海綿城市理念在北方地區市政道路設計中的應用

張 孝，劉 旺，羅 瓊

（呼和浩特市政工程設計研究院有限公司，內蒙古呼和浩特 010070）

0 引 言

為改善城市水循環，我國先后推出一批城市進行“海綿城市”試點建設，以期為其他城市提供可復制、可推廣的經驗和模式。然而，在試點城市中，北方城市相對較少，導致可供北方地區應用的海綿城市建設經驗尤為稀缺。北方冬季氣候寒冷，季節性凍土層達到1～3 m，許多標準的海綿做法和措施在北方尤其是嚴寒地區并不適用，需要在現有經驗基礎上探索一種北方地區特有的海綿城市建設模式。

城市市政道路既是城市交通運輸的載體，又是海綿城市建設的重要組成部分。本文通過分析北方地區海綿城市道路建設的特殊性，總結了北方地區海綿道路設計的影響因素，提出了北方地區海綿道路設計要點，最終以呼和浩特市市政道路工程為依托，將“海綿城市”理念運用到市政道路工程建設中，以期為北方地區海綿城市道路建設提供參考。

1 海綿道路

海綿城市作為一種全新的城市建設理念，在實現各項調蓄水功能的同時，能夠促進城市生態環境的發展，有利于城市水循環，是我國城市今后重要的發展方向。海綿道路是在滿足基本功能的前提下，應用不同海綿技術措施，通過有組織的匯流與轉輸，經截污等預處理后引入道路紅線內或紅線外綠地內，并通過設置在綠地內的以雨水滲透、儲存、調節等為主要功能的海綿設施進行處理，改善城市道路和周邊生態環境（見圖1）。

圖1 海綿城市建設流程圖

2 北方地區海綿道路建設的特殊性

由近年來的海綿城市建設經驗可知，我國南北地區間存在較大差異，北方地區寒冷干燥的氣候特點給北方地區海綿城市，尤其是海綿道路建設帶來重要影響。

（1）四季分明，年降水集中。北方地區一年四季分明，春季少雨干旱，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。年降水量多在400～800 mm，降水集中在7—8 月，多暴雨。

（2）道路凍脹翻漿病害普遍。北方冬季嚴寒的氣候特點使道路凍脹翻漿病害普遍。在季節凍土地區，隨著氣溫的下降，土體溫度降到土中孔隙水結晶點時，導致土體發生凍脹。到了春季，隨著氣溫的上升，凍結后的土體從上層開始融化，但凍土層的下層尚未消融，水分無法下滲，使土體含水量增大，導致強度降低。一旦土體中的冰消融成水，而土體又未能完全排水固結，就會出現道路翻漿冒泥等現象。

（3）融雪劑的使用破壞了土壤結構。北方地區融雪劑的大量使用破壞了土壤結構，降低了土壤的滲透性，導致海綿設施中植被生存非常困難。并且融雪劑含有的氯化物可能會污染地下水，對環境產生不利影響。

（4）道路周邊的綠色海綿體匱乏。海綿道路建設的基礎為海綿體，包括城市水系和基礎設施兩類。目前北方城市城區內綠化率總體較低，且普遍缺少綠色海綿體。

3 北方地區海綿道路設計的影響因素

結合國內外海綿城市建設經驗和北方地區海綿道路建設的特殊性，北方地區海綿道路設計需要考慮的因素較多，特別是氣候條件、降雨量特點、土壤滲透性、路面結構是否抗凍，以及周邊環境是否存在排水設施等。

3.1 海綿設施凍脹影響

北方嚴寒氣候對道路使用造成的影響主要表現在兩個方面：（1）海綿設施管道凍結將影響調蓄、凈化效果，同時也對設施維修或更換帶來負擔。（2）長期的凍融循環將改變設施內部的孔隙度，從而降低海綿設施對污染物的去除效果。

3.2 土壤滲透性影響

冬季降雪量較大，路面滲透能力弱，容易產生凍脹破壞。同時積雪在冬季不能夠全部融化，部分積雪會積存到春季并在短時間內融化，從而形成大量徑流，而此時地面的表層土壤可能還未完全解凍，土壤滲透性降低，下滲量有限。

