萍乡市海绵城市建设新工艺设计及应用*

文/中铁建大桥工程局集团第三工程有限公司 徐 多

1 项目概况

1.1 基本情况

萍乡市海绵城市西门内涝区项目位于老城区西南部，项目涵盖面积0.94km2，处于亚热带季风性湿润气候区，全年多降雨，主要集中于4～6月。城区内土壤多为黏壤土、黏土，其渗透效果较差。该区域早期以行政办公职能为主，单位及个人建房较多，城中村盘踞，后期城市发展过程中因搬迁难度较大，建筑普遍较旧，建设杂乱无章，小区内基本无绿地或绿化率很低，不仅改造空间有限，而且改造难度非常大，大部分街道两侧无绿化带和绿道，人行道均为不透水铺装。

1.2 设计目标

根据《萍乡市海绵城市试点建设三年行动计划（2015－2017）》，从萍乡市长期发展和战略高度出发，制定萍乡市海绵城市西门内涝区项目设计目标：①排水防涝设计标准 可承受30年重现期暴雨不成灾；②城市防洪标准 萍水河防洪标准达到50年；③雨水管渠设计标准 普通地段管渠设计重现期为2～3年，重要地段为3～5年；④年均径流总量控制率≥75%；⑤年径流污染控制率按悬浮物（SS）计，到2020年削减率≥50%，2030年削减率≥65%；⑥水质标准 萍水河水质标准至少达到地表水质Ⅲ类标准，且不得劣于现状。

1.3 设计思路

依据萍乡市海绵城市相关规划，西门内涝区海绵改造遵循“老城区以问题为导向，以点代面”的思想[1]，通过模型分析西门内涝区现状积水点及其他问题，考虑西门内涝区核心任务区及协调区的整体技术方案，针对现状问题进行系统设计，突出项目连片效应，重点解决城区内涝、水质较差等问题，提出相关技术措施。

在设计中，主要考虑从建筑小区、道路、雨污水管网、人工湿地、调蓄设施及河道等层面解决城区内涝、水质较差等问题，通过采用源头减排（如透水铺装）、中途转输（管道清淤、修复）、末端调蓄（泵站、调蓄池）等手段，研究多种适用于项目区域的技术工艺，实现西门内涝区的内涝综合整治，达到萍乡市海绵城市建设指标要求。

2 源头减排

2.1 透水混凝土铺装

透水混凝土是一种新型多孔透气性材料，经特定级配的骨料碎石、胶结料、添加剂、水泥、水和掺合料等，按一定比例以特定工艺制成。相较于普通混凝土具有渗透性强、透气性好、抗压强度高、经济美观等优点[2]。

透水混凝土铺装如图1所示。降雨时，雨水经透水混凝土面层下渗，再到砂滤层净化，进入碎石蓄水层蓄积，渗透至原有土壤，用于植被需水供给。雨量较大时，碎石层内的渗排管将超量的雨水排放至雨水干管；路面超标雨水形成径流，经过开口路缘石进入绿地滞留，最终排放至雨水干管。

图1 透水混凝土铺装结构

2.1.1 试验配合比

与以往普通混凝土相比，透水混凝土主要由水、水泥、碎石、黏结剂配制而成，须同步实现透水率、强度等指标要求[3]。本项目经反复试验，最终得出面层与基层的最佳原料配合比，如表1所示。

表1 混凝土最佳配合比

透水混凝土整体抗压强度、透水系数与压实遍数有关，如图2所示。透水混凝土抗压强度与压实遍数成正比，当压实次数为4时，抗压强度可达28.1MPa；而透水混凝土透水系数与压实遍数成反比，故应综合权衡抗压强度与透水性，根据不同性能需求，确定透水混凝土的压实遍数。

