高架道路海绵城市排水系统优化设计

刘 文 俊

(山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032)

随着城市的快速发展，道路交通量迅猛增加，为缓解交通拥堵现象，提高道路出行的舒适度，各地市大力规划建设高架道路，将平面道路通行方式向立体空间提升改造。高架道路的路面雨水有序收集和排放成为决定行车舒适性的一大重要因素，目前常规的高架道路路面径流雨水排水系统为桥面径流雨水依道路横纵坡流入桥面收水口，经雨水立管排至地面层，汇入市政雨水管道系统。基于高架道路交通通行特点，高架道路区域降雨下垫面基本为硬化路面，雨水径流系数大，传统的排水系统以“快排”方式将路面雨水排至附近水体，造成水资源的浪费的同时，在连续强降雨事件中市政排水系统超负荷运营，容易发生内涝风险。另外受路面聚积的散落泥沙、轮胎屑、汽车尾气、泄漏油气、降尘等影响，地面径流雨水中固体颗粒、有机物、重金属、氮氧化物等污染物含量较高，尤其以初期径流雨水更为严重，对雨水受纳水体水质带来一定的不良影响。

鉴于“海绵城市”建设理念在城市开发中的成功应用，如在高架道路排水系统中执行低影响开发建设思路，能够较好解决径流雨水中污染物对受纳水体水质的威胁。同时，海绵城市系统将自然途径与人工措施相结合，能够将灰色基础设施建设为绿色生态型工程设施，使其在应对城市内涝渍水和适应周边环境变化等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存水“释放”并加以利用，能够实现高架道路低影响开发建设。

以武汉市杨泗港快速通道四新段(陶家岭立交—国博立交)工程为例，贯彻执行“海绵城市”建设理念，对传统排水系统进行优化设计，综合考虑高架层和地面层对降雨的径流总量控制及径流污染控制。

1 工程概况

杨泗港快速通道四新段(陶家岭立交—国博立交)工程位于汉阳区四新片区，西起龙阳大道，东至国博立交，全长约5.4 km，道路红线宽度50 m～60 m，工程共分为三个标段进行设计：第2标段(K0+000～K1+200)设计范围为自龙阳大道至芳草路、第3标段(K1+200～K4+000)设计范围为自芳草路至连通港、第4标段(K4+000～K5+372.166)设计范围为自连通港至国博立交。道路全线为高架桥和地面层结合的交通通行方式设计，高架层为过境快速通道，地面层为道路沿线地块城市交通干道。本项目所在区域为四新直排区，连通港、鲤鱼溪、总港为本项目区域雨水排放主要受纳水体，海绵城市建设工程以径流总量控制及径流污染控制为主要目标，采用以渗透、滞留为主的技术方案。

本研究以该工程第4标段为分析对象，起于道路桩号K4+000，止于道路桩号K5+372.166，高架层采用双向八车道断面形式，机动车道宽34 m，地面层路基标准断面为5.5 m人行道(含树穴带)+2.5 m非机动车道+2.5 m侧绿化带+8.0 m机动车道+13.0 m中央绿化带(或2.5 m绿化带+8.0 m机动车道+2.5 m绿化带)+8.0 m机动车道+2.5 m侧绿化带+2.5 m非机动车道+5.5 m人行道(含树穴带)，局部道路外侧设置15 m宽边绿化带。根据《武汉市城市总体规划(2010—2020)》，该地区排水体制采用雨、污分流制。本设计贯彻执行国家关于环境保护的政策，与各专业设计统盘考虑，全面规划、相互协调，使各专业间协调一致。

2 系统控制目标

采用年径流总量控制率作为主要控制目标，采用“单位面积控制容积法”计算，最大限度的使年径流总量控制率满足《武汉市海绵城市规划设计导则(试行)》的要求，根据导则要求，本工程属于汉阳地区四新直排区系统，为已批在建项目，道路年径流总量控制率需达到75%，对应设计降雨量为29.2 mm。

设计调蓄容量采用下式计算：

V=10×H×ψ×F。

其中，V为设计调蓄容积，m3；H为设计降雨量，mm；ψ为综合雨量径流系数(根据加权计算，本工程桥面系统取0.9，地面层取0.7，绿地取0.15)；F为汇水面积，hm2。

本道路径流雨水受纳水体为连通港、鲤鱼溪、总港水系，面源污染物削减率应达到50%以上。

3 优化设计方案

3.1 总体方案构思

本道路标准断面宽度50 m～60 m，地面层机动车道两侧侧分带(绿化带)标准宽度为5.0 m(2.5 m+2.5 m)，高架桥下中分带(绿化带)标准宽度为13.0 m和5.0 m(2.5 m+2.5 m)两种类型。根据《武汉市海绵城市规划设计导则》要求，结合本工程特点，按照武汉市园林局要求，综合考虑各相关部门意见，为确保行车安全及照明、景观等设施的设置需求，本设计分高架层及地面层2个系统进行设计，将高架桥下的中分带全部设置为下沉式绿化带，将地面层局部路段侧分带设置为下沉式绿化带，有边绿化带的路段，在边绿化带设置下沉式植草沟。经渗透、滞留、截污等工程措施发挥作用，实现径流总量控制目标和径流污染控制目标(见图1)。

