于确保透水铺装的性能至关重要。

材料层施工：透水材料的铺设需严格按照制造商的规格进行。例如，透水混凝土层的厚度通常设置在15-20cm 之间，以确保既有良好的渗透性又能承受交通负荷。

排水设计：透水铺装下方应设有排水层，以便在雨水无法完全通过铺装层渗透时，能够有效地排走多余的水分。排水层的设计通常基于最大预期降雨量和地面渗水速率进行。

地表处理与边界设计：在铺设前，地表需平整至±2%的坡度，确保雨水分布均匀，避免积水。透水铺装边界与非透水表面交界处应增设宽度约30cm 的稳定化边缘带，以防止水流冲刷和侵蚀。

排水系统与紧急溢流路径：设计紧急溢流路径时，侧向排水沟的宽度和深度应根据预期最大降雨量（如100 年一遇的降雨量级）进行设计。对于地下管道，直径至少应为150mm，以确保在极端降雨条件下快速排放过量水分。

下层材料的选择与铺设：选用的粗粒材料（如碎石）粒径应在20-40mm 范围内，以保证良好的排水性能。下层材料的厚度根据地下水位和土壤类型调整，一般在30-50cm 之间，以确保足够的承载力和排水能力。

对接口与连接部分的特殊处理：接缝材料应选择高弹性和耐候性材料，如聚合物改性沥青，以适应温度变化和机械应力。在透水铺装与建筑物底部接口处，应增加宽度约20cm 的加强带，以防止渗水和结构损坏。

3.2 雨水花园与生物滞留设施

3.2.1 设计

尺寸与位置：雨水花园的尺寸应根据收集区域的大小和预期降雨量计算。一般情况下，雨水花园的面积应占其排水区域面积的5-7%，深度约为30-60cm。

土壤与植被选择：土壤应具有良好的渗透性，一般建议使用含有30-50%的沙质土壤。植被选择应考虑本地气候和水文条件，采用耐水涝和本地化的植物。

排水设计：在雨水花园底部设置至少30cm 厚的砾石层，以确保良好的排水性。排水出口的设计应保证在超过处理能力的降雨事件中能够安全溢流。

3.2.2 施工

挖掘与土壤处理：挖掘深度应确保足够的容积以存储预计的雨水量。挖掘完成后，底部和侧壁需松散处理，以提高土壤渗透性。

砾石层和过滤层铺设：在底部铺设厚度约30cm 的粗砾石层，上面覆盖一层约20-30cm 的过滤层（如细沙层），以防止土壤流失并提高水质。

植物栽植与边界处理：根据设计选择的植物进行栽植，植物间距应根据其成熟大小调整。边界部分可采用石头或木材围栏加以固定，以增强结构稳定性。

灌溉与维护系统：初始阶段可能需要额外的灌溉以促进植物生长。设立定期维护计划，包括除草、修剪和检查排水系统。

3.2.3 维护

常规检查：定期进行视觉检查，确保雨水花园的结构完整无损害，排水系统畅通无阻。检查周期可以设为每季度一次。

植物管理：定期对植被进行修剪和维护，移除枯死和病害植物。根据植物的生长情况，每年至少进行一到两次的维护工作。

土壤与排水层维护：检查并清理排水层中的沉积物，以保持良好的渗透性。如果发现土壤过度紧实或排水性能下降，可能需要重新翻松或更换部分土壤。

积水处理：在连续降雨后，检查是否有长时间的积水情况。如果积水超过48 小时仍未排干，需要检查排水系统是否存在堵塞或损坏。

冬季管理：在冰冻地区，需要特别注意冬季的维护，包括清除雪堆和防止盐类融雪剂的污染。

3.3 地下蓄水与渗透系统

3.3.1 技术原理

蓄水原理：地下蓄水系统通过在地下建设蓄水设施（如蓄水池、蓄水管或蓄水砾石层），捕获和储存雨水。这些设施的容积设计通常基于区域的年均降雨量和峰值降雨强度，例如，在年均降雨量800mm、峰值降雨强度50mm/h 的区域，设计蓄水容量可能需达到每平方米地表面积100L。

渗透原理：地下渗透系统通过渗透层（如透水混凝土或砾石层）使雨水渗入地下，补充地下水。这一过程同时通过土壤层的自然过滤作用净化水质。

水质管理：地下蓄水设施常配备过滤系统，如沙滤层或生物膜，以去除悬浮颗粒和部分污染物。

3.3.2 设计标准

蓄水能力：地下蓄水设施的设计应考虑最大降雨事件和连续降雨周期，确保有足够的蓄水能力[1]。例如，在设计时可能需考虑连续5 天的降雨总量，并在此基础上增加20%的安全余量。

