白城市海綿型道路建設(shè)工程案例
項(xiàng)目規(guī)模：126hm2
竣工時(shí)間：2017年11月
1 項(xiàng)目基本情況
白城市海綿城市建設(shè)深入落實(shí)源頭滯滲、豎向控制、系統(tǒng)治理思路和技術(shù)路徑，創(chuàng)新形成高寒缺水地區(qū)一系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)做法。生態(tài)新區(qū)按照海綿城市理念指導(dǎo)建設(shè)，對(duì)新區(qū)所有道路進(jìn)行海綿化建設(shè)，探索形成了多種形式的“停車+雨水滯留凈化”相結(jié)合的生態(tài)道路，創(chuàng)新道路抗凍融和融雪劑做法、道路生態(tài)溝渠行泄通道做法，形成有效保障后期維護(hù)的生態(tài)措施標(biāo)準(zhǔn)做法。
1.1氣象與降雨條件
白城市地處中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，對(duì)白城站1983-2012年實(shí)測(cè)降雨量資料進(jìn)行分析，白城市多年平均降雨量410mm，年均蒸發(fā)量1678mm，是年均降雨量的4倍。白城降雨量年際變化較大，最大年降雨量1998年為726.3mm，最小年降雨量2001年為123mm。對(duì)月均降雨進(jìn)行分析，1月至5月累計(jì)降雨量占全年降雨量12%；10月至12月累計(jì)降雨量占全年降雨量5%；6月至9月累計(jì)降雨量占全年降雨量83%。
圖1 1983-2012年白城地區(qū)年降雨量情況圖
圖2 白城市年均降雨量與蒸發(fā)量
表1 白城市不同重現(xiàn)期不同歷時(shí)設(shè)計(jì)雨量
圖3 白城市20年一遇1440min設(shè)計(jì)雨型
圖4 白城市年徑流總量控制率與設(shè)計(jì)降雨量關(guān)系曲線
表2 白城市年徑流總量控制率與設(shè)計(jì)降雨量關(guān)系
項(xiàng)目位于白城市海綿城市建設(shè)試點(diǎn)區(qū)——生態(tài)新區(qū)，屬于規(guī)劃一河流域、鶴鳴湖流域，如圖5所示，海綿型道路總占地約126hm2，占生態(tài)新區(qū)試點(diǎn)區(qū)面積960hm2的13%。項(xiàng)目包含：1）多種形式的“停車+雨水滯留凈化”相結(jié)合的生態(tài)道路；2）抗凍融透水鋪裝與融雪劑棄流生物滯留組合道路；3）橫五路、縱十三路道路大排水通道。
圖5 項(xiàng)目分布及所屬流域情況
區(qū)域整體西北高、東南低，95%以上區(qū)域的坡度小于5%?？辈毂砻鳎瑓^(qū)域2m以內(nèi)表層土壤以雜填土和粉質(zhì)粘土為主，表層土壤滲透系數(shù)在400~600mm/d，2m以下為砂礫，滲透性好；地下水埋深為3~10m。
生態(tài)新區(qū)路網(wǎng)已形成，管網(wǎng)為雨污分流制，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為2年一遇。生態(tài)新區(qū)大部分地塊未開(kāi)發(fā)，現(xiàn)狀基本建成占地約100hm2的新城家園棚改回遷居住區(qū)及新區(qū)中學(xué)等，其余地塊已基本出讓。
2 問(wèn)題需求分析
2.1透水鋪裝凍融損害風(fēng)險(xiǎn)大，融雪劑使用損害雨水生態(tài)設(shè)施植物
北方城市冬季降雪量大，冬季多使用融雪劑進(jìn)行除雪，近些年，多采用機(jī)械除雪，但極端天氣情況下，依然會(huì)使用融雪劑。眾所周知，融雪劑會(huì)對(duì)道路綠化植物造成侵害，尤其是海綿型道路，含融雪劑的融雪徑流會(huì)順利排入道路下沉式綠化帶內(nèi)，更容易對(duì)植物產(chǎn)生影響。除了融雪劑，北方城市采用透水鋪裝還會(huì)遇到另一問(wèn)題，就是冬季融雪水進(jìn)入透水鋪裝結(jié)構(gòu)層，極易產(chǎn)生凍脹而破壞路面鋪裝。
