張軍鈞
(蘇交科集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南京 210017)
隨著我國城市的發(fā)展,城市內(nèi)澇災(zāi)害的大部分原因是城市化改變了區(qū)域原有的下墊面類型,增加了不透水區(qū)域,改變了原有的水文效應(yīng)。我國城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)的原有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低,加上原有的重建輕管,重地上輕地下的建設(shè)理念,缺乏維護(hù)管理管網(wǎng),原有管網(wǎng)淤積老化嚴(yán)重,不能完全發(fā)揮管網(wǎng)系統(tǒng)的功能。此外,隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,城市化的進(jìn)程也隨之加快,原來的草地、林地等透水地表以及濕地、湖泊、池塘等自然調(diào)蓄設(shè)施被硬化設(shè)施所取代,管網(wǎng)系統(tǒng)承擔(dān)的壓力增加。人為因素加上自然因素的綜合影響,城市一旦遭受暴雨襲擊,常常造成嚴(yán)重的內(nèi)澇災(zāi)害。如果能利用現(xiàn)代數(shù)值模擬技術(shù),對管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行水力模擬,并對可能造成的內(nèi)澇災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估,對幫助城市積極應(yīng)對暴雨襲擊有非常重要的意義。也可以更加經(jīng)濟(jì)高效地評估管網(wǎng)系統(tǒng)的承載能力,為現(xiàn)狀管網(wǎng)的優(yōu)化改造提供科學(xué)合理的根據(jù)。
佛山市某市政道路位于順德區(qū)南部,起點(diǎn)起點(diǎn)接順創(chuàng)路交叉口(已完成),終點(diǎn)接規(guī)劃馬海大道,紅線寬60m,全長1.427km。道路采用雙向六車道標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)速度60km/h;輔路采用雙向四車道標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)速度40km/h。
全線均采用整體式路基斷面,標(biāo)準(zhǔn)路基寬度60m,斷面組成:2.5m(人行道)+2.0m(自行車道)+1.5m(樹池)+8.0m(輔路)+2.0m(側(cè)綠化帶)+12.0m(機(jī)動車道)+4.0m(中央分隔帶)+12.0m(機(jī)動車道)+2.0m(側(cè)綠化帶)+8.0m(輔路)+1.5m(樹池)+2.0m(自行車道)+2.5m(人行道),路拱橫坡為2%。
擬建場地沿線周邊場地總體較為空曠,場地跨越數(shù)條河涌,僅現(xiàn)狀四鄉(xiāng)路段有少量地下管線分布,周圍環(huán)境相對較簡單。地勢平坦,屬于海陸交互相沖積平原地貌,地勢高程范圍為2.93m~6.88m。根據(jù)其賦存介質(zhì)的類型,場地地下水主要有三種類型:上部填土、黏性土中的孔隙型潛水,下部砂層中孔隙型潛水及基巖裂隙水??辈炱陂g測得孔內(nèi)初見水位埋深為0.70m~1.80m,平均埋深為1.12m,初見水位高程為0.90m~2.87m,平均高程為1.73m;鉆孔終孔24h以后,測量孔內(nèi)地下水位,靜止水位埋深為0.90m~2.97m,平均埋深為1.32m,高程為0.88m~2.49m,平均高程為1.53m。土壤滲透性較差,自然下滲條件一般,采用低影響開發(fā)措施時須對下墊層進(jìn)行改良。
利用海綿城市理念進(jìn)行排水工程系統(tǒng)設(shè)計(jì),主要達(dá)到削減雨量徑流,凈化雨水,增加下滲量,涵養(yǎng)地下水等目的[2]。
道路設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期取5a。
該道路寬度為60m,根據(jù)《佛山市海綿城市建設(shè)交通基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)指引(試行)》中交通基礎(chǔ)設(shè)施海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)目標(biāo),雨水年徑流總量控制率為50%,即13.5mm雨量不外排,見表1。
表1 交通基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目海綿城市規(guī)劃指標(biāo)
式中:V為設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積,m3;H為設(shè)計(jì)降雨量,取值13.5mm;φ為綜合雨量徑流系數(shù);F為匯水面積,hm2。
