研究城市道路海绵设计常见问题

文／林鑫杰 中国联合工程有限公司 浙江杭州 310052

引言：

随着城市建设的快速发展，造成了路面硬化加快，路面透水性下降，部分路段洪水问题严重。另外，由于我国水资源有限，对水的需求不断增加，水资源不足问题日益突出。城市道路海绵化设计也逐渐从概念过渡到项目落地。城市道路海绵设计理念的提出，为推进生态文明建设、遵循生态优先原则，以及解决城市道路内涝、缺水等问题开辟了新的研究途径[1-2]。通过建造低影响开发措施和自然渗漏过滤相结合，达到雨水储存、渗漏和净化的目的。虽然近年来，在城市道路发展过程中，形成了城市内涝防治、雨水收集利用、黑臭水体治理等统一做法和经验，但在城市道路海绵设计方面仍存在一些问题[3]。因此，本文以海绵设计的理念与城市道路建设的实践过程相结合，对城市道路海绵设计中存在的问题进行了探讨，并对存在的问题进行了改进，可为今后的海城市道路海绵设计提供科学支撑，提高相关项目设计人员的决策能力和监督能力。

1、城市道路海绵设计的概念

“海绵设计”这一概念源于业界和学界对“海绵”物理性能的隐喻，表现相关物体对雨水等水资源的吸收能力。城市道路海绵设计的核心思想是低影响设计开发。具体来说，在城市规划道路的建设过程中，通过利用透水路面、路砖等保存设施，促使城市道路的透水性加强，建立合理、干净的雨水储存，以及解决城市的内涝问题,保障我国土地生态安全，建设良好的城市人居环境。而为了使城市道路具有一定的海绵特性，一是使城市道路具有海绵的水力特性:吸水、蓄水和供水；二是城市道路具有海绵材料的特性:海绵的压缩性和回收性。因此，在城市道路海绵设计中，应根据城市区域、道路雨流污染的特点进行海绵设计，避免海绵设计的良莠不齐，根据功能需求、建设条件和整体城市道路格局，在此基础上，利用和改善水文和土壤条件，满足城市道路海绵的设计要求。

2、城市道路海绵设计常见问题

2.1 海绵设施空间有限，实施困难

因用地不足，城市道路规划红线宽度较大，应当在红线范围内设置机动车道、非机动车道、人行道和基本配套设施带。因而除少数景观道路外，城市路内绿化带和路外市政绿化带相对较少。许多支路甚至采用一块板形式，只能满足交通功能，没有下凹式绿地、生态树池等海绵设施空间。另外，如果道路类海绵在条件允许的情况下，可以设置为下凹式绿地和一些透水铺装。但在道路绿化分区中，分隔宽度基本为1.5～2.5cm 之间，因而采用了传统的下凹式绿地。但施工期间，其凹陷弧度容易变缓，平均凹陷深度不满足1.5cm，下方的弧线很难构筑绿色的分割带[4]。

2.2 城市道路海绵设计目标不易实现

城市道路海绵设计的控制目标和定量分析指标，应根据城市排水的要求确定具体的控制目标。如试点初期，城市道路的径流总量控制率基本上是指区域的径流总量控制率，控制在70%到75%之间。但在实施过程中，一些次干道和支路绿化带由于宽度较小，难以满足完全径流总量控制要求[5]。或者一些设计单位在道路径流总量控制率不能满足要求的情况下，就取消城市道路海绵建设或采用多孔纤维棉等非绿色设施，严格满足径流总量控制要求，从而增加财政资金压力。

2.3 城市道路海绵设计意识不足

首先，在管道铺设计时不考虑冲突，按管道铺设要求在相应区域铺设管道，但是，在同一位置铺设两根以上的管道有可能造成管道冲突，因此纵断面的结构设计很重要，高度差是布置的重要要求。另外，由于海绵道路设计没有纳入道路铺设角度中，因此不能提高城市道路的排水性。同时，在城市道路海绵设计中，设计单位虽然认识到增强道路透水性的重要性，但却忽视了其透水性强度和密度的控制。不仅是车行道，对人行道和绿化带的透水性设计的认识也很薄弱[6]。此外，城市道路海绵的功能不够完善，比如在选择透水性高的铺装地砖时，可能会忽略行动不便的人，或是部分路段没有设置盲道，或是海绵设计不完善。

2.4 内涝防治的设计观念有待改进

目前，“海绵设计”道路工程的理论、方法和实践在我国已初步发展，主要以排水设计工作为主。虽然在一定程度上解决了内涝问题，但对城市道路中的雨水资源并没有得到充分利用。随着社会经济和生产的快速发展，我国南北区域人口基数大，水资源分布不均，水资源问题严重，在因此，城市道路海绵设计中建立水资源综合调节和利用体系变得重要起来。

