基于海绵城市理念的高速公路建设应用研究

王新宇

（广东省高速公路有限公司阳茂扩建管理处）

0 前言

为减轻雨水对城市的影响，合理利用雨水，一些雨洪管理理念被提出，如降雨径流最佳管理措施BMPs、可持续城市排水系统SUDS、低影响开发LID、洼地-渗渠系统MR[1]、绿色雨水基础设施理念等，也研究出了诸如SWMM、MOUSE、SUSTAIN、STORM 等雨洪管理模型[2]。

海绵城市的概念由我国学者首次提出，它集国内外雨洪管理理念之大成，用以促进雨水资源利用和生态环境保护。顾名思义，海绵城市设想城市就像一块海绵，通过一定的改造，能吸水、储水、放水。通过吸水、储水的方式集中雨水，以减轻降雨对城市的影响；通过释放储存并处理后的雨水，又可以用来涵养地下水和绿植、灌溉农田等。总结起来，通过将海绵城市理念付诸实践，可以提高雨水资源利用效率、减轻洪涝灾害，并能带来一定的社会效益。

我国高速公路穿越地形较为复杂，沿线两侧可能是大型边坡、农田、湖泊、山体、林地、自然保护区等。雨水的治理以及对沿线生态环境的保护对高速公路的营运至关重要。将海绵城市理念引入到高速公路的建设中，使这些应用可以增加其应对环境变化的“弹性”，既环保节约又顺应自然，并能成为高速公路一道靓丽的风景线，符合国家倡导的绿色公路建设。

本文在分析雨水对高速公路路面、边坡、互通立交以及服务区四方面的影响后，介绍一些海绵城市理念在高速公路上应用的低影响开发设施，随后结合工程实例对部分应用进行可行性分析。进行实例分析的工程主要有阳茂高速公路改扩建工程（以下简称“阳茂扩建项目”）、包茂高速公路和湛徐高速公路徐闻港支线。

1 雨水对高速公路的影响

我国高速公路现阶段的雨水管控形式主要是靠设置路拱、边沟、排水沟、盲沟、中央排水管、横向排水管、急流槽等方式将雨水排放，对雨水的利用不够，对周围生态系统的保护也不够。雨水作用易对高速公路的路基路面、边坡、互通式立交、服务区四方面产生较大的影响，下面将详细论述。

1.1 雨水对高速公路路基路面的影响

高速公路水损害是影响路面结构安全及耐久性的一大隐患，常见的几种路面病害有：车辙、网裂、坑槽、唧浆、路基沉陷等[3]。产生原因主要是路面防排水能力薄弱、路面表面层孔隙率偏大[4]、原地基未处理到位等。雨水的冲刷又会将路面表层的污染物直接排到公路两侧，如重金属、SS、BOD、COD、TN、TP 等[5，9]，在高速公路穿越水源保护区的情况下更应重视。

1.2 雨水对高速公路边坡的影响

高速公路边坡植草防护很普遍，但对雨水的吸附能力有限，大雨过后，往往边坡冲刷较严重。圬工防护可增强边坡稳定性，但也仅仅防止了边坡的垮塌，在降雨量较大时，仍无法将雨水保留并储存下来加以利用，使之不至汇成水流侵害公路外的农田、村庄等。

1.3 雨水对高速公路互通式立交的影响

现阶段的大部分高速公路互通式立交的设计重在通过管网、涵洞进行疏水，雨水来临时，存在水土流失、冲刷农田、污染鱼塘的风险；同时，过度追求形式主义，不能很好地结合立交处特有的地形进行具体化、创新化设计，绿化植被品种也较为单一；此外，大方量的土石方工程也增加周边的生态系统被扰动甚至破坏的风险[6]。

1.4 雨水对高速公路服务区的影响

我国高速公路服务区传统的“外排”理念导致雨水的利用率极低，因为离城镇较远的缘故，排水系统只能依靠建设时期做好的管网进行疏水，暴雨时服务区排水不通畅、积水的现象时有发生，雨水径流又会冲刷和污染周边农林作物、水体等[7]。同时，由于服务区屋面硬化、且路面大多为水泥混凝土路面，使得雨水无法下渗到土层中，无法降低雨水峰值。在非雨季时节，又会由于降水量较少，导致服务区内的绿植需要专门引水灌溉，成本较高[8]。