式中:Vp為透水鋪裝有效雨水存儲量,m3;Dp、Dc分別為透水墊層和透水面層厚度,m;θp、θc分別為透水墊層和透水面層孔隙率;Lpmax為透水鋪裝隔斷長度,m;Wp為透水鋪裝寬度,m。
根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(GB50014—2021)》、《建筑與縣區(qū)雨水控制及利用工程技術(shù)規(guī)范(GB50400—2016)》中不同用地性質(zhì)的綜合雨量徑流系數(shù)取值:瀝青路面(硬質(zhì)道路)及路緣石取值0.8;綠地取值0.15;透水鋪裝地面取值0.36。通過計(jì)算,項(xiàng)目雨量徑流系數(shù)為0.658。新建道路下墊面具體計(jì)算見表2。
表2 新建道路下墊面計(jì)算
6.2.1 匯水分區(qū)合理劃分
根據(jù)下墊面分析,雨水管道徑流系數(shù)取值0.7,雨水重現(xiàn)期取值5a。道路雨水采用雙側(cè)布管方式,布設(shè)在道路輔道內(nèi)。根據(jù)該項(xiàng)目相交河涌情況結(jié)合道路豎向,合理劃分匯水分區(qū),共設(shè)置6個匯水分區(qū),如圖1所示。
圖1 匯水分區(qū)示意圖
通過計(jì)算,匯水分區(qū)內(nèi)雨水管道設(shè)計(jì)管徑(單位:mm)為d600~d1200,設(shè)計(jì)管坡為1‰~3‰,經(jīng)過計(jì)算,管道設(shè)計(jì)最大流量為2523.7L/s,基本滿足5a暴雨重現(xiàn)期下超標(biāo)雨水排放需求。
6.2.2 雨水徑流組織
車行道范圍內(nèi)雨水經(jīng)路緣石開口流入側(cè)分帶下沉式綠化隔離帶,采取生物滯留措施對雨水滯蓄、下滲作用起到控制雨量徑流作用,超標(biāo)雨水則通過溢流雨水口排入雨水管道內(nèi);人行道及自行車道采用全透水方式,雨水就地下滲,輔道雨水通過樹池路緣石開孔流入生態(tài)樹池,經(jīng)過綠植種植土滯蓄后經(jīng)盲管排入雨水管道內(nèi),兩者超標(biāo)雨水則通過生態(tài)樹池溢流管直接進(jìn)入雨水管道內(nèi)外排[3]。
6.2.3 年徑流總量控制率計(jì)算
該項(xiàng)目雨水年徑流總量控制率指標(biāo)為50%,即13.5mm雨量不外排。采用容積法進(jìn)行計(jì)算,道路整體所需理論調(diào)蓄容積為783m3。項(xiàng)目采用生態(tài)樹池、下沉式綠化分隔帶、透水鋪裝等低影響開發(fā)措施調(diào)蓄體積,設(shè)計(jì)選用下沉式綠化分隔帶蓄水高度為250mm,生態(tài)樹池蓄水高度為200mm,透水鋪裝調(diào)蓄容積經(jīng)計(jì)算后忽略不計(jì)。結(jié)合各分區(qū)下墊面分布情況,平衡各分區(qū)指標(biāo),通過計(jì)算得出設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積為786.68m3,對應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量為13.56mm,對應(yīng)年徑流總量控制率為50.1%,基本達(dá)到指標(biāo)要求。項(xiàng)目設(shè)計(jì)范圍年徑流總量控制雨量平衡后實(shí)際完成值見表3。
表3 項(xiàng)目設(shè)計(jì)范圍年徑流總量控制雨量平衡后實(shí)際完成值
6.2.4 面源污染去除率計(jì)算
徑流污染控制是低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)的控制目標(biāo)之一,既要控制分流制徑流污染物總量,也要控制合流制溢流的頻次或污染物總量。結(jié)合城市水環(huán)境質(zhì)量要求、徑流污染特征等確定徑流污染綜合控制目標(biāo)和污染物指標(biāo),一般城市徑流污染物中,SS往往與其他污染物指標(biāo)具有一定的相關(guān)性,因此,一般可采用SS作為徑流污染物控制指標(biāo)。年SS總量去除率=年徑流總量控制率×低影響開發(fā)設(shè)施對SS的平均去除率。采用全透性鋪裝,下沉式綠化分隔帶(復(fù)雜型生物滯留設(shè)施)等低影響開發(fā)措施作為海綿城市措施,其污染物去除率(以SS計(jì),%)取值分別為90%和85%,根據(jù)各分區(qū)下墊層情況,通過計(jì)算,該項(xiàng)目總體年SS總量去除率約為38.2%,基本滿足指標(biāo)要求。
6.2.5 引導(dǎo)性目標(biāo)計(jì)算
根據(jù)《佛山市海綿城市建設(shè)交通基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)指引》(試行)要求,該項(xiàng)目另有兩項(xiàng)引導(dǎo)性目標(biāo),即綠化帶下沉植被草溝建設(shè)比例和人行道/自行車道透水鋪裝比例。
