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海綿城市
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白城市海綿型道路建設工程案例

  項目位置:吉林省白城市生態新區
  項目規模:126hm2
  竣工時間:2017年11月
  1 項目基本情況
  白城市海綿城市建設深入落實源頭滯滲、豎向控制、系統治理思路和技術路徑,創新形成高寒缺水地區一系列技術標準做法。生態新區按照海綿城市理念指導建設,對新區所有道路進行海綿化建設,探索形成了多種形式的“停車+雨水滯留凈化”相結合的生態道路,創新道路抗凍融和融雪劑做法、道路生態溝渠行泄通道做法,形成有效保障后期維護的生態措施標準做法。
  1.1氣象與降雨條件
  白城市地處中溫帶大陸性季風氣候區,對白城站1983-2012年實測降雨量資料進行分析,白城市多年平均降雨量410mm,年均蒸發量1678mm,是年均降雨量的4倍。白城降雨量年際變化較大,最大年降雨量1998年為726.3mm,最小年降雨量2001年為123mm。對月均降雨進行分析,1月至5月累計降雨量占全年降雨量12%;10月至12月累計降雨量占全年降雨量5%;6月至9月累計降雨量占全年降雨量83%。

1  1983-2012年白城地區年降雨量情況圖

2 白城市年均降雨量與蒸發量

  根據白城市降雨特征專題研究結果,白城市暴雨以短歷時單峰雨型為主,30分鐘、60分鐘、90分鐘、120分鐘、150分鐘和180分鐘歷時的芝加哥設計雨型綜合雨峰位置系數為0.360,以5min為單位時段的1440min的設計暴雨雨型主峰時間為190min。白城市不同重現期不同歷時對應的設計雨量如表1所示,20年一遇1440min雨型如圖3所示。

1 白城市不同重現期不同歷時設計雨量


3 白城市20年一遇1440min設計雨型

  對白城市近1983~2012年24小時降雨量數據進行統計,得到白城市年徑流總量控制率與設計降雨量的關系如圖4、表2所示。

4 白城市年徑流總量控制率與設計降雨量關系曲線

2 白城市年徑流總量控制率與設計降雨量關系


  1.2區域分析
  項目位于白城市海綿城市建設試點區——生態新區,屬于規劃一河流域、鶴鳴湖流域,如圖5所示,海綿型道路總占地約126hm2,占生態新區試點區面積960hm2的13%。項目包含:1)多種形式的“停車+雨水滯留凈化”相結合的生態道路;2)抗凍融透水鋪裝與融雪劑棄流生物滯留組合道路;3)橫五路、縱十三路道路大排水通道。

