道路設計典型海綿措施與評價方法

李萬百，董平洋，熊煥偉

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津市300381）

0 引 言

黨的“十八大”報告明確提出“面對資源約束趨緊、環境污染嚴重、生態系統退化的嚴峻形勢，必須樹立尊重自然、順應自然、保護自然的生態文明理念，把生態文明建設放在突出地位”。習總書記關于“加強海綿城市建設”的講話中指出，建設生態文明，關系人民福祉，關乎民族未來。自2013年12月，中央城鎮化工作會議要求以來，我國大力推進海綿城市建設。2015年10月，國務院辦公廳印發《關于推進海綿城市建設的指導意見》，部署推進海綿城市建設工作，從總體要求、規劃實施，統籌建設、政策支持、組織落實等方面提出要求。

1 建設背景

在此背景下，滕州高鐵新區管委會高度重視海綿城市建設工作，組織編制了《海綿城市詳細規劃》。根據規劃，到2020年城市建設區20%以上面積達到75%年徑流總量控制率的目標，到2030年城市建成區80%以上面積達到海綿城市要求目標。

在新區項目建設的過程當中，各相關建設單位堅持以海綿理念為指導，加強對城市生態格局的保護和城市低影響開發建設。將自然途徑與人工措施相結合，在確保城市排水防澇安全的前提下，最大限度地實現雨水在城市區域的積存、滲透和凈化，促進雨水資源的利用和生態環境保護。

城市道路雨水徑流量大，污染嚴重，是城市污染主要來源。使城市道路徑流雨水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、外綠地，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低影響開發設施進行處理，能夠有效對徑流中的污染物進行去除。因此，城市道路低影響開發雨水綜合利用對緩解城市洪澇災害、控制面源污染、改善城市河湖水質具有重要意義。

2 技術原理

海綿城市設計就是要采用“滲、滯、蓄、凈、用、排”的措施，使雨水盡可能的在原地蒸發、下滲、消納。道路海綿設計就是要盡量使徑流雨水經透水路面、下沉綠地等海綿設施處理、消納后再進行排放。徑流在流經海綿設施時，通過過濾、攔截、吸附、下滲等作用，使得徑流中的大部分污染物的得到有效去除，從而有效減輕徑流面源污染負荷，保護城市水環境。

低影響開發技術按主要功能一般可分為滲透、儲存、調節、轉輸、截污凈化等幾類，往往具有補充地下水、集蓄利用、削減峰值流量及凈化雨水等多個功能。通過各類技術的組合應用，可實現徑流總量控制、徑流峰值控制、徑流污染控制、雨水資源化利用等目標。

道路海綿城市徑流組織流程圖如圖1所示。透水和不透水路面、產生的雨水徑流由植草溝進行轉輸至滲井、雨水花園、滲透塘等滯留型海綿設施內進行下滲、蒸發、凈化處理。超量的雨水徑流通過溢流井溢流至雨水排水系統，排入受納水體。對于沒有建設滯留型等復雜海綿設施的道路，可將道路內的中央分隔帶、機非隔離帶等綠地下沉，做成下凹綠地。雨水徑流通過下凹綠地下滲、蒸發、凈化后溢流進入市政排水系統。

圖1 道路海綿城市徑流組織系統流程圖

3 典型設施

道路工程常用的海綿設施包括透水鋪裝、下沉綠地（又叫下凹綠地）、生物滯留設施、植草溝、滲透塘等[1]。

3.1 透水鋪裝

概念與構造：透水鋪裝按照面層材料不同可分為透水磚鋪裝、透水水泥混凝土鋪裝和透水瀝青混凝土鋪裝，嵌草磚、園林鋪裝中的鵝卵石、碎石鋪裝等也屬于滲透鋪裝。

透水磚鋪裝典型構造如圖2所示。

圖2 透水鋪裝典型結構示意圖

透水磚鋪裝和透水水泥混凝土鋪裝主要適用于廣場、停車場、人行道以及車流量和荷載較小的道路，如建筑與小區道路、市政道路的非機動車道等，透水瀝青混凝土路面還可用于機動車道。

透水鋪裝適用區域廣、施工方便，可補充地下水并具有一定的峰值流量削減和雨水凈化作用，但易堵塞，寒冷地區有被凍融破壞的風險。

3.2 下沉式綠地

下沉式綠地具有狹義和廣義之分，狹義的下沉式綠地指低于周邊鋪砌地面或道路在200 mm以內的綠地；廣義的下沉式綠地泛指具有一定的調蓄容積（在以徑流總量控制為目標進行目標分解或設計計算時，不包括調節容積），且可用于調蓄和凈化徑流雨水的綠地，包括生物滯留設施、滲透塘、濕塘、雨水濕地、調節塘等。

