基于海綿城市理念的道路排水設計要點分析

張軍鈞

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210017）

0 引言

隨著我國城市的發(fā)展，城市內澇災害的大部分原因是城市化改變了區(qū)域原有的下墊面類型，增加了不透水區(qū)域，改變了原有的水文效應。我國城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)的原有設計標準偏低，加上原有的重建輕管，重地上輕地下的建設理念，缺乏維護管理管網(wǎng)，原有管網(wǎng)淤積老化嚴重，不能完全發(fā)揮管網(wǎng)系統(tǒng)的功能。此外，隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，城市化的進程也隨之加快，原來的草地、林地等透水地表以及濕地、湖泊、池塘等自然調蓄設施被硬化設施所取代，管網(wǎng)系統(tǒng)承擔的壓力增加。人為因素加上自然因素的綜合影響，城市一旦遭受暴雨襲擊，常常造成嚴重的內澇災害。如果能利用現(xiàn)代數(shù)值模擬技術，對管網(wǎng)系統(tǒng)進行水力模擬，并對可能造成的內澇災害進行風險評估，對幫助城市積極應對暴雨襲擊有非常重要的意義。也可以更加經(jīng)濟高效地評估管網(wǎng)系統(tǒng)的承載能力，為現(xiàn)狀管網(wǎng)的優(yōu)化改造提供科學合理的根據(jù)。

1 工程概況

佛山市某市政道路位于順德區(qū)南部，起點起點接順創(chuàng)路交叉口（已完成），終點接規(guī)劃馬海大道，紅線寬60m，全長1.427km。道路采用雙向六車道標準，設計速度60km/h；輔路采用雙向四車道標準，設計速度40km/h。

全線均采用整體式路基斷面，標準路基寬度60m，斷面組成：2.5m（人行道）+2.0m（自行車道）+1.5m（樹池）+8.0m（輔路）+2.0m（側綠化帶）+12.0m（機動車道）+4.0m（中央分隔帶）+12.0m（機動車道）+2.0m（側綠化帶）+8.0m（輔路）+1.5m（樹池）+2.0m（自行車道）+2.5m（人行道），路拱橫坡為2%。

2 現(xiàn)狀分析

擬建場地沿線周邊場地總體較為空曠，場地跨越數(shù)條河涌，僅現(xiàn)狀四鄉(xiāng)路段有少量地下管線分布，周圍環(huán)境相對較簡單。地勢平坦，屬于海陸交互相沖積平原地貌，地勢高程范圍為2.93m~6.88m。根據(jù)其賦存介質的類型，場地地下水主要有三種類型：上部填土、黏性土中的孔隙型潛水，下部砂層中孔隙型潛水及基巖裂隙水?？辈炱陂g測得孔內初見水位埋深為0.70m~1.80m，平均埋深為1.12m，初見水位高程為0.90m~2.87m，平均高程為1.73m；鉆孔終孔24h以后，測量孔內地下水位，靜止水位埋深為0.90m~2.97m，平均埋深為1.32m，高程為0.88m~2.49m，平均高程為1.53m。土壤滲透性較差，自然下滲條件一般，采用低影響開發(fā)措施時須對下墊層進行改良。

3 設計原則

利用海綿城市理念進行排水工程系統(tǒng)設計，主要達到削減雨量徑流，凈化雨水，增加下滲量，涵養(yǎng)地下水等目的[2]。

4 設計標準

4.1 排水管道設計標準

道路設計降雨重現(xiàn)期取5a。

4.2 年徑流總量控制率

該道路寬度為60m，根據(jù)《佛山市海綿城市建設交通基礎設施技術指引（試行）》中交通基礎設施海綿城市規(guī)劃設計目標，雨水年徑流總量控制率為50%，即13.5mm雨量不外排，見表1。

表1 交通基礎設施項目海綿城市規(guī)劃指標

5 設計計算

5.1 佛山市順德區(qū)單一暴雨強度公式

5.2 海綿措施調蓄體積

式中：V為設計調蓄容積，m3；H為設計降雨量，取值13.5mm；φ為綜合雨量徑流系數(shù)；F為匯水面積，hm2。

5.3 透水鋪裝計算有效雨水存儲量

式中：Vp為透水鋪裝有效雨水存儲量，m3；Dp、Dc分別為透水墊層和透水面層厚度，m；θp、θc分別為透水墊層和透水面層孔隙率；Lpmax為透水鋪裝隔斷長度，m；Wp為透水鋪裝寬度，m。

