海綿城市低影響開發(fā)施工對雨水徑流的影響

談文晶

(上海公路橋梁(集團(tuán))有限公司， 上海 200433)

海綿城市從字面上理解指城市像海綿一樣吸收水分，隨著城市的大量出現(xiàn)，淡水資源減少、水污染、溫室效應(yīng)等環(huán)境問題的顯現(xiàn)，美國在1972年就對非點(diǎn)源水污染控制提出最佳管理措施，到1990年在此基礎(chǔ)上發(fā)展低影響開發(fā)(LID)[1]。美國的綠色街道巧妙地將道路綠化融入到街道雨水的管理中，街道幾乎全年的徑流量都可以通過生態(tài)系統(tǒng)控制[2]。2013年習(xí)主席提出要大力發(fā)展海綿城市，對海綿城市的建設(shè)計(jì)劃到2020年，城市建成區(qū)20%以上的面積達(dá)到海綿城市的目標(biāo)要求；到2030年，城市建成區(qū)80%以上的面積達(dá)到目標(biāo)要求。上海全市計(jì)劃到2020年，基本形成生態(tài)保護(hù)和低影響開發(fā)雨水技術(shù)與設(shè)施體系，試點(diǎn)區(qū)域年徑流總量控制率不低于80%。2019年上海第一個(gè)海綿城市公園蘆潮港公園建成，其園區(qū)內(nèi)水全部采用內(nèi)循環(huán)，再回流至景觀湖泊，不會(huì)增加城市管網(wǎng)負(fù)擔(dān)。也預(yù)示著上海已經(jīng)在海綿城市的建設(shè)方面取得了一定的成績。本文對虹梅南路-金海路通道(虹梅南路段)路面工程、臨港新城B42市政道路及配套工程兩個(gè)項(xiàng)目在海綿城市實(shí)際施工過程中對雨水循環(huán)的影響進(jìn)行了研究。

1 虹梅南路-金海路通道(虹梅南路段)路面工程案例分析

1.1 項(xiàng)目概況

虹梅南路-金海路通道(虹梅南路段)路面工程北起中環(huán)立交北側(cè)，沿虹梅南路向南至閔行區(qū)永德路北側(cè)高架接地與虹梅南路-金海路越江隧道相接，全長10.89 km。全線高架道路采用城市快速路標(biāo)準(zhǔn)，將在上海南部的交通網(wǎng)路中起到分流作用，成為除莘莊立交、滬閔高架之外的又一條功能強(qiáng)大的西南入城通道，局部緩解閔行的交通擁堵。此次施工選用新材料OFGC-13混合料，在混凝土橋面、高架入地段與高架中環(huán)接順段使用OGFC瀝青攤鋪。

OGFC全稱Open Graded Friction Course(大孔隙開級配排水式瀝青磨耗層)，其特點(diǎn)是能迅速從內(nèi)部排走路表雨水，具有抗滑、降噪的特性。

1.2 路面材料比較

通過選用3種混合料進(jìn)行對比：AC-13混合料選用A-70基質(zhì)瀝青進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)、SMA-13混合料選用廢橡塑改性瀝青進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)、OGFC-13混合料選用同舟高粘改性瀝青進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。粗集料選用10～15 mm和5～10 mm的輝綠巖，細(xì)集料選用0～5 mm的石灰?guī)r，填料選用細(xì)磨石灰?guī)r礦粉。設(shè)計(jì)結(jié)果見表1。從表1設(shè)計(jì)結(jié)果看，OGFC-13與AC-13、SMA-13比較，顛覆原瀝青路面的性能，孔隙率大，為其他兩種材料的5倍，有較大的滲水性。OGFC-13油石比最低，材料粘度最高，所需壓實(shí)溫度最高。從AC-13與SMA-13數(shù)據(jù)分析，礦料間隙率與壓實(shí)溫度成正比，礦料間隙率越高所需壓實(shí)溫度越高， OGFC-13空隙大，其所需壓實(shí)溫度高。

表1 混合料配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

1.3 實(shí)測壓實(shí)穩(wěn)定性比較

實(shí)測壓實(shí)穩(wěn)定性參數(shù)見表2。從表2可以看出，最佳壓實(shí)溫度OGFC-13>SMA-13>AC-13，所對應(yīng)的剪切力AC-13>OGFC-13>SMA-13，SFI剪切力的大小是混合料抵抗壓實(shí)的摩擦力大小的表征。摩擦力越小，則壓實(shí)過程所需的剪切力越小，混合料試件越容易壓實(shí)。由此可知，壓實(shí)穩(wěn)定性SMA-13>OGFC-13>AC-13，但是SMA-13與OGFC-13的最佳壓實(shí)溫度對應(yīng)的粘度都不符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)0.28 Pa·s，但是OGFC-13熱拌對應(yīng)的粘度與標(biāo)準(zhǔn)相差較小，熱拌OGFC-13較穩(wěn)定。

