胡漢文，樊建軍，林 林，林偉雄

（1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東廣州 510006；2.廣東恩菲工程技術(shù)有限公司，廣東廣州 510640）

廣州市黃埔區(qū)某市政道路（A路）位于山體下，規(guī)劃中未設(shè)置雨水排放設(shè)施，根據(jù)地形圖繪出匯水面積，計(jì)算后得知雨期將產(chǎn)生較大徑流量。經(jīng)實(shí)地考察，發(fā)現(xiàn)道路將穿過一條現(xiàn)狀排洪溝（圖1）。在與業(yè)主協(xié)商后決定，該路采用雙側(cè)布設(shè)雨水管的方式，并利用道路雨水管連通現(xiàn)狀排洪溝。如何控制雨水徑流，提高道路的排洪防澇能力，降低暴雨洪峰的危害性［1］，成為本工程的設(shè)計(jì)難點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)。本市政道路紅線寬40 m，道路長(zhǎng)度約1.7 km。雨水的匯水面積及相應(yīng)雨水管道的布置如圖1所示，雨水工程規(guī)劃圖如圖2所示。

1 傳統(tǒng)排水方案

1.1 雨水流量的初步計(jì)算

雨水設(shè)計(jì)流量的計(jì)算公式如式（1）。

圖1 雨水匯水總平面圖Fig.1 General Layout of Rainwater Catchment

圖2 雨水工程規(guī)劃圖Fig.2 Planning Chart of Rainwater Engineering

其中：Ψ—綜合徑流系數(shù)，公共綠地、林地、園地等取0.20～0.30，混凝土及瀝青路面按0.86～0.95取值，非鋪砌路面取0.30，其余采用0.70，綜合徑流系數(shù)按地面種類加權(quán)平均計(jì)算。本工程范圍主要由自然山體、自然水體及自然綠地組成，其中有遠(yuǎn)期規(guī)劃二類居住用地等，加權(quán)平均計(jì)算取得本工程綜合徑流系數(shù)Ψ＝0.6；

q—暴雨強(qiáng)度，L ／（s·hm2）；

F—匯水面積，hm2，匯水面積如圖1所示。

依據(jù)《廣州市排水工程技術(shù)管理規(guī)定》，廣州市黃埔區(qū)宜采用本區(qū)公式或者參照選用中心城區(qū)暴雨強(qiáng)度公式。廣州市中心城區(qū)暴雨強(qiáng)度公式分為區(qū)間公式（表1）和總公式，推薦采用區(qū)間公式計(jì)算設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度。本工程采用廣州市中心城區(qū)暴雨強(qiáng)度區(qū)間公式，如式（2）。

其中：q—設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L ／（s·hm2）；

A、b、n—地方參數(shù)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算確定；

t—降雨歷時(shí)，min。按照《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50014—2006）（2016年版），設(shè)計(jì)雨水重現(xiàn)期取P＝5年，得到A＝32.41，b＝12.874，n＝0.758，得出暴雨強(qiáng)度公式如式（3）。

其中：q—設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L ／（s·hm2）；

t＝ t1＋t2—降雨歷時(shí)，min。其中t1為地面

集水時(shí)間，取10 min；t2為管內(nèi)流行時(shí)間。

表1 區(qū)間公式表［3］Tab.1 Formula Table of Intensity Interval of Stormwater［3］

1.2 計(jì)算結(jié)果

雨水管道的水力計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 雨水管道水力計(jì)算表Tab.2 Hydraulic Calculation Table of Rainwater Drainage Pipelines

由計(jì)算結(jié)果可知，本道路北側(cè)雨水管管徑敷設(shè)至DN2 000，南側(cè)敷設(shè)至DN2 200；道路穿過一現(xiàn)狀排水渠，填埋道路紅線范圍內(nèi)的排水渠，由道路雨水管進(jìn)行連通；片區(qū)雨水由道路雨水管收集后由東向西排入B路雨水管，最終排向北部的水系。