2.5 海绵城市设计存在的问题

城市道路的海绵设计最终关系到海绵城市的良性循环。但是，但在实际海绵城市设计中主要存在以下问题，不利于海绵城市建设。具体来说:（1）在道路设计的前阶段，没有充分考虑到海绵的设计。在施工图设计阶段，横断面设计仅解决交通功能和管线布置功能，海绵设施铺设难度较大。（2）雨水设施单一，对城市道路发展影响较小，包括凹形绿地、草沟、透水步道等，这些设施的设计是为了将地面的雨水转移到路面下面，进行滞留蓄存。这违反了路基和路面设计的防水密封理念，路基的病害和变形大多与水的渗透和侵蚀有关。为保证路基的强度和稳定性，必须采取相应的排水或隔水措施，消除或减少水对路基的破坏。（3）路面病害多与水的侵袭有关，路面水渗入路面后，残留在骨料间隙无法排除，且在车轮高速作用下产生高压水动力，造成路面强度降低，造成危害。（4）虽然防水膜、防渗土工布等材料广泛用于蓄水设施与路基、路面的隔离，但其实际效果和使用寿命难以保证，这就要求道路设计者在铺设海绵设施时十分慎重[7-8]。

3、问题的解决方法分析

3.1 城市的道路空间问题应该在施工之前解决

规划部门要在满足功能布局的基础上，适当拓宽道路红线，特别是新规划的开发区和其他城区域，要预留足够的绿地。在保证城市道路通行能力和交通安全的前提下，协调红线内外土地空间垂直布局，为道路雨水排除创造条件。

3.2 城市道路海绵设计目标不易实现的问题

城市道路海绵设计是一项系统工程，是海绵管理分区的综合控制指标，在设计过程中，应充分考虑用地性质、现状条件，尽量合理协调。以沿海城市为例，鉴于沿海城市地下水位高、资源年平均降雨量大的特点，笔者建议，在沿海城市海绵道路建设过程中，设计目标主要从控制径流总量改为控制径流污染。采用最可行的原则控制10-12mm 的初期雨水，年总径流控制率不超过50%。同时，通过系统方案平衡区域总径流控制目标，在公园、绿地、居住区等绿化率较高的地区，宜优先配置海绵设施。同时，以相关城市旧城区现有道路工程为例，可适当降低要求，在红线外设置水域、公园、广场等项目，使加权的综合指标满足要求，不应当采用单一指标进行控制[9-10]。此外，未来还应充分利用物联网、大数据等信息系统技术，支持城市道路海绵的设计目标，发挥目标监测工作的最大效能。

3.3 充分考虑和反思城市道路海绵设计的合理性

3.3.1 设计人员需强化海绵设计理念

首先，设计人员应该强化海绵设计理念，允许部分雨水渗透，通过技术措施解决路基与路面之间的防水问题和凹形绿地、生态树池等设施。在保证路基强度和安全的前提下，保证雨水的渗、蓄、溢，保持道路适应性和自然弹性。

3.3.2 纵断面与横断面改造设计

管道结构纵断面改造应按照蓄水、排水、过滤等功能要求进行，在不同区域铺设不同区域的管道，综合考虑接口处的各种因素，设计管道连接方案。为了减少管道冲突问题，建议使用软件模拟管道纵断面的布置结构，并根据模拟结果进行构造。关于横断面的改造设计主要根据道路土层结构布置，通过土层结构的改造，达到提高路面渗透性的目的。但是，要注意不要轻易复制标准海绵的渗透性横断面。部分设计人员在规划时直接采用了标准海绵横断面，但容易与实际发生冲突，比如一些旧城改造与新建道路不同，沿街商铺多，地下管线复杂，老路经过改造，对周边地区影响很大。因此，其横断面设计应结合工程实际，多方案比较。重点对拆迁量、行道树保存量、工程费等进行了定量比较。

3.3.3 路面结构改造设计

在路面结构改造中，应选用透水性良好的混凝土作为铺装材料，并根据工程质量要求控制铺装厚度。除材料改造外，还将引入海绵城市建设理念，对道路结构进行改造，包括道路倾斜度和构筑物。其中，道路坡度改造主要是根据两侧排水口与车辆道路的连接位置，采取路面稍高、排水口稍低的方法调整车辆坡度。道路结构改造主要分布在道路中心及两侧，根据实际情况，尽量增加道路绿化带的宽度，利用绿化带促进雨水渗透，提高道路结构的稳定性[11-12]。

3.3.4 无障碍设施改造设计

在城市道路海绵的改造设计中，笔者建议要改善人行道的改造性，因此选择透水性好的道路砖快作为透水铺设材料。目前，许多透水砖是通过一般的道路砖快为主，为眼睛不方便的人所设置的路砖很少考虑到。并且为了提高整个人行道的路面渗透性能，改善盲道的砖渗透性能也很重要。既然道路结构发生了变化，盲道的设置也应该重新考虑。其中，障碍物的提示尤为重要。以及作为提示，在盲道上还需要调整盲道透水砖表面的凹凸情况，谋求与普通盲道的区别。