6 排水系統(tǒng)設計方案

6.1 下墊面徑流系數(shù)計算

根據(jù)《室外排水設計標準（GB50014—2021）》、《建筑與縣區(qū)雨水控制及利用工程技術規(guī)范（GB50400—2016）》中不同用地性質的綜合雨量徑流系數(shù)取值：瀝青路面（硬質道路）及路緣石取值0.8；綠地取值0.15；透水鋪裝地面取值0.36。通過計算，項目雨量徑流系數(shù)為0.658。新建道路下墊面具體計算見表2。

表2 新建道路下墊面計算

6.2 排水系統(tǒng)設計

6.2.1 匯水分區(qū)合理劃分

根據(jù)下墊面分析，雨水管道徑流系數(shù)取值0.7，雨水重現(xiàn)期取值5a。道路雨水采用雙側布管方式，布設在道路輔道內。根據(jù)該項目相交河涌情況結合道路豎向，合理劃分匯水分區(qū)，共設置6個匯水分區(qū)，如圖1所示。

圖1 匯水分區(qū)示意圖

通過計算，匯水分區(qū)內雨水管道設計管徑(單位：mm)為d600~d1200，設計管坡為1‰~3‰，經(jīng)過計算，管道設計最大流量為2523.7L/s，基本滿足5a暴雨重現(xiàn)期下超標雨水排放需求。

6.2.2 雨水徑流組織

車行道范圍內雨水經(jīng)路緣石開口流入側分帶下沉式綠化隔離帶，采取生物滯留措施對雨水滯蓄、下滲作用起到控制雨量徑流作用，超標雨水則通過溢流雨水口排入雨水管道內；人行道及自行車道采用全透水方式，雨水就地下滲，輔道雨水通過樹池路緣石開孔流入生態(tài)樹池，經(jīng)過綠植種植土滯蓄后經(jīng)盲管排入雨水管道內，兩者超標雨水則通過生態(tài)樹池溢流管直接進入雨水管道內外排[3]。

6.2.3 年徑流總量控制率計算

該項目雨水年徑流總量控制率指標為50%，即13.5mm雨量不外排。采用容積法進行計算，道路整體所需理論調蓄容積為783m3。項目采用生態(tài)樹池、下沉式綠化分隔帶、透水鋪裝等低影響開發(fā)措施調蓄體積，設計選用下沉式綠化分隔帶蓄水高度為250mm，生態(tài)樹池蓄水高度為200mm，透水鋪裝調蓄容積經(jīng)計算后忽略不計。結合各分區(qū)下墊面分布情況，平衡各分區(qū)指標，通過計算得出設計調蓄容積為786.68m3，對應的設計降雨量為13.56mm，對應年徑流總量控制率為50.1%，基本達到指標要求。項目設計范圍年徑流總量控制雨量平衡后實際完成值見表3。

表3 項目設計范圍年徑流總量控制雨量平衡后實際完成值

6.2.4 面源污染去除率計算

徑流污染控制是低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)的控制目標之一，既要控制分流制徑流污染物總量，也要控制合流制溢流的頻次或污染物總量。結合城市水環(huán)境質量要求、徑流污染特征等確定徑流污染綜合控制目標和污染物指標，一般城市徑流污染物中，SS往往與其他污染物指標具有一定的相關性，因此，一般可采用SS作為徑流污染物控制指標。年SS總量去除率=年徑流總量控制率×低影響開發(fā)設施對SS的平均去除率。采用全透性鋪裝，下沉式綠化分隔帶（復雜型生物滯留設施）等低影響開發(fā)措施作為海綿城市措施，其污染物去除率（以SS計，%）取值分別為90%和85%，根據(jù)各分區(qū)下墊層情況，通過計算，該項目總體年SS總量去除率約為38.2%，基本滿足指標要求。

6.2.5 引導性目標計算

根據(jù)《佛山市海綿城市建設交通基礎設施技術指引》（試行）要求，該項目另有兩項引導性目標，即綠化帶下沉植被草溝建設比例和人行道/自行車道透水鋪裝比例。

該項目研究范圍內側綠化帶及樹池內綠化總面積為3870.61㎡，下沉式綠化帶凈面積為3155.89㎡，應扣除橋涵處不下沉側綠化帶凈面積32.05㎡，樹池面積為682.67㎡，下沉式綠地率經(jīng)計算為99.2%（中分帶面積不考慮下沉范圍）。道路鋪裝總面積為16739.07㎡，人行道、自行車道采用透水鋪裝，透水總面積為15940.06㎡，扣除橋涵位置人行道+自行車道不透水路面面積284.21㎡和路緣石面積為514.8㎡外，人行道、非機動車道透水鋪裝率為95.2%。

