基于海绵城市理念的高架桥雨水排水设计

杜建康

（合肥市规划设计研究院，安徽 合肥 230041）

0 引言

随着城市化进程的加快，越来越多的城市急需解决交通拥堵问题，而建设高架桥、立交桥逐步成为提高道路通行效率、缓解交通拥堵的重要手段。高架桥设计中，传统的排水设计按照“以排为主、保证安全”原则，将桥面雨水收集后通过立管排至路面下的市政雨水管网。

因高架桥桥面雨水具有集水快、峰值流量大、污染物浓度高[1]等特点，采用传统的直排模式不仅易对下游管网造成较大冲击、引发积涝，而且不利于控制雨水污染物排入河流。

在土壤渗透性好、地下水匮乏、内涝频发的地区，运用海绵城市理念优化高架桥、立交桥排水设计，加大绿化浇灌和雨水下渗量，对减轻地下水旱情、城市内涝、河流污染都具有重要意义。

1 工程概况

亳州市魏武大道是一条重要的南北向交通干道，北起北外环，南至亳芜大道，全长约16 km。根据中心城区快速路网综合规划，魏武大道（和平路～亳芜大道）是亳州市中心城区快速路网的重要组成部分，长约12.7 km，红线宽60 m，拟改造为快速路。

为满足沿线不同路段的设计需求，对贯穿老城区、路网较密、两侧地块联系紧密、不宜分隔的路段采用高架快速路，对开发程度较低、建设条件较好的路段采用地平式快速路。高架快速路长约8.0 km、地平式快速路长约4.7 km。工程总投资约39.7亿元。

针对本道路的高架桥雨水，按海绵理念就地吸纳、蓄渗雨水用于绿化浇灌，控制雨水外排量、减少初期雨水污染。采用的排水系统如下：桥面雨水→高架桥雨落管→过滤消能带→沉泥井→中央渗沟→生物滞留绿带→溢流式雨水口→市政雨水管网→河道。

2 设计理念及原则

（1）以积极运用海绵城市技术、构建低影响开发雨水系统为理念。将灰色排水系统与低影响开发设施相结合，实现雨水优先渗透、自然净化和可持续利用，提高自然修复能力，维护城市良好的生态功能。

（2）以“因地制宜”为原则。根据项目所在地的地质条件、降雨规律、水环境保护要求，合理确定排水设计和低影响开发控制标准、措施、目标。

3 设计标准

（1）雨水设计标准

本道路为城市快速路，属于中心城区的重要地区，为保证排水安全，正常路段设计降雨重现期取5 a，下立交泵排区设计降雨重现期取50 a。

（2）雨水年径流总量控制

根据规划，本道路雨水年径流总量控制率为75%，即满足28.5 mm雨量不外排的建设要求。

4 控制指标计算

4.1 控制水量计算

本设计以年径流总量控制率为控制指标，采用容积法计算：

式中：V为设计调蓄容积，m3；h为设计降雨量，取28.5 mm；Ψ为综合雨量径流系数，取0.95；F为汇水面积，hm2。

4.2 生物滞留带蓄水深度计算

通常根据服务区域的下垫面透水特性和范围进行计算。本项目高架桥上为车行道及设施带，均为不透水结构：

式中：H为生物滞留带蓄水深度，mm；Ψ1为车行道雨量径流系数，取0.95；Ψ2为其他区域雨量径流系数，本次取0.95；h为设计降雨量，取28.5 mm；L为生物滞留带所服务的道路长度，m；B1为生物滞留带所服务的车行道宽度，m；B2为生物滞留带所服务的其他区域宽度，m；l为生物滞留带长度，m；b为生物滞留带宽度，m。

4.3 卵石过滤带体积计算

卵石过滤带为初期雨水污染控制的主要技术措施，其具有去除大颗粒污染物、稳定雨水流速、避免种植土冲刷流失等作用，卵石带有效蓄水容积应大于初期雨水控制量。

卵石带容积计算公式如下：

式中：V为卵石带容积，m3；η为卵石带孔隙率；A为卵石带所服务的汇水面积，m2；hc为初期雨水控制量，本设计为5 mm。

5 工程设计方案

本设计中，桥面雨水经雨水口收集后，由雨水立管排放至桥下，在立管出口处设置卵石过滤消能带和沉泥井，进行消能，同时去除大的漂浮物及泥沙，然后雨水经中央渗沟分配至生物滞留绿带内，被植被、土壤吸收并下渗，超过下渗能力的超量雨水经溢流式雨水口溢流至雨水管道系统，外排，见图1。

5.1 消能带及沉泥井设计

图1 桥面雨水收集排放示意图（单位：m）

结合高架桥雨水立管高差大、流速快的特点，为避免水流冲击造成水土流失，在桥梁雨水立管出口处设置消能带。

按照初期雨水污染控制要求，初雨控制率按5 mm设计，卵石带容积按式3计算，确定消能带由浆砌卵石带（长1.5 m）+散铺卵石带（长1.5 m）组成，不仅起到消能作用，也同时具有拦截垃圾、微生物降解污染的作用。消能带总长3 m，浆砌段和散铺段分别长1.5 m，卵石粒径8～10 cm，浆砌段卵石密度40颗/m2，散铺段卵石密度70颗/m2。

