基于海绵城市理论的水闸排涝泵站工程设计分析

刘承珑

（广州市宏涛水务勘测设计有限公司，广州 510091）

海绵城市建设理念在建筑设计领域的应用逐渐成熟，其能够充分发挥道路、建筑等对雨水的存储、稀释作用，从而控制雨水径流及自然渗透的功能。基于海绵城市理论文章对水闸排涝泵站工程设计展开分析，其中能够有效提升泵站对生态雨水以及自然灾害的“弹性”管理，满足防洪排涝标准的同时恢复岸线生态环境[1]。

1 工程案例

白云区沙贝水闸排涝泵站工程现状河涌约2.93km，宽度为10～28m，涉及的海绵城市控制指标岸线共18 427m，生态岸线长度17 507m，其中生态框复式断面15 356m，U 型槽草皮护坡复式1 222m，波浪桩草皮护坡斜坡式947m，在进行海绵城市建设过程中需要符合规划中生态岸线恢复率80%的要求。目前该泵站存在的问题为排涝情况与当地城市化发展需求不符，上下游翼墙浆砌石老化开裂，生态系统亟需进行修复，并优化城市雨水管渠系统控制城市不透水面积比例。

2 基本概况

本区域沿线主要为珠江三角洲平原区和珠江西航道，为第四纪海陆冲淤积第一阶地，周围水系环境复杂充裕，地势相对平缓。该区域内存在暴雨以台风雨、强降雨和锋面雨为主天气，加之地势平缓往往会造成面流、片流情况，尤其在低洼处会出现动态水流对水闸排洪泵站堤岸具有冲刷腐蚀性。地基处以淤泥质土层为主，于是会造成失稳、滑坡等情况发生，所以需要进一步加强地基稳定性降低沉降风险。该泵站的早期建设主要解决城镇内涝问题，但随着河流涌宽度逐渐大于规划数值，泵站难以满足排涝需求，所以需要重新建设提升排涝效益，既要满足周围灌溉需求，又要具备可持续发展性。

3 基于海绵城市理论的工程设计

3.1 地基处理

目前地基处理比较常见且使用的形式包括水泥土搅拌桩复合地基、钻孔桩、预应力管桩等，本次工程场地存在淤泥层厚、地下水位浅的特点，因此不宜应用人工挖孔桩。针对泵站工程区域地下水腐蚀性指标的分析如表1 所示，参照《岩土工程勘察规范》判断该区域地下水对混凝土结构具有微腐蚀性。为满足海绵城市理论需求，在进行水闸排涝泵站工程设计时可以采用旋挖灌注的方式降低地基沉降风险，再根据工程环境特点选择水泥搅拌桩和木桩复合地基形式。本工程沿线较长，而且整体环境地质变化大，所以需要综合考虑地貌特征，针对普通悬臂式挡墙采用混凝土预制梅花形布置，80cm厚压石挤淤，对淤泥层较厚的部分用PST 薄壁管桩；对于挡土高度较高的涌段设计密排φ500 水泥搅拌桩，提升地基的整体承载力，同时改善透水性提升对雨水的缓释效果。施工阶段需要注意以下几点：

表1 地下水腐蚀性指标

1）在钻孔与旋挖灌注桩时需要做好桩孔护壁，成孔后及时灌注混凝土降低塌孔风险，并清除孔底沉渣。

2）在施工时采用专用设备避免出现掉钻、泥浆流失、孔壁扰动等问题。

3）针对岩面起伏问题需要考虑岩性、岩石风化程度、是否存在破碎带、是否存在孤石等问题，做好地质条件检测。

4）在施工过程中需践行海绵城市理论，及时运走冲桩后产生的淤泥，架设简易维护，降低扬尘污染。

5）及时清理建筑垃圾，专人负责搅料场地与材料堆放场地的卫生，避免在大风天作业。

3.2 植被选择

海绵城市建设中植物的选择需要满足水土适应性、地质环境、土壤类型、日照条件、雨量、耐污染性、抗逆性以及景观价值等多样化条件，其中影响植被大部分因素为降雨。广州市降雨特点主要表现为：①年降雨量较大，约1800mm；②雨季较长，集中在4～9 月；③7～9 月受东南沿海台风影响，降雨量较大，洪涝灾害多发月份；④7～8 月降雨以暴雨为主，而且分布不均。加之该市午后夏季午后气温升高以及水汽较高，经常出现地形雨。在这样的环境下，海绵城市理论设计下对水闸排涝泵站工程设计中植被缓冲带建设需要选择耐高温、耐雨水的植物，如银叶树、水黄皮、泰来藻、海菖蒲、银叶藻等。同时实施LID 设施布置应用透水铺装、雨水罐、雨水湿地、渗透塘、下沉式绿地以及调蓄池等科学控制雨水渗透量[1]。

