北方地區冬季寒冷氣候條件下低影響開發雨水設施設計及維護管理的關鍵問題分析
——以濟南魯能領秀城為例

王崇藝，張鵬，朱崇文，崔永順

（1.山東魯能亙富開發有限公司，濟南250000；2.深圳市喜喜仕景觀及建筑規劃設計有限公司，廣東 深圳518000）

1 引言

目前，全國海綿城市建設全面展開，各城市面臨從建設模式、前期規劃、工程設計到后期績效考核與運營管理各方面問題和挑戰，如何因地制宜、合理高效地選擇技術設施成為突出問題。我國地域廣闊，地形地貌、水文地質和氣候特征差別較大，不同城市也因此面臨不同問題和需求。針對我國北方地區冬季寒冷氣候，其低影響開發雨水設施的選擇會受寒冷氣候、水文地質等影響，本文選擇濟南市魯能領秀城海綿城市建設為例，研究北方地區冬季寒冷氣候低影響開發雨水設施的設計與維護管理問題[1]。

2 寒冷氣候對雨水設施的影響關鍵問題

2.1 凍融對透水鋪裝的影響

透水鋪裝的使用越來越廣泛，但其使用成本、冬季性能、堵塞和維護等方面仍受到關注。濟南魯能領秀城地處中緯度地帶，四季分明，冬季寒冷，最冷月氣溫-5℃左右，最低氣溫-19.7℃，冬季長達136～157d，因此，在使用透水鋪裝時會面臨凍融對其結構和性能的影響。

凍融對地面鋪裝的影響表現在飽水狀態下水在孔隙中結冰體積膨脹對孔隙周圍產生凍脹力，造成凍脹開裂，導致其抗壓強度、抗拉強度等力學性能嚴重下降，加上荷載作用等其他環境條件的影響而導致其耐久性不足，出現結構性能和使用性能的喪失[2]。透水鋪裝能夠快速將表面的雪（雨）水滲透到內部，不會積累在表面，一定程度上緩解了凍融對其的破壞作用，但同時透水鋪裝將雪（雨）水更快地引到了表層以下，如果雪（雨）水沒有及時排走，或者排走后表層孔隙中依然殘留有水分，這樣徑流會在鋪裝表面以下的結構中發生凍脹現象，對透水鋪裝產生的破壞甚至比傳統的鋪裝還要嚴重。

此外，氯鹽型融雪劑的使用會在結構層中形成濃度差，加劇凍融的破壞力；防滑沙礫的使用會堵塞孔隙，減少滲透性，不利于雪的融化和及時排走，帶來更嚴重的凍融問題。

這些問題可通過合理的設計和施工、長期維護及材料制備質量控制來解決。相關研究證明，寒冷氣候條件下透水路面的使用比傳統路面鋪裝更耐凍結，主要是因為透水材料空隙空間可以使融雪徑流下滲得更快。Gunderson（2008）[3]在新罕布什爾大學風暴雨中心（UNHSC）的研究發現，排水良好的透水鋪裝系統降低了凍融的敏感性。Cahill et al.（2003）研究表明停車場透水瀝青鋪裝比傳統鋪裝可以使冰雪更快地融化，透水瀝青的孔隙空間可以更快地將融雪水排走[4]。

2.2 融雪劑的使用對生物滯留設施的影響

融雪劑的使用會造成土壤鹽淸化、板結，還會造成植物死亡、污染地下水等問題。眾所周知，融雪劑會對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順利排入道路下沉式綠化帶中，更容易對植物產生不利影響。

3 抗凍融透水鋪裝與生物滯留設施融雪劑棄流設計要點

針對濟南魯能領秀城冬季時間長、氣溫低的特點，透水鋪裝和道路生物滯留帶的設計應注重抗凍融與融雪劑棄流設計，實現道路融雪徑流和初期雨水的優先滲濾凈化與排放，并選擇適合本地生長的抗堿性強的植物，解決融雪劑侵害植物的問題。此外，在注重技術性的同時還需注重經濟性，融雪劑棄流應實現自動滲濾棄流，節省建設成本[5]。

3.1 抗凍融透水鋪裝設計

寒冷氣候下的透水鋪裝的承載能力設計在常規透水鋪裝的承載能力設計的基礎上還要考慮凍融循環給其結構性能帶來的影響。以透水混凝土為例，相關實驗表明，經過20 次和35次凍融循環，透水混凝土的抗壓強度分別下降了2MPa 和4MPa，因此，在濟南魯能領秀城透水鋪裝設計時，要充分考慮到凍融循環對鋪裝的結構強度的影響。據此，建議在選擇透水磚的抗壓強度時，比一般情況下高一級。