3.4 改造内涝防治设计

暴雨来袭时，我国部分城区降雨量会出现多个地区积水，出现内涝问题。而城市道路海绵设计中，可以充分考虑城市降水资源，通过充分利用降水，合理利用现有河流、湖泊、湿地、城市公园、池塘等水系内存，计划城市每年建设绿地和道路铺设透水砖等。尽量收集超过城市排水能力的雨水，并加以循环利用。还可在地下修建蓄水池，储存雨水资源。另外，由于落到地面的雨水容易受到自然环境的影响，混杂流入排水管。为了保持水库水资源的清洁，可在收集雨水的管道位置设置自然净化系统。例如利用硅砂形成六角形蜂窝结构，将水中杂质在雨水结构中过滤，部分雨水资源流入蓄水管，最终流入蓄水池，用于景观供水、绿地灌溉等[13]。在制作水资源的部分的改造设计中，水流的组织是设计的重要因素，采用物理过滤技术和生物净化技术，将下水道中存在的杂质进行处理，然后流入排水管。

3.5 做好海绵设施系统化设计

首先，海绵设计在设计初始阶段，设计单位在可行性研究阶段应该提出城市道路海绵设计目标和控制指标，并在设计方案中提出分析结果，计算并提出指标执行路径，为建设部门提供决策依据，确保后期海绵设施建设有充足的实施空间和资金。同时，加快研究制定海绵设计规范，制定海绵设计指南，但由于缺乏科研基础和实践经验，设计方法、设计标准和指南非常矛盾。近年来，我国在城市道路海绵设计方面取得了大量实践经验和研究成果，因此，应规范城市道路海绵设计，规范建设行为，推广先进经验。另外，设计工作应务实，城市道路海绵设计指标中，一些必要的指标，比如年径流总量控制率、面源污染率削减率等，应强制满足，但受实施条件限制，很难达成。部分设计者为了完成要求，有时会选择不合理的计算方法，得到不真实的计算结果以备审查。有些项目，虽然只设置了人行道半透水路面，但年径流总量控制率却达到了80%，这是不合理的计算结果。因此，设计人员只有坚持结果真实导向，拓宽思路，积极争取建设主管部门的支持，才能完成合理的设计方案。另外，海绵设计不仅需要具有消减雨水的功能，而且还需要具有净化初期雨水的作用，这部分容易遗漏设计，应在设计计算中体现。

3.6 做好海绵设施精细化设计

在道路宽度有限的情况下，横断面设计可以优先设置非隔离带。城市道路一般采用外坡排水，道路难以收集雨水，无法提高年径流量总控制率。从海绵设计的观点来看，非隔离带的设置应该多于中央隔离带，在没有绿化带道路的情况下，可将生态树池、耐水性植物等，选择 一些耐久性好的排水材料，防止雨水侵入道路主体。路面结构可采用透水沥青土、透水水泥土、透水砖等透水结构。为了降低成本，采用透水沥青土和透水水泥混合土组合有助于方便道路透水。透水混凝土具有材料使用方便、施工方便、平整等优点，同时结构强度低，适用于轻交通量的轻型机动车道和人行道。

3.7 根据区域的不同探索海绵设施新途径

首先，路面初期雨水污染严重时，在设置新的雨水口时，应将初期雨水分离后进入污水处理厂。利用完整的城市污水处理系统，提高城市道路雨水净化效率。同时，南方城市地下水位高，地面蓄水较强，因而可以建立地下排水管系统和地下蓄水池系统，等于降低地表径流峰值。其次，以老城区老路改造海绵设计为例，新建大型海绵设施时，如交叉口范围的径流组织，是海绵设计难点，因此，在交叉口竖向设计，需要参考海绵设施的布置，将进行交叉口竖向拉坡。另外，巨大的乔木树冠具有雨水留滞的功能，树根具有引导的功能，且该类植物具有蒸腾的功能，从而有助于有效调节地表径流量，持续降低大气污染。并且在狭窄的城市道路两旁空地上，密植行道树，让树冠与道路重叠，可形成一片阴凉。因而将乔木树木纳入海绵设计，有利于达到海绵控制指标，即随着树木的生长，有助于进一步控制道路的径流量和污染情况。通过打造巨大的乔木树冠、地面渗流滞流和地下管道的立体海绵系统，有助于打造有效的海绵城市道路。

结语：

城市道路中的海绵设计，将通过改善道路结构、促进道路雨水渗透、加强合理道路养护等方面，改善城市面貌。但是，根据城市道路的种类和地域的不同，创造性地进行海绵设计也存在一些问题。因此，笔者通过反思近几年城市道路海绵设计存在的问题，通过充分的考虑和思考城市道路海绵设计的合理性，正确的优化城市道路海绵的城市设计，以及根据区域的不同探索海绵设施新途径等方面提出解决方法，有助于解决海绵的城市设计的问题，从新路径将城市雨水控制从源头、中途、末端和过程入手，使城市道路易于应对极端气候，削减道路径流污染，以及解决我国缺水问题，保护人民的人身财产安全。