图2 压实遍数对透水混凝土性能影响

2.1.2 工艺流程

根据试验得到的原料配合比进行透水混凝土拌制、铺装，透水混凝土铺装工艺流程如图3所示。

图3 透水混凝土铺装工艺流程

2.1.3 成品性能

1）面层 抗压强度≥30MPa，弯拉强度≥3.5 MPa。

2）基层 抗压强度≥20MPa，弯拉强度≥2.5 MPa。

3）整体透水系数（15℃）≥1.0mm/s。

2.2 透水塑胶铺装

透水塑胶主要应用于运动场，国内规范尚不完善，仅部分地区执行透气标准要求[4]。本项目参考国际田径联合会（IAAF）室外合成材料面层田径跑道性能合成标准，经反复试验，参考透水混凝土透水性能要求，得出经验配合比，并加强施工过程和各环节质量把控，总结出以下工艺设计方法。

2.2.1 试验配比

拉伸强度-透水系数关系曲线如图4所示，可确定透水系数在1.00～1.45mm/s，透水塑胶拉伸强度满足≥0.5MPa要求，而透水系数主要受熨板温度影响，经比对，塑胶熨板温度控制在85～95℃，熨平后透水效果介于1.00～1.45mm/s，进而达到拉伸强度要求。通过反复试验，得出松铺系数-透水系数-拉伸强度关系，最终确定采用环保橡胶颗粒，松铺系数为1.25。

图4 拉伸强度—透水系数关系曲线

2.2.2 工艺流程

透水塑胶铺装在下层透水混凝土铺装基础上进行，工艺流程如图5所示。

图5 透水塑胶铺装工艺流程

2.2.3 施工工法

1）基层清理 不能用水冲洗，保证其干燥，有利于塑胶更好黏结。遇到特殊地面，可选用丙酮或专用稀释剂用钢丝球清洗油污，待面层干燥，覆盖塑料膜，隔夜无水珠方可施工透水塑胶。

2）支立模板 按照松铺厚度、标高挂线，测算布料量，采用贴保护膜方式避免造成污染。

3）现场搅拌 用电子秤计量，搅拌均匀，直至胶水完全附着在胶粒上。

4）基层摊铺 人工刮杠找平，并及时补平缺料位置，用熨板进行压实收面，辅以加热器压实，布料速度与压实收光协调，操作流畅，避免软化。

5）面层施工 搅拌、增压，经高压软管传送到喷枪，瞬时雾化后喷向作业面，制成涂膜层。喷头距离路面30～40cm为宜，喷涂均匀，防止喷涂过多影响透水性能。

2.2.4 成品性能

北星小学运动场透水型塑胶跑道透水率≥1.0mm/s，拉伸强度≥0.5MPa。沿跑道内圈设置渗透性排水沟，顶盖成型雨水篦，可将塑胶跑道表面来不及渗透的雨水及时排出，避免表面积水，在方便使用的同时延长塑胶跑道使用寿命；选用优质橡胶，无毒无害且抗磨损；相较于传统跑道，透水塑胶跑道的弹力加强，提高了使用舒适度。

2.3 湿塘水生态治理

2.3.1 基本方案

通过构建水生态系统及采取相应的水生态工程措施，使湿塘内生态系统趋于生态平衡，实现自净功能，使治理后的湿塘水质满足并保持III类标准。湿塘内清澈见底、无异味，透明度在80cm以上，使水体维护达到低成本和长效目的。