表2 SFI極小值對應(yīng)的最佳壓實(shí)溫度

1.4 施工部位分析

施工部位路面材料見表3。從表3看出，OGFC-13新型材料施工的主要部位是高架橋面及高架與地面接口部位，都與地面存在一定的高度差，與地面形成一定的坡度，可以避免路面中層長期存水，有利于雨水排出。

表3 各施工部位路面材料成分

1.5 滲水系數(shù)分析

按照J(rèn)TG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求對高架OGFC-13瀝青砼路面進(jìn)行實(shí)測，采用路面滲水儀(d=220 mm)測量，抽取其中8個(gè)滲水系數(shù)數(shù)據(jù)分析(見表4)。從表4可以看出，滲水實(shí)測值都高于設(shè)計(jì)值900 ml/min，取平均值988 ml/min滲水系數(shù)，換算成降雨量：

滲水量 988 ml/min=9.88×105mm3/min

底面積S=πr2=3.14×1102=3.8×104mm2

透水系數(shù)：

V(滲水體積)/S(底面積)

=9.88×105/(3.8×104)mm/min

=26 mm/min=1560 mm/h

與最大暴雨紅色預(yù)警3小時(shí)內(nèi)降雨量達(dá)100毫米以上比較，理論上可以滿足最大暴雨降水的下滲要求，但是考慮到實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，還有考慮到使用過程中，路面的灰塵及塵土等多種因素，隨著時(shí)間的遞增，孔徑會(huì)由于多種因素減小，需要設(shè)置排水管網(wǎng)結(jié)合排水。

表4 高架路面OGFC-13滲水系數(shù)匯總表

1.6 水循環(huán)路徑比較

透水瀝青路面水循環(huán)路徑：如圖1所示，雨水通過透水瀝青路面下滲至防水層。由于粘層的作用，雨水不再向下入滲而是在排水層底形成蓄積，由于路面坡度的原因，雨水在排水層中橫向流動(dòng)，形成橫向的滲流，排入集水管[3]。隨著降雨的持續(xù)，普通瀝青路面由于表面徑流過大，導(dǎo)致城市洪澇災(zāi)害，新建OGFC-13路面由于孔徑較大，雨水可從透水路面直接下滲，經(jīng)過透水路面排出，也有利于雨水的收集利用。研究發(fā)現(xiàn)道路徑流中20% 初期徑流污染負(fù)荷占整場降雨污染負(fù)荷的80% 左右。道路初期徑流直接排放進(jìn)入水體，易造成嚴(yán)重的城市水環(huán)境污染問題，甚至破壞水生態(tài)[4]。透水瀝青路面對于雨水能起到部分懸浮物過濾的效果[5]。

圖1 排水路面結(jié)構(gòu)圖

2 南匯新城B42路(C1-C4)市政道路及配套工程案例分析

2.1 項(xiàng)目概況

臨港新城是上海首個(gè)國家級海綿城市建設(shè)試點(diǎn)地區(qū)，其海綿城市建設(shè)包含生態(tài)保護(hù)、生態(tài)修復(fù)、低影響開發(fā)三大類途徑。南匯新城B42路(C1-C4)市政道路及配套工程也是海綿城市建設(shè)項(xiàng)目其中之一。

臨港新城B42道路是一條由環(huán)內(nèi)向環(huán)外(向正北)的射線狀道路，工程設(shè)計(jì)的范圍從C1道路至C4(滬城環(huán)路)道路，全長約2.61 km。海綿城市的施工主要涉及道路工程、綠化工程和排水工程，建設(shè)低影響開發(fā)設(shè)施(透水路面、雨水花園)，對道路內(nèi)的雨水進(jìn)行控制。

