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        海綿城市建設(shè)新思路
        ——導(dǎo)滲的應(yīng)用

        2022-04-15 01:17:10王穎成
        黑龍江交通科技 2022年2期
        關(guān)鍵詞:徑流系數(shù)不透水海綿

        王穎成

        (常州市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司,江蘇 常州 213000)

        0 引 言

        為滿足城市發(fā)展需求,城市地面逐漸被大量不透水路面覆蓋。世界主要城市的不透水面積均在50%以上,有研究指出北京及上海的不透水面積比例分別為77%和80%[1]。

        自2013年12月12日,習(xí)近平總書記在《中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議》的講話中強(qiáng)調(diào):“提升城市排水系統(tǒng)時(shí)要優(yōu)先考慮把有限的雨水留下來,優(yōu)先考慮更多利用自然力量排水,建設(shè)自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市”。自此,海綿城市的建設(shè)在全國如火如荼,廣泛開展,其建設(shè)的理論和方法不斷拓展,“滲、滯、蓄、凈、用、排”的六字方針被廣泛引用。各地相繼出臺(tái)一些海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃,明確了透水鋪裝率要求,有些地區(qū)甚至提出70%以上的要求。但是某些特定區(qū)域想要達(dá)標(biāo),難度很大。我們?cè)诔V菔械谝恢袑W(xué)改造工程中,就遇到了一些問題,并嘗試?yán)昧址结樦獾募夹g(shù)思路來予以解決。

        1 工程概況

        常州市第一中學(xué)位于常州市老城區(qū)中心,占地面積約100畝。學(xué)校地勢(shì)平坦。北部區(qū)域以教學(xué)樓、綠化為主,地勢(shì)較高,南部區(qū)域以操場(chǎng)、籃球場(chǎng)等運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地為主,地勢(shì)較低,尤其是田徑場(chǎng),為學(xué)校最為低洼的區(qū)域,積水也最為嚴(yán)重。

        該校的雨水排放方式以雨水收集口收集雨水,進(jìn)入各級(jí)雨水管道,匯總后排入城市河道,屬于較為傳統(tǒng)的排放方式。

        校園周邊僅有兩處雨水出口,分別為北門一根d 300的雨水管和西門一根 d300的雨水管沿路向南排向古運(yùn)河,學(xué)校的“硬”排水能力不足。

        根據(jù)我們的調(diào)查,學(xué)校各類設(shè)施及地面鋪砌分布情況(見表1)。

        表1 地表分布比例

        從上述數(shù)據(jù)可以看出,各類不透水路面、地坪、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、建筑等占比較大,均超出20%,真正可以讓雨水能夠?qū)崿F(xiàn)下滲的綠化和植草磚面積僅占15.7%。

        2 運(yùn)用海綿城市理念提升校園排水能力

        提高雨水管道的排放能力是目前城市解決雨水排放的主要手段,依據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》,雨水的設(shè)計(jì)流量Q=q×j×F,式中Q為雨水設(shè)計(jì)流量,L/s;q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度,L/(hm2·s);j為綜合徑流系數(shù);F為匯水面積,hm2。設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度由地理位置及降雨情況確定,雖受氣候變化的影響,但基本可謂“天注定”,匯水面積由學(xué)校的實(shí)際占地確定,可謂“地注定”,計(jì)算式中唯一可以改變的就是綜合徑流系數(shù),它是一定匯水面積內(nèi)需要排出水量與降水量的比值,徑流系數(shù)越小,說明滲入地下的水量越大,進(jìn)入城市雨水管道里的水量就越小,最終排入河道的水量也越小。

        目前各地一般壓降綜合徑流系數(shù)的方法有:(1)增加透水地表;(2)建設(shè)生物滯留帶;(3)建設(shè)蓄水池,也就是六字方針里的“滲”、“滯”、“蓄”三個(gè)字。但是在學(xué)校的很多區(qū)域,尤其是運(yùn)動(dòng)區(qū)域,集中布置了籃球場(chǎng)、羽毛球場(chǎng)、田徑場(chǎng)等運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地,全部為不透水的塑膠、混凝土等鋪裝,不宜改造為透水鋪裝,周圍也難以建設(shè)足夠的滯留帶或雨水花園,按照六字方針的方法,只能大規(guī)模建設(shè)地下蓄水池的方式來進(jìn)行雨水調(diào)蓄,建設(shè)成本和運(yùn)行成本均較高。

