高架橋雨水收集利用系統(tǒng)研究

劉 級，邰 昊

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

0 引言

現(xiàn)有城市道路交通量大，道路兩側(cè)用地資源有限，為緩解交通壓力，高架橋在城市道路中被大量應用。高架橋下一般設置綠化帶，既可以將橋墩包裹其中，保證行車安全，又可以提升道路景觀效果。但高架橋下綠化帶中的植物由于接收不到自然雨水，需要定期進行澆灌。未充分利用橋上的雨水，造成了自然資源的浪費；橋面雨水直接匯入到道路排水系統(tǒng)中，又增加了市政管網(wǎng)的壓力。因此如何改進高架橋橋面雨水利用系統(tǒng)，使其能夠提供充分的干凈雨水進行澆灌是當下急需解決的問題。

1 常見高架橋雨水系統(tǒng)

1.1 引流系統(tǒng)

目前國內(nèi)高架橋雨水系統(tǒng)大多采用引流系統(tǒng)，通過橋面雨水口或邊溝收集橋面雨水，然后通過雨水管將其引至敷設在地面輔道下的排水系統(tǒng)中[1]。

該系統(tǒng)前期投資較省，施工簡單，但存在以下幾點問題：

（1）未充分利用自然資源。在降雨量較少的干旱地區(qū)，橋面雨水全部通過管道排走，不能緩解地下水位較低、水資源匱乏的問題。

（2）高架橋上有大量的污染物，如有機物、重金屬、汽油、懸浮固體等。以上污染物在降雨過程中受到雨水沖刷，最終進入雨水管道后排到自然水體中，造成附近及下游水體的污染。

（3）高架橋下綠化帶中的植物由于接收不到自然雨水，需要定期進行澆灌。目前常見的澆灌方式是采用移動式水車或者在綠化帶中埋設自動噴淋系統(tǒng)，然而這兩種澆灌方式的運營維護成本高。

1.2 海綿系統(tǒng)

自2015年國務院辦公廳印發(fā)《關于推進海綿城市建設的指導意見》后，先后一大批城市響應號召，加快推行海綿城市的建設。其中，在高架橋橋面雨水利用系統(tǒng)這一塊，出現(xiàn)了很多新型的、具有實際操作性的系統(tǒng)。現(xiàn)列舉幾種具有代表性的雨水利用系統(tǒng)。

1.2.1 蓄水系統(tǒng)

該系統(tǒng)重點突出海綿城市建設“滲、蓄、滯、凈、用、排”理念中“蓄”的設計理念，將高架橋橋面上的雨水通過蓄水設施將其收集起來，然后通過閥門或水泵進行排放控制。目前市面上最常見的是采用下凹式綠化帶、儲水罐或者集水坑等措施。該種雨水利用系統(tǒng)的核心均是將雨水儲存并直接利用，并未對雨水進行過濾，導致橋面污染物直接隨雨水進入植物根系，有可能導致植物生長不良甚至死亡。此外，該類雨水利用系統(tǒng)還存在其他問題，例如下凹式綠化帶中的溢流系統(tǒng)會將綠化帶中的泥土帶入下游雨水管中，儲水罐存在清洗不便、容易堵塞管道的問題等，如圖1所示。

圖1 高架橋蓄水系統(tǒng)

1.2.2 蓄水+凈水系統(tǒng)

該雨水利用系統(tǒng)在蓄水系統(tǒng)的基礎上增加了雨水凈化措施，總系統(tǒng)可細分為雨水收集系統(tǒng)+雨水過濾系統(tǒng)+雨水溢流系統(tǒng)+雨水灌溉系統(tǒng)。國內(nèi)該類型的雨水利用系統(tǒng)在實現(xiàn)方式上有所差別，但大體系統(tǒng)構成均差異不大。圖2為典型的蓄水+凈水系統(tǒng)。

圖2 高架橋蓄水+凈水系統(tǒng)

高架橋雨水管收集的雨水在經(jīng)過多級過濾設施后，干凈的雨水匯集到雨水儲存池，多余的則通過溢流管匯入到下游的雨水管道中。當橋下綠化帶需要灌溉時，則人工啟動水泵[2]。該種系統(tǒng)功能較為完善，但構筑物多，一次性投入大，且由于該系統(tǒng)為一體化施工，后續(xù)清理工作較為煩瑣。此外，由于水泵為人工操作，后續(xù)的運營管理費用也較高。

2 本文雨水收集利用系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)概況

為解決上述技術問題，本文設計了一種新的高架橋雨水收集利用系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用高架橋橋面雨水對橋下綠化帶進行澆灌，減少了市政管網(wǎng)的建設費用，降低城市道路運營維護成本。

該系統(tǒng)與蓄水+凈水系統(tǒng)構成類似，但雨水過濾系統(tǒng)和雨水灌溉系統(tǒng)的實現(xiàn)方式有所不同；此外，該系統(tǒng)還包括設置在道路上的防下滲綠化帶種植層。該系統(tǒng)特征在于在雨水收集管和防下滲綠化帶種植層之間設置有雨水收集過濾裝置，雨水收集過濾裝置由砌體墻圍成的集水井、過濾井以及多級過濾網(wǎng)組成，集水井的井口與雨水收集管相連，過濾井則緊密設置在集水井的一側(cè)，多級過濾網(wǎng)則設置在過濾井的側(cè)壁上，而多級過濾網(wǎng)與防下滲綠化帶種植層相通，在集水井的側(cè)壁上還設置有溢流管，溢流管的另一端則依次連接有排水井和排水支管，如圖4所示。

