“海綿城市”理念在集裝箱堆場的應用探討

2020-08-04 07:03:54劉錦石翟甲棟

港工技術 2020年4期

劉錦石，翟甲棟

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

引言

我國城市目前排水基本采用快排模式，即雨水通過硬化地面、地表徑流匯入井、渠、溝和管道內集中快速排放，但強降雨一來，目前管道的建設明顯不夠用。城市建設模式主要是硬化場地和面層，雨水排放主要以“快速排除”和“末端集中”控制為主要設計理念，依靠“灰色”的管渠、泵站等設施來排水[1]，從使用的實際情況來看，就是“逢雨必澇，旱澇急轉”。

2012低碳城市與區域發展科技論壇上首次提出“海綿城市”的概念，國際通用術語稱之為“低影響開發雨水系統構建”。實現下雨時吸水[2]、滲透、凈化、存蓄，在干旱和需要使用時將存蓄的水進行釋放加以利用。“海綿城市”又稱之為“水彈性城市”，是城市建設新時代的雨洪設計理念，使城市在適應水環境變化，應對雨水收集、滲透、凈化、回用、排放等方面具有良好的“彈性”。

圖1 “海綿城市”水循環收集與釋放示意

圖2 傳統城市與“海綿城市“排水示意

港口有些“清潔”類碼頭，如集裝箱、鋼鐵、滾裝、客運、郵輪、糧食等貨類碼頭，地表雨水都是通過徑流，經排水溝、集水井收集后，流經排水管從碼頭前方直排進海里，造成水資源的浪費。

鑒于多年碼頭設計工作經驗的積累，思考如何在“清潔”碼頭工程中融入“海綿城市”設計理念和方法，一方面通過雨水滲透、凈化和涵養，可以減少雨水外排量，避免水資源浪費；另一方面減少雨水溢流量，進而可以把雨水管道管徑減小，從而降低工程造價。

1 集裝箱堆場融入“海綿城市”理念的切入點

將“海綿城市”的設計理念融入碼頭工程，首先選取較為典型的集裝箱碼頭進行嘗試，主要基于集裝箱碼頭有如下特點：

1）標準化（生產的不同形狀和質量的產品、貨物能夠裝進標準箱里，實現門對門的標準化運輸）；

2）規范化（堆場箱位根據不同工藝布置合理編排，有明確的位置和編碼）；

3）模塊化（根據設備選型不同，堆場的布置呈現有規律的模數）；

4）自動化（近年新建和改造的自動化碼頭）。

基于集裝箱堆場布置的特點，融入“海綿城市”的設計理念具備了基礎條件。2018年全球前20大集裝箱港口完成集裝箱吞吐量 3.4億 TEU，同比增速為3.8 %。全球前20大集裝箱港口排名，中國港口占據半壁江山。基于目前集裝箱碼頭的總量和后續改造自動化碼頭的趨勢，融入“海綿城市”的設計有足夠的發展及應用空間。

2 傳統集裝箱碼頭堆場的布置型式

2.1 一般集裝箱堆場的布置型式

北方某港口傳統集裝箱碼頭堆場平行于碼頭布置，堆場采用軌道式/輪胎式龍門起重機，跨內通行車道一側布置，剩余布置集裝箱堆場，如圖3，軌距33 m，2條車道一側布置，8排箱子集中布置，箱角基礎采用條形基礎，除條基外采用碎石鋪面，中間設置排水溝，將雨水收集后，通過排水干管經碼頭前方排放入海。

圖3 港口集裝箱堆場局部斷面示意

2.2 自動化集裝箱堆場的布置型式

以東部沿海某個大型自動化集裝箱碼頭堆場布置為例，堆場垂直于碼頭布置，堆場設備采用自動化軌道式龍門起重機，軌距為28.5 m，軌內布置9列集裝箱，鄰近碼頭端為海側交接區，另一端為陸側交接區。在每跨堆場內中間位置設置排水溝，軌道梁頂高程比箱角條形基礎頂高程高出10 cm，條基本身是平的，條基之間布置碎石，將堆場區的雨水收集到排水溝內，由海側交接區向陸側交接區匯總進入雨水管后統一排放。