2.3.2 治理流程

湿塘水生态治理流程可分为7部分，如图6所示。

1）清淤 塘底积聚淤泥较厚，存在较严重的内源污染，需清理淤泥深60cm。

2）底质改良 底泥铺20cm厚黏土，便于植物着根，铺设5cm厚人工介质生态滤床，可有效去除水中的COD和氨氮，组织底泥营养释放。

3）水生植物群落构建 种植沉水植物，包括水下森林、水下草坪，采用“浅水栽培-逐步提升水位养护种法”。

4）微生物原位水生态修复 水生植物种植完成后，均匀投放底质改良微生物菌群，随后投放净化微生物菌群、透明度调节菌群，改善水质。

5）水生动物群落构建 引入底栖动物群落、鱼类，如锦鲤、黑鱼、滤食性鱼类等。

6）增强型水循环净化设备 共设置2台循环净化设备和3台风机，2天循环净化1次。

图6 湿塘水生态治理流程

7）喷泉增氧造流设备 实现湿塘内增氧、造流、循环、净化4个过程连续进行。

2.3.3 生态效果

经水生态治理后的湿塘可达到削减径流峰值及储蓄雨水资源的作用，调蓄塘可缓解暴雨给城市排水管网增加的压力，滞留、集蓄与净化雨水，待需要时将水引出，实现雨水循环利用。由于湿塘体积有限，且为封闭性池塘，加强水池内的清洁管理与维护尤为重要，需通过多种水质传感器实时监测蓄水塘内污染物含量，如悬浮物（SS）、溶解氧、氮、磷等，保持湿塘内的生态平衡，实现湿塘的实用功能与景观效果并举。

3 管道原位再生修复

3.1 修复方法比选

国内管道修复工艺中速格垫衬法、紫外光原位固化法修复以不需要工作坑，且适用于圆形、矩形等不同截面管沟而处于主流方向。其中，速格垫衬法主要通过安装衬垫，垫后注浆实现管道修复。紫外光原位固化法是新型非开挖管道再生技术，修复材料为可在紫外光下发生固化反应的玻璃纤维及树脂[5]，并以其作为管道内衬。项目结合老城区特点，经反复考察比对，最终选择不需要搭设平台及注浆、施工时间短、交通干扰小的紫外光原位固化法。

3.2 施工流程

1）淤积清理 经管道潜望镜（QV）检测后利用车载式高压射水机清理管道淤积物。

2）橡胶气囊辅佐堵截 修复前在修复段置入气囊，使污水改道。

3）制定修复方案 利用管道检测机器人（CCTV）对管道进行全程摄像，判定破损级别，拟定修复方案。

4）拖入底膜 CCTV检测后，通过摄像装置或冲洗设备将1根绳子引入管内，利用绳子将拉绳和底膜拉入管内，应确保拉绳位于底膜之上。

5）拖入玻璃纤维软管 拖入时应利用电缆绞车和导向滑轮组沿下降方向，将衬管插入待修复管道内，衬管的行进速度不超过5m/min。为减小拖拉摩擦力，降低拖动可能的损伤，在拖动前将可生物降解润滑剂（一般为植物油类）涂抹于底膜上。

6）管头封闭 拖入时应利用电缆绞车和导向滑轮组沿下降方向，在衬管上捆绑一个“管头”，待拖入到位后，将另外一段管头封闭。

7）衬管施压 压缩空气进行管道加压，使衬管与被修复管道贴紧。

8）灯架安装、紫外固化 固化过程开始时，先打开紫外线光源，并朝着目标窨井方向拉动紫外线光源，检查和记录温度传感器在整个固化过程中测量到的速度和温度，当光源到达尾端扎头时，关闭紫外线灯架组，固化过程即告完成。

9）性能复核检测 紫外光固化后，进行CCTV复查和材料力学性能测试，材料的现场取样一般在窨井处固化尾端选择表面光滑平整的局部进行切割，取样时须注意：样本表面不得有气孔、褶皱或空洞；确保取样管接受足够的紫外线辐射、固化；样本复合管内不得存在不平整现象。

3.3 修复效果

使用紫外光原位固化法修复管道，不需要搭设平台及注浆、施工周期短、交通干扰小；避免开挖管道，减少了工作量；利用QV及CCTV技术，能更精准快速地获得管内各项指标，提高施工效率。通过性能复核取样检验，保证被修复管道满足力学性能指标要求。