2.2道路徑流污染問(wèn)題突出，源頭減排控制徑流污染需求大
區(qū)域內(nèi)規(guī)劃一河、鶴鳴湖主要水源為區(qū)域內(nèi)的徑流雨水，補(bǔ)水水源來(lái)自洮兒河灌渠，因此，徑流污染是水體首要污染源。由于生態(tài)新區(qū)雨水管渠末端排放口均為淹沒(méi)出流，無(wú)法實(shí)施末端截污凈化，因此，源頭減排成為控制徑流污染、保障下游水環(huán)境的重要手段，道路的徑流污染控制尤其重要。
2.3區(qū)域地形平坦，排水防澇風(fēng)險(xiǎn)高，超標(biāo)雨水蓄排系統(tǒng)構(gòu)建需求大
由于區(qū)域地形平坦，導(dǎo)致排水、排澇條件差，現(xiàn)狀雨水管渠末端排放口均為淹沒(méi)出流。且現(xiàn)狀下穿式立交橋區(qū)排水標(biāo)準(zhǔn)較高，需控制暴雨時(shí)高水匯入橋區(qū)。
結(jié)合片區(qū)整體豎向條件，選取適合的既有道路作為超標(biāo)雨水行泄通道，合理銜接規(guī)劃公園綠地、多功能調(diào)蓄水體，成為該片區(qū)超標(biāo)雨水蓄排系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵。
2.4項(xiàng)目借鑒意義
白城市位于北緯45°高寒地帶，特殊的氣候條件使得雨水技術(shù)在白城的應(yīng)用需解決以下難點(diǎn)：
1）透水鋪裝凍融損害風(fēng)險(xiǎn)大；
2）極端暴雪情況下，融雪劑的使用損害雨水生態(tài)設(shè)施植物；
3）道路雨水生態(tài)設(shè)施如何強(qiáng)化預(yù)處理、后期低維護(hù)；
4）如何在平原地形的不利情況下構(gòu)建超標(biāo)雨水蓄排系統(tǒng)，達(dá)到內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)。
以上問(wèn)題的解決使得項(xiàng)目具有較好的示范性，可為北方及其他地區(qū)海綿城市建設(shè)提供借鑒。
3 建設(shè)目標(biāo)
綜上分析，結(jié)合規(guī)劃一河流域、鶴鳴湖流域內(nèi)澇防治和水質(zhì)保障需求，根據(jù)《白城市海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃》，生態(tài)新區(qū)海綿型道路的建設(shè)目標(biāo)如下：
源頭減排目標(biāo)：年徑流總量控制率80%，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)降雨量20.6mm；
水質(zhì)控制目標(biāo)：年SS總量去除率50%；
雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期：2年一遇；
內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期：20年一遇。
4 設(shè)計(jì)方案及實(shí)施
4.1 多種形式的“停車+雨水滯留凈化”相結(jié)合的生態(tài)道路
白城市海綿城市建設(shè)創(chuàng)新道路斷面設(shè)計(jì)，新城區(qū)采用多種形式的“停車+雨水滯留凈化”相結(jié)合的生態(tài)道路。
圖6 不同形式的“停車+雨水滯留凈化”海綿型道路分布圖
表3 不同形式的“停車+雨水滯留凈化”海綿型道路表
新區(qū)道路目前有縱十三路、橫七路、橫十一路創(chuàng)新采用“斜向停車+生物滯留帶”組合形式，道路路面與停車位順接，坡向生物滯留帶，嚴(yán)格把控豎向，有效控制雨水徑流的同時(shí)解決部分停車問(wèn)題。
圖7 斜向停車+雨水花園典型做法
圖8 生物滯留帶進(jìn)水口前池
生態(tài)新區(qū)西輔路采用垂直停車+雨水花園做法。雨水花園做法與側(cè)向停車+綠帶形式相同。
