陳世洋 王莉 石勇

中機國際工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，中國·湖南 長沙 410007

因放坡、管線、井座、植物等的影響，在雨水花園的調(diào)蓄容積計算中，需要乘以折減系數(shù)。以圓形雨水花園為例，以四周均勻放坡為前提，采用臺體體積公式計算了形狀折減后的調(diào)蓄容積，并在此基礎(chǔ)上考慮了溢流井和盲管導(dǎo)致的管井折減。經(jīng)過實際案例計算，對面積為25m2～100m2 的雨水花園，其調(diào)蓄容積的綜合折減系數(shù)在0.5～0.8 之間。

調(diào)蓄容積；雨水花園；折減

1 引言

雨水花園是自然形成的或人工挖掘的淺凹綠地，被用于匯聚來自屋面或道路的雨水，并經(jīng)過植物和土壤的蓄滯、下滲和凈化，達到控制雨水徑流、削減徑流污染、涵養(yǎng)地下水、補給城市景觀用水等目的，是海綿城市建設(shè)中一種常用的生物滯留設(shè)施。

工程設(shè)計中，雨水花園的實際可調(diào)蓄容積常用設(shè)施表面積乘以設(shè)施對應(yīng)的調(diào)蓄深度來計算。其中，考慮到地形、放坡、管線、井座、植物根系等影響因素，對計算結(jié)果乘以0.6～0.8的折減系數(shù)得到較為合理的調(diào)蓄容積值，但人為取值折減系數(shù)具有較大的不確定性和隨意性。目前，沒有關(guān)于雨水花園折減系數(shù)如何計算和取值的文獻報道，論文考慮雨水花園的放坡、占據(jù)雨水花園調(diào)蓄容積的穿孔盲管和溢流井等因素，分別計算雨水花園各結(jié)構(gòu)層在不同情況折減后的實際調(diào)蓄容積，并舉例計算和討論設(shè)施綜合折減系數(shù)取值范圍，以期從調(diào)蓄容積折減的角度為設(shè)施精細化設(shè)計提供方法和思路。

2 雨水花園設(shè)計計算

2.1 簡化雨水花園

根據(jù)GB 51174-2017《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范》第4.3.5 條的規(guī)定：“生物滯留設(shè)施宜在土基上鋪設(shè)，自上而下宜設(shè)置蓄水層、覆蓋層、種植層、透水土工布和礫石層”[1]。論文為方便計算雨水花園的調(diào)蓄容積，將雨水花園簡化為三層——蓄水層、種植土層和礫石層，并做如下三點假定：①覆蓋層不計調(diào)蓄容積；②雨水花園為圓形表面且四周均勻放坡；③雨水花園設(shè)施底部原土下滲量不計入調(diào)蓄容積，經(jīng)簡化后的雨水花園平面圖和剖面圖如圖1和圖2所示。

圖1 雨水花園平面示意圖

圖2 雨水花園A-A 剖面示意圖

2.2 雨水花園參數(shù)

按假定條件設(shè)計的雨水花園計算剖面圖如圖3所示。

圖3 簡化雨水花園調(diào)蓄容積計算圖（不考慮折減）

為了方便后續(xù)計算，設(shè)定雨水花園地表占地面積為S，各結(jié)構(gòu)層參數(shù)如下：超高層h0，蓄水層h1，種植土層h2，礫石層h3，種植土層和礫石層孔隙率分別用ε1、ε2表示，各層調(diào)蓄容積在未考慮折減時分別用V1、V2、V3表示。

放坡是指為了防止坍塌和保證安全，將溝槽或基坑邊壁修成一定的傾斜坡度，溝槽邊坡坡度以挖溝槽或基坑的深度“H”與邊坡底寬“B”之比表示，即：土方邊坡坡度(1：m)=H/B。假定蓄水層所在雨水花園放坡1：n1，介質(zhì)層所在雨水花園放坡1：n2。

雨水花園除了“滲”“滯”“蓄”“凈”，還需要“排”。根據(jù)GB51174-2017《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范》第4.3.8條的規(guī)定：“用于排澇除險調(diào)蓄的下凹式綠地雨水排空時間不應(yīng)大于綠地中植被的耐淹時間”和第4.3.5 條的規(guī)定：“礫石層起到排水作用，厚度宜為250mm～300mm，可在其底部埋設(shè)管徑為100mm～150mm 的穿孔排水管”[1]。根據(jù)《美國納什維爾市戴維森縣雨洪管理手冊》第4 章綠色基礎(chǔ)設(shè)施做法：“生物滯留設(shè)施的土壤滲透速率大于0.5 英寸/小時且地下水位較低、地下水污染風(fēng)險較低時，可不設(shè)排水盲管，讓雨水自然滲入原土”[2]。根據(jù)GB51222-2017《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范》第4.2.19 條的規(guī)定：“下凹式綠地的排空時間應(yīng)根據(jù)綠地的功能（凈化水質(zhì)和削減徑流峰值）和降雨周期等多方面因素確定，綠地排空時間宜為24 h～48 h”[3]。因此，論文按照影響雨水花園調(diào)蓄容積最不利的情況考慮，為及時排走設(shè)施內(nèi)多余的雨水，需設(shè)置穿孔盲管快速收集雨水到溢流井，超標(biāo)雨水還可通過溢流雨水口排至溢流井，最終排入市政雨水管中。假定雨水花園中溢流井底部和溢流管均低于礫石層底部，即溢流管不占據(jù)介質(zhì)層體積，設(shè)溢流井橫斷面大小為L×B，盲管管徑為d，敷設(shè)長度為l。