4 一体化预制泵站

西门内涝区中，西环路、昭萍路及周边整体地势较低，根据《萍乡市城市防洪规划》，雨季时洪水位有顶托风险，影响西环路及昭萍路新建行洪通道雨水的排放，故结合防洪工程中防浪墙等措施的同时，需设雨水强排泵站，其中西环路泵站与西门铁路桥区泵站为合建泵站（1号泵站），结合原市橡胶厂整体拆迁改造，预留市政用地作为泵站用地。

4.1 泵站运行方式

1号泵站位于萍水河西门桥北侧，东临西环路。主要负责排放西环路新建雨水管道收集的雨水，设计流量为4.6m2/s的一体化预制泵站。应用2个泵筒，每个泵筒配置1台轴流泵，单筒流量2.3m2/s，扬程6.2m。1号一体化泵站排水系统的运行方式分为自流出水运行和泵站提升出水运行2种状态。

1）当萍水河处于低水位状态时（泵站所在位置处于河道水位不超过85m），泵站内的雨水采用自流排放，提升装置不参与运行，具体流程为：进水管道→进水井→出水管道→萍水河。

2）当萍水河处于高水位状态时（河道水位≥85m），雨水管内的雨水采用泵站提升排放，具体流程为：进水管道→进水井→格栅→泵站→出水池→出水管道→萍水河。

4.2 超磁分离净水技术

为保证萍水河水质，防止初雨径流污染和现状合流制管道溢流污染，在1号泵站东侧设置1套超磁处理系统。超磁处理系统不同于传统依靠重力分离悬浮物的技术，其采用稀土永磁技术，变被动沉淀为主动吸附打捞，提高分离效率。超磁分离技术筛出的污泥含水率＜93%，水力停留时间＜5min，占地面积小。处理1万m3每天水量的全套设备装机功率仅4kW左右。

4.2.1 工作原理

超磁处理系统工作原理为将上游管道来水在进入河道前截留，排至一体化泵站，后经提升泵提升至超磁分离水处理成套设备进行净化处理，通过在混凝系统内投加磁种和混凝剂，将悬浮物在几分钟时间聚集为以磁种为核心的“微絮团”，混凝系统出水送至超磁分离机将微絮团吸附打捞[6]，进行固液分离净化，出水先自流至1号泵站集水池后排入河道。

超磁分离机吸附打捞起来的磁性污泥传送至系统内磁分离磁鼓机，通过磁鼓机的高速分散装置将磁种与污泥分离。磁种经分离后可供混凝系统前段重复利用，非磁性污泥经污泥泵送入污泥脱水系统进行干燥[7]，干泥外运处置。

4.2.2 工艺流程

1号泵站超磁分离技术工艺流程如图7所示。上游管道来水进入分流井后，一部分自流进入超磁进水一体化泵站，进行下一步超磁净水过程，然后将经净化处理的水排入萍水河。超量雨污水自流进入1号泵站进水井，当河道水位不超过85m时（即满足自流条件时），井流出水直接排入萍水河；当河道水位≥85m时（不满足自流条件时），雨污水经一体化泵站提升处理后，强排入1号泵站出水井，最终排入萍水河。

图7 1号泵站超磁分离工艺流程

5 结语

1）依据项目特点，应以源头分散式控制为主，在建筑小区、道路进行透水铺装改造，采用兼顾透水性能与物理性能的透水材料，增加城区透水面积。在适当地点修建人工湿塘，改善原有池塘水生态环境，充分利用雨水资源，起到蓄水、净水、回收再利用的作用。

2）老城区管道布设年份久远，管网承压设计标准低，亟需进行管网改造及修复。结合老城区特点，经过反复考察比对，最终选择不需要搭设平台及注浆、时间短、交通干扰小的紫外光原位固化法进行管道原位再生修复。

3）由于老城区排水管网末端地势较低，雨季时洪水位有顶托风险，需建立强排泵站。为保证萍水河水质，防止初雨径流污染和现状合流制管道溢流污染，项目在1号泵站引入分离效率高、能耗较小、占地面积小的超磁水处理设备，根据不同降雨强度合理控制雨水流路，并改善最终排入萍水河的水量与水质。