2 海绵城市理念下的高速公路建设方案

通过将海绵城市理念中的“海绵”功能运用到高速公路的建设方案中，以期创建环境友好的海绵型绿色公路。借鉴住建部下发的《海绵城市建设技术指南--低影响开发雨水系统构建（试行）》[9]，海绵城市理念在高速公路建设上运用时的三大注意要点：对原有生态系统和生态环境的保护、对高速公路沿线周边生态的修复和恢复、低影响开发建设理念的运用。核心主要是：减少扰动周边生态，若扰动需恢复；制定合理有效的方案，充分利用雨水资源。

下面将阐述具体的低影响开发设施应用场景，并结合相关高速公路建设项目分析其落地实施的可行性。

2.1 海绵城市理念运用之路面篇

2.1.1 下沉式绿地、蒸发池

雨水通过盲沟、急流槽等汇入到下沉式绿地中，通过绿地中的植物吸收部分雨水；过量的雨水可以流入地下埋设的PP 组合式储水模块中储存起来，后期可用来浇灌绿植、清洗路面等[10]。下沉式绿地中的绿植通常选用耐浸泡、耐洪涝能力强的品种。下沉式绿地可部分缓解短时间内强降雨量造成的管网排水压力，补充地下水资源。此外，通过设置路侧蒸发池，也可以达到收集并利用雨水的目的。

在湛徐高速公路徐闻港支线项目中，K514+012、K516+600 等处路基两侧设置有大型蒸发池，用于雨水的收集，既避免了大量雨水冲刷周边农田，又可以储存后用于农田的灌溉。在阳茂扩建项目，若将部分原设计边沟、排水沟替换为下沉式绿地，虽然可能会增加征地面积，但能大大避免对于雨水资源的浪费。

2.1.2 透水沥青路面

透水沥青路面分为三种：I 型、II 型和III 型。III型宜用作高速公路服务区的人行道、车辆停车区等，能承受中小型荷载，通常被称为“透水路面”；I、II 型一般用于各类新建及改扩建公路中，通常被称为“排水路面”，其中I 型可减少地表径流和降低路面噪声，如OGFC 路面；而II 型可降低强降雨时路面排水系统的负担。[11，12]

⑴I 型将封层设置在上面层与中面层之间，通过上面层将雨水排出至邻近的储水装置中。优点是有较高稳定性，缺点是只能简单地减少地表径流和排除积水[8]。

⑵II 型将封层设置在基层与垫层之间，雨水通过面层到达基层，从基层横向排出。优点是可有效地缓解路面积水，缺点是稳定性较I 型差[8]。

⑶III 型将反滤层设在路基与路面的结合处，雨水穿过整个路面结构层直达路面垫层底部，通过反滤层慢慢渗透进路基中，再通过路基下渗到土基中去。优点是补充了地下水资源，缺点是对路基的渗透性有一定的要求[8]。

鉴于OGFC 路面是当前较为成熟的排水路面，阳茂扩建项目又地处广东省，雨季和台风季节雨水较多，因此可考虑用作服务区路面。通过上面层将雨水排出至邻近的雨水收集管道，再通过管网输送至建设的储水装置中，经沉淀、净化用于绿植灌溉、卫生间冲洗等，可极大地提高雨水的利用率。

2.1.3 生物滞留设施

在高速公路路侧可设置生态边沟，在边沟内可种植小型绿植，通过绿植、土壤和微生物组成的小型生态系统来汇集路面雨水径流，这样的方式就是生物滞留设施，它还可用于高速公路服务区、边坡坡脚以及互通立交的绿地之中。优点是适用范围广、具有观赏性、雨水径流处置效果较好、建设及运营成本较低，但缺点是不适宜用在地形陡峭、地下水位较高的地段[10]。渗井也可以起到同样的作用，只是渗井能处理的雨水流量较小，雨水水质过滤情况也不大理想。此外，植草沟也可作为生物滞留设施的预处理措施配合使用。

高速公路挖方段的浅碟形生态排水边沟，是广东省近年来较多项目使用的一种生物滞留设施，如阳茂扩建项目、包茂高速公路和紫惠高速公路均在部分挖方路段设有浅碟形边沟。在排水路径不长、非双向长挖方路段可采用浅碟形边沟，边沟内植草并用养生膜覆盖，待草生长较茂盛时揭膜；当浅碟形边沟无法满足排水要求时，可在其下方增设一个明矩形沟构成组合式边沟。为了防止后期杂草对排水的影响，一般会在浅碟形边沟底部铺设混凝土预制块。