狹義的下沉式綠地典型構造如圖3所示。

圖3 狹義的下沉式綠地典型構造示意圖

下沉式綠地可廣泛應用于城市建筑與小區、道路、綠地和廣場內。狹義的下沉式綠地適用區域廣，其建設費用和維護費用均較低，但大面積應用時，易受地形等條件的影響，實際調蓄容積較小。

3.3 生物滯留設施

生物滯留設施是指在地勢較低的區域，通過植物、土壤和微生物系統蓄滲、凈化徑流雨水的設施。生物滯留設施分為簡易型生物滯留設施和復雜型生物滯留設施，按應用位置不同又稱作雨水花園、生物滯留帶、高位花壇、生態樹池等。

按照是否對土層進行換填，可分為簡易型和復雜型生物支流設施。簡易型和復雜型生物滯留設施典型構造如圖4、圖5所示。

圖4 簡易型生物滯留設施典型構造示意圖

圖5 復雜型生物滯留設施典型構造示意圖

生物滯留設施形式多樣、適用區域廣、易與景觀結合，徑流控制效果好，建設費用與維護費用較低，但地下水位與巖石層較高、土壤滲透性能差、地形較陡的地區，應采取必要的換土、防滲、設置階梯等措施避免次生災害的發生，將增加建設費用。

3.4 植草溝

植草溝是指種有植被的地表溝渠，可收集、輸送和排放徑流雨水，并具有一定的雨水凈化作用，可用于銜接其他各單項設施、城市雨水管渠系統和超標雨水徑流排放系統。除轉輸型植草溝外，還包括滲透型的干式植草溝及常有水的濕式植草溝，可分別提高徑流總量和徑流污染控制效果。

轉輸型三角形斷面植草溝的典型構造如圖6所示。

圖6 轉輸型三角形斷面植草溝典型構造示意圖

植草溝適用于建筑與小區內道路、廣場和停車場等不透水面的周邊、城市道路及城市綠地等區域，也可作為生物滯留設施、濕塘等低影響開發設施的預處理設施。植草溝也可與雨水管渠聯合應用，場地豎向允許且不影響安全的情況下也可代替雨水管渠。

植草溝具有建設及維護費用低，易與景觀結合的優點，但已建城區及開發強度較大的新建城區等區域易受場地條件制約。

（5）滲透塘

滲透塘是一種用于雨水下滲補充地下水的洼地，具有一定的凈化雨水和削減峰值流量的作用。

滲透塘典型構造如圖7所示。

圖7 滲透塘典型構造示意圖

滲透塘適用于匯水面積較大（大于1 hm2）且具有一定空間條件的區域。滲透塘可有效補充地下水、削減峰值流量，建設費用較低，但對場地條件要求較嚴格，對后期維護管理要求較高。

4 道路海綿設計方案

4.1 道路概況

為了滿足新區海綿建設指標要求，新區內的道路因地制宜采用了海綿設計。飛龍大道是區內南北走向的一條主干道，全長約1 620 m。主干路采用瀝青混凝土路面，人行道采用透水路面。

道路橫斷面具體布置如下：2.5 m人行道+3.5 m非機動車道（人非共板）+2.5 m（下凹側分帶）+11 m（機動車道）+3 m（中央分隔帶）+11 m（機動車道）+2.5 m（下凹側分帶）+3.5 m非機動車道（人非共板）+2.5 m人行道，道路實施范圍寬度為42 m。道路標準斷面如圖8所示。

圖8 橫斷面圖（單位：m）

地質構造為沖、洪積成因，平原地貌單元。地層上覆第四系沖洪積地層，下伏寒武系石灰巖及燕山晚期侵入花崗片麻巖，花崗片麻巖與石灰巖的關系為侵入接觸。由地表向下依次為不同厚度的耕土、素填土、粉質粘土、砂巖和花崗巖等。地下水位埋深1.80～5.30 m，其地下水位在不同季節變化幅度約為±1.50 m。本場地的干燥度指數小于1.50，場地環境類型為Ⅱ類。

4.2 海綿措施

人行道采用了透水鋪裝結構，下設15 cm的透水水泥穩定碎石和20 cm透水級配碎石。在級配碎石層內設置有排水管。非機動車道表面采用了透水瀝青混凝土面層，底部是不透水的基層。機動車道為不透水瀝青路面。路面結構做法圖如圖9所示。