3.3 季節性降雨影響

北方地區受氣候影響，存在明顯季節性積水特征。道路市政管網的設計不應僅簡單地通過增大雨水管徑來解決城市積水，而應結合周邊環境，充分利用透水鋪裝、下凹式綠地、雨水花園等海綿設施，減少地表徑流總量，緩解市政管網的排水壓力。

3.4 透水路面結構孔隙易堵塞影響

北方地區春季風沙較大，冬季氣溫較低。低溫下的車輛發動機效率較低而產生較多污染物、冬季融雪劑的使用和春季風沙等，均易造成透水路面結構的孔隙堵塞。

3.5 周邊海綿設施匱乏影響

海綿城市建設是系統工程，海綿道路功能的發揮離不開周邊海綿設施的建設。然而，北方城市海綿設施普遍較少，多數城區道路周邊無建設條件，造成海綿道路設計和建設多為試點、示范工程，無法大規模推廣。

4 北方地區海綿道路設計要點

通過北方地區海綿道路設計影響分析，北方地區海綿道路設計應結合北方地區氣候、降雨等特點，針對性地選取海綿道路建設技術與經驗，因地制宜、因勢利導地展開海綿城市道路建設。

4.1 合理制定海綿道路設計目標

北方地區受氣候影響，城市道路海綿城市控制目標應以削減地表徑流與控制面源污染為主，以雨水收集利用為輔。北方地區機動車道雨水多以調蓄排放為主，人行道雨水多以入滲為主。

4.2 道路斷面優化設計

通過斷面優化，合理設置中分帶和側分帶寬度，并充分利用道路縱斷面，讓積水能夠在短時間內流入標高較低節點或側分帶內，進而進行統一的收集和處理。在道路兩旁的綠化帶處設置相應的排水管，下雨時，雨水可通過排水管實現綠化澆灌。待土壤濕度達到一定程度時，再通過管道排放到相應的地下排水系統中，以實現水資源的有效、合理利用。

4.3 透水鋪裝設計

受北方地區凍融影響，車行道透水設計應經過試驗和經濟性比選后，慎重選用。透水性人行道是海綿道路建設中重要的技術選擇之一。透水性人行道是指能使降水通過空隙率較高、透水性能良好的道路結構層，直接滲入土基中，從而將雨水還原為土壤水的人行道[1]。對于年降雨量較少、年際不均、風沙大的北方地區，透水路面的孔隙容易堵塞，一般優先考慮使用透水磚鋪裝和透水水泥混凝土鋪裝[2]。

4.4 凍脹處理

北方地區可適當考慮增加管道壁厚和埋深以防凍脹。在設計時，需注重對海綿設施材料選取和管道保護，確保海綿設施的有效應用。同時，管道鋪設完畢后，可用砂或礫石進行回填，粗粒度的材料不易發生凍脹。

5 呼和浩特市海綿城市道路設計應用

5.1 呼和浩特市概況

呼和浩特屬典型的蒙古高原大陸性氣候，四季氣候變化明顯，年溫差和日溫差均較大。氣候主要特點為：春季干燥多風，冷暖變化劇烈；夏季短暫、炎熱、少雨；秋季降溫迅速，常有霜凍；冬季漫長、嚴寒、少雪。年平均降水量為335.2～534.6 mm，且主要集中在7—8 月。

根據《國務院辦公廳關于推進海綿城市建設的指導意見》（國辦發[2015]75 號）和住建部《海綿城市建設指南》要求，呼和浩特市委、市政府高度重視海綿城市建設工作，于2015 年和2016 年兩次申報海綿城市建設試點城市，始終按照海綿城市目標不斷強化城市基礎設施建設和管理，加大道路、綠地、水系等生態系統對雨水消納和利用功能，努力將呼和浩特建設成為生態安全、美麗宜居的草原都市。

5.2 呼和浩特市海綿城市道路設計應用

5.2.1 項目概況

呼和浩特市東站南路規劃為城市次干路，位于火車東客站南廣場。本工程南起機場高速北輔路，北至車站南街，實施長度為342.308 m，規劃紅線寬度40 m，設計速度為40 km/h。在進行路面承載能力計算時采用的路面設計荷載為BZZ-100 標準車荷載，瀝青路面的設計使用年限為15 a。

東站南路是呼和浩特市火車東站與市區聯系的重要通道，也是呼和浩特市路網中重要的集散通道之一。根據片區規劃，東站南路兩側均為綠地，本工程基于火車東客站南廣場片區綠地改造，設計為海綿型道路。