5 項目分布及所屬流域情況

  1.3現狀條件分析
  區域整體西北高、東南低,95%以上區域的坡度小于5%??辈毂砻?,區域2m以內表層土壤以雜填土和粉質粘土為主,表層土壤滲透系數在400~600mm/d,2m以下為砂礫,滲透性好;地下水埋深為3~10m。
  生態新區路網已形成,管網為雨污分流制,設計標準為2年一遇。生態新區大部分地塊未開發,現狀基本建成占地約100hm2的新城家園棚改回遷居住區及新區中學等,其余地塊已基本出讓。
  2 問題需求分析
  2.1透水鋪裝凍融損害風險大,融雪劑使用損害雨水生態設施植物
  北方城市冬季降雪量大,冬季多使用融雪劑進行除雪,近些年,多采用機械除雪,但極端天氣情況下,依然會使用融雪劑。眾所周知,融雪劑會對道路綠化植物造成侵害,尤其是海綿型道路,含融雪劑的融雪徑流會順利排入道路下沉式綠化帶內,更容易對植物產生影響。除了融雪劑,北方城市采用透水鋪裝還會遇到另一問題,就是冬季融雪水進入透水鋪裝結構層,極易產生凍脹而破壞路面鋪裝。
  2.2道路徑流污染問題突出,源頭減排控制徑流污染需求大
  區域內規劃一河、鶴鳴湖主要水源為區域內的徑流雨水,補水水源來自洮兒河灌渠,因此,徑流污染是水體首要污染源。由于生態新區雨水管渠末端排放口均為淹沒出流,無法實施末端截污凈化,因此,源頭減排成為控制徑流污染、保障下游水環境的重要手段,道路的徑流污染控制尤其重要。
  2.3區域地形平坦,排水防澇風險高,超標雨水蓄排系統構建需求大
  由于區域地形平坦,導致排水、排澇條件差,現狀雨水管渠末端排放口均為淹沒出流。且現狀下穿式立交橋區排水標準較高,需控制暴雨時高水匯入橋區。
  結合片區整體豎向條件,選取適合的既有道路作為超標雨水行泄通道,合理銜接規劃公園綠地、多功能調蓄水體,成為該片區超標雨水蓄排系統構建的關鍵。
  2.4項目借鑒意義
  白城市位于北緯45°高寒地帶,特殊的氣候條件使得雨水技術在白城的應用需解決以下難點:
  1)透水鋪裝凍融損害風險大;
  2)極端暴雪情況下,融雪劑的使用損害雨水生態設施植物;
  3)道路雨水生態設施如何強化預處理、后期低維護;
  4)如何在平原地形的不利情況下構建超標雨水蓄排系統,達到內澇防治標準。 
  以上問題的解決使得項目具有較好的示范性,可為北方及其他地區海綿城市建設提供借鑒。
  3 建設目標
  綜上分析,結合規劃一河流域、鶴鳴湖流域內澇防治和水質保障需求,根據《白城市海綿城市專項規劃》,生態新區海綿型道路的建設目標如下:
  源頭減排目標:年徑流總量控制率80%,對應設計降雨量20.6mm;
  水質控制目標:年SS總量去除率50%;
  雨水管渠設計重現期:2年一遇;
  內澇防治設計重現期:20年一遇。
  4 設計方案及實施
  4.1 多種形式的“停車+雨水滯留凈化”相結合的生態道路
  白城市海綿城市建設創新道路斷面設計,新城區采用多種形式的“停車+雨水滯留凈化”相結合的生態道路。



6 不同形式的停車+雨水滯留凈化海綿型道路分布圖

3 不同形式的停車+雨水滯留凈化海綿型道路表

  1)斜向停車+雨水花園做法
  新區道路目前有縱十三路、橫七路、橫十一路創新采用“斜向停車+生物滯留帶”組合形式,道路路面與停車位順接,坡向生物滯留帶,嚴格把控豎向,有效控制雨水徑流的同時解決部分停車問題。

7 斜向停車+雨水花園典型做法

  進水口處設置前池,生物滯留帶邊坡設置碎石緩沖區、底部設置碎石鋪底清淤區,強化預處理、清淤,有效緩解由于沉泥區清淤不及時造成土壤板結等現象,大大降低了堵塞風險和維護頻率及難度。


8 生物滯留帶進水口前池

  2)垂直停車+雨水花園做法
  生態新區西輔路采用垂直停車+雨水花園做法。雨水花園做法與側向停車+綠帶形式相同。

9垂直停車+雨水花園典型做法

  3)橫向停車+雨水花園做法
  生態新區縱十二路、橫六路、橫九路、縱八路創新采用“平行停車+生物滯留帶”組合形式,嚴格把控豎向,停車位采用嵌草磚形式,組合設施用于滯蓄減排機動車道和人行道雨水徑流。生物滯留帶前后各有碎石沉淀池,便于后期清淤維護,中間設置有矩形齒擋水堰,為更好的蓄滲雨水徑流及污染控制。

10 橫向停車+雨水花園典型做法



11 生物滯留帶前池做法

  4.2抗凍融透水鋪裝與融雪劑自動滲濾棄流生物滯留組合系統
  為解決融雪劑和凍融技術難題,白城市聯合科研單位,創新研發了道路雨水與含融雪劑融雪徑流生態處理與抗凍融透水鋪裝組合系統集成技術,實現了道路融雪徑流和初期雨水的優先滲濾凈化與排放,并選擇適合本地生長的抗堿性強的植物,解決了融雪劑侵害雨水生態設施植物的問題;采用“面層透水磚/縫隙透水+變形縫、基層導排水”做法,解決了高緯度、高寒地區透水鋪裝凍脹破損問題。目前生態新區橫一路、橫五路、橫八路、橫十路、縱十七路、家園路6條道路采用該技術做法,經兩個冬季的運行結果表明,人行道透水鋪裝抗凍和生物滯留帶融雪水棄流與滲濾效果良好,達到了預期設計目標。以橫五路海綿型道路介紹該技術做法。
  橫五路雨水設施主要有生物滯留帶和人行道透水鋪裝,生物滯留帶由道路綠化帶改造而成,每個生物滯留帶單元2m寬、8m長,生物滯留帶之間設置2m寬的人行過道,人行道透水鋪裝寬5m。
  融雪劑自動棄流和抗凍融透水鋪裝的技術方案如圖12所示。