2.2 人行道透水鋪裝施工

如表5所示，為了便于雨水下滲，人行道路面結(jié)構(gòu)全部采用透水性材料鋪設(shè)，面層鋪設(shè)透水系數(shù)0.1 mm/s透水磚，中砂找平，C20透水混凝土墊層，下鋪級配碎石可保持部分水分，考慮到臨港地區(qū)特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)，為了防止地下水回流，級配碎石與路基層之間鋪設(shè)防滲土工布。在基層素土夯實(shí)層，鋪設(shè)軟式透水管，地面下滲的雨水最后通過軟式透水管排入雨水管網(wǎng)。軟式透水管整體由鋼絲支撐，外敷合成聚酯纖維，其內(nèi)部含有過濾層，防腐蝕、彈性強(qiáng)(抗壓)、反濾，可以在道路內(nèi)部形成排水通道。

表5 人行道路面結(jié)構(gòu)材料

2.3 機(jī)非分隔帶雨水花園施工

雨水花園是人工挖掘的淺凹綠地，種植灌木、花草，形成小型雨水滯留入滲設(shè)施，可收集來自地面的雨水，利用土壤和植物的過濾作用凈化雨水，暫時(shí)滯留雨水凈化后緩排。

雨水花園結(jié)構(gòu)如圖2所示，填充物分別由礫石過濾層、中粗砂過濾層、種植介質(zhì)層和軟木組成。雨水花園下設(shè)φ100透水軟管，透水管需用長絲土工布包裹后使用，防止污染物進(jìn)入透水管造成堵塞。雨水花園底部加設(shè)防滲膜，防止地下水反滲入雨水花園。每層級配填料之間鋪設(shè)土工布，防止各層物質(zhì)混合，也可以有效地隔離污染物。

雨水花園各結(jié)構(gòu)層內(nèi)有空隙，空隙率見表6，可滯蓄部分雨水。種植土采用40%粗砂+40%原土+20%椰糠進(jìn)行配比，土壤入滲率達(dá)到100 mm/h。最初落下的雨水混合空氣中的污染物，主要成分為SS(懸浮物)，原土可以對雨水中的污染物起到過濾作用。

圖2 雨水花園結(jié)構(gòu)圖

表6 各結(jié)構(gòu)層空隙率

種植土中的植物應(yīng)選擇抗旱、耐濕，根系發(fā)達(dá)，凈化能力強(qiáng)及景觀效果好的[6]。

雨水花園溢水口必須要高出最上層覆蓋層，不能持平。原先的施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)安裝平蓖式雨水口，但是實(shí)際施工中，平蓖式雨水口占用雨水花園面積過大，并且與上層覆蓋層持平，污染物會(huì)更容易進(jìn)入雨水口，造成上層物質(zhì)的流失，也容易造成溢流口堵塞。

2.4 雨水徑流路徑分析

本工程實(shí)行了雨污分流，雨水排水采用圩區(qū)排水模式，雨水自流就近排入春漣河，自流排水與內(nèi)河調(diào)蓄相結(jié)合[6]。污水經(jīng)轉(zhuǎn)輸后接入申港大道污水干管。申港大道污水干管經(jīng)主城5#污水泵站統(tǒng)一提升后接入兩港大道污水總管，最后進(jìn)入臨港污水處理廠，經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后外排。

雨水徑流過程如圖3所示，路面徑流通過側(cè)石開口流經(jīng)礫石緩沖帶進(jìn)入雨水花園，雨水花園滯留雨水下滲凈化后通過下部的透水軟管緩排至雨水口，當(dāng)雨水花園內(nèi)水位高于雨水口頂部標(biāo)高時(shí)，雨水溢流至雨水口。雨水口中通過雨水連接管將流入的雨水排至雨水井進(jìn)入雨水管道。

圖3 雨水徑流路徑

此工程雨水花園規(guī)格4.0 m×2.7 m設(shè)置217座，規(guī)格4.0 m×1.2 m設(shè)置78座，設(shè)計(jì)面積共2 718 m2。本工程道路紅線范圍內(nèi)85%降雨徑流面積總量為1 600 m2，雨水花園設(shè)施徑流控制總量為1 604 m2，能滿足85%雨水徑流控制率。

3 結(jié)論

低影響開發(fā)設(shè)施可以讓雨水通過透水材料下滲，能減少85%徑流量，減輕城市排水壓力，將雨水在透水結(jié)構(gòu)層中貯存，減少城市熱島效應(yīng)。污染物隨雨水進(jìn)入花園過濾，并可將其轉(zhuǎn)化成植物所需養(yǎng)分，有效利用城市雨水，減少水資源的浪費(fèi)。但后期的維護(hù)及透水材料的選用，都需注意避免造成設(shè)施的失效，更不能造成第二次污染。低影響開發(fā)設(shè)施并不能完全取代城市排水系統(tǒng)，需要結(jié)合使用，將收集的雨水合理貯存及利用。