集水井和過濾井的井底均設置有防水底板，集水井和濾水井的井口處均設置有活動蓋板，供人工清淤時方便掀開。用于分隔集水井和過濾井的砌體墻上開有濾水孔，對收集到的橋面雨水進行初期過濾后再排入過濾井中，濾水孔距離防水底板的高度為15～20 cm，孔徑不超過2 cm。

所述多級過濾網(wǎng)包括第一過濾網(wǎng)、第二過濾網(wǎng)及第三過濾網(wǎng)，各級過濾網(wǎng)逐層設置在過濾井靠近防下滲綠化帶種植層一側(cè)的砌體墻上，過濾網(wǎng)距離防水底板的高度為25～30 cm，采用不銹鋼材質(zhì)，并且各級過濾網(wǎng)的濾網(wǎng)間隙逐漸減小，第一過濾網(wǎng)的濾網(wǎng)間隙不超過1 cm，第二過濾網(wǎng)的濾網(wǎng)間隙不超過0.8 cm，第三過濾網(wǎng)的濾網(wǎng)間隙不超過0.6 cm。

防下滲綠化帶種植層從路面往下依次包括有種植土層、泥漿隔離土工布、煤渣滲透層、卵石層、復合防滲土工膜及素土基層，其中卵石層帶有一定的坡度，卵石層向遠離集水井和過濾井的一側(cè)傾斜，種植土層的厚度不小于0.4 m，防下滲綠化帶種植層的兩側(cè)還設置有路緣石，綠色植物種植在路緣石之間。

2.2 具體實施方式

如圖3a所示，該系統(tǒng)為優(yōu)化的一種高架橋下綠化帶雨水利用系統(tǒng)，設置于兩個高架橋樁基之間。在暴雨時節(jié)，高架橋雨水收集管內(nèi)的雨量很大，流速快，為了避免雨水對整個系統(tǒng)設施的沖刷，一般在雨水收集管與高架橋橋墩承臺之間設置兩處彎頭，這樣可以有效減小流速。

雨水通過雨水收集管流入到集水井中，使得集水井中的水位不斷上漲，當水位達到濾水孔的高度時雨水就通過濾水孔進入到過濾井中，雨水中的大顆粒污染物沉淀在集水井中；當集水井中水位繼續(xù)上漲后，多余的雨水將通過設置在集水井側(cè)壁上的溢流管排走。

圖3 系統(tǒng)相關布置圖

流入過濾井中的雨水再經(jīng)過三道過濾網(wǎng)的過濾，進一步凈化后流入防下滲綠化帶種植層中，各種雜質(zhì)則沉淀在過濾井的隔倉中。流入綠化帶中的雨水通過植物根系的主動吸收以及綠化帶的毛細現(xiàn)象對植物進行澆灌。設置在集水井和過濾井井口處的活動蓋板均可靈活打開，方便進行人工清淤。該系統(tǒng)采用三道過濾網(wǎng)，在實際施工中可根據(jù)實際情況具體設置過濾網(wǎng)的數(shù)量，以保證過濾效果。

防下滲綠化帶中復合防滲土工膜實行滿鋪并延伸至路緣石下，以防止雨水滲入到路基中，避免路基出現(xiàn)水穩(wěn)破壞；卵石層為含水層，在接收到過濾井中的雨水后，通過煤渣滲透層將雨水向上滲透，同時將卵石層設計成帶有一定的坡度，向遠離集水井和過濾井的一側(cè)傾斜，這樣保證了雨水能夠充分滲透到整個橋下的綠化帶中；在煤渣滲透層上方設置一層泥漿隔離土工布，在透水的同時可有效防止泥漿上涌，最終保證滲透到種植土層中的雨水滿足灌溉要求。

3 結語

該系統(tǒng)于2017年應用于宜昌市某內(nèi)環(huán)快速路項目中，經(jīng)過一年多的使用，現(xiàn)系統(tǒng)運行良好，橋下綠化帶生長茂盛。分析系統(tǒng)構成及現(xiàn)場實際應用結果，得出以下結論：

（1）與現(xiàn)有高架橋橋面雨水利用相比，該雨水收集利用系統(tǒng)的關鍵之處就在于設置了多級過濾裝置，通過多級過濾裝置可以有效去除雨水中大量的雜質(zhì)及有害物質(zhì)，保證綠化帶中植物能夠健康生長。

（2）該雨水收集利用系統(tǒng)充分利用橋面雨水進行綠化帶澆灌，既生態(tài)又環(huán)保，且不需要任何電力設施，建設及維護成本低。

（3）該雨水收集利用系統(tǒng)將高架橋橋面的雨水引至橋下綠化帶內(nèi)進行澆灌，解決了一部分雨水直接流入城市道路管道，減小了城市道路管網(wǎng)的壓力，也降低了城市道路建設的費用。

（4）該雨水收集利用系統(tǒng)在集水井、過濾井上分別設置有活動蓋板，可以定期打開活動蓋板進行人工清淤即可，施工作業(yè)即方便又安全。