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白城市海绵型道路建设工程案例

发布日期:2019-09-19 来源:
  项目位置:吉林省白城市生态新区
  项目规模:126hm2
  竣工时间:2017年11月
  1 项目基本情况
  白城市海绵城市建设深入落实源头滞渗、竖向控制、系统治理思路和技术路径,创新形成高寒缺水地区一系列技术标准做法。生态新区按照海绵城市理念指导建设,对新区所有道路进行海绵化建设,探索形成了多种形式的“停车+雨水滞留净化”相结合的生态道路,创新道路抗冻融和融雪剂做法、道路生态沟渠行泄通道做法,形成有效保障后期维护的生态措施标准做法。
  1.1气象与降雨条件
  白城市地处中温带大陆性季风气候区,对白城站1983-2012年实测降雨量资料进行分析,白城市多年平均降雨量410mm,年均蒸发量1678mm,是年均降雨量的4倍。白城降雨量年际变化较大,最大年降雨量1998年为726.3mm,最小年降雨量2001年为123mm。对月均降雨进行分析,1月至5月累计降雨量占全年降雨量12%;10月至12月累计降雨量占全年降雨量5%;6月至9月累计降雨量占全年降雨量83%。

1  1983-2012年白城地区年降雨量情况图

2 白城市年均降雨量与蒸发量

  根据白城市降雨特征专题研究结果,白城市暴雨以短历时单峰雨型为主,30分钟、60分钟、90分钟、120分钟、150分钟和180分钟历时的芝加哥设计雨型综合雨峰位置系数为0.360,以5min为单位时段的1440min的设计暴雨雨型主峰时间为190min。白城市不同重现期不同历时对应的设计雨量如表1所示,20年一遇1440min雨型如图3所示。

1 白城市不同重现期不同历时设计雨量


3 白城市20年一遇1440min设计雨型

  对白城市近1983~2012年24小时降雨量数据进行统计,得到白城市年径流总量控制率与设计降雨量的关系如图4、表2所示。

4 白城市年径流总量控制率与设计降雨量关系曲线

2 白城市年径流总量控制率与设计降雨量关系


  1.2区域分析
  项目位于白城市海绵城市建设试点区——生态新区,属于规划一河流域、鹤鸣湖流域,如图5所示,海绵型道路总占地约126hm2,占生态新区试点区面积960hm2的13%。项目包含:1)多种形式的“停车+雨水滞留净化”相结合的生态道路;2)抗冻融透水铺装与融雪剂弃流生物滞留组合道路;3)横五路、纵十三路道路大排水通道。

