海綿城市理念在城市道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及工程實(shí)例

程章銘

（福建省林業(yè)勘察設(shè)計(jì)院，福建 福州 350001）

0 引言

近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)以及城市規(guī)模的擴(kuò)張，增加的硬化路面導(dǎo)致地面滲透性降低，地面排水不及時(shí)將加劇城市內(nèi)澇災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)缺水型城市占比達(dá)到66%，嚴(yán)重缺水的城市占比達(dá)到了25%，人均水資源僅為世界人均水平的25%。在多年來(lái)我國(guó)的城市建設(shè)中，對(duì)水資源再生和利用的重視程度較低，導(dǎo)致雨水資源的利用率低下，不足10%。因此，在我國(guó)城市化進(jìn)程快速發(fā)展和水資源緊張的背景下，在城市市政道路建設(shè)中引入海綿城市理念，探討如何將海綿城市在有限的城市建設(shè)條件下發(fā)揮應(yīng)有的效能，對(duì)改善城市內(nèi)澇、實(shí)現(xiàn)水資源合理循環(huán)再利用很有必要。

1 海綿城市的設(shè)計(jì)理念

海綿城市的核心技術(shù)體現(xiàn)在“滲、滯、蓄、凈、用、排”。為了讓城市可以像海綿一樣，主動(dòng)儲(chǔ)蓄、利用地面水資源，需要改變以往地表雨水的滲流方式。與老舊道路的綠化帶相比，海綿城市下的綠地內(nèi)增設(shè)了雨水調(diào)節(jié)、生物凈化設(shè)施，有利于城市的水資源合理循環(huán)再利用和可持續(xù)發(fā)展，提升城市在遇到內(nèi)澇或干旱危機(jī)時(shí)的適應(yīng)韌性。而溢流的超標(biāo)雨水可以通過(guò)市政雨水管網(wǎng)及時(shí)排往湖、河[1]。

2 海綿城市理念及發(fā)展歷程

美國(guó)曾在20世紀(jì)90年代對(duì)海綿城市在城市道路建設(shè)的設(shè)計(jì)、施工、管理階段提出相應(yīng)方案，以降低對(duì)環(huán)境的影響，尤其是將對(duì)水資源和城市布局的影響降至最低，即“低影響開(kāi)發(fā)”。隨著海綿城市理念的不斷發(fā)展完善，目前美國(guó)海綿城市建設(shè)將可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)先級(jí)不斷提高，在可持續(xù)發(fā)展基礎(chǔ)上，同時(shí)兼并生態(tài)城市的建設(shè)，減少和控制城市擴(kuò)張和改建對(duì)地區(qū)的水文環(huán)境產(chǎn)生影響。

在2022年全國(guó)第二批系統(tǒng)化全域推進(jìn)海綿城市建設(shè)示范城市中，漳州市成為福建省唯一獲評(píng)城市，在健全組織結(jié)構(gòu)、配套政策制度、管控建設(shè)流程、調(diào)動(dòng)全民參與等方面成為其他城市的榜樣。

3 在城市道路建設(shè)和設(shè)計(jì)中推廣海綿城市理念的意義

在城市化建設(shè)的過(guò)程中，隨著城市交通量的快速增長(zhǎng)，規(guī)劃交通路網(wǎng)面臨更大的壓力，既有道路需要大面積進(jìn)行提升擴(kuò)建。由地周邊地塊高程限制，老舊的管網(wǎng)使既有道路標(biāo)高與雨水徑流的排放速度產(chǎn)生矛盾，導(dǎo)致城市內(nèi)澇現(xiàn)象頻現(xiàn)[2]。雨水資源循環(huán)利用率用過(guò)低，在我國(guó)水資源嚴(yán)重匱乏的情況下，造成資源浪費(fèi)的同時(shí)加劇了生態(tài)破壞。

4 海綿城市技術(shù)在城市道路中的運(yùn)用實(shí)例

以海綿城市理念為依托的城市道路建設(shè)，將道路打造成整塊“海綿”，使道路在下雨時(shí)具備較強(qiáng)的吸水性、蓄水性、滲水性和凈水性，儲(chǔ)存的地面水在需要時(shí)可以循環(huán)再利用，溢流的地下水可以通過(guò)市政雨水管網(wǎng)排放至濕地、河流，增加道路的水彈性。城市道路中的海綿系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 城市道路中的海綿系統(tǒng)

4.1 路面材料選用

海綿城市理念下的道路建設(shè)，各路面材料與傳統(tǒng)普通瀝青混凝土、混凝土路面結(jié)構(gòu)不同。以福清市、寧德市的城市道路路面材料為例，常使用透水瀝青路面、透水混凝土路面、透水磚路面這3 種透水路面。透水瀝青路面用于等級(jí)道路[3]，透水混凝土路面則適合慢車(chē)、輕載交通通行，透水磚路面適用于人行道、公園等。

