基于海綿城市理念的高架橋雨水排水設計

杜建康

（合肥市規劃設計研究院，安徽 合肥 230041）

0 引言

隨著城市化進程的加快，越來越多的城市急需解決交通擁堵問題，而建設高架橋、立交橋逐步成為提高道路通行效率、緩解交通擁堵的重要手段。高架橋設計中，傳統的排水設計按照“以排為主、保證安全”原則，將橋面雨水收集后通過立管排至路面下的市政雨水管網。

因高架橋橋面雨水具有集水快、峰值流量大、污染物濃度高[1]等特點，采用傳統的直排模式不僅易對下游管網造成較大沖擊、引發積澇，而且不利于控制雨水污染物排入河流。

在土壤滲透性好、地下水匱乏、內澇頻發的地區，運用海綿城市理念優化高架橋、立交橋排水設計，加大綠化澆灌和雨水下滲量，對減輕地下水旱情、城市內澇、河流污染都具有重要意義。

1 工程概況

亳州市魏武大道是一條重要的南北向交通干道，北起北外環，南至亳蕪大道，全長約16 km。根據中心城區快速路網綜合規劃，魏武大道（和平路～亳蕪大道）是亳州市中心城區快速路網的重要組成部分，長約12.7 km，紅線寬60 m，擬改造為快速路。

為滿足沿線不同路段的設計需求，對貫穿老城區、路網較密、兩側地塊聯系緊密、不宜分隔的路段采用高架快速路，對開發程度較低、建設條件較好的路段采用地平式快速路。高架快速路長約8.0 km、地平式快速路長約4.7 km。工程總投資約39.7億元。

針對本道路的高架橋雨水，按海綿理念就地吸納、蓄滲雨水用于綠化澆灌，控制雨水外排量、減少初期雨水污染。采用的排水系統如下：橋面雨水→高架橋雨落管→過濾消能帶→沉泥井→中央滲溝→生物滯留綠帶→溢流式雨水口→市政雨水管網→河道。

2 設計理念及原則

（1）以積極運用海綿城市技術、構建低影響開發雨水系統為理念。將灰色排水系統與低影響開發設施相結合，實現雨水優先滲透、自然凈化和可持續利用，提高自然修復能力，維護城市良好的生態功能。

（2）以“因地制宜”為原則。根據項目所在地的地質條件、降雨規律、水環境保護要求，合理確定排水設計和低影響開發控制標準、措施、目標。

3 設計標準

（1）雨水設計標準

本道路為城市快速路，屬于中心城區的重要地區，為保證排水安全，正常路段設計降雨重現期取5 a，下立交泵排區設計降雨重現期取50 a。

（2）雨水年徑流總量控制

根據規劃，本道路雨水年徑流總量控制率為75%，即滿足28.5 mm雨量不外排的建設要求。

4 控制指標計算

4.1 控制水量計算

本設計以年徑流總量控制率為控制指標，采用容積法計算：

式中：V為設計調蓄容積，m3；h為設計降雨量，取28.5 mm；Ψ為綜合雨量徑流系數，取0.95；F為匯水面積，hm2。

4.2 生物滯留帶蓄水深度計算

通常根據服務區域的下墊面透水特性和范圍進行計算。本項目高架橋上為車行道及設施帶，均為不透水結構：

式中：H為生物滯留帶蓄水深度，mm；Ψ1為車行道雨量徑流系數，取0.95；Ψ2為其他區域雨量徑流系數，本次取0.95；h為設計降雨量，取28.5 mm；L為生物滯留帶所服務的道路長度，m；B1為生物滯留帶所服務的車行道寬度，m；B2為生物滯留帶所服務的其他區域寬度，m；l為生物滯留帶長度，m；b為生物滯留帶寬度，m。

4.3 卵石過濾帶體積計算

卵石過濾帶為初期雨水污染控制的主要技術措施，其具有去除大顆粒污染物、穩定雨水流速、避免種植土沖刷流失等作用，卵石帶有效蓄水容積應大于初期雨水控制量。

卵石帶容積計算公式如下：

式中：V為卵石帶容積，m3；η為卵石帶孔隙率；A為卵石帶所服務的匯水面積，m2；hc為初期雨水控制量，本設計為5 mm。

5 工程設計方案

本設計中，橋面雨水經雨水口收集后，由雨水立管排放至橋下，在立管出口處設置卵石過濾消能帶和沉泥井，進行消能，同時去除大的漂浮物及泥沙，然后雨水經中央滲溝分配至生物滯留綠帶內，被植被、土壤吸收并下滲，超過下滲能力的超量雨水經溢流式雨水口溢流至雨水管道系統，外排，見圖1。

5.1 消能帶及沉泥井設計

圖1 橋面雨水收集排放示意圖（單位：m）

結合高架橋雨水立管高差大、流速快的特點，為避免水流沖擊造成水土流失，在橋梁雨水立管出口處設置消能帶。

按照初期雨水污染控制要求，初雨控制率按5 mm設計，卵石帶容積按式3計算，確定消能帶由漿砌卵石帶（長1.5 m）+散鋪卵石帶（長1.5 m）組成，不僅起到消能作用，也同時具有攔截垃圾、微生物降解污染的作用。消能帶總長3 m，漿砌段和散鋪段分別長1.5 m，卵石粒徑8～10 cm，漿砌段卵石密度40顆/m2，散鋪段卵石密度70顆/m2。

