北方地区冬季寒冷气候条件下低影响开发雨水设施设计及维护管理的关键问题分析——以济南鲁能领秀城为例

王崇艺，张鹏，朱崇文，崔永顺

（1.山东鲁能亘富开发有限公司，济南250000；2.深圳市喜喜仕景观及建筑规划设计有限公司，广东 深圳518000）

1 引言

目前，全国海绵城市建设全面展开，各城市面临从建设模式、前期规划、工程设计到后期绩效考核与运营管理各方面问题和挑战，如何因地制宜、合理高效地选择技术设施成为突出问题。我国地域广阔，地形地貌、水文地质和气候特征差别较大，不同城市也因此面临不同问题和需求。针对我国北方地区冬季寒冷气候，其低影响开发雨水设施的选择会受寒冷气候、水文地质等影响，本文选择济南市鲁能领秀城海绵城市建设为例，研究北方地区冬季寒冷气候低影响开发雨水设施的设计与维护管理问题[1]。

2 寒冷气候对雨水设施的影响关键问题

2.1 冻融对透水铺装的影响

透水铺装的使用越来越广泛，但其使用成本、冬季性能、堵塞和维护等方面仍受到关注。济南鲁能领秀城地处中纬度地带，四季分明，冬季寒冷，最冷月气温-5℃左右，最低气温-19.7℃，冬季长达136～157d，因此，在使用透水铺装时会面临冻融对其结构和性能的影响。

冻融对地面铺装的影响表现在饱水状态下水在孔隙中结冰体积膨胀对孔隙周围产生冻胀力，造成冻胀开裂，导致其抗压强度、抗拉强度等力学性能严重下降，加上荷载作用等其他环境条件的影响而导致其耐久性不足，出现结构性能和使用性能的丧失[2]。透水铺装能够快速将表面的雪（雨）水渗透到内部，不会积累在表面，一定程度上缓解了冻融对其的破坏作用，但同时透水铺装将雪（雨）水更快地引到了表层以下，如果雪（雨）水没有及时排走，或者排走后表层孔隙中依然残留有水分，这样径流会在铺装表面以下的结构中发生冻胀现象，对透水铺装产生的破坏甚至比传统的铺装还要严重。

此外，氯盐型融雪剂的使用会在结构层中形成浓度差，加剧冻融的破坏力；防滑沙砾的使用会堵塞孔隙，减少渗透性，不利于雪的融化和及时排走，带来更严重的冻融问题。

这些问题可通过合理的设计和施工、长期维护及材料制备质量控制来解决。相关研究证明，寒冷气候条件下透水路面的使用比传统路面铺装更耐冻结，主要是因为透水材料空隙空间可以使融雪径流下渗得更快。Gunderson（2008）[3]在新罕布什尔大学风暴雨中心（UNHSC）的研究发现，排水良好的透水铺装系统降低了冻融的敏感性。Cahill et al.（2003）研究表明停车场透水沥青铺装比传统铺装可以使冰雪更快地融化，透水沥青的孔隙空间可以更快地将融雪水排走[4]。

2.2 融雪剂的使用对生物滞留设施的影响

融雪剂的使用会造成土壤盐淸化、板结，还会造成植物死亡、污染地下水等问题。众所周知，融雪剂会对道路绿化植物造成侵害，尤其是海绵型道路，含融雪剂的融雪径流会顺利排入道路下沉式绿化带中，更容易对植物产生不利影响。

3 抗冻融透水铺装与生物滞留设施融雪剂弃流设计要点

针对济南鲁能领秀城冬季时间长、气温低的特点，透水铺装和道路生物滞留带的设计应注重抗冻融与融雪剂弃流设计，实现道路融雪径流和初期雨水的优先渗滤净化与排放，并选择适合本地生长的抗碱性强的植物，解决融雪剂侵害植物的问题。此外，在注重技术性的同时还需注重经济性，融雪剂弃流应实现自动渗滤弃流，节省建设成本[5]。

3.1 抗冻融透水铺装设计

寒冷气候下的透水铺装的承载能力设计在常规透水铺装的承载能力设计的基础上还要考虑冻融循环给其结构性能带来的影响。以透水混凝土为例，相关实验表明，经过20 次和35次冻融循环，透水混凝土的抗压强度分别下降了2MPa 和4MPa，因此，在济南鲁能领秀城透水铺装设计时，要充分考虑到冻融循环对铺装的结构强度的影响。据此，建议在选择透水砖的抗压强度时，比一般情况下高一级。