        在生態(tài)優(yōu)先,因地制宜的原則[2]指導(dǎo)下,是否有一種新的辦法,可以拓展目前海綿城市建設(shè)的新思路,讓這些區(qū)域也能建成可以吸水滲水的“海綿”?

        3 導(dǎo)滲的設(shè)想

        不妨設(shè)置一種途徑,除了讓雨水能夠垂直下滲,也可以橫向引導(dǎo)到其它不便于建成可滲地表的區(qū)域繼續(xù)下滲(見圖1),讓雨水繞過不透水的地表實(shí)現(xiàn)下滲,就近似等于那些不透水鋪裝的區(qū)域也變成了可以吸水滲水的“海綿”,這種“途徑”就是我設(shè)想的導(dǎo)滲,雨水被雨水口收集后,其中部分雨水通過管道引到其它區(qū)域,再通過帶孔管道(可以采用開孔塑料管、軟式透水管、碎石溝等)釋放排出,繼續(xù)下滲。這種起到導(dǎo)滲作用的管路,即為導(dǎo)滲管。

        圖1 導(dǎo)滲管原理圖

        為驗(yàn)證導(dǎo)滲的實(shí)際運(yùn)行效果,我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)箱子,來模擬驗(yàn)證運(yùn)用了導(dǎo)滲管的海綿城市運(yùn)行的效果。箱子分成三個(gè)區(qū)域:A區(qū)是普通裸露土地,為獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)對(duì)照區(qū),倒入的水自行豎直下滲,并通過A區(qū)底部的泄水孔排出;B區(qū)為運(yùn)用了導(dǎo)滲管的實(shí)驗(yàn)區(qū),倒入的水不但豎直向下滲透,而且通過導(dǎo)滲管將水橫向引導(dǎo)到C區(qū)來一起下滲,相當(dāng)于下滲面積擴(kuò)大了一倍(見圖2)。A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)的大小完全相同,各區(qū)內(nèi)部所填入的砂土比例也完全一致,底部的滲水孔大小也一致。

        圖2 導(dǎo)滲管實(shí)驗(yàn)原理圖

        我們首先向A、B區(qū)勻速加入等量的水,可以明顯看到設(shè)置了導(dǎo)滲管的B區(qū)水位上升得較慢,而A區(qū)水位上升很快,說明導(dǎo)滲管將一部分的水導(dǎo)向了C區(qū),從而延緩了B區(qū)水位的上升。

        向A、B區(qū)里加等量的水,測(cè)定A、B兩區(qū)里水下滲完畢的時(shí)間。由于有導(dǎo)滲管將水引導(dǎo)到C區(qū)一起下滲,B區(qū)下滲速度明顯較快,水滲完的時(shí)間為6 min11 s,而A區(qū)下滲的速度則較慢,水滲完的時(shí)間為11 min25 s,接近B區(qū)的2倍,而A區(qū)滲透面積為B區(qū)的1/2,實(shí)驗(yàn)證明水下滲時(shí)間與滲透面積成反比,也就證明了導(dǎo)滲管在發(fā)揮著它的導(dǎo)滲作用,將水從一個(gè)區(qū)域引道至其它區(qū)域來實(shí)現(xiàn)共同滲透是可行的。

        4 綜合運(yùn)用導(dǎo)滲管的海綿城市建設(shè)

        根據(jù)之前的調(diào)查,該學(xué)校受淹最嚴(yán)重的區(qū)域是學(xué)校南部的運(yùn)動(dòng)區(qū)域,尤其是田徑場(chǎng)中央的大草坪,我們根據(jù)導(dǎo)滲原理設(shè)計(jì)了新的海綿城市排水方式(見圖3)。