3 集裝箱堆場“海綿城市”設計思路和方法

根據《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建（試行）》的基本原則。各類低影響開發技術又包含若干不同形式的低影響開發設施，主要有綠色屋頂、透水鋪裝、下沉式綠地、滲透塘、生物滯留設施、滲井、雨水濕地、濕塘、蓄水池、調節池、雨水罐、植草溝、滲管/渠、初期雨水棄流設施、植被緩沖帶、人工土壤滲濾等[3]。

實際海綿城市的技術手段已經相當成熟，只是在如何結合集裝箱堆場的平面布置，合理選擇低影響開發設施進行布置和應用方面仍有待探討。

既然常規和自動化集裝箱碼頭堆場箱角基礎普遍采用條形基礎，空檔區面層采用聯鎖塊鋪面或碎石鋪墊，中間利用排水溝收集雨水，排水溝的長度基本和軌道長度基本相當，基礎采用碎石墊層，鋼筋混凝土的溝壁和溝底，加之蓋板，一條堆場的長度為300～400 m，一個泊位后方堆場對應10條堆場，排水溝長度為3～4 km，另外空檔區的鋪面或碎石的工程量相對也較大，實際使用上，這部分的投資又無實際使用效果。具體的鋪面布置如圖4、圖5。

圖4 “傳統”集裝箱堆場平面

圖5 “傳統”集裝箱堆場斷面

為有效改進集裝箱堆場雨水收集方式，融入“海綿城市”的設計思路：利用軌道梁、箱角梁圍合的區域擬采用下沉式綠地、溢流井和雨水管等組建成低影響開發設施，堆場區占整個陸域面積的60 %～70 %，堆場區的雨水經下沉式綠地下滲，補給地下水，當雨水飽和時，超過一定高度蓄水層的雨水進入溢流井，經雨水管排出。將傳統通長的排水溝布置用局部設溢流井+雨水管連通的方式進行替代，硬化鋪裝通過植草皮進行替代，降水可以通過下滲，補給地下水，大雨土壤飽和后雨水進入溢流井、雨水管道收集或排放。堆場的空檔區綠化成大面積的“綠道”，環境也會得到明顯改善。

圖6 “下沉式”集裝箱堆場平面布置示意

圖7 “下沉式”集裝箱堆場橫斷面示意

圖8 “下沉式”集裝箱堆場縱斷面

圖9 “下沉式”集裝箱堆場示意

3 下沉式綠地對條形基礎的穩定性論證

利用集裝箱堆場條基之間的空檔區設置下沉式綠地，綠地下滲雨水后，是否會對周圍條形基礎產生影響進行了初步核算，以某港區一日最大降雨量180 mm為計算參數，考慮種植土的下滲性能。

降雨在地面上形成的地表徑流，部分流向兩邊的收水系統，部分透過地基裂隙滲入地下。地基土含水量隨降雨強度大小增不一，當降雨強度低于地基土滲透速率時，地基中含水量變化較小，當降雨強度大于土的滲透速率，地基滲透深度可達1～2 m。集裝箱箱角條形基礎對于人工處理后地基根據不同地基條件需進行相應處理。

對于原狀地基為透水性較差的土質時，可以在土基上鋪設不透水層或防滲膜，將面層滲透的雨水進行收集至排水管道，排至基礎以外，也可將基礎底一定深度內的土基進行換填處理，換填為透水性較好的砂土或碎石。

對于砂性土地基，由于砂土具有較強的水穩定性、滲透性，其飽水狀態下凍脹小，含水量增加對承載力損失影響不大，其抗剪強度主要決定于其內摩擦角，當含水量從干燥狀態增大至最優含水量時，砂土的內摩擦角在高壓實系數下（大于0.93）變化的幅度較小[4]；隨著密實度的增加，對于一般強度降雨，含水量對砂土的抗剪強度以及剪切變形會有較小影響（降幅小于5 %）[4]。在極端的暴雨天氣下，其中大部分降雨量由徑流形式通過收水井及排水管排除，基礎范圍內砂土地基含水率增幅不超過15 %，砂土抗剪強度及剪切變形有一定程度降低，考慮到砂土地基經人工處理后承載力及壓實系數較高（不小于0.95），有一定的安全儲備，含水量增加后的承載能力仍可滿足集裝箱荷載使用要求。