影響海綿設(shè)施調(diào)蓄容積的因素還有許多，如在市政道路綠化帶布置雨水花園時，需要考慮綠化帶下穿管線所占體積（給水、雨污水、燃氣、電力電纜等），由于綠化帶寬度、管線埋設(shè)的位置、數(shù)量、管徑、管井（檢查井、路燈底座埋深、檢查井布置間隔）等情況復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)具體項目來進行計算量化。因此論文僅考慮放坡、溢流井和盲管這幾個基本要素，對折減后雨水花園的調(diào)蓄容積進行計算。

2.3 不考慮折減

若不考慮折減，則各層調(diào)蓄容積分別為：

上式中：

V1——不考慮折減的蓄水層調(diào)蓄容積（m3）。

V2——不考慮折減的種植土層調(diào)蓄容積（m3）。

V3——不考慮折減的礫石層調(diào)蓄容積（m3）。

ε1——種植土層孔隙率。

ε2——礫石層孔隙率。

2.4 形狀折減

本節(jié)公式計算選取簡單、基本的形狀，將雨水花園簡化為圓形表面計算，如圖4所示。由于四周均勻放坡的影響，圓形表面的雨水花園整體不再是圓柱體而是圓臺，因此論文將由放坡引起的雨水花園的形狀變化、從而導(dǎo)致雨水花園調(diào)蓄容積的減少稱為形狀折減。

形狀折減采用臺體體積公式：

式（1-1）中：Sa——臺體上底面積（m2）；Sb——臺體下底面積（m2）；h——臺體高（m）。

根據(jù)公式（1-1）計算得形狀折減后的雨水花園各層實際體積，進而求各層調(diào)蓄容積計算過程如下：

上式中：

V蓄水層——形狀折減后的蓄水層體積（m3）。

V種植土層——形狀折減后的種植土層體積（m3）。

V礫石層——形狀折減后的礫石層體積（m3）。

S——雨水花園表面積（m2）。

h0——蓄水層上的超高（m）。

h1——蓄水層高度（m）。

h2——種植土層高度（m）。

h3——礫石層高度（m）。

n1——蓄水層放坡坡度的倒數(shù)。

n2——介質(zhì)層放坡坡度的倒數(shù)。

圖4 圓形雨水花園形狀折減后的各層體積計算

則考慮形狀折減后，雨水花園各層調(diào)蓄容積分別為：

上式中：

2.5 管井折減

除了放坡對雨水花園的調(diào)蓄容積有較大的影響外，溢流井和盲管也會占據(jù)設(shè)施內(nèi)部各層調(diào)蓄容積。論文將由溢流井和盲管占據(jù)設(shè)施內(nèi)體積、進而導(dǎo)致的雨水花園調(diào)蓄容積的減少稱為管井折減。

基于中國工程現(xiàn)狀，雨水花園的形狀折減不可避免，因此以下基于形狀折減來進一步計算管井折減后的各層調(diào)蓄容積：

上式中：

L、B——溢流井的橫截面長（m）和寬（m）。

3 雨水花園舉例計算

論文采用某工業(yè)廠區(qū)海綿城市建設(shè)雨水工程案例中的其中一個雨水花園作為參考例來計算。該雨水花園表面積（近似圓形，按假定圓形表面計算）S=100m2，雨水花園低于周邊道路約300mm，蓄水層100mm，換填土層500mm，礫石層300mm，換填種植土層孔隙率取0.2，礫石層孔隙率取0.3。即h0=0.2m，h1=0.1m，h2=0.5m，h3=0.3m，ε1=0.2，ε2=0.3，且放坡比1：n1=1：3，1：n2=1：1。

根據(jù)以上參數(shù)求得R=5.64m，R0=5.04m，R1=4.74m，R2=4.84m，R3=4.54m，R4=5.44m，直接用式（1-1）計算可驗證式（1-2）、式（1-3）、式（1-4）這三個公式推導(dǎo)的準(zhǔn)確性。