此次道路設計考慮到北方城市冬季氣溫低，道路存在凍融破壞這一客觀條件，如果全部采用透水結構，一旦水在路基深處結凍，將對道路造成嚴重的凍融破壞，同時目前北方尤其是嚴寒城市車行道采用透水結構還不成熟，因此此次車行道設計不采用透水結構，人行道設計全部采用了環保型透水路面結構。

5.2.2 海綿道路設計方案

（1）道路橫斷面設計

道路紅線寬度為40 m，橫斷面設置為單幅路形式，雙向4 車道。車行道兩側設置較寬設施帶，便于收集車行道路面雨水。具體橫斷面布置形式為：5 m（人行道）+4 m（設施帶）+3.5 m（非機動車道）+15 m（車行道）+3.5 m（非機動車道）+4 m（設施帶）+5 m（人行道）=40 m（見圖2）。

（2）道路縱、橫坡設計

道路縱坡均大于0.3%。

道路橫坡設計為車行道單向2%三次拋物線路拱，橫坡朝向外側；人行道單向1%直線路拱，橫坡朝向外側。

圖2 東站南路橫斷面布置圖

（3）道路排水設計

本工程充分考慮海綿道路設計理念，在車行道兩側設置排水口，路面雨水通過道路橫坡流向排水口匯入設施帶內，繼而通過設施帶的過濾設施澆灌設施帶內植物。當雨水高于設施帶內的排水管口高度時，超標雨水通過人行道下雨水管匯入道路兩側下沉式綠地中。人行道設置外側坡度，將人行道上未下滲的雨水排入道路兩側下沉式綠地中。

東站南路排水斷面設計圖，見圖3。

圖3 東站南路排水斷面設計圖

a.下沉式綠化帶

在進行綠化帶中心標高設計時，依據兩邊路面的設計標高，將其標高低于兩側路面設計標高。并且在進行排水口的標高設計時，將其值定在綠化帶的標高和路面標高兩者的范圍之間，從而使匯水區域的雨水能夠流入綠化帶內。待綠化帶內土壤達到一定的濕潤度后，剩余的雨水從相關的排水管排出。本工程設施帶和道路兩側綠地都設計為下沉式，下沉式綠化帶的地面標高設計為低于兩側路緣石20~25cm，并在最低點設置卵石帶（見圖4）。

圖4 下沉式綠地設計圖

b.排水口

在路段上，為引導雨水進入下沉式綠化帶，在路側平均每隔25 m 設置一處排水口，同步設置復合砂基攔污過濾槽，攔截進入綠化帶的顆粒污染物。

在交叉口附近，布置雙聯立篦式雨水口，降雨量大時將雨水引入排水管道，防止交叉口積水過多。雨水口應設在道路匯水點處，立箅式雨水口進水孔底面低于附近路面100 mm。

（4）透水鋪裝結構厚度計算

為保證透水性，人行道路面結構滿足透水、儲水功能的要求，路面結構層總厚度的計算按下列公式進行透水結構厚度計算：

式中：H 為透水鋪裝結構厚度（不包括墊層的厚度），cm；i 為地區設計降雨強度，mm/h；q 為土基的平均滲透系數，cm/s；t 為降雨持續時間，min；V 為透水鋪裝結構層的平均有效孔隙率，%。

經計算，該透水人行道無停車荷載的結構層厚度應不小于35.5 cm。

（5）透水人行道路面結構層設計

為減少透水路面孔隙堵塞影響，本次透水人行道采用彩色混凝土面層，使用的無機色料應具有良好的耐高溫、耐紫外線和耐久性等功能。綜合考慮承載能力、透水儲水能力和抗凍性的要求，東站南路透水性人行道路面結構設計方案具體見表1。

6 結 語

本文通過分析北方地區海綿道路建設影響因素，總結了北方地區海綿道路設計要點，并以呼和浩特市東站南路道路工程設計為例，在道路的縱橫斷面、路面材料和排水設施的設計等方面融入了海綿城市和海綿道路發展理念，促進城市雨水收集，降低洪澇災害對城市的影響，提升整個城市的空間環境建設。

表1 構層設計方案

研究成果不僅為類似工程建設與相關技術標準的制定提供技術依據，而且為北方地區海綿城市的設計提供理論指導，以期為北方地區海綿城市建設提供借鑒。