高架道路海綿城市排水系統優化設計

劉 文 俊

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032)

隨著城市的快速發展，道路交通量迅猛增加，為緩解交通擁堵現象，提高道路出行的舒適度，各地市大力規劃建設高架道路，將平面道路通行方式向立體空間提升改造。高架道路的路面雨水有序收集和排放成為決定行車舒適性的一大重要因素，目前常規的高架道路路面徑流雨水排水系統為橋面徑流雨水依道路橫縱坡流入橋面收水口，經雨水立管排至地面層，匯入市政雨水管道系統。基于高架道路交通通行特點，高架道路區域降雨下墊面基本為硬化路面，雨水徑流系數大，傳統的排水系統以“快排”方式將路面雨水排至附近水體，造成水資源的浪費的同時，在連續強降雨事件中市政排水系統超負荷運營，容易發生內澇風險。另外受路面聚積的散落泥沙、輪胎屑、汽車尾氣、泄漏油氣、降塵等影響，地面徑流雨水中固體顆粒、有機物、重金屬、氮氧化物等污染物含量較高，尤其以初期徑流雨水更為嚴重，對雨水受納水體水質帶來一定的不良影響。

鑒于“海綿城市”建設理念在城市開發中的成功應用，如在高架道路排水系統中執行低影響開發建設思路，能夠較好解決徑流雨水中污染物對受納水體水質的威脅。同時，海綿城市系統將自然途徑與人工措施相結合，能夠將灰色基礎設施建設為綠色生態型工程設施，使其在應對城市內澇漬水和適應周邊環境變化等方面具有良好的“彈性”，下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時將蓄存水“釋放”并加以利用，能夠實現高架道路低影響開發建設。

以武漢市楊泗港快速通道四新段(陶家嶺立交—國博立交)工程為例，貫徹執行“海綿城市”建設理念，對傳統排水系統進行優化設計，綜合考慮高架層和地面層對降雨的徑流總量控制及徑流污染控制。

1 工程概況

楊泗港快速通道四新段(陶家嶺立交—國博立交)工程位于漢陽區四新片區，西起龍陽大道，東至國博立交，全長約5.4 km，道路紅線寬度50 m～60 m，工程共分為三個標段進行設計：第2標段(K0+000～K1+200)設計范圍為自龍陽大道至芳草路、第3標段(K1+200～K4+000)設計范圍為自芳草路至連通港、第4標段(K4+000～K5+372.166)設計范圍為自連通港至國博立交。道路全線為高架橋和地面層結合的交通通行方式設計，高架層為過境快速通道，地面層為道路沿線地塊城市交通干道。本項目所在區域為四新直排區，連通港、鯉魚溪、總港為本項目區域雨水排放主要受納水體，海綿城市建設工程以徑流總量控制及徑流污染控制為主要目標，采用以滲透、滯留為主的技術方案。

本研究以該工程第4標段為分析對象，起于道路樁號K4+000，止于道路樁號K5+372.166，高架層采用雙向八車道斷面形式，機動車道寬34 m，地面層路基標準斷面為5.5 m人行道(含樹穴帶)+2.5 m非機動車道+2.5 m側綠化帶+8.0 m機動車道+13.0 m中央綠化帶(或2.5 m綠化帶+8.0 m機動車道+2.5 m綠化帶)+8.0 m機動車道+2.5 m側綠化帶+2.5 m非機動車道+5.5 m人行道(含樹穴帶)，局部道路外側設置15 m寬邊綠化帶。根據《武漢市城市總體規劃(2010—2020)》，該地區排水體制采用雨、污分流制。本設計貫徹執行國家關于環境保護的政策，與各專業設計統盤考慮，全面規劃、相互協調，使各專業間協調一致。

2 系統控制目標

采用年徑流總量控制率作為主要控制目標，采用“單位面積控制容積法”計算，最大限度的使年徑流總量控制率滿足《武漢市海綿城市規劃設計導則(試行)》的要求，根據導則要求，本工程屬于漢陽地區四新直排區系統，為已批在建項目，道路年徑流總量控制率需達到75%，對應設計降雨量為29.2 mm。

設計調蓄容量采用下式計算：

V=10×H×ψ×F。

其中，V為設計調蓄容積，m3；H為設計降雨量，mm；ψ為綜合雨量徑流系數(根據加權計算，本工程橋面系統取0.9，地面層取0.7，綠地取0.15)；F為匯水面積，hm2。

本道路徑流雨水受納水體為連通港、鯉魚溪、總港水系，面源污染物削減率應達到50%以上。

3 優化設計方案

3.1 總體方案構思

本道路標準斷面寬度50 m～60 m，地面層機動車道兩側側分帶(綠化帶)標準寬度為5.0 m(2.5 m+2.5 m)，高架橋下中分帶(綠化帶)標準寬度為13.0 m和5.0 m(2.5 m+2.5 m)兩種類型。根據《武漢市海綿城市規劃設計導則》要求，結合本工程特點，按照武漢市園林局要求，綜合考慮各相關部門意見，為確保行車安全及照明、景觀等設施的設置需求，本設計分高架層及地面層2個系統進行設計，將高架橋下的中分帶全部設置為下沉式綠化帶，將地面層局部路段側分帶設置為下沉式綠化帶，有邊綠化帶的路段，在邊綠化帶設置下沉式植草溝。經滲透、滯留、截污等工程措施發揮作用，實現徑流總量控制目標和徑流污染控制目標(見圖1)。