种植缓冲带建设需要注意以下4 点：

1）及时做到杂草清理、修剪以及植物补种。

2）根据水闸排涝泵站种植缓冲带设计需要根据水量控制进水口规模，确保有效收集径流雨水，重点为暴雨季节需要进行局部下凹或扩大进水口。

3）为避免污泥沉降影响过水通畅性，需要定期进行垃圾与沉淀物清理。

4）检验边坡塌陷问题，做好加固工作。

3.3 雨水管渠系统设计

为进一步落实海绵城市理念，在进行水闸排涝泵站工程设计时可以思考绿化带建设的可持续性，在不占用建设面积的前提下设置蓄水模块。根据项目建设情况在绿化带下设计容量300m3的雨水收集系统，并利用地埋式一体机完成对雨水的消毒过滤，将建筑雨水排水管通过分流、过滤、弃流以及截污后汇入雨水收集池内。本项目中处理后的雨水需要满足《城市污水再生利用——城市杂用水水质》的需求，主要用于车辆清洗、景观补水、道路冲洗等，采用消毒处理和定期监测的方式确保水质安全。具体步骤为：确定雨水管道位置→基坑开挖→浇筑垫层与底板→摊铺防渗膜→蓄水模块安装→封土工布防渗膜→隐蔽工程及一体机安装→通电调试与运行→竣工验收[2]。此外还需注意以下事项：

1）生活饮用水管道不可与雨水管道相接。

2）雨水蓄水池务必设置安全分流井用于分配超出容积的雨水。

3）雨水管道上需做好标识，避免误接、误用。

4）防渗膜的摊铺需要在浇筑混凝土达到一定强度后进行，并对表面杂物和积水进行清理，做好破损检验。

雨水回收装置弃流装置设置十分关键，工程可应用YL-3052 弃流截污装置和YL-DN800 安全分流井共同进行雨水弃流，由格栅和电动执行器进行控制，附带控制箱进行地埋式安装，控制箱位于弃流装置的垂直地面位置。弃流控制器前端用于拦截大颗粒悬浮物，设置间距3mm 的格栅，采用直接提篮的方式取出并清理垃圾。全程由PLC 系统进行控制，同时可利用传感器连接计算机完成雨量、雨频等参数的记录，实现串联监测收集优质雨水[3]。

3.4 屋顶及不透水地面的设计

以往环境下城市建筑较少，雨水排放能够直接渗入地下并汇聚到江流，但随着城市化进程的发展，建筑和人工铺装地面面积增大，导致不透水地面增多。基于海绵城市理论重点分析了对屋顶绿化和部分城市地面不透水性的处理，控制其开放强度来降低对生态系统的破坏。建筑屋顶占据城市50%的不透水表面，加之泵站建造过程中为稳定地基和周围环境而建造的路基路面，使得雨水长期滞留加剧路面和屋顶老化，所以需要进行针对性处理。本次工程针对屋顶和部分路面采用模块化组合的方式，自带储排水功能实现共享水源，对于屋顶的设计如图1 所示。对于坡度较缓的路面则设置植被缓冲带减缓径流流速，用于拦截部分污染物，可作为生物滞留设施降低开发成本[4]。

图1 建筑屋顶设计

对于水闸排涝泵站周围不透水地面的设计可以实施全透水路面和半透水路面改造。其中全透水路面主要用于人行道、非机动车道以及景观硬质铺装等。此类路面基层结构由下至上为路基→150 厚多孔隙水泥稳定碎石层→30 厚中粗砂→60-100 厚预制透水混凝土；或路基→180 厚多孔隙水泥稳定碎石层→80 厚现浇透水混凝土；路基→120 厚级配碎石层→150 厚多孔隙水泥稳定碎石层→30 厚中粗砂→80 厚透水混凝土。半透水路面结构为级配碎石底基层→150-180 厚无砂大孔水泥混凝土基层→180-220 厚透水混凝土；或底基层→150-180 厚级配碎石基层→180-220 厚透水水泥混凝土[5-6]。全透水结构中的面层设计需要保证混凝土面层强度在C20 以上，而且厚度在80mm 以上，半透水结构的面层混凝土强度需要在C30 以上，厚度180mm以上，孔隙在15%以上。纵向变形缝与横向变形缝间距分别为4.0～5.0m、3.5～4.5m，面层板长宽比例控制在1∶3。针对基层的设计，全透水结构压实度务必在92%以上，半透水结构压实度控制在94%以上，各结构层功能需要符合《城市道路路基设计规范》，结构层功能表，如表2 所示。

表2 结构层功能表

由于项目工程的水闸排涝泵站位置淤泥量较大，周围环境亟待改善，因此需要在修复生态的基础上降低施工改造对环境的影响。根据对现场环境的分析发现，施工容易造成水土流失现象，因此务必注意以下3 点：

1）分段式开挖，减少开挖面，缩短时间，对于裸露挖面需要临时覆盖塑料，并设置排水拦沟和积水沉砂井。

2）出入施工现场需做好车辆清理，避免带出污染物。

3）根据施工区域降雨情况制定计划，在暴雨前完成松土压实工作，对坡面进行紧急防护避免强烈冲刷。

4 结 语

海绵城市理论对工程设计的绿化性、可持续性等提出严格规范，这是维护生态稳定、提升经济效益、科学排涝抗洪的基本保障。针对白云区水闸排涝泵站工程的设计切实满足相关标准，维护当地社会发展，同时也实现良好的农业灌溉与景观用水等多样化需求，为现代化建设打下基础。