渗透率：地下渗透层的渗透率应满足地区降雨强度的要求。例如，在降雨强度为30mm/h 的地区，渗透层的设计渗透率应不低于50mm/h。

结构稳定性：地下蓄水设施应具有足够的结构强度，以承受地下压力和交通负荷。针对不同的地质和土壤条件，蓄水设施的设计需进行地质适应性评估。

3.3.3 施工细节

地点选择与准备：选定地点应考虑地质条件、地下水位和周边环境。施工前进行地质勘探，确保选址适宜，如土壤透水性、承载能力等。

挖掘与基础建设：按照设计图纸进行挖掘，深度和宽度需精确控制。施工时需注意防止对周边地区的水文和结构稳定性造成影响。

蓄水层铺设：蓄水层的材料一般包括高强度塑料模块、碎石或专用蓄水板材。铺设时应保证层间连接牢固，避免渗漏。

过滤层和保护层：在蓄水层上方铺设一层过滤材料（如非织造布）以防止细颗粒进入。然后覆盖一层保护层（如土壤或砂层），以保护下方结构。

管道连接与排水设计：确保管道连接正确并安装排水阀门。排水管道的直径和布局应根据设计标准和计算的排水量来确定。

4.施工技术的实践与管理

4.1 施工过程中的问题诊断与解决策略

4.1.1 问题诊断

在施工过程中，可能会遇到各种问题，如设计与实际地形不匹配、材料供应问题、施工技术挑战或环境保护要求。例如，地下蓄水系统可能因地下不明管线、土壤条件或地下水位的变化而需要调整设计。海绵城市设施在施工过程中可能面临排水不足或过度积水的问题，尤其在极端天气条件下。在透水铺装施工中，可能出现铺设不均或渗透效率不达标的问题。

4.1.2 解决策略

在项目前期，利用海绵设施模拟系统对试点项目预先设置的LID（低影响开发技术）进行数学模拟。这一模拟有助于分析雨水管控设施调控后的降雨径流情况，并与现状传统开发下的径流情况进行对比分析。通过这种方式，可以直观看到LID 对项目区域雨水的调控作用，并对年径流总量控制率、污染物控制率进行定量、定性分析，辅助完成海绵城市报告计算书。

试点项目完成阶段，对外排雨水（市政口）的水量、流速及水质实时监控，并上传至实时监测系统。已建好的模拟模型利用实时监测数据进行率定和验证，调整模型参数。通过典型降雨的监测数据进行累计分析，以验证雨水管控设施达到设计要求[2]。

对于施工过程中的技术和环境问题，建立一个快速响应机制，包括现场问题诊断、专家咨询和快速解决方案制定；对于材料和施工技术问题，可通过引入更先进的材料和技术，或调整施工方案来解决。例如，透水铺装中出现的问题可以通过调整材料配比或施工工艺来解决[3]。

4.2 施工质量与安全管理

4.2.1 施工质量管理

质量管理的关键在于确保所有施工活动符合设计规范和工程标准。这包括对所有使用的材料进行质量检验，确保它们满足项目要求，如透水性、耐久性和环境适应性。实施定期的现场检查和监督，确保施工过程遵循设计图纸和技术规范，特别是在关键施工阶段，如地下蓄水层的铺设、透水铺装的安装等。强化施工团队的技能培训和意识提升，确保每位工人都了解其工作对整个项目质量的影响[4]。设立一个有效的质量反馈和纠正机制，一旦发现质量问题，立即进行纠正，并采取措施防止其再次发生。

4.2.2 安全管理措施

在施工现场实施严格的安全标准和规程，包括定期的安全培训和教育，确保所有工人了解并遵守安全操作规程。使用适当的安全设备和防护措施，如安全帽、防护网、警示标志和围栏，尤其在开挖和高空作业时[5]。设立应急响应计划，以应对可能发生的事故，如工地意外、自然灾害等。这包括事故预防措施、紧急撤离路径和急救设施。定期进行安全检查，识别潜在的风险和隐患，并采取预防措施，确保施工现场的安全[6]。

结语：

海绵城市理念的实施对于提高城市的生态性能和水资源管理效率具有重大意义。本文对市政既有道路改造施工技术进行了全面的分析和讨论，提出了一系列切实可行的技术方案和管理策略。通过实施这些技术，不仅可以有效地管理雨水，减少洪涝灾害，还可改善城市的生态环境，提升城市生活质量。未来，随着技术的进一步发展和实践的深入，海绵城市理念将在城市可持续发展中发挥更加关键的作用。