兩者指標均滿足相關要求。

7 海綿城市設施設計

7.1 人行道/自行車道透水路面結構

人行道采用5cm灰色透水磚+2cm中粗砂+15cm透水混凝土+10cm未篩分碎石基層。透水磚的透水系數(shù)不應小于1.0×10-2cm/s，防滑性能（BPN）不應小于60，耐磨性不應大于35mm，抗壓強度平均值≥40MPa，單塊最小值≥35MPa，抗折強度平均值≥5MPa，單塊最小值≥4.2MPa。

自行車道采用6cm透水砼+15cm透水混凝土+10cm未篩分碎石基層。透水混凝土采用高強度等級的硅酸鹽水泥，孔隙率為15%~21%。

7.2 路緣石開口

為將機動車道雨水匯入雨水樹槽及下沉式綠化分隔帶內，須將路緣石進行開口。每座生態(tài)樹池設置一處開口，下沉式綠化分隔帶每隔30m連續(xù)設置兩處開口。該項目開口形式為圓形透水孔，孔徑10mm，間隔12.5mm布置，透水孔下邊緣與路面高度齊平。經(jīng)水力校核，單孔最大過流量為3.8L/s，過孔流速為0.48m/s，單處路緣石開口收集雨水流量滿足服務面積范圍內5a暴雨重現(xiàn)期雨水匯入要求。

7.3 下沉式綠化分隔帶

下沉式綠化分隔帶自上而下為蓄水層、種植土層、填料層、礫石層。蓄水層：高度H取250mm；種植土厚度考慮種植喬木，取值1000mm，一般由砂、堆肥和壤質土混合而成，滲透系數(shù)≥1×10-5m/s；填料層：砂層，滲透系數(shù)不小于150mm/h，厚度為350mm，下鋪透水土工布，防止土壤顆粒進入礫石層。礫石層：直徑≤50mm的礫石，厚度為200mm，底部埋置DN200mm導流盲管，滲濾的雨水由導流盲管收集進入雨水系統(tǒng)。礫石層上方包裹土工布，下包防滲膜，將雨水盡快排入雨水管道；防滲膜規(guī)格為200g/m2，斷裂強度≥14kN/m，CBR頂破強力≥2.5kN，耐靜水壓0.4MPa。圖3為下沉式綠化分隔帶具體做法。

7.4 生態(tài)樹池

生態(tài)樹池自上而下為蓄水層、種植土層、礫石層。蓄水層：高度H取200mm；種植土厚度取1500mm，采用素土回填，要求滲透系數(shù)≥1×10-5m/s；礫石層做法與下沉式綠化分隔帶基本一致。每個樹池內設置一道DN200溢流管，管口與蓄水層水位高度一致，底部與盲管連通，用于排放超標雨水。

7.5 溢流雨水口

下沉式綠化分隔帶內每隔30m布置溢流雨水口，溢流口標高高于下沉式綠化分隔帶頂部0.2m，超標雨水溢流至雨水管網(wǎng)，溢流口標高低于機動車道路面標高0.1m，泄水能力達到50L/s，與傳統(tǒng)聯(lián)合式雙箅雨水口理論泄水能力一致，能有效保障道路排水安全，圖4為溢流雨水口示意做法。

圖2 透水鋪裝示意圖

圖4 溢流雨水口示意圖

8 水安全模型驗算

根據(jù)《佛山市海綿城市專項規(guī)劃》中內澇防治標準：30年一遇24h設計暴雨1d排完，項目采用水力模型對設計雨水管網(wǎng)進行水安全模擬分析。采用芝加哥雨型，導入道路豎向、管網(wǎng)、低影響開發(fā)措施，河道30年一遇洪水位數(shù)據(jù)等信息，根據(jù)匯水分區(qū)，按照內澇防治標準對超標雨水進行排放模擬。結果表明設計范圍內路面無明顯積淹水情況發(fā)生，管道無冒水現(xiàn)象，沒有內澇風險發(fā)生。該項目采用的低影響開發(fā)措施結合超標雨水管網(wǎng)排放系統(tǒng)，能夠滿足內澇防治排放要求。

9 結語

該文以佛山市某市政道路為研究區(qū)域，構建研究區(qū)域的排水模型?；贗nfoWorksICM建立的模型，以模型的計算結果為依據(jù)，對該市政路的排水管網(wǎng)系統(tǒng)和排水能力進行評估?；诜鹕绞斜┯陱姸裙胶椭ゼ痈缬晷?，結果表明該工程的管網(wǎng)排水能力充足，能滿足30年一遇暴雨的校核要求。