各等級(jí)道路宜采用透水瀝青混凝土路面，在滿足道路功能正常運(yùn)行的情況下，還能保證道路的良好透水性和排水通暢性。例如，采用4～5 cm 厚的細(xì)粒式改性透水瀝青混凝土（PAC-13）、5～7 cm 厚的中粒式瀝青混凝土（AC-20）作為道路面層，在透水層下設(shè)封層，瀝青推薦采用高黏橡膠改性瀝青。根據(jù)交通量將下面層（AC-20）中粒式瀝青混凝土作為設(shè)計(jì)層進(jìn)行驗(yàn)算，下設(shè)基層、墊層等路面結(jié)構(gòu)。2019年，福清市觀溪新區(qū)某規(guī)劃支路被列入海綿城市道路試點(diǎn)名單，本文以此為實(shí)例進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)形式的探討及驗(yàn)算。為保證項(xiàng)目路面穩(wěn)定性，該項(xiàng)目采用Ⅰ型透水瀝青混凝土路面，即機(jī)動(dòng)車(chē)道僅面層透水。根據(jù)交通量分析計(jì)算累計(jì)交通量為4×106次，屬中等交通荷載等級(jí)。材料參數(shù)根據(jù)瀝青黏度、孔隙率及無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類(lèi)材料的性質(zhì)進(jìn)行取值，透水瀝青混合料孔隙率不小于18%，連通孔隙率不小于12%，面層模量在規(guī)范范圍內(nèi)取低值后代入計(jì)算，初擬定透水瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 透水瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)

以設(shè)計(jì)層厚度H（2）=50 mm 條件下進(jìn)行試算：5%水泥穩(wěn)定碎石底層拉應(yīng)力σ=0.104 MPa，疲勞效應(yīng)導(dǎo)致開(kāi)裂的軸次上限為5.5×1012，使用年限內(nèi)，驗(yàn)算疲勞開(kāi)裂時(shí)的當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用6.52×108軸次，滿足設(shè)計(jì)要求。

以設(shè)計(jì)層厚度H（2）=60 mm 條件下進(jìn)行試算：3%水泥穩(wěn)定碎石底層拉應(yīng)力σ=0.382 MPa，疲勞效應(yīng)導(dǎo)致開(kāi)裂的軸次上限為6.69×108，使用年限內(nèi)，驗(yàn)算疲勞開(kāi)裂時(shí)的當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用6.52×108軸次，滿足設(shè)計(jì)要求。

計(jì)算可得瀝青混凝土面層永久變形量為3.49 mm，根據(jù)規(guī)范可知該道路等級(jí)下相應(yīng)的永久變形容許值為20 mm，擬定的透水瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)符合要求，H（2）取60 mm。

根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外高黏瀝青PAC-13 透水瀝青混合料性能研究成果，本次設(shè)計(jì)擬定的透水瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)具備了相應(yīng)的抗變形能力，能夠滿足中等交通道路運(yùn)載需求及規(guī)范要求，工程造價(jià)同比普通改性瀝青混凝土路面高出20～30元/m2，屬本項(xiàng)目可控范疇。在透水瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)透水層的排水設(shè)施應(yīng)予以高度重視，路面邊緣采用帶孔透水混凝土預(yù)制塊形成縱向排水通道，在縱坡較小處設(shè)橫向排水通道與市政雨水系統(tǒng)連接。

新建城鎮(zhèn)輕荷載道路、廣場(chǎng)和停車(chē)場(chǎng)等，可采用透水水泥混凝土路面，造價(jià)經(jīng)濟(jì)。常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)面層可采用8 cm 透水水泥混凝土。基層、墊層可采用10～15 cm 多孔隙水泥混合料、級(jí)配碎石等。該種路面形式已在福清市、寧德市多個(gè)公園、停車(chē)場(chǎng)及其周邊道路應(yīng)用并取得良好效果[4]。

人行步道、步行街等路面結(jié)構(gòu)可以選用環(huán)保型透水磚面層和透水性好的基層和墊層，埋置式路緣石可采用透水混凝土預(yù)制塊。透水磚路面在滿足規(guī)范要求下應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)鼐唧w的水文條件及建設(shè)習(xí)慣進(jìn)行選擇，例如，福清市近年采用40 cm×20 cm×8 cm、60 cm×30 cm×8 cm 的灰色透水磚，寧德市則采用20 cm×10 cm×6 cm 的紅色透水磚等。找平層可采用2～3 cm 干硬性水泥砂漿。基層可采用15 cm 透水混凝土，墊層可采用15 cm 級(jí)配碎石等。壓實(shí)后的土基，其滲透系數(shù)大于1.0×10-3mm/s。人行道內(nèi)樹(shù)池可采用專(zhuān)用含碎石配方土，下設(shè)卵石排水層，孔隙率宜為35%～40%，排水層中敷設(shè)De110 滲排管，滲排管應(yīng)用防滲土工布包裹，并設(shè)置導(dǎo)流管將多余雨水導(dǎo)排入就近雨水口中，原則上30～40 m 布設(shè)一道，保證城市道路人行道能夠及時(shí)排水。