雨水消能后，流经沉泥井，去除泥沙等颗粒物。沉泥井长1.2 m，深1 m，宽度同带绿化带，顶部设镀锌钢格板，便于清污。沉泥井需定期进行维护，以保证其正常使用功能。

5.2 生物滞留带设计

根据下垫面特点，城市中最常见的几类下垫面（路面、广场、屋面、绿地）产生的径流污染迥异，其中，路面径流中的初期雨水产生的污染负荷最重[2]。

本工程利用高架桥下空间，设置7 m宽生物滞留绿带，下渗、生物降解雨水污染物。结合景观需求，生物滞留带内种植根系发达、耐荫、耐水湿、耐旱、适合本地气候、污染降解能力强的植被，如八角金盘、洒金珊瑚、细叶芒、细叶麦冬、鸢尾、花叶扶芳藤、地锦等。

高架桥桥面总面积为204 800 m2，桥下生物滞留绿带总面积为55 920 m2，按容积法复核，总控制水量V1=5 545 m3，生物滞留带总滞蓄水量V2=5 592 m3，V2＞V1，满足要求。

为保证生物滞留带蓄水容积，按式（2）计算蓄水深度。桥面（标准段）宽度为24 m，生物滞留绿带宽7m，以单位长度（1 m）标准段进行计算，H=0.12 m。本设计生物滞留带较车行道侧石低15cm，较溢流雨水口顶面低10 cm。

5.3 中央渗沟设计

本设计在生物滞留带内沿路方向设置一道中央渗沟，使雨水快速、均匀地流入生物滞留带。中央渗沟宽1.2 m、深0.3 m，由透水性材料（透水混凝土+级配碎石）组成，沟顶与生物滞留带齐平，沟底坡度同道路纵坡（i=0.002～0.005）。

为防止滞留带雨水对道路造成破坏，路基与绿化带之间外贴防水复合土工膜，土工膜较道路结构厚度深0.8 m，见图2。

图2 中央渗沟设计图（单位：m）

5.4 溢流雨水口设计

本项目地势平坦，道路纵坡在0.003左右，为保证超量雨水排水安全，在生物滞留带内设溢流式雨水口，平均间距80 m，雨水口顶高高于生物滞留带10 cm，超量雨水溢流排入雨水管网。溢流雨水口，采用平箅式雨水口，四周散铺0.2 m宽卵石带。溢流雨水口大样及设置位置见图3、图4。

图3 溢流式雨水口剖面设计图

图4 溢流式雨水口平面设计图（单位：m）

6 方案建设的地域可行性评价

本工程场地地势整体较平缓，地层属华北地层区淮河地层分区，为厚覆盖区，属黄淮堆积型地貌，微地貌为河间洼地、低丘等。①层填土（Qml）层厚1～4.5 m，土壤渗透性系数为1×10-4cm/s。

按照本工程设计积水深度，核算生物滞留带内积蓄雨水全部下渗所需时间小于12 h，满足设计最大雨水排空时间为24 h的要求。工程区位于亳州市涡河南岸，场地的地下水稳定静止水位埋深为1.8～2.2 m，水位随丰水期、枯水期交替变化，场地地下水水位变化幅度约1～2 m。综上所述，该工程适合选用雨水渗透技术进行海绵城市设计。各土层渗透系数见表1。

表1 各土层渗透系数一览表

7 维护与管理

本工程海绵城市设计，属于雨水的源头控制与利用，其维护与管理至关重要，需要市政养护、园林绿化等单位协调和联动配合。为保证设施的正常运行，提出以下维护与管理措施：第一，定期对过滤消能带、沉泥井、中央渗沟、溢流雨水口等设施巡检，保证其完整性。第二，定期清理和冲洗过滤消能带、中央渗沟，去除粘附的淤泥、油污、杂物等，确保其通畅。第三，加强路面清洁维护，减少路面杂物进入绿化带。冬季使用融雪剂应采用对植物无害的环保融雪剂。第四，为保证滞留带的渗透能力及种植土厚度，建议定期补充种植土、翻耕土壤。

8 结 语

近年来，部分城市频遭强暴雨袭击，引发严重的城市内涝，给人民生活和生产造成了严重影响。立交桥是雨水径流的重要来源，其设计理念是否得当将影响区域的自然生态水环境与城市的可持续发展。对于土壤渗透性较好的地区，通过转变设计方式，因地制宜地运用“海绵城市”措施，增大用于绿化浇灌和下渗的雨水量，可有效减小外排量，在满足排水设计标准、雨水年径流总量控制率指标的同时，有效减少雨水污染。本文将工程设计的思路、过程进行了总结，以期为类似项目提供参考。