        由圖3可以看出,除了大草坪區(qū)域雨水可以直接下滲外,不透水地表的雨水不能直接下滲,地表雨水被雨水口收集后,被導(dǎo)滲管引導(dǎo)至不透水地表下方, 再通過管道空隙滲出, 將原先不能滲透的籃球場(chǎng)、塑膠跑道等不透水地表也可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)垂直下滲,將可“滲透”面積擴(kuò)大了數(shù)倍,相當(dāng)于增大數(shù)倍的“海綿”的面積,使雨水下滲實(shí)現(xiàn)了最大化。

        圖3 導(dǎo)滲管工作圖

        根據(jù)這個(gè)思路, 我們可以把導(dǎo)滲管運(yùn)用到籃球場(chǎng)、羽毛球場(chǎng)等各類運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、低等級(jí)道路、室外地坪等區(qū)域,相當(dāng)于這些面積變成了可滲透地表,綜合徑流系數(shù)可以大幅下降,效果明顯。

        雖然水的下滲對(duì)環(huán)境友好,但是對(duì)承載結(jié)構(gòu)層卻有著一定的負(fù)面影響,在導(dǎo)滲管的實(shí)際運(yùn)用過程中,需要對(duì)以下問題引起重視,采取必要的工程措施,以防止引發(fā)新的問題:

        (1)盡量選擇中型、輕型荷載的地表來導(dǎo)滲,如次要道路、籃球場(chǎng)、田徑場(chǎng)及休閑廣場(chǎng)等區(qū)域,不建議重交通道路下設(shè)置導(dǎo)滲管。

        (2)設(shè)置溢流設(shè)施。排入導(dǎo)滲管路的雨水水頭應(yīng)得到控制,防止因管道內(nèi)水頭過高,雨水反向上滲,造成相關(guān)地表結(jié)構(gòu)層出現(xiàn)水損壞。當(dāng)?shù)匦蔚钠鸱^大時(shí),應(yīng)在導(dǎo)滲區(qū)域的低處設(shè)置溢流井。

        (3)導(dǎo)滲管的埋置深度。導(dǎo)滲管的埋置深度應(yīng)埋設(shè)在地表鋪裝結(jié)構(gòu)層以下,離開地面荷載的影響深度,并增加安全深度,同時(shí)為安全起見,可在結(jié)構(gòu)層與導(dǎo)滲土體之間鋪設(shè)防滲土工布或粘土層,防止雨水反向上滲,從而保證地表鋪裝有足夠的強(qiáng)度來滿足使用。

        (4)為增加導(dǎo)滲效果,有條件時(shí)被導(dǎo)滲土體表層宜采用20~50 cm碎石或粗砂土。

        (5)為防止導(dǎo)滲管堵塞,從而影響滲透效果,透水管周圍應(yīng)設(shè)置反濾層。管周反濾層可采用滲水土工布等材料包裹,管周采用粗砂包封。

        5 結(jié) 論

        海綿城市建設(shè)關(guān)系到我國生態(tài)文明建設(shè)的根本[3],其范疇和內(nèi)涵越來越廣泛,包括了降低徑流、控制污染、雨水利用等諸多方面,實(shí)際運(yùn)用過程中存在的相關(guān)問題也在逐步得到解決,導(dǎo)滲所關(guān)注和提升的是其最為核心內(nèi)容——“滲”,運(yùn)用導(dǎo)滲,可以讓雨水在地下的單一“豎向”滲透,變成“橫向+豎向”的綜合滲透,可以繞開不可滲的地表鋪裝,直達(dá)下層不影響使用功能的可滲透區(qū)域,從而建成更多的“海綿”。只要控制好導(dǎo)滲深度,設(shè)置合理的溢流,就能保證上層結(jié)構(gòu)安全。

        導(dǎo)滲的設(shè)置方式靈活,價(jià)格低廉,能夠把海綿城市建設(shè)拓展到原先不宜建設(shè)或很難建設(shè)的區(qū)域,應(yīng)用前景廣泛,為海綿城市建設(shè)“六字方針”提供了新的拓展思路。

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