4.2 下凹式綠化帶

在道路橫斷面設(shè)計(jì)中，道路中央綠化帶、路側(cè)綠化帶和綠化退線內(nèi)可設(shè)置下沉式綠地，減小地表徑流量，同時(shí)改善收集的徑流雨水水質(zhì)。其雨水的收集流程為：路面雨水→綠化帶→礫石槽→礫石擋水槽→草溝、洼地→溢流雨水口→市政雨水系統(tǒng)。本文以工程實(shí)例計(jì)算下沉式綠地下凹深度的取值。路面徑流雨水通過(guò)鋸齒型路緣石進(jìn)入，綠帶內(nèi)溢流雨水口應(yīng)高于綠化覆土線并與市政排水系統(tǒng)合理銜接。下凹式綠化帶可有效緩解城市內(nèi)澇現(xiàn)象，同時(shí)儲(chǔ)蓄的雨水可以為綠帶提供足夠的水分，達(dá)到水資源的凈化再利用。

以寧德市某竣工次干路為例，路線長(zhǎng)1920 m，道路紅線寬24 m，因道路建設(shè)預(yù)算有限，紅線內(nèi)綠地空間不足，周邊地塊已出讓導(dǎo)致用地紅線受限。在設(shè)計(jì)階段積極建議相關(guān)主管部門(mén)對(duì)周邊地塊進(jìn)行協(xié)調(diào)，經(jīng)多方協(xié)商，該工程在條件允許范圍內(nèi)通過(guò)敷設(shè)透水磚以及采用紅線外下凹綠地蓄集雨水，以達(dá)到控制雨水調(diào)蓄及外排目的。所采用的下凹綠地深度為15 cm，溢流雨水口設(shè)置在道路紅線外兩邊的綠化帶內(nèi)，高于覆土10 cm。為確定綠帶的下凹深度，避免過(guò)度建設(shè)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行如下驗(yàn)算。

經(jīng)對(duì)照寧德市降雨量，本工程道路設(shè)計(jì)控制雨量為27.1 mm，滿足75%年徑流總量控制率的要求。

4.2.1 總調(diào)蓄容積計(jì)算

調(diào)蓄容積計(jì)算公式：

式中：V——設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積，m3；H——設(shè)計(jì)降雨量，mm；?——綜合雨量徑流系數(shù)，本項(xiàng)目? 經(jīng)加權(quán)平均計(jì)算后取0.65；F——紅線范圍內(nèi)匯水面積hm2，本工程紅線內(nèi)面積為50 688 m2=5.1 hm2。調(diào)蓄容積為：V=10H?F=10×27.1×0.65×5.1=898.4 m3。

4.2.2 下凹式綠地面積及深度

（1）下凹綠地面積S=7020 m2。

（2）設(shè)計(jì)下凹綠地深度：

式中：S——設(shè)計(jì)下凹綠地面積，m2；V——設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積，m3；h——下凹綠地深度。計(jì)算可得h=898.4 m3/7020 m2=0.128 m。

取h=0.15 m，可滿足控雨量要求，在下凹深度確定后方可對(duì)綠帶進(jìn)行下一步具體設(shè)計(jì)。退線植草溝由蓄水下凹層、植被層、種植土、內(nèi)埋透水軟管的級(jí)配碎石層及土工布構(gòu)成，道路專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合市政雨水平面對(duì)植草溝進(jìn)行平縱向設(shè)計(jì)，標(biāo)高低點(diǎn)與溢流雨水口位置相對(duì)應(yīng)。如果有設(shè)在道路內(nèi)部的下沉式綠帶，內(nèi)外側(cè)緣石可分別采用三高一低的布置形式，即三塊平緣石后，布置一塊鋸齒形緣石，與市政雨水口位置相對(duì)應(yīng)的位置應(yīng)設(shè)溢流型鋸齒緣石。綠地內(nèi)設(shè)置生物滯留設(shè)施，當(dāng)排水縱坡大于1%時(shí)，應(yīng)設(shè)置阻水坎，以減緩流速并增加雨水滲透量。近路基位置進(jìn)行防滲處理，防止道路出現(xiàn)水毀現(xiàn)象[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

海綿城市理念的引入和推廣程度，成為當(dāng)今城市文明發(fā)展的重要標(biāo)桿。一方面海綿城市通過(guò)各項(xiàng)措施有效控制徑流總量，使市政道路由傳統(tǒng)的快速排水方式向生態(tài)排水轉(zhuǎn)變，有利于緩解城市內(nèi)澇問(wèn)題。另一方面海綿城市理念引入使得新型城市道路具有了優(yōu)于傳統(tǒng)路面選材的吸水性、蓄水性、滲水性和凈水性。本文以工程項(xiàng)目為例列舉了部分措施并計(jì)算如何在預(yù)算及用地條件有限的情況下，在設(shè)計(jì)工作中做到既能滿足海綿城市的調(diào)控，又符合道路工程設(shè)計(jì)的規(guī)范與原則。在各方面均允許的條件下，道路專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員應(yīng)與給排水專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員緊密配合，進(jìn)行更深入的海綿城市研究設(shè)計(jì)，積極主動(dòng)參與推廣和建設(shè)，共同努力營(yíng)造一個(gè)“金山銀山與綠水青山并存”的美好社會(huì)。