該雨水花園的施工參照圖集《城市道路與開放空間低影響開發(fā)雨水設(shè)施》15MR105 第3～40 頁的說明：“進水管、排水管、穿孔收集管可采用UPVC、PPR 等材料，雙螺紋滲管或雙壁波紋管等材料，穿孔收集管管徑大于DN150，開孔率應(yīng)控制在1%～3%之間”；參照《湖南省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集——海綿城市建設(shè)技術(shù)》湘2015SZ103-3 第2-1 頁的技術(shù)要求，“滲管敷設(shè)坡度0.01～0.02，滲管開孔率應(yīng)控制在1%～3%之間，四周應(yīng)填充礫石或其他多孔材料”。按照設(shè)計計算成果，該雨水花園排水盲管管徑為d=150mm，開孔孔徑大小為20mm，開孔率2%，敷設(shè)坡度0.015，盲管長度l=8m可以滿足滲排要求；溢流井橫斷面外壁尺寸為L×B=950mm×650mm，井座上746×446×162mm 的方形溢流口可滿足匯流比為5：1 時，能排除重現(xiàn)期為50年一遇雨水的要求。

針對面積S=100m2的雨水花園其調(diào)蓄容積折減的計算過程如下：

（1）不考慮折減：Vs=V1+V2+V3=29（m3），其中V1=10（m3），V2=10（m3），V3=9（m3）。

上式中：Vs——不考慮折減的雨水花園調(diào)蓄容積。

上式中：Vs’——形狀折減后的雨水花園調(diào)蓄容積。

上式中：Vs’’——管井折減后的雨水花園調(diào)蓄容積。

（4）綜合折減系數(shù)與介質(zhì)層折減系數(shù)

論文將形狀折減和管井折減后雨水花園的調(diào)蓄容積與不考慮折減的雨水花園調(diào)蓄容積的比值稱為綜合折減系數(shù)。同理，經(jīng)形狀折減和管井折減后各介質(zhì)層的調(diào)蓄容積與不考慮折減的雨水花園各層的調(diào)蓄容積的比值稱為介質(zhì)層折減系數(shù)。經(jīng)計算S=100m2的雨水花園其調(diào)蓄容積綜合折減系數(shù)為22.021/29=0.759。其蓄水層、種植土層和礫石層的折減系數(shù)分別為和=0.681。

4 不同面積雨水花園的調(diào)蓄容積折減

為了比較形狀折減和管井折減對不同面積的雨水花園的影響程度，將上文舉例的雨水花園的介質(zhì)層各參數(shù)不變，僅改變雨水花園的表面積，分別計算面積為75m2，50m2，25m2的雨水花園其調(diào)蓄容積，并將其結(jié)果與面積為100m2的雨水花園的計算結(jié)果對比，如下表1、表2和表3所示。

表1 不同面積的圓形雨水花園形狀折減和管井折減后的調(diào)蓄容積

表2 不同面積的圓形雨水花園不考慮折減的調(diào)蓄容積

表3 不同面積的圓形雨水花園綜合折減系數(shù)和介質(zhì)層折減系數(shù)

由此可見，雨水花園面積越小，介質(zhì)層折減系數(shù)和綜合折減系數(shù)也越小。以本案例為例，面積在25m2～100m2時，雨水花園的調(diào)蓄容積折減系數(shù)在0.5～0.8 之間。

5 不足與建議

論文從海綿設(shè)施調(diào)蓄容積折減的角度，以圓形雨水花園為例，計算了在考慮放坡、溢流井和盲管時調(diào)蓄容積的折減，得出了雨水花園面積越小，調(diào)蓄容積折減越多，即折減系數(shù)越小的結(jié)論。但論文僅以雨水花園的一種結(jié)構(gòu)為例，即蓄水層100mm，換填土層500mm，礫石層300mm，放坡比1：n1=1：3，1：n2=1：1，且假設(shè)換填種植土層孔隙率為0.2，礫石層孔隙率為0.3，得出了雨水花園面積在25m2～100m2時，考慮放坡折減和管井折減后的綜合折減系數(shù)在0.5～0.8 之間，這對今后的工程設(shè)計中折減系數(shù)的取值具有指導(dǎo)意義。

由于論文的假設(shè)前提較多，因此計算結(jié)果不具普適性，為了彌補不足，給出如下兩點建議。

（1）對設(shè)計成果進行校核時，若雨水花園表面形狀不規(guī)則，可將其概化為表面積相等的簡單規(guī)則的形狀計算其調(diào)蓄容積，或近似圓形的雨水花園可概化為圓形對其調(diào)蓄容積進行估算；

（2）雨水花園放坡坡度大時對調(diào)蓄容積影響較小，雨水花園面積小時對調(diào)蓄容積影響較大，若需精確設(shè)計計算，可采用論文提供的公式，或借助軟件輔助計算。