12 融雪劑自棄流和抗凍融透水鋪裝典型做法

 ?。?)冬季運行工況
  在冬季,融雪劑自動棄流主要利用了融雪徑流的流量一般較小的特點,融雪徑流進入生物滯留帶后,通過合理的導流路徑設計,使之優先經過滲排渠滲濾處理后排放。本案例中,含融雪劑的融雪徑流經沉淀池預沉淀后,由沉淀池一側矮墻溢流進入滲排渠,經碎石過濾、滲排管收集后排入市政污水管。冬季運行工況如圖13所示。

13生物滯留帶冬季運行工況

  對于透水鋪裝抗凍融設計,水平方向上,通過每隔6m設置的變形縫提高其抗凍性能;垂直方向上,設置砂墊層,并在砂墊層中每隔1m設置一條寬200mm的排水帶,排水帶與生物滯留帶中的滲排管連接,可及時將透水鋪裝結構層中的融化水排走,以解決垂直方向上的凍脹問題。
 ?。?)雨季運行工況
  以10m一段生物滯留帶為例進行計算,半幅路寬為9m,滲排渠寬度0.4m,長度5.2m,滲透系數約為0.0005m/s,滲透量為1.05L/s,機動車道與透水人行道寬度皆為4.5m,面積皆為45m2,綜合徑流系數為0.625,滲排渠可控制強度q=1.05/0.625/0.009=186.5L/s/hm2,按匯水時間為1min計算,該降雨強度對應降雨重現期約為0.5年,即在雨季,對于<0.5年一遇的小雨,雨水徑流同樣經上述通道由滲排渠過濾后排放,對于≥0.5年一遇的降雨,雨水徑流溢流進入蓄滲區入滲回補地下水。
  根據白城市暴雨強度公式計算,0.5年一遇2小時降雨量為20.4mm,由上分析可知,可全部經滲排渠過濾處理,因此生物滯留帶的設計降雨量至少為20.4mm,對應的年徑流總量控制率約為80%。
  生物滯留帶在雨季不同降雨情景下的運行工況如圖14所示.

a)雨季運行工況(<0.5年一遇)    b)雨季運行工況(≥0.5年一遇)

14生物滯留帶雨季不同降雨情景下的運行工況

  4.3橫五路、縱十三路道路行泄通道工程
  選擇橫五路與縱十三路道路大排水通道、縱八路道路大排水通道,分別利用道路路面及道路兩側帶狀綠帶作為徑流行泄通道,大排水通道不同降雨情境下的運行工況如圖15、圖16所示。
  
15 橫五路道路大排水通道不同降雨情境下的運行工況

16 縱十三路大排水系統不同降雨情境下的運行工況

 ?。?)水文計算
  匯流時間為15min時,內澇防治系統、雨水管渠系統、大排水系統水文計算如表4所示,根據內澇防治系統總設計標準和管渠系統設計標準,計算得到地表大排水系統設計標準,如式(1)所示,

I道路=I-I=178L/s/ hm2  1

式中:I道路——道路大排水系統設計標準,L/s/ hm2;

I——內澇防治系統設計標準,L/s/ hm2;

I——雨水管渠系統設計標準,L/s/ hm2。

由表4可知,道路大排水系統設計標準約為2年一遇。

4 水文計算表

 ?。?)水力計算
  橫五路和縱十三路管網、道路行泄通道及其匯水面積如圖17所示,分別對A1、B1、C1過水斷面進行水力計算,并得到最大可服務匯水面積,通過與實際匯水面積進行對比來判斷是否滿足設計標準,并據此進行相應的斷面調整。

17 大排水通道水力計算示意

  A1斷面:橫五路以道路路面與路緣石構成的三角形邊溝作為行泄通道,如圖18所示,路面最大過水能力Q道路計算如式(2)所示:

Q道路=0.376SX1.67SL0.5T2.67/n =1.5m3/s   2

式中:Q道路——道路最大過流流量,m3/s;

Sx——道路橫向坡度;

SL——道路縱向坡度;