此外，透水铺装设计除改变铺装本身材料外，还可调整其结构层防止冻涨，如增加垫层（砂层）的厚度，或者在砂垫层中增加排水带，将融雪水快速排走，不在结构层中存留太长时间。对于透水铺装抗冻融设计，水平方向上，通过设置的变形缝提高其抗冻性能；垂直方向上，设置砂垫层，并在砂垫层中设置排水带，排水带与渗排管连接，可及时将透水铺装结构层中的融化水排走，以解决垂直方向上的冻胀问题。

新罕布什尔大学暴雨中心（UNHSC 2009）以位于新罕布什尔州达勒姆停车场的透水沥青为对象进行了一项有关透水沥青在寒冷气候下的应用研究，研究将透水沥青表层以下的结构统称为多孔介质渗透床，并推荐了寒冷条件下适合的结构：10.16～20.32cm 的碎石基层（考虑到多孔沥青的压实问题20.32cm 优先）；接着是20.32～30.48cm（砂滤层；然后是7.62cm（最小厚度）的过滤层（即豆砾石），最后是碎石储水层。其中，砂滤层进一步地精细分级是为了强化过滤过程并起到延缓下渗的作用；而均匀粒级碎石储水层设计成较高的孔隙率是为了最大程度地储存渗透下来的水，延缓其渗透时间，阻碍水的垂流运动，进而有助于防止冬季的冻融和隆起等破坏现象。

3.2 生物滞留设施融雪剂弃流设计

生物滞留设施的设计目标及其结构特点要求其必须接受道路等汇水面产生的径流的流入，因此，需采用工程措施将融雪径流排走，后期径流再进入设施。英国有些城市在城市道路旁，铺设了专门的管道用于收集含有融雪剂的融雪径流，通过管道送至污水处理厂进行处理。

生物滞留设施的设计需强化预处理、清淤区，因此，可在生物滞留设施的进水口处设置前池/沉淀池，不仅便于雨季清淤，也可防止冬季时融雪径流直接进入生物滞留设施蓄渗区，在冬季，利用融雪径流的流量一般较小的特点，融雪径流进入生物滞留带后，通过合理的导流路径设计，使之优先经沉淀池预沉淀后，由沉淀池溢流进入渗排渠，经碎石过滤、渗排管收集后排入市政雨水管。也可在道路与生物滞留设施衔接处，沿道路设置一条较小的沟槽，沟槽接排水系统，当积雪融化后，含融雪剂的融雪径流会被沟槽收集，导入排水系统。由于融雪径流一般流量不大，因此，沟槽的规格可以很小，避免影响车辆行驶。

4 济南鲁能领秀城透水铺装管理与维护的关键

（1）应避免将沙子用于透水铺装的防滑处理，防止堵塞孔隙。（2）要增加对透水孔沥青的检查和维护频率，特别是在秋冬季节，碎片堆积和沉积相对严重，不及时处理，会严重影响之后雨雪的渗透。（3）不要将清扫过的雪堆在透水铺装表面，它们会聚集高浓度的沉积物，从而更快地堵塞孔隙。（4）注意防冰处理，在雨或雪来临前应用防冰处理措施，以最低的成本增加交通安全，减少对环境的影响。当遇到不易处理的致密的冰雪时，根据情况可使用除冰剂和防滑材料。（5）注意在铺装完成的初期不要使用，避免对其结构造成破坏。含氯化钠或氯化钙的除冰剂可用于透水混凝土表面，而含有硫酸铵和硝酸铵等化肥成分的药剂不要使用，这些可能会引起混凝土表面的化学反应。（6）注意减少用铲、犁等工具清雪进行物理处理透水铺装表面的频率，当积雪积到一定厚度（≥5cm）时再考虑使用，避免频繁的使用对表面造成破坏。在使用铲、犁等工具的时候，稍微抬高一点刀片来防止对路面造成刮痕。（7）使用防滑材料的情况下，应在寒冷天气季节后彻底清洗表面。

5 结语

济南鲁能领秀城的透水铺装设计要充分考虑寒冷气候对透水系数带来的影响及冻融循环对其结构性能造成的影响，道路生物滞留设施要考虑融雪剂对土壤及植物的影响。本文对济南鲁能领秀城的抗冻融透水铺装及生物滞留设施融雪剂弃流设计提出建议，以期为寒冷气候条件下低影响开发雨水设施的设计与维护提供参考。