該項(xiàng)目研究范圍內(nèi)側(cè)綠化帶及樹池內(nèi)綠化總面積為3870.61㎡,下沉式綠化帶凈面積為3155.89㎡,應(yīng)扣除橋涵處不下沉側(cè)綠化帶凈面積32.05㎡,樹池面積為682.67㎡,下沉式綠地率經(jīng)計(jì)算為99.2%(中分帶面積不考慮下沉范圍)。道路鋪裝總面積為16739.07㎡,人行道、自行車道采用透水鋪裝,透水總面積為15940.06㎡,扣除橋涵位置人行道+自行車道不透水路面面積284.21㎡和路緣石面積為514.8㎡外,人行道、非機(jī)動車道透水鋪裝率為95.2%。
兩者指標(biāo)均滿足相關(guān)要求。
人行道采用5cm灰色透水磚+2cm中粗砂+15cm透水混凝土+10cm未篩分碎石基層。透水磚的透水系數(shù)不應(yīng)小于1.0×10-2cm/s,防滑性能(BPN)不應(yīng)小于60,耐磨性不應(yīng)大于35mm,抗壓強(qiáng)度平均值≥40MPa,單塊最小值≥35MPa,抗折強(qiáng)度平均值≥5MPa,單塊最小值≥4.2MPa。
自行車道采用6cm透水砼+15cm透水混凝土+10cm未篩分碎石基層。透水混凝土采用高強(qiáng)度等級的硅酸鹽水泥,孔隙率為15%~21%。
為將機(jī)動車道雨水匯入雨水樹槽及下沉式綠化分隔帶內(nèi),須將路緣石進(jìn)行開口。每座生態(tài)樹池設(shè)置一處開口,下沉式綠化分隔帶每隔30m連續(xù)設(shè)置兩處開口。該項(xiàng)目開口形式為圓形透水孔,孔徑10mm,間隔12.5mm布置,透水孔下邊緣與路面高度齊平。經(jīng)水力校核,單孔最大過流量為3.8L/s,過孔流速為0.48m/s,單處路緣石開口收集雨水流量滿足服務(wù)面積范圍內(nèi)5a暴雨重現(xiàn)期雨水匯入要求。
下沉式綠化分隔帶自上而下為蓄水層、種植土層、填料層、礫石層。蓄水層:高度H取250mm;種植土厚度考慮種植喬木,取值1000mm,一般由砂、堆肥和壤質(zhì)土混合而成,滲透系數(shù)≥1×10-5m/s;填料層:砂層,滲透系數(shù)不小于150mm/h,厚度為350mm,下鋪透水土工布,防止土壤顆粒進(jìn)入礫石層。礫石層:直徑≤50mm的礫石,厚度為200mm,底部埋置DN200mm導(dǎo)流盲管,滲濾的雨水由導(dǎo)流盲管收集進(jìn)入雨水系統(tǒng)。礫石層上方包裹土工布,下包防滲膜,將雨水盡快排入雨水管道;防滲膜規(guī)格為200g/m2,斷裂強(qiáng)度≥14kN/m,CBR頂破強(qiáng)力≥2.5kN,耐靜水壓0.4MPa。圖3為下沉式綠化分隔帶具體做法。
生態(tài)樹池自上而下為蓄水層、種植土層、礫石層。蓄水層:高度H取200mm;種植土厚度取1500mm,采用素土回填,要求滲透系數(shù)≥1×10-5m/s;礫石層做法與下沉式綠化分隔帶基本一致。每個樹池內(nèi)設(shè)置一道DN200溢流管,管口與蓄水層水位高度一致,底部與盲管連通,用于排放超標(biāo)雨水。
下沉式綠化分隔帶內(nèi)每隔30m布置溢流雨水口,溢流口標(biāo)高高于下沉式綠化分隔帶頂部0.2m,超標(biāo)雨水溢流至雨水管網(wǎng),溢流口標(biāo)高低于機(jī)動車道路面標(biāo)高0.1m,泄水能力達(dá)到50L/s,與傳統(tǒng)聯(lián)合式雙箅雨水口理論泄水能力一致,能有效保障道路排水安全,圖4為溢流雨水口示意做法。
圖2 透水鋪裝示意圖
圖4 溢流雨水口示意圖
根據(jù)《佛山市海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃》中內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn):30年一遇24h設(shè)計(jì)暴雨1d排完,項(xiàng)目采用水力模型對設(shè)計(jì)雨水管網(wǎng)進(jìn)行水安全模擬分析。采用芝加哥雨型,導(dǎo)入道路豎向、管網(wǎng)、低影響開發(fā)措施,河道30年一遇洪水位數(shù)據(jù)等信息,根據(jù)匯水分區(qū),按照內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)對超標(biāo)雨水進(jìn)行排放模擬。結(jié)果表明設(shè)計(jì)范圍內(nèi)路面無明顯積淹水情況發(fā)生,管道無冒水現(xiàn)象,沒有內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生。該項(xiàng)目采用的低影響開發(fā)措施結(jié)合超標(biāo)雨水管網(wǎng)排放系統(tǒng),能夠滿足內(nèi)澇防治排放要求。
該文以佛山市某市政道路為研究區(qū)域,構(gòu)建研究區(qū)域的排水模型?;贗nfoWorksICM建立的模型,以模型的計(jì)算結(jié)果為依據(jù),對該市政路的排水管網(wǎng)系統(tǒng)和排水能力進(jìn)行評估?;诜鹕绞斜┯陱?qiáng)度公式和芝加哥雨型,結(jié)果表明該工程的管網(wǎng)排水能力充足,能滿足30年一遇暴雨的校核要求。