研究城市道路海綿設計常見問題

文／林鑫杰 中國聯合工程有限公司 浙江杭州 310052

引言：

隨著城市建設的快速發展，造成了路面硬化加快，路面透水性下降，部分路段洪水問題嚴重。另外，由于我國水資源有限，對水的需求不斷增加，水資源不足問題日益突出。城市道路海綿化設計也逐漸從概念過渡到項目落地。城市道路海綿設計理念的提出，為推進生態文明建設、遵循生態優先原則，以及解決城市道路內澇、缺水等問題開辟了新的研究途徑[1-2]。通過建造低影響開發措施和自然滲漏過濾相結合，達到雨水儲存、滲漏和凈化的目的。雖然近年來，在城市道路發展過程中，形成了城市內澇防治、雨水收集利用、黑臭水體治理等統一做法和經驗，但在城市道路海綿設計方面仍存在一些問題[3]。因此，本文以海綿設計的理念與城市道路建設的實踐過程相結合，對城市道路海綿設計中存在的問題進行了探討，并對存在的問題進行了改進，可為今后的海城市道路海綿設計提供科學支撐，提高相關項目設計人員的決策能力和監督能力。

1、城市道路海綿設計的概念

“海綿設計”這一概念源于業界和學界對“海綿”物理性能的隱喻，表現相關物體對雨水等水資源的吸收能力。城市道路海綿設計的核心思想是低影響設計開發。具體來說，在城市規劃道路的建設過程中，通過利用透水路面、路磚等保存設施，促使城市道路的透水性加強，建立合理、干凈的雨水儲存，以及解決城市的內澇問題,保障我國土地生態安全，建設良好的城市人居環境。而為了使城市道路具有一定的海綿特性，一是使城市道路具有海綿的水力特性:吸水、蓄水和供水；二是城市道路具有海綿材料的特性:海綿的壓縮性和回收性。因此，在城市道路海綿設計中，應根據城市區域、道路雨流污染的特點進行海綿設計，避免海綿設計的良莠不齊，根據功能需求、建設條件和整體城市道路格局，在此基礎上，利用和改善水文和土壤條件，滿足城市道路海綿的設計要求。

2、城市道路海綿設計常見問題

2.1 海綿設施空間有限，實施困難

因用地不足，城市道路規劃紅線寬度較大，應當在紅線范圍內設置機動車道、非機動車道、人行道和基本配套設施帶。因而除少數景觀道路外，城市路內綠化帶和路外市政綠化帶相對較少。許多支路甚至采用一塊板形式，只能滿足交通功能，沒有下凹式綠地、生態樹池等海綿設施空間。另外，如果道路類海綿在條件允許的情況下，可以設置為下凹式綠地和一些透水鋪裝。但在道路綠化分區中，分隔寬度基本為1.5～2.5cm 之間，因而采用了傳統的下凹式綠地。但施工期間，其凹陷弧度容易變緩，平均凹陷深度不滿足1.5cm，下方的弧線很難構筑綠色的分割帶[4]。

2.2 城市道路海綿設計目標不易實現

城市道路海綿設計的控制目標和定量分析指標，應根據城市排水的要求確定具體的控制目標。如試點初期，城市道路的徑流總量控制率基本上是指區域的徑流總量控制率，控制在70%到75%之間。但在實施過程中，一些次干道和支路綠化帶由于寬度較小，難以滿足完全徑流總量控制要求[5]。或者一些設計單位在道路徑流總量控制率不能滿足要求的情況下，就取消城市道路海綿建設或采用多孔纖維棉等非綠色設施，嚴格滿足徑流總量控制要求，從而增加財政資金壓力。

2.3 城市道路海綿設計意識不足

首先，在管道鋪設計時不考慮沖突，按管道鋪設要求在相應區域鋪設管道，但是，在同一位置鋪設兩根以上的管道有可能造成管道沖突，因此縱斷面的結構設計很重要，高度差是布置的重要要求。另外，由于海綿道路設計沒有納入道路鋪設角度中，因此不能提高城市道路的排水性。同時，在城市道路海綿設計中，設計單位雖然認識到增強道路透水性的重要性，但卻忽視了其透水性強度和密度的控制。不僅是車行道，對人行道和綠化帶的透水性設計的認識也很薄弱[6]。此外，城市道路海綿的功能不夠完善，比如在選擇透水性高的鋪裝地磚時，可能會忽略行動不便的人，或是部分路段沒有設置盲道，或是海綿設計不完善。

2.4 內澇防治的設計觀念有待改進

目前，“海綿設計”道路工程的理論、方法和實踐在我國已初步發展，主要以排水設計工作為主。雖然在一定程度上解決了內澇問題，但對城市道路中的雨水資源并沒有得到充分利用。隨著社會經濟和生產的快速發展，我國南北區域人口基數大，水資源分布不均，水資源問題嚴重，在因此，城市道路海綿設計中建立水資源綜合調節和利用體系變得重要起來。