此外，透水鋪裝設計除改變鋪裝本身材料外，還可調整其結構層防止凍漲，如增加墊層（砂層）的厚度，或者在砂墊層中增加排水帶，將融雪水快速排走，不在結構層中存留太長時間。對于透水鋪裝抗凍融設計，水平方向上，通過設置的變形縫提高其抗凍性能；垂直方向上，設置砂墊層，并在砂墊層中設置排水帶，排水帶與滲排管連接，可及時將透水鋪裝結構層中的融化水排走，以解決垂直方向上的凍脹問題。

新罕布什爾大學暴雨中心（UNHSC 2009）以位于新罕布什爾州達勒姆停車場的透水瀝青為對象進行了一項有關透水瀝青在寒冷氣候下的應用研究，研究將透水瀝青表層以下的結構統稱為多孔介質滲透床，并推薦了寒冷條件下適合的結構：10.16～20.32cm 的碎石基層（考慮到多孔瀝青的壓實問題20.32cm 優先）；接著是20.32～30.48cm（砂濾層；然后是7.62cm（最小厚度）的過濾層（即豆礫石），最后是碎石儲水層。其中，砂濾層進一步地精細分級是為了強化過濾過程并起到延緩下滲的作用；而均勻粒級碎石儲水層設計成較高的孔隙率是為了最大程度地儲存滲透下來的水，延緩其滲透時間，阻礙水的垂流運動，進而有助于防止冬季的凍融和隆起等破壞現象。

3.2 生物滯留設施融雪劑棄流設計

生物滯留設施的設計目標及其結構特點要求其必須接受道路等匯水面產生的徑流的流入，因此，需采用工程措施將融雪徑流排走，后期徑流再進入設施。英國有些城市在城市道路旁，鋪設了專門的管道用于收集含有融雪劑的融雪徑流，通過管道送至污水處理廠進行處理。

生物滯留設施的設計需強化預處理、清淤區，因此，可在生物滯留設施的進水口處設置前池/沉淀池，不僅便于雨季清淤，也可防止冬季時融雪徑流直接進入生物滯留設施蓄滲區，在冬季，利用融雪徑流的流量一般較小的特點，融雪徑流進入生物滯留帶后，通過合理的導流路徑設計，使之優先經沉淀池預沉淀后，由沉淀池溢流進入滲排渠，經碎石過濾、滲排管收集后排入市政雨水管。也可在道路與生物滯留設施銜接處，沿道路設置一條較小的溝槽，溝槽接排水系統，當積雪融化后，含融雪劑的融雪徑流會被溝槽收集，導入排水系統。由于融雪徑流一般流量不大，因此，溝槽的規格可以很小，避免影響車輛行駛。

4 濟南魯能領秀城透水鋪裝管理與維護的關鍵

（1）應避免將沙子用于透水鋪裝的防滑處理，防止堵塞孔隙。（2）要增加對透水孔瀝青的檢查和維護頻率，特別是在秋冬季節，碎片堆積和沉積相對嚴重，不及時處理，會嚴重影響之后雨雪的滲透。（3）不要將清掃過的雪堆在透水鋪裝表面，它們會聚集高濃度的沉積物，從而更快地堵塞孔隙。（4）注意防冰處理，在雨或雪來臨前應用防冰處理措施，以最低的成本增加交通安全，減少對環境的影響。當遇到不易處理的致密的冰雪時，根據情況可使用除冰劑和防滑材料。（5）注意在鋪裝完成的初期不要使用，避免對其結構造成破壞。含氯化鈉或氯化鈣的除冰劑可用于透水混凝土表面，而含有硫酸銨和硝酸銨等化肥成分的藥劑不要使用，這些可能會引起混凝土表面的化學反應。（6）注意減少用鏟、犁等工具清雪進行物理處理透水鋪裝表面的頻率，當積雪積到一定厚度（≥5cm）時再考慮使用，避免頻繁的使用對表面造成破壞。在使用鏟、犁等工具的時候，稍微抬高一點刀片來防止對路面造成刮痕。（7）使用防滑材料的情況下，應在寒冷天氣季節后徹底清洗表面。

5 結語

濟南魯能領秀城的透水鋪裝設計要充分考慮寒冷氣候對透水系數帶來的影響及凍融循環對其結構性能造成的影響，道路生物滯留設施要考慮融雪劑對土壤及植物的影響。本文對濟南魯能領秀城的抗凍融透水鋪裝及生物滯留設施融雪劑棄流設計提出建議，以期為寒冷氣候條件下低影響開發雨水設施的設計與維護提供參考。