圖9垂直停車+雨水花園典型做法
生態(tài)新區(qū)縱十二路、橫六路、橫九路、縱八路創(chuàng)新采用“平行停車+生物滯留帶”組合形式，嚴(yán)格把控豎向，停車位采用嵌草磚形式，組合設(shè)施用于滯蓄減排機(jī)動(dòng)車道和人行道雨水徑流。生物滯留帶前后各有碎石沉淀池，便于后期清淤維護(hù)，中間設(shè)置有矩形齒擋水堰，為更好的蓄滲雨水徑流及污染控制。
圖10 橫向停車+雨水花園典型做法
圖11 生物滯留帶前池做法
為解決融雪劑和凍融技術(shù)難題，白城市聯(lián)合科研單位，創(chuàng)新研發(fā)了道路雨水與含融雪劑融雪徑流生態(tài)處理與抗凍融透水鋪裝組合系統(tǒng)集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了道路融雪徑流和初期雨水的優(yōu)先滲濾凈化與排放，并選擇適合本地生長(zhǎng)的抗堿性強(qiáng)的植物，解決了融雪劑侵害雨水生態(tài)設(shè)施植物的問(wèn)題；采用“面層透水磚/縫隙透水+變形縫、基層導(dǎo)排水”做法，解決了高緯度、高寒地區(qū)透水鋪裝凍脹破損問(wèn)題。目前生態(tài)新區(qū)橫一路、橫五路、橫八路、橫十路、縱十七路、家園路6條道路采用該技術(shù)做法，經(jīng)兩個(gè)冬季的運(yùn)行結(jié)果表明，人行道透水鋪裝抗凍和生物滯留帶融雪水棄流與滲濾效果良好，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。以橫五路海綿型道路介紹該技術(shù)做法。
橫五路雨水設(shè)施主要有生物滯留帶和人行道透水鋪裝，生物滯留帶由道路綠化帶改造而成，每個(gè)生物滯留帶單元2m寬、8m長(zhǎng)，生物滯留帶之間設(shè)置2m寬的人行過(guò)道，人行道透水鋪裝寬5m。
融雪劑自動(dòng)棄流和抗凍融透水鋪裝的技術(shù)方案如圖12所示。
圖12 融雪劑自棄流和抗凍融透水鋪裝典型做法
在冬季，融雪劑自動(dòng)棄流主要利用了融雪徑流的流量一般較小的特點(diǎn)，融雪徑流進(jìn)入生物滯留帶后，通過(guò)合理的導(dǎo)流路徑設(shè)計(jì)，使之優(yōu)先經(jīng)過(guò)滲排渠滲濾處理后排放。本案例中，含融雪劑的融雪徑流經(jīng)沉淀池預(yù)沉淀后，由沉淀池一側(cè)矮墻溢流進(jìn)入滲排渠，經(jīng)碎石過(guò)濾、滲排管收集后排入市政污水管。冬季運(yùn)行工況如圖13所示。
圖13生物滯留帶冬季運(yùn)行工況
?。?）雨季運(yùn)行工況
以10m一段生物滯留帶為例進(jìn)行計(jì)算，半幅路寬為9m，滲排渠寬度0.4m，長(zhǎng)度5.2m，滲透系數(shù)約為0.0005m/s，滲透量為1.05L/s，機(jī)動(dòng)車道與透水人行道寬度皆為4.5m，面積皆為45m2，綜合徑流系數(shù)為0.625，滲排渠可控制強(qiáng)度q=1.05/0.625/0.009=186.5L/s/hm2，按匯水時(shí)間為1min計(jì)算，該降雨強(qiáng)度對(duì)應(yīng)降雨重現(xiàn)期約為0.5年，即在雨季，對(duì)于＜0.5年一遇的小雨，雨水徑流同樣經(jīng)上述通道由滲排渠過(guò)濾后排放，對(duì)于≥0.5年一遇的降雨，雨水徑流溢流進(jìn)入蓄滲區(qū)入滲回補(bǔ)地下水。
根據(jù)白城市暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算，0.5年一遇2小時(shí)降雨量為20.4mm，由上分析可知，可全部經(jīng)滲排渠過(guò)濾處理，因此生物滯留帶的設(shè)計(jì)降雨量至少為20.4mm，對(duì)應(yīng)的年徑流總量控制率約為80%。
生物滯留帶在雨季不同降雨情景下的運(yùn)行工況如圖14所示.