5 项目分布及所属流域情况

  1.3现状条件分析
  区域整体西北高、东南低,95%以上区域的坡度小于5%。勘察表明,区域2m以内表层土壤以杂填土和粉质粘土为主,表层土壤渗透系数在400~600mm/d,2m以下为砂砾,渗透性好;地下水埋深为3~10m。
  生态新区路网已形成,管网为雨污分流制,设计标准为2年一遇。生态新区大部分地块未开发,现状基本建成占地约100hm2的新城家园棚改回迁居住区及新区中学等,其余地块已基本出让。
  2 问题需求分析
  2.1透水铺装冻融损害风险大,融雪剂使用损害雨水生态设施植物
  北方城市冬季降雪量大,冬季多使用融雪剂进行除雪,近些年,多采用机械除雪,但极端天气情况下,依然会使用融雪剂。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内,更容易对植物产生影响。除了融雪剂,北方城市采用透水铺装还会遇到另一问题,就是冬季融雪水进入透水铺装结构层,极易产生冻胀而破坏路面铺装。
  2.2道路径流污染问题突出,源头减排控制径流污染需求大
  区域内规划一河、鹤鸣湖主要水源为区域内的径流雨水,补水水源来自洮儿河灌渠,因此,径流污染是水体首要污染源。由于生态新区雨水管渠末端排放口均为淹没出流,无法实施末端截污净化,因此,源头减排成为控制径流污染、保障下游水环境的重要手段,道路的径流污染控制尤其重要。
  2.3区域地形平坦,排水防涝风险高,超标雨水蓄排系统构建需求大
  由于区域地形平坦,导致排水、排涝条件差,现状雨水管渠末端排放口均为淹没出流。且现状下穿式立交桥区排水标准较高,需控制暴雨时高水汇入桥区。
  结合片区整体竖向条件,选取适合的既有道路作为超标雨水行泄通道,合理衔接规划公园绿地、多功能调蓄水体,成为该片区超标雨水蓄排系统构建的关键。
  2.4项目借鉴意义
  白城市位于北纬45°高寒地带,特殊的气候条件使得雨水技术在白城的应用需解决以下难点:
  1)透水铺装冻融损害风险大;
  2)极端暴雪情况下,融雪剂的使用损害雨水生态设施植物;
  3)道路雨水生态设施如何强化预处理、后期低维护;
  4)如何在平原地形的不利情况下构建超标雨水蓄排系统,达到内涝防治标准。 
  以上问题的解决使得项目具有较好的示范性,可为北方及其他地区海绵城市建设提供借鉴。
  3 建设目标
  综上分析,结合规划一河流域、鹤鸣湖流域内涝防治和水质保障需求,根据《白城市海绵城市专项规划》,生态新区海绵型道路的建设目标如下:
  源头减排目标:年径流总量控制率80%,对应设计降雨量20.6mm;
  水质控制目标:年SS总量去除率50%;
  雨水管渠设计重现期:2年一遇;
  内涝防治设计重现期:20年一遇。
  4 设计方案及实施
  4.1 多种形式的“停车+雨水滞留净化”相结合的生态道路
  白城市海绵城市建设创新道路断面设计,新城区采用多种形式的“停车+雨水滞留净化”相结合的生态道路。



6 不同形式的停车+雨水滞留净化海绵型道路分布图

3 不同形式的停车+雨水滞留净化海绵型道路表

  1)斜向停车+雨水花园做法
  新区道路目前有纵十三路、横七路、横十一路创新采用“斜向停车+生物滞留带”组合形式,道路路面与停车位顺接,坡向生物滞留带,严格把控竖向,有效控制雨水径流的同时解决部分停车问题。

7 斜向停车+雨水花园典型做法

  进水口处设置前池,生物滞留带边坡设置碎石缓冲区、底部设置碎石铺底清淤区,强化预处理、清淤,有效缓解由于沉泥区清淤不及时造成土壤板结等现象,大大降低了堵塞风险和维护频率及难度。


8 生物滞留带进水口前池

  2)垂直停车+雨水花园做法
  生态新区西辅路采用垂直停车+雨水花园做法。雨水花园做法与侧向停车+绿带形式相同。

9垂直停车+雨水花园典型做法

  3)横向停车+雨水花园做法
  生态新区纵十二路、横六路、横九路、纵八路创新采用“平行停车+生物滞留带”组合形式,严格把控竖向,停车位采用嵌草砖形式,组合设施用于滞蓄减排机动车道和人行道雨水径流。生物滞留带前后各有碎石沉淀池,便于后期清淤维护,中间设置有矩形齿挡水堰,为更好的蓄渗雨水径流及污染控制。

10 横向停车+雨水花园典型做法



11 生物滞留带前池做法

  4.2抗冻融透水铺装与融雪剂自动渗滤弃流生物滞留组合系统
  为解决融雪剂和冻融技术难题,白城市联合科研单位,创新研发了道路雨水与含融雪剂融雪径流生态处理与抗冻融透水铺装组合系统集成技术,实现了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,解决了融雪剂侵害雨水生态设施植物的问题;采用“面层透水砖/缝隙透水+变形缝、基层导排水”做法,解决了高纬度、高寒地区透水铺装冻胀破损问题。目前生态新区横一路、横五路、横八路、横十路、纵十七路、家园路6条道路采用该技术做法,经两个冬季的运行结果表明,人行道透水铺装抗冻和生物滞留带融雪水弃流与渗滤效果良好,达到了预期设计目标。以横五路海绵型道路介绍该技术做法。
  横五路雨水设施主要有生物滞留带和人行道透水铺装,生物滞留带由道路绿化带改造而成,每个生物滞留带单元2m宽、8m长,生物滞留带之间设置2m宽的人行过道,人行道透水铺装宽5m。
  融雪剂自动弃流和抗冻融透水铺装的技术方案如图12所示。