圖9 路面結構做法圖

4.3 設計方案

4.3.1 雨水徑流路徑組織設計

雨水徑流組織流程圖如圖10所示。機動車道和非機動車道的雨水徑流通過路邊設置的導流模塊經過帶豁口的側石，流入設置在中央分隔帶或機非隔離帶內的沉淀槽沉淀后溢流進入綠地。在綠地內進行下滲、蒸發、凈化，超量雨水經雨水口溢流進入市政管道中排放。入滲的雨水在種植土礫石中存儲，并向地下進一步下滲，超量雨水經過多孔管收集進入市政雨水管中排放。

圖10 道路雨水徑流組織流程圖

4.3.2 海綿設施設計

（1）海綿設施布置

飛龍大道將機非分隔帶內設置成下沉綠地。在道路側石設置有開口，在開口旁綠地內設置有預沉池。雨水經道路側石開口進入預沉池沉淀后，溢流進入下沉綠地。雨水在下沉綠地內轉輸過程中，下滲、過濾、蒸發。超量雨水經設置在綠地內的溢流井溢流至市政管網。

海綿設施平面布置圖如圖11所示。

圖11 海綿設施平面布置圖（單位：m）

（2）道路海綿設計

機非分隔帶綠地做成下沉綠地，設計將雨水引入側分帶中，沿道路縱坡方向，在側分帶路緣石開豁口，豁口的間距依據道路的縱坡情況設定。在豁口外側設置預制混凝土導流模塊，引導雨水進入側分帶綠地中。在路緣石內側設置預沉池，初期沉淀雨水，然后流入生物滯留帶中消納（見圖12、圖13）。

圖12 下沉綠地做法圖

圖13 道路豁口與預沉池實物圖（單位：m）

下沉綠地結構斷面如圖14所示。下沉深度200 mm，設置1 m厚種植土，種植土下方設有250厚礫石蓄水層。

圖14 下沉綠地做法圖

5 徑流量核算

5.1 徑流控制量計算方法

根據《滕州高鐵新區海綿城市詳細規劃》，滕州新區不同年徑流總量控制率對應的設計降雨量如表1所示。

表1 徑流總量控制率與降雨量關系表

為檢驗道路工程海綿指標落實情況，需要核算徑流控制降雨量是否滿足規劃的要求。通過核算道路工程設計控制的徑流量，反推出所控制的徑流量對應的年徑流總量控制率的百分比。

徑流控制總量包括兩部分，即本底控制量V1和海綿容積控制量V2。徑流控制總量V控按下式計算：

式中：H為實際控制降雨量mm，ψ為綜合徑流系數，F為匯水面積m2，Vi為各種海綿設施的調蓄容積m3。

通過比較實際徑流控制總量與規劃要求控制降雨量對應的控制容積，即可得到徑流控制是否滿足規劃的控制要求。

5.2 徑流控制量評價結論

統計道路各下墊面的面積，如表2所示。

表2 道路下墊面統計表

對道路工程各下墊面徑流系數進行加權平均，計算得到道路綜合徑流系數，并計算海綿設施調蓄的容積，從而可以推求出本工程控制的降雨量及徑流控制率。海綿調蓄容積的計算，考慮了海綿設施底部結構礫石層的蓄水容積。

計算過程如表3所示。

表3 徑流核算指標表

由表4可知，通過低影響開發設計，飛龍大道綜合徑流系數為0.68，海綿總調蓄容積為691 m3,實際控制雨量為45.13 mm，對應年徑流總量控制率為85.5%,滿足道路年徑流總量控制率的目標。

表4 徑流總量控制核算表

通過模擬核算，目標降雨情景下（對應降雨量29.8 mm），傳統開發模式下，道路最大產流量為70.43 m3/5 min，而設置海綿設施后，沒有徑流外排（如圖15、圖16所示）。

圖15 目標降雨情景下有無海綿設施徑流過程

圖16 道路竣工實景

6 結論

通過合理的措施，經過幾年的運行情況，海綿城市設計在滕州高鐵新區多條主干路取得了良好的效果，實現了初雨不污染，大雨消緩徑流峰值，暴雨不積水，綠化帶有效儲水，滿足了規劃要求，上述措施均可以安全的在道路設計中采用，同時機動車道路面上取消了雨水口設置，大大提升了路面景觀效果。

項目應用中可根據工程實際情況對海綿措施進行組合選擇。將海綿理念和措施應用到城市道路規劃、設計中可以起到有效減少徑流污染、補充地表徑流的目的。這些措施也并非技術創新，只不過是回歸到城市建設應該執行的理念和措施，我們首先要有生態、海綿的理念，然后灌輸到項目的細節中去，這個過程或許不是一朝一夕可以完成的，但是在國家的大力倡導下一定會還給社會一個優美的環境。