3.2 结构设计体系

3.2.1 高架桥面控制系统

1)高架桥面雨水通过桥墩雨水立管降落至桥面下的中央绿化带内，雨水降落管排出口处设置消能井(内部填充20 cm厚40 mm～50 mm粒径的卵石层)，来水消能后排入初期雨水沉泥池，截留去除部分固体颗粒污染物；2)消能雨水经沉泥池沉淀后，溢流进入绿化带，待绿地吸水饱和后，绿化带开始蓄水；3)当蓄水深度达到设计深度后，超量雨水经雨水溢流口溢流排入地面层机动车道下设置的雨水检查井，经转输最终排入附近河道水系；4)在绿化带内路面结构层侧面及底面铺设复合防渗土工布，以防水流渗透到路基内部和损害路基结构；5)为保证下沉式绿化带内排水顺畅，避免雨水漫流进入路面，在每两座桥墩之间道路纵坡低点设置雨水溢流口及横向排水管，将绿化带里的超量雨水和渗水排入道路下的雨水管网系统。

3.2.2 地面层控制系统

地面道路两侧侧分带宽度仅有2.5 m宽，鉴于道路沿线园林景观、交安照明设施及环卫管理力度与下沉式绿化带基础设施建设之间的矛盾，为保证行车安全及照明、景观等设施的设置需求，本工程在道路沿线选取适当路段，将行车道两侧的绿化带设置为下沉式绿化带，其余路段按常规绿化带设置(见图2)。在下沉式绿化带路段，排水系统设计方案为：1)车行道径流雨水由立箅式雨水箅子进入雨水沉泥池，截留去除部分固体颗粒污染物后，溢流排入绿化带；2)人行道宽度大于5 m时设条状树池，条状树池宽度为1.5 m，采用高站石分隔非机动车道和人行道，并间隔15 m设置断口排导人行道路面汇水进入非机动车道，再分散排入绿化带；3)人行道宽度小于5 m时不设条状树池，与非机动车道雨水一起排入绿化带；4)待绿地吸水饱和后，绿化带开始蓄水；5)当蓄水深度达到设计深度后，超量雨水经雨水溢流口溢流排入地面层机动车道下设置的雨水检查井，经转输最终排入附近河道水系；6)在绿化带内路面结构层侧面及底面铺设复合防渗土工布，以防水流渗透到路基内部和损害路基结构；7)为保证下沉式绿化带内排水顺畅，避免雨水漫流进入路面，每隔30 m左右，在道路纵坡低点设置雨水溢流口及横向排水管，将绿化带里的超量雨水和渗水排入道路下的雨水管网系统；8)边绿化带内靠近道路边线侧设置植草沟，并在植草沟内设置溢流口，对绿化带内雨水起滞留作用。

3.3 设计方案及达标性评估

3.3.1 径流总量控制

降雨过程中，下沉式绿地系统中同时发生降雨、汇流、蓄集、渗透、蒸发和溢流排放。假设下沉式绿地蒸发量、前期蓄水量及渗透量为零。

1)高架桥面径流控制系统中，桥面汇水面积5.078 hm2，设计调蓄容量1 334.5 m3，下沉式绿化带面积8 058.37 m2，经计算，绿化带蓄水深度需0.17 m。本工程中分带下沉深度取0.25 m，雨水溢流口高出绿化带地面0.17 m，即蓄水深度为0.17 m。

2)地面层径流控制系统中，汇水面积为2.455 hm2，设计调蓄容量为501.8 m3，下沉式绿化带面积为3 405.2 m2，经计算，绿化带蓄水深度需0.15 m。本工程中分带下沉深度取0.35 m，雨水溢流口高出绿化带地面0.15 m，即蓄水深度为0.15 m。

因此，桥面下中分带蓄水深度0.17 m，侧分带蓄水深度0.15 m，可满足年径流总量控制目标。

3.3.2 面源污染物控制

本工程通过设置初期雨水沉泥池，可净化道路雨水，有效消减径流污染物排放量，同时道路沿线绿化设施的设置均有利于改善城市水环境。中分带内下沉式绿化带及沉泥池污染物去除率取70%、侧分带及人行道条状树池污染物去除率取50%，对道路范围内的TSS综合削减量为55%，可满足面源污染物控制目标。

4 系统应用优势

本次优化设计综合考虑高架层排水系统及地面层排水系统，结合高架桥面排水特点和地面层道路断面布置形式进行海绵城市建设，建设主要特点有：

1)环保、无能耗：将地面层中央分隔带设置为下沉式绿化带，用于消纳、净化桥面径流雨水；地面层下沉式侧分带用于消纳、净化地面车行道、人行道汇流雨水，两个系统均采用自然、无动力方式建设，实现了环保、无能耗的设计目标。

2)有重点、有目标：针对高架桥面雨水流量集中、流速较大的特点，在地面层桥墩雨水降落管处设置消能池及初期雨水沉泥池，可避免桥面雨水对中分带内种植土冲刷现象的发生，并对高污染初期雨水实现截留净化。

3)强适应性、低维护率：在车行道路缘石开孔处设置立箅式雨水箅子，避免地面杂物随水流进入绿化带，为海绵设施功能的发挥提供充足空间，降低日常维护检修率。

5 结语

通过将“海绵城市”理念应用于典型“高架层+地面层”高架道路建设中，遵循生态优先的原则，对传统高架道路排水设计进行了优化，分别建立高架层和地面层生态排水系统，将径流雨水在城市区域积存、渗透和净化，达到雨水径流总量控制目标和面源污染物控制目标的同时，促进了雨水资源的利用和生态环境保护。