T——道路最大過水斷面寬度,m;

n——粗糙系數,取0.013。

行泄通道可服務最大匯水面積A計算如式(3)所示:

A=Q道路/φ/ I道路=12.8 hm2  3

式中:A——行泄通道可服務最大匯水面積,hm2;

φ——匯水面綜合流量徑流系數,取0.6。

行泄通道可服務最大匯水面積大于實際匯水面積12.2hm2,滿足設計要求。


18 橫五路道路大排水斷面

  B1、C1斷面:縱十三路以路側生態溝渠作為行泄通道,斷面如圖19所示,生態溝渠最大過水能力計算如式(4)所示:

Q溝渠=AgR0.667i0.5/ng=12.1m3/s  4

式中:式中:Q溝渠 ——生態溝渠最大過流流量,m3/s;

Ag ——過流斷面面積,m2;

R ——水力半徑,m;

i ——生態溝渠縱向坡度,0.1%;

ng ——粗糙系數,取0.011。

可服務最大匯水面積計算如式(5)所示:

A=Q溝渠/φ/ I道路=113.0 hm2  5

大于實際匯水面積(11.7+12.2=23.9 hm2、8.4 hm2,滿足設計要求。

19 縱十三路生態溝渠行泄通道斷面

  5建設效果
  5.1 多種形式的“停車+生物滯留”建設效果
  生態新區海綿型道路于2017年11月已全部施工完成,并且經2018年一個雨季的檢驗,徑流總量控制、污染控制效果顯著。

20 斜向停車+雨水花園生態道路實景圖



21 垂直停車+雨水花園生態道路實景圖


22 橫向停車+雨水花園生態道路實景圖

  選取縱八路海綿設施進行監測效果評估,圍繞縱八路低影響開發道路徑流總量與SS等水質指標開展監測工作,在大(暴)、中、小三種強度實際降雨下,進行流量監測以及徑流水質取樣。進水流量采用堰箱流量計進行監測,出水流量采用雨水口流量計進行監測;水質監測采用人工取樣。監測點位于道路西側,由于道路中心線兩側道路的形式相同,因此,選取匯水面較為明顯的一個生物滯留單元進行監測,監測流量、采集水樣。監測道路長度50m,匯流面積0.055ha。監測點位具體位置及監測實景如下圖所示。

23縱八路監測點位


24 道路采樣點徑流流量與ss濃度曲線


25 雨天監測實景

  根據實際監測縱八路降雨量、污染物濃度、及徑流量之間關系,計算不同降雨區間內的徑流量及污染物量,同時計算出小區與道路平均污染負荷,以此根據以下公式計算設計降雨量與污染物削減率關系。

     6

其中,——污染物削減率;
  ——某降雨時段內污染物平均濃度,mg/L;
  ——某降雨時段內降雨量為H時對應的年均降雨量、年均徑流體積,m3;
  ——事件平均濃度,mg/L。
  由圖25、26可知,白城市徑流總量控制率與不同污染物削減率趨勢基本相同,初雨徑流污染控制效果較為顯著。

26 道路徑流污染物平均濃度與降雨量關系


27 道路徑流污染削減率與年徑流總量控制率關系

5.2 橫五路抗凍融透水鋪裝與融雪劑棄流生物滯留帶建設效果
  生物滯留帶與透水鋪裝實景照片如圖28所示。

28實景照片

對2016年8月31日實際降雨進行了監測取樣,橫五路生物滯留帶進水和滲渠出水水質如圖29所示,懸浮顆粒物SS隨降雨歷時變化過程如圖30所示,經計算,SS總量削減率為78%。


a 生物滯留帶進水             b 生物滯留帶滲渠出水

29橫五路海綿型道路水質凈化效果對比 



30 橫五路海綿型道路SS監測結果

5.3 道路徑流行泄通道建設效果
  對海綿城市建設前后區域內澇風險進行模擬分析,如圖31、32所示,通過多功能調蓄水體和橫五路、縱十三路大排水通道對超標降雨的調蓄排放,有效降低了區域內澇風險。

31 改造前區域內澇風險圖(20年一遇)


32 改造后區域內澇風險圖(20年一遇)


33 縱十三路行泄通道實景圖

34道路低點人行道設置徑流通道與生態溝渠連接


35地塊雨水排入口斷接后接入生態溝渠

 

有關信息

設計單位:江蘇山水環境建設集團股份有限公司

技術支撐單位:北京建筑大學








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