2.2 海绵城市理念运用之边坡篇

目前应用较为广泛的是使用边坡生态防护，但种植绿植要考虑生长高度对边坡的影响，若绿植较为高大，风力作用下可能会倾覆，从而造成边坡坡面、台阶受损，从而影响整体的稳定性。同时，也要考虑在自然环境中生存的能力，因为日常的边坡养护较少，主要靠吸收自然养分存活，若生存能力较差导致较快死亡，则对于稳固边坡的作用性就不大。

结合阳茂扩建项目，若将具有景观和生态防护双重性质的绿植栽培到挖方边坡碎落台上，具有一定观赏性的同时提高了边坡稳定性和雨水吸收、涵养的水平。

2.3 海绵城市理念运用之互通式立交篇

通过详细研究互通式立交围合区域的微地形，进行地形设计，将湿塘、蓄水池、下沉式绿地等低影响开发设施的引入，并在一定程度上具备了储水的功能。蓄水池可净化雨水，起到类似污水处理的过滤与初沉的作用。处理后的雨水可以通过管道输送到就近的养护工区用于公共卫生间[13]、绿植浇灌等。

在包茂高速公路茂名东互通的围合区内，有片区域地处低洼地段，雨水无法靠自然蒸发或下渗土壤消耗完全。为了更好地解决积水问题，提高雨水涵养水平，设置了与地方水系连通的湿塘。

2.4 海绵城市理念运用之服务区篇

2.4.1 建筑物屋面排水

服务区屋面排水可以通过PVC 管道将水引入到如生态树池的生物滞留设施中，也可通过设置绿色屋顶减少部分雨水的漫流。针对规模较小的高速公路服务区，可采用雨水桶作为收集屋顶雨水的装置[8]。

2.4.2 透水砖铺装

在服务区人行道，由于荷载较小，可以采用透水砖进行铺装。透水砖具有较少地表径流、增加雨水渗透能力、调节局部地区小气候等优点[14]。雨水通过透水砖下渗后一部分渗入土壤，另一部分可以通过地下的导流装置导入附近的储水模块储存起来。透水砖材质的选择很大程度上会影响到雨水的下渗效果。由于阳茂高速公路属于联通粤西的主干道，车流量较大，服务区内供行人行走的区域均可供车辆通行，故透水砖铺装无法应用于阳茂扩建项目。

2.5 雨洪管理模型介绍

SWMM 模型是现阶段较为全面且模拟效果较准确的雨洪管理模型，具有LID（低影响开发）模块，对我国海绵城市应用场景的模拟极具借鉴意义。高速公路沿途地区的实测降雨数据是进行模拟的关键，数据年份越多，模拟相对越准确。通过SWMM 模型的模拟情况，可以大致分析得出各种低影响开发设施的使用效果，以及参数的确定和优化。

3 结语及展望

现阶段我国的海绵城市建设并未完全成熟，目前的定位主要是以解决洪涝灾害为主。在高速公路上的应用也主要是为了降低当雨水达到峰值时对路面、边坡等的损毁。净水、储水的应用还需要在高速公路上实行大规模应用后进行效果检验。海绵城市的理念其实就相当于一种新型的排水和环保系统的构建，旨在通过一套演化算法解决一系列与水有关的问题。但很可惜的是，现在缺少很关键的一环--雨洪数学模型的建立，即通过导入数据到该数学模型中，进行定量分析，从而完成规划设计的工作。

但无论海绵城市理念在高速公路上的应用将来是一番什么景象，现在只能一步步走，上述介绍的措施可以作为迈出的第一步，有些已经广泛实践了，如OGFC 排水路面；有些还尚待更多高速公路项目的应用，如建筑物屋面排水、透水砖铺装和II 型、III 型透水沥青路面等。本文综合考虑了这些低影响开发设施，结合自身实践经验，给出了较为合理的应用及组合建议，并针对实际工程项目分析部分低影响开发设施运用的可行性，希望对高速公路的设计及其他从业人员有所帮助。