2.5 海綿城市設計存在的問題

城市道路的海綿設計最終關系到海綿城市的良性循環。但是，但在實際海綿城市設計中主要存在以下問題，不利于海綿城市建設。具體來說:（1）在道路設計的前階段，沒有充分考慮到海綿的設計。在施工圖設計階段，橫斷面設計僅解決交通功能和管線布置功能，海綿設施鋪設難度較大。（2）雨水設施單一，對城市道路發展影響較小，包括凹形綠地、草溝、透水步道等，這些設施的設計是為了將地面的雨水轉移到路面下面，進行滯留蓄存。這違反了路基和路面設計的防水密封理念，路基的病害和變形大多與水的滲透和侵蝕有關。為保證路基的強度和穩定性，必須采取相應的排水或隔水措施，消除或減少水對路基的破壞。（3）路面病害多與水的侵襲有關，路面水滲入路面后，殘留在骨料間隙無法排除，且在車輪高速作用下產生高壓水動力，造成路面強度降低，造成危害。（4）雖然防水膜、防滲土工布等材料廣泛用于蓄水設施與路基、路面的隔離，但其實際效果和使用壽命難以保證，這就要求道路設計者在鋪設海綿設施時十分慎重[7-8]。

3、問題的解決方法分析

3.1 城市的道路空間問題應該在施工之前解決

規劃部門要在滿足功能布局的基礎上，適當拓寬道路紅線，特別是新規劃的開發區和其他城區域，要預留足夠的綠地。在保證城市道路通行能力和交通安全的前提下，協調紅線內外土地空間垂直布局，為道路雨水排除創造條件。

3.2 城市道路海綿設計目標不易實現的問題

城市道路海綿設計是一項系統工程，是海綿管理分區的綜合控制指標，在設計過程中，應充分考慮用地性質、現狀條件，盡量合理協調。以沿海城市為例，鑒于沿海城市地下水位高、資源年平均降雨量大的特點，筆者建議，在沿海城市海綿道路建設過程中，設計目標主要從控制徑流總量改為控制徑流污染。采用最可行的原則控制10-12mm 的初期雨水，年總徑流控制率不超過50%。同時，通過系統方案平衡區域總徑流控制目標，在公園、綠地、居住區等綠化率較高的地區，宜優先配置海綿設施。同時，以相關城市舊城區現有道路工程為例，可適當降低要求，在紅線外設置水域、公園、廣場等項目，使加權的綜合指標滿足要求，不應當采用單一指標進行控制[9-10]。此外，未來還應充分利用物聯網、大數據等信息系統技術，支持城市道路海綿的設計目標，發揮目標監測工作的最大效能。

3.3 充分考慮和反思城市道路海綿設計的合理性

3.3.1 設計人員需強化海綿設計理念

首先，設計人員應該強化海綿設計理念，允許部分雨水滲透，通過技術措施解決路基與路面之間的防水問題和凹形綠地、生態樹池等設施。在保證路基強度和安全的前提下，保證雨水的滲、蓄、溢，保持道路適應性和自然彈性。

3.3.2 縱斷面與橫斷面改造設計

管道結構縱斷面改造應按照蓄水、排水、過濾等功能要求進行，在不同區域鋪設不同區域的管道，綜合考慮接口處的各種因素，設計管道連接方案。為了減少管道沖突問題，建議使用軟件模擬管道縱斷面的布置結構，并根據模擬結果進行構造。關于橫斷面的改造設計主要根據道路土層結構布置，通過土層結構的改造，達到提高路面滲透性的目的。但是，要注意不要輕易復制標準海綿的滲透性橫斷面。部分設計人員在規劃時直接采用了標準海綿橫斷面，但容易與實際發生沖突，比如一些舊城改造與新建道路不同，沿街商鋪多，地下管線復雜，老路經過改造，對周邊地區影響很大。因此，其橫斷面設計應結合工程實際，多方案比較。重點對拆遷量、行道樹保存量、工程費等進行了定量比較。

3.3.3 路面結構改造設計

在路面結構改造中，應選用透水性良好的混凝土作為鋪裝材料，并根據工程質量要求控制鋪裝厚度。除材料改造外，還將引入海綿城市建設理念，對道路結構進行改造，包括道路傾斜度和構筑物。其中，道路坡度改造主要是根據兩側排水口與車輛道路的連接位置，采取路面稍高、排水口稍低的方法調整車輛坡度。道路結構改造主要分布在道路中心及兩側，根據實際情況，盡量增加道路綠化帶的寬度，利用綠化帶促進雨水滲透，提高道路結構的穩定性[11-12]。

3.3.4 無障礙設施改造設計

在城市道路海綿的改造設計中，筆者建議要改善人行道的改造性，因此選擇透水性好的道路磚快作為透水鋪設材料。目前，許多透水磚是通過一般的道路磚快為主，為眼睛不方便的人所設置的路磚很少考慮到。并且為了提高整個人行道的路面滲透性能，改善盲道的磚滲透性能也很重要。既然道路結構發生了變化，盲道的設置也應該重新考慮。其中，障礙物的提示尤為重要。以及作為提示，在盲道上還需要調整盲道透水磚表面的凹凸情況，謀求與普通盲道的區別。