3.2 結構設計體系

3.2.1 高架橋面控制系統

1)高架橋面雨水通過橋墩雨水立管降落至橋面下的中央綠化帶內，雨水降落管排出口處設置消能井(內部填充20 cm厚40 mm～50 mm粒徑的卵石層)，來水消能后排入初期雨水沉泥池，截留去除部分固體顆粒污染物；2)消能雨水經沉泥池沉淀后，溢流進入綠化帶，待綠地吸水飽和后，綠化帶開始蓄水；3)當蓄水深度達到設計深度后，超量雨水經雨水溢流口溢流排入地面層機動車道下設置的雨水檢查井，經轉輸最終排入附近河道水系；4)在綠化帶內路面結構層側面及底面鋪設復合防滲土工布，以防水流滲透到路基內部和損害路基結構；5)為保證下沉式綠化帶內排水順暢，避免雨水漫流進入路面，在每兩座橋墩之間道路縱坡低點設置雨水溢流口及橫向排水管，將綠化帶里的超量雨水和滲水排入道路下的雨水管網系統。

3.2.2 地面層控制系統

地面道路兩側側分帶寬度僅有2.5 m寬，鑒于道路沿線園林景觀、交安照明設施及環衛管理力度與下沉式綠化帶基礎設施建設之間的矛盾，為保證行車安全及照明、景觀等設施的設置需求，本工程在道路沿線選取適當路段，將行車道兩側的綠化帶設置為下沉式綠化帶，其余路段按常規綠化帶設置(見圖2)。在下沉式綠化帶路段，排水系統設計方案為：1)車行道徑流雨水由立箅式雨水箅子進入雨水沉泥池，截留去除部分固體顆粒污染物后，溢流排入綠化帶；2)人行道寬度大于5 m時設條狀樹池，條狀樹池寬度為1.5 m，采用高站石分隔非機動車道和人行道，并間隔15 m設置斷口排導人行道路面匯水進入非機動車道，再分散排入綠化帶；3)人行道寬度小于5 m時不設條狀樹池，與非機動車道雨水一起排入綠化帶；4)待綠地吸水飽和后，綠化帶開始蓄水；5)當蓄水深度達到設計深度后，超量雨水經雨水溢流口溢流排入地面層機動車道下設置的雨水檢查井，經轉輸最終排入附近河道水系；6)在綠化帶內路面結構層側面及底面鋪設復合防滲土工布，以防水流滲透到路基內部和損害路基結構；7)為保證下沉式綠化帶內排水順暢，避免雨水漫流進入路面，每隔30 m左右，在道路縱坡低點設置雨水溢流口及橫向排水管，將綠化帶里的超量雨水和滲水排入道路下的雨水管網系統；8)邊綠化帶內靠近道路邊線側設置植草溝，并在植草溝內設置溢流口，對綠化帶內雨水起滯留作用。

3.3 設計方案及達標性評估

3.3.1 徑流總量控制

降雨過程中，下沉式綠地系統中同時發生降雨、匯流、蓄集、滲透、蒸發和溢流排放。假設下沉式綠地蒸發量、前期蓄水量及滲透量為零。

1)高架橋面徑流控制系統中，橋面匯水面積5.078 hm2，設計調蓄容量1 334.5 m3，下沉式綠化帶面積8 058.37 m2，經計算，綠化帶蓄水深度需0.17 m。本工程中分帶下沉深度取0.25 m，雨水溢流口高出綠化帶地面0.17 m，即蓄水深度為0.17 m。

2)地面層徑流控制系統中，匯水面積為2.455 hm2，設計調蓄容量為501.8 m3，下沉式綠化帶面積為3 405.2 m2，經計算，綠化帶蓄水深度需0.15 m。本工程中分帶下沉深度取0.35 m，雨水溢流口高出綠化帶地面0.15 m，即蓄水深度為0.15 m。

因此，橋面下中分帶蓄水深度0.17 m，側分帶蓄水深度0.15 m，可滿足年徑流總量控制目標。

3.3.2 面源污染物控制

本工程通過設置初期雨水沉泥池，可凈化道路雨水，有效消減徑流污染物排放量，同時道路沿線綠化設施的設置均有利于改善城市水環境。中分帶內下沉式綠化帶及沉泥池污染物去除率取70%、側分帶及人行道條狀樹池污染物去除率取50%，對道路范圍內的TSS綜合削減量為55%，可滿足面源污染物控制目標。

4 系統應用優勢

本次優化設計綜合考慮高架層排水系統及地面層排水系統，結合高架橋面排水特點和地面層道路斷面布置形式進行海綿城市建設，建設主要特點有：

1)環保、無能耗：將地面層中央分隔帶設置為下沉式綠化帶，用于消納、凈化橋面徑流雨水；地面層下沉式側分帶用于消納、凈化地面車行道、人行道匯流雨水，兩個系統均采用自然、無動力方式建設，實現了環保、無能耗的設計目標。

2)有重點、有目標：針對高架橋面雨水流量集中、流速較大的特點，在地面層橋墩雨水降落管處設置消能池及初期雨水沉泥池，可避免橋面雨水對中分帶內種植土沖刷現象的發生，并對高污染初期雨水實現截留凈化。

3)強適應性、低維護率：在車行道路緣石開孔處設置立箅式雨水箅子，避免地面雜物隨水流進入綠化帶，為海綿設施功能的發揮提供充足空間，降低日常維護檢修率。

5 結語

通過將“海綿城市”理念應用于典型“高架層+地面層”高架道路建設中，遵循生態優先的原則，對傳統高架道路排水設計進行了優化，分別建立高架層和地面層生態排水系統，將徑流雨水在城市區域積存、滲透和凈化，達到雨水徑流總量控制目標和面源污染物控制目標的同時，促進了雨水資源的利用和生態環境保護。