雨水消能后，流經沉泥井，去除泥沙等顆粒物。沉泥井長1.2 m，深1 m，寬度同帶綠化帶，頂部設鍍鋅鋼格板，便于清污。沉泥井需定期進行維護，以保證其正常使用功能。

5.2 生物滯留帶設計

根據下墊面特點，城市中最常見的幾類下墊面（路面、廣場、屋面、綠地）產生的徑流污染迥異，其中，路面徑流中的初期雨水產生的污染負荷最重[2]。

本工程利用高架橋下空間，設置7 m寬生物滯留綠帶，下滲、生物降解雨水污染物。結合景觀需求，生物滯留帶內種植根系發達、耐蔭、耐水濕、耐旱、適合本地氣候、污染降解能力強的植被，如八角金盤、灑金珊瑚、細葉芒、細葉麥冬、鳶尾、花葉扶芳藤、地錦等。

高架橋橋面總面積為204 800 m2，橋下生物滯留綠帶總面積為55 920 m2，按容積法復核，總控制水量V1=5 545 m3，生物滯留帶總滯蓄水量V2=5 592 m3，V2＞V1，滿足要求。

為保證生物滯留帶蓄水容積，按式（2）計算蓄水深度。橋面（標準段）寬度為24 m，生物滯留綠帶寬7m，以單位長度（1 m）標準段進行計算，H=0.12 m。本設計生物滯留帶較車行道側石低15cm，較溢流雨水口頂面低10 cm。

5.3 中央滲溝設計

本設計在生物滯留帶內沿路方向設置一道中央滲溝，使雨水快速、均勻地流入生物滯留帶。中央滲溝寬1.2 m、深0.3 m，由透水性材料（透水混凝土+級配碎石）組成，溝頂與生物滯留帶齊平，溝底坡度同道路縱坡（i=0.002～0.005）。

為防止滯留帶雨水對道路造成破壞，路基與綠化帶之間外貼防水復合土工膜，土工膜較道路結構厚度深0.8 m，見圖2。

圖2 中央滲溝設計圖（單位：m）

5.4 溢流雨水口設計

本項目地勢平坦，道路縱坡在0.003左右，為保證超量雨水排水安全，在生物滯留帶內設溢流式雨水口，平均間距80 m，雨水口頂高高于生物滯留帶10 cm，超量雨水溢流排入雨水管網。溢流雨水口，采用平箅式雨水口，四周散鋪0.2 m寬卵石帶。溢流雨水口大樣及設置位置見圖3、圖4。

圖3 溢流式雨水口剖面設計圖

圖4 溢流式雨水口平面設計圖（單位：m）

6 方案建設的地域可行性評價

本工程場地地勢整體較平緩，地層屬華北地層區淮河地層分區，為厚覆蓋區，屬黃淮堆積型地貌，微地貌為河間洼地、低丘等。①層填土（Qml）層厚1～4.5 m，土壤滲透性系數為1×10-4cm/s。

按照本工程設計積水深度，核算生物滯留帶內積蓄雨水全部下滲所需時間小于12 h，滿足設計最大雨水排空時間為24 h的要求。工程區位于亳州市渦河南岸，場地的地下水穩定靜止水位埋深為1.8～2.2 m，水位隨豐水期、枯水期交替變化，場地地下水水位變化幅度約1～2 m。綜上所述，該工程適合選用雨水滲透技術進行海綿城市設計。各土層滲透系數見表1。

表1 各土層滲透系數一覽表

7 維護與管理

本工程海綿城市設計，屬于雨水的源頭控制與利用，其維護與管理至關重要，需要市政養護、園林綠化等單位協調和聯動配合。為保證設施的正常運行，提出以下維護與管理措施：第一，定期對過濾消能帶、沉泥井、中央滲溝、溢流雨水口等設施巡檢，保證其完整性。第二，定期清理和沖洗過濾消能帶、中央滲溝，去除粘附的淤泥、油污、雜物等，確保其通暢。第三，加強路面清潔維護，減少路面雜物進入綠化帶。冬季使用融雪劑應采用對植物無害的環保融雪劑。第四，為保證滯留帶的滲透能力及種植土厚度，建議定期補充種植土、翻耕土壤。

8 結 語

近年來，部分城市頻遭強暴雨襲擊，引發嚴重的城市內澇，給人民生活和生產造成了嚴重影響。立交橋是雨水徑流的重要來源，其設計理念是否得當將影響區域的自然生態水環境與城市的可持續發展。對于土壤滲透性較好的地區，通過轉變設計方式，因地制宜地運用“海綿城市”措施，增大用于綠化澆灌和下滲的雨水量，可有效減小外排量，在滿足排水設計標準、雨水年徑流總量控制率指標的同時，有效減少雨水污染。本文將工程設計的思路、過程進行了總結，以期為類似項目提供參考。