a）雨季運(yùn)行工況（＜0.5年一遇） b）雨季運(yùn)行工況（≥0.5年一遇）
圖14生物滯留帶雨季不同降雨情景下的運(yùn)行工況
選擇橫五路與縱十三路道路大排水通道、縱八路道路大排水通道，分別利用道路路面及道路兩側(cè)帶狀綠帶作為徑流行泄通道，大排水通道不同降雨情境下的運(yùn)行工況如圖15、圖16所示。
圖16 縱十三路大排水系統(tǒng)不同降雨情境下的運(yùn)行工況
匯流時(shí)間為15min時(shí)，內(nèi)澇防治系統(tǒng)、雨水管渠系統(tǒng)、大排水系統(tǒng)水文計(jì)算如表4所示，根據(jù)內(nèi)澇防治系統(tǒng)總設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和管渠系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算得到地表大排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，如式（1）所示，
I道路=I總-I管=178L/s/ hm2 （1）
式中：I道路——道路大排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，L/s/ hm2；
I總——內(nèi)澇防治系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，L/s/ hm2；
I管——雨水管渠系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，L/s/ hm2。
由表4可知，道路大排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)約為2年一遇。
表4 水文計(jì)算表
橫五路和縱十三路管網(wǎng)、道路行泄通道及其匯水面積如圖17所示，分別對(duì)A1、B1、C1過(guò)水?dāng)嗝孢M(jìn)行水力計(jì)算，并得到最大可服務(wù)匯水面積，通過(guò)與實(shí)際匯水面積進(jìn)行對(duì)比來(lái)判斷是否滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并據(jù)此進(jìn)行相應(yīng)的斷面調(diào)整。
圖17 大排水通道水力計(jì)算示意
Q道路=0.376SX1.67SL0.5T2.67/n =1.5m3/s （2）
式中：Q道路——道路最大過(guò)流流量，m3/s；
Sx——道路橫向坡度；
SL——道路縱向坡度；
T——道路最大過(guò)水?dāng)嗝鎸挾?，m；
n——粗糙系數(shù)，取0.013。
行泄通道可服務(wù)最大匯水面積A計(jì)算如式（3）所示：
A=Q道路/φ/ I道路=12.8 hm2 （3）
式中：A——行泄通道可服務(wù)最大匯水面積，hm2；
φ——匯水面綜合流量徑流系數(shù)，取0.6。
行泄通道可服務(wù)最大匯水面積大于實(shí)際匯水面積12.2hm2，滿足設(shè)計(jì)要求。
圖18 橫五路道路大排水?dāng)嗝?/strong>
Q溝渠=AgR0.667i0.5/ng=12.1m3/s （4）
式中：式中：Q溝渠 ——生態(tài)溝渠最大過(guò)流流量，m3/s；
Ag ——過(guò)流斷面面積，m2；
R ——水力半徑，m；
i ——生態(tài)溝渠縱向坡度，0.1%；
ng ——粗糙系數(shù)，取0.011。
可服務(wù)最大匯水面積計(jì)算如式（5）所示：
A=Q溝渠/φ/ I道路=113.0 hm2 （5）
大于實(shí)際匯水面積（11.7+12.2）=23.9 hm2、8.4 hm2，滿足設(shè)計(jì)要求。
圖19 縱十三路生態(tài)溝渠行泄通道斷面
5.1 多種形式的“停車+生物滯留”建設(shè)效果
生態(tài)新區(qū)海綿型道路于2017年11月已全部施工完成，并且經(jīng)2018年一個(gè)雨季的檢驗(yàn)，徑流總量控制、污染控制效果顯著。
圖20 斜向停車+雨水花園生態(tài)道路實(shí)景圖
圖21 垂直停車+雨水花園生態(tài)道路實(shí)景圖
圖22 橫向停車+雨水花園生態(tài)道路實(shí)景圖
圖23縱八路監(jiān)測(cè)點(diǎn)位
圖24 道路采樣點(diǎn)徑流流量與ss濃度曲線
圖25 雨天監(jiān)測(cè)實(shí)景
（6）
——污染物削減率；
——某降雨時(shí)段內(nèi)污染物平均濃度，mg/L；
——某降雨時(shí)段內(nèi)降雨量為H時(shí)對(duì)應(yīng)的年均降雨量、年均徑流體積，m3；
——事件平均濃度，mg/L。由圖25、26可知，白城市徑流總量控制率與不同污染物削減率趨勢(shì)基本相同，初雨徑流污染控制效果較為顯著。
26 道路徑流污染物平均濃度與降雨量關(guān)系
圖27 道路徑流污染削減率與年徑流總量控制率關(guān)系
生物滯留帶與透水鋪裝實(shí)景照片如圖28所示。
圖28實(shí)景照片
a 生物滯留帶進(jìn)水 b 生物滯留帶滲渠出水
圖29橫五路海綿型道路水質(zhì)凈化效果對(duì)比
圖30 橫五路海綿型道路SS監(jiān)測(cè)結(jié)果
對(duì)海綿城市建設(shè)前后區(qū)域內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模擬分析，如圖31、32所示，通過(guò)多功能調(diào)蓄水體和橫五路、縱十三路大排水通道對(duì)超標(biāo)降雨的調(diào)蓄排放，有效降低了區(qū)域內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。
圖31 改造前區(qū)域內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)圖（20年一遇）
圖32 改造后區(qū)域內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)圖（20年一遇）
圖33 縱十三路行泄通道實(shí)景圖
圖34道路低點(diǎn)人行道設(shè)置徑流通道與生態(tài)溝渠連接
圖35地塊雨水排入口斷接后接入生態(tài)溝渠
附有關(guān)信息
設(shè)計(jì)單位：江蘇山水環(huán)境建設(shè)集團(tuán)股份有限公司
技術(shù)支撐單位：北京建筑大學(xué)