12 融雪剂自弃流和抗冻融透水铺装典型做法

  (1)冬季运行工况
  在冬季,融雪剂自动弃流主要利用了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,使之优先经过渗排渠渗滤处理后排放。本案例中,含融雪剂的融雪径流经沉淀池预沉淀后,由沉淀池一侧矮墙溢流进入渗排渠,经碎石过滤、渗排管收集后排入市政污水管。冬季运行工况如图13所示。

13生物滞留带冬季运行工况

  对于透水铺装抗冻融设计,水平方向上,通过每隔6m设置的变形缝提高其抗冻性能;垂直方向上,设置砂垫层,并在砂垫层中每隔1m设置一条宽200mm的排水带,排水带与生物滞留带中的渗排管连接,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。
  (2)雨季运行工况
  以10m一段生物滞留带为例进行计算,半幅路宽为9m,渗排渠宽度0.4m,长度5.2m,渗透系数约为0.0005m/s,渗透量为1.05L/s,机动车道与透水人行道宽度皆为4.5m,面积皆为45m2,综合径流系数为0.625,渗排渠可控制强度q=1.05/0.625/0.009=186.5L/s/hm2,按汇水时间为1min计算,该降雨强度对应降雨重现期约为0.5年,即在雨季,对于<0.5年一遇的小雨,雨水径流同样经上述通道由渗排渠过滤后排放,对于≥0.5年一遇的降雨,雨水径流溢流进入蓄渗区入渗回补地下水。
  根据白城市暴雨强度公式计算,0.5年一遇2小时降雨量为20.4mm,由上分析可知,可全部经渗排渠过滤处理,因此生物滞留带的设计降雨量至少为20.4mm,对应的年径流总量控制率约为80%。
  生物滞留带在雨季不同降雨情景下的运行工况如图14所示.

a)雨季运行工况(<0.5年一遇)    b)雨季运行工况(≥0.5年一遇)

14生物滞留带雨季不同降雨情景下的运行工况

  4.3横五路、纵十三路道路行泄通道工程
  选择横五路与纵十三路道路大排水通道、纵八路道路大排水通道,分别利用道路路面及道路两侧带状绿带作为径流行泄通道,大排水通道不同降雨情境下的运行工况如图15、图16所示。
  
15 横五路道路大排水通道不同降雨情境下的运行工况

16 纵十三路大排水系统不同降雨情境下的运行工况

  (1)水文计算
  汇流时间为15min时,内涝防治系统、雨水管渠系统、大排水系统水文计算如表4所示,根据内涝防治系统总设计标准和管渠系统设计标准,计算得到地表大排水系统设计标准,如式(1)所示,

I道路=I-I=178L/s/ hm2  1

式中:I道路——道路大排水系统设计标准L/s/ hm2

I——内涝防治系统设计标准L/s/ hm2

I——雨水管渠系统设计标准L/s/ hm2

由表4可知,道路大排水系统设计标准约为2年一遇。

4 水文计算表

  (2)水力计算
  横五路和纵十三路管网、道路行泄通道及其汇水面积如图17所示,分别对A1、B1、C1过水断面进行水力计算,并得到最大可服务汇水面积,通过与实际汇水面积进行对比来判断是否满足设计标准,并据此进行相应的断面调整。

17 大排水通道水力计算示意

  A1断面:横五路以道路路面与路缘石构成的三角形边沟作为行泄通道,如图18所示,路面最大过水能力Q道路计算如式(2)所示:

Q道路=0.376SX1.67SL0.5T2.67/n =1.5m3/s   2

式中:Q道路——道路最大过流流量,m3/s

Sx——道路横向坡度;

SL——道路纵向坡度;

T——道路最大过水断面宽度,m

n——粗糙系数,取0.013

行泄通道可服务最大汇水面积A计算如式(3)所示:

A=Q道路/φ/ I道路=12.8 hm2  3

式中:A——行泄通道可服务最大汇水面积,hm2

φ——汇水面综合流量径流系数,取0.6

行泄通道可服务最大汇水面积大于实际汇水面积12.2hm2,满足设计要求。


18 横五路道路大排水断面

  B1、C1断面:纵十三路以路侧生态沟渠作为行泄通道,断面如图19所示,生态沟渠最大过水能力计算如式(4)所示:

Q沟渠=AgR0.667i0.5/ng=12.1m3/s  4

式中:式中:Q沟渠 ——生态沟渠最大过流流量,m3/s

Ag ——过流断面面积,m2

R ——水力半径,m

i ——生态沟渠纵向坡度,0.1%

ng ——粗糙系数,取0.011

可服务最大汇水面积计算如式(5)所示:

A=Q沟渠/φ/ I道路=113.0 hm2  5

大于实际汇水面积(11.7+12.2=23.9 hm28.4 hm2,满足设计要求。

19 纵十三路生态沟渠行泄通道断面

  5建设效果
  5.1 多种形式的“停车+生物滞留”建设效果
  生态新区海绵型道路于2017年11月已全部施工完成,并且经2018年一个雨季的检验,径流总量控制、污染控制效果显著。

20 斜向停车+雨水花园生态道路实景图



21 垂直停车+雨水花园生态道路实景图


22 横向停车+雨水花园生态道路实景图

  选取纵八路海绵设施进行监测效果评估,围绕纵八路低影响开发道路径流总量与SS等水质指标开展监测工作,在大(暴)、中、小三种强度实际降雨下,进行流量监测以及径流水质取样。进水流量采用堰箱流量计进行监测,出水流量采用雨水口流量计进行监测;水质监测采用人工取样。监测点位于道路西侧,由于道路中心线两侧道路的形式相同,因此,选取汇水面较为明显的一个生物滞留单元进行监测,监测流量、采集水样。监测道路长度50m,汇流面积0.055ha。监测点位具体位置及监测实景如下图所示。

23纵八路监测点位


24 道路采样点径流流量与ss浓度曲线


25 雨天监测实景

  根据实际监测纵八路降雨量、污染物浓度、及径流量之间关系,计算不同降雨区间内的径流量及污染物量,同时计算出小区与道路平均污染负荷,以此根据以下公式计算设计降雨量与污染物削减率关系。

     6

其中,——污染物削减率;
  ——某降雨时段内污染物平均浓度,mg/L;
  ——某降雨时段内降雨量为H时对应的年均降雨量、年均径流体积,m3;
  ——事件平均浓度,mg/L。
  由图25、26可知,白城市径流总量控制率与不同污染物削减率趋势基本相同,初雨径流污染控制效果较为显著。

26 道路径流污染物平均浓度与降雨量关系


27 道路径流污染削减率与年径流总量控制率关系

5.2 横五路抗冻融透水铺装与融雪剂弃流生物滞留带建设效果
  生物滞留带与透水铺装实景照片如图28所示。

28实景照片

对2016年8月31日实际降雨进行了监测取样,横五路生物滞留带进水和渗渠出水水质如图29所示,悬浮颗粒物SS随降雨历时变化过程如图30所示,经计算,SS总量削减率为78%。


a 生物滞留带进水             b 生物滞留带渗渠出水

29横五路海绵型道路水质净化效果对比 



30 横五路海绵型道路SS监测结果

5.3 道路径流行泄通道建设效果
  对海绵城市建设前后区域内涝风险进行模拟分析,如图31、32所示,通过多功能调蓄水体和横五路、纵十三路大排水通道对超标降雨的调蓄排放,有效降低了区域内涝风险。

31 改造前区域内涝风险图(20年一遇)


32 改造后区域内涝风险图(20年一遇)


33 纵十三路行泄通道实景图

34道路低点人行道设置径流通道与生态沟渠连接


35地块雨水排入口断接后接入生态沟渠

 

有关信息

设计单位:江苏山水环境建设集团股份有限公司

技术支撑单位:北京建筑大学