3.4 改造內澇防治設計

暴雨來襲時，我國部分城區降雨量會出現多個地區積水，出現內澇問題。而城市道路海綿設計中，可以充分考慮城市降水資源，通過充分利用降水，合理利用現有河流、湖泊、濕地、城市公園、池塘等水系內存，計劃城市每年建設綠地和道路鋪設透水磚等。盡量收集超過城市排水能力的雨水，并加以循環利用。還可在地下修建蓄水池，儲存雨水資源。另外，由于落到地面的雨水容易受到自然環境的影響，混雜流入排水管。為了保持水庫水資源的清潔，可在收集雨水的管道位置設置自然凈化系統。例如利用硅砂形成六角形蜂窩結構，將水中雜質在雨水結構中過濾，部分雨水資源流入蓄水管，最終流入蓄水池，用于景觀供水、綠地灌溉等[13]。在制作水資源的部分的改造設計中，水流的組織是設計的重要因素，采用物理過濾技術和生物凈化技術，將下水道中存在的雜質進行處理，然后流入排水管。

3.5 做好海綿設施系統化設計

首先，海綿設計在設計初始階段，設計單位在可行性研究階段應該提出城市道路海綿設計目標和控制指標，并在設計方案中提出分析結果，計算并提出指標執行路徑，為建設部門提供決策依據，確保后期海綿設施建設有充足的實施空間和資金。同時，加快研究制定海綿設計規范，制定海綿設計指南，但由于缺乏科研基礎和實踐經驗，設計方法、設計標準和指南非常矛盾。近年來，我國在城市道路海綿設計方面取得了大量實踐經驗和研究成果，因此，應規范城市道路海綿設計，規范建設行為，推廣先進經驗。另外，設計工作應務實，城市道路海綿設計指標中，一些必要的指標，比如年徑流總量控制率、面源污染率削減率等，應強制滿足，但受實施條件限制，很難達成。部分設計者為了完成要求，有時會選擇不合理的計算方法，得到不真實的計算結果以備審查。有些項目，雖然只設置了人行道半透水路面，但年徑流總量控制率卻達到了80%，這是不合理的計算結果。因此，設計人員只有堅持結果真實導向，拓寬思路，積極爭取建設主管部門的支持，才能完成合理的設計方案。另外，海綿設計不僅需要具有消減雨水的功能，而且還需要具有凈化初期雨水的作用，這部分容易遺漏設計，應在設計計算中體現。

3.6 做好海綿設施精細化設計

在道路寬度有限的情況下，橫斷面設計可以優先設置非隔離帶。城市道路一般采用外坡排水，道路難以收集雨水，無法提高年徑流量總控制率。從海綿設計的觀點來看，非隔離帶的設置應該多于中央隔離帶，在沒有綠化帶道路的情況下，可將生態樹池、耐水性植物等，選擇 一些耐久性好的排水材料，防止雨水侵入道路主體。路面結構可采用透水瀝青土、透水水泥土、透水磚等透水結構。為了降低成本，采用透水瀝青土和透水水泥混合土組合有助于方便道路透水。透水混凝土具有材料使用方便、施工方便、平整等優點，同時結構強度低，適用于輕交通量的輕型機動車道和人行道。

3.7 根據區域的不同探索海綿設施新途徑

首先，路面初期雨水污染嚴重時，在設置新的雨水口時，應將初期雨水分離后進入污水處理廠。利用完整的城市污水處理系統，提高城市道路雨水凈化效率。同時，南方城市地下水位高，地面蓄水較強，因而可以建立地下排水管系統和地下蓄水池系統，等于降低地表徑流峰值。其次，以老城區老路改造海綿設計為例，新建大型海綿設施時，如交叉口范圍的徑流組織，是海綿設計難點，因此，在交叉口豎向設計，需要參考海綿設施的布置，將進行交叉口豎向拉坡。另外，巨大的喬木樹冠具有雨水留滯的功能，樹根具有引導的功能，且該類植物具有蒸騰的功能，從而有助于有效調節地表徑流量，持續降低大氣污染。并且在狹窄的城市道路兩旁空地上，密植行道樹，讓樹冠與道路重疊，可形成一片陰涼。因而將喬木樹木納入海綿設計，有利于達到海綿控制指標，即隨著樹木的生長，有助于進一步控制道路的徑流量和污染情況。通過打造巨大的喬木樹冠、地面滲流滯流和地下管道的立體海綿系統，有助于打造有效的海綿城市道路。

結語：

城市道路中的海綿設計，將通過改善道路結構、促進道路雨水滲透、加強合理道路養護等方面，改善城市面貌。但是，根據城市道路的種類和地域的不同，創造性地進行海綿設計也存在一些問題。因此，筆者通過反思近幾年城市道路海綿設計存在的問題，通過充分的考慮和思考城市道路海綿設計的合理性，正確的優化城市道路海綿的城市設計，以及根據區域的不同探索海綿設施新途徑等方面提出解決方法，有助于解決海綿的城市設計的問題，從新路徑將城市雨水控制從源頭、中途、末端和過程入手，使城市道路易于應對極端氣候，削減道路徑流污染，以及解決我國缺水問題，保護人民的人身財產安全。