在當(dāng)前的排水設(shè)計(jì)方案下，片區(qū)雨水全部收入道路雨水管，使雨水由自然的地表漫流盡快轉(zhuǎn)化至地下管網(wǎng)徑流，以降低地表雨水對(duì)城市的影響。但隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)，道路及地面的硬化導(dǎo)致地表徑流系數(shù)增大，徑流流速增大，因而導(dǎo)致暴雨洪峰的峰值增大［4］；而雨水下落到地表后隨即進(jìn)入地下管網(wǎng)，失去了蒸發(fā)、下滲等雨水的自然耗損過程，徑流總量增大。當(dāng)前城市的排水設(shè)施并沒有顯著提高城市的抗洪能力，城市遇雨內(nèi)澇現(xiàn)象反而愈發(fā)嚴(yán)重［5］，雨水成為了城市的負(fù)擔(dān)。

在此背景下，“海綿城市”應(yīng)運(yùn)而生，改變傳統(tǒng)的“直排快排”城市防洪排澇思維，將雨洪資源作為重要的水資源進(jìn)行管理［6］，打造人與自然和諧共處的低影響發(fā)展模式，是城市防洪排澇的全新發(fā)展方向。

2 新型排水方案探究

根據(jù)“海綿城市”的指導(dǎo)思想，同時(shí)考慮到本工程的實(shí)際地形情況，在原設(shè)計(jì)中增設(shè)多級(jí)排水系統(tǒng)，以增加對(duì)雨水的吸附、蓄滲、凈化和緩釋作用，控制雨水徑流，使區(qū)域在不同強(qiáng)度的暴雨下均具有良好的彈性，旨在減小當(dāng)暴雨強(qiáng)度超出設(shè)計(jì)重現(xiàn)期強(qiáng)度時(shí)的洪澇災(zāi)害影響。

2.1 排水方案

在本路南側(cè)山體護(hù)坡上建一條山洪截洪溝，如圖 3所示，自節(jié)點(diǎn)④ ～①（圖 1），長(zhǎng)度約1 380 m，截洪溝下道路護(hù)坡，護(hù)坡植草；截洪溝靠道路側(cè)每隔2 m設(shè)置溢流口；在坡腳建一條景觀植草溝，如圖4所示，長(zhǎng)度約1 380 m，內(nèi)植耐水性植物，此溝將截流由坡頂截洪溝溢流下的雨水，植草溝中間內(nèi)凹處每隔30 m設(shè)溢流雨水口，接DN300雨水管至道路雨水井，收入市政雨水管網(wǎng)；北側(cè)為丘陵?duì)罹G地，僅新建一條植草溝。坡頂截洪溝、坡底植草溝與市政雨水管在B路起點(diǎn)處合流，排向B路雨水渠箱，最終排向北邊規(guī)劃水系。平面布置簡(jiǎn)圖如圖5所示，橫斷面布置如圖6所示。

圖3 截洪溝大樣Fig.3 Detail Drawing of Drainage Channel

圖4 植草溝大樣Fig.4 Detail Drawing of Landscape Ditch

圖5 排水平面布置簡(jiǎn)圖Fig.5 Layout of Drainage Plan

圖6 橫斷面布置簡(jiǎn)圖Fig.6 Layout of Cross Section

2.2 流量削減計(jì)算

2.2.1 截洪溝設(shè)計(jì)流量計(jì)算

采用公路科學(xué)研究所的經(jīng)驗(yàn)公式：當(dāng)暴雨資料缺乏，匯水面積F＜10 km2時(shí)，可按式（4）計(jì)算。

其中：Q—設(shè)計(jì)洪峰流量，m3／s；m—面積指數(shù)；當(dāng)F≤1 km2時(shí)，m＝1；當(dāng)1＜F＜10 km2時(shí)，按相關(guān)資料查?。槐臼饺?m＝1。

Kp—流量模數(shù)；根據(jù)地區(qū)劃分及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)查取。本式按照頻率P＝20%，東南沿海地區(qū)，取Kp＝15。

對(duì)道路北側(cè)進(jìn)行雨水設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

表3 雨水設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算表Tab.3 Calculation Table of Rainwater Design for Peak Flow

由計(jì)算結(jié)果可知，經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)流量小于區(qū)間公式設(shè)計(jì)流量。本設(shè)計(jì)按照經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)流量確定截洪溝尺寸，以得出截洪溝截留流量。

2.2.2 植草溝削減流量計(jì)算

植草溝削減流量計(jì)算如式（5）。

其中：Qz—植草溝雨水徑流削減量，L／s；

Uz—植草溝蓄水量，L；

t—降雨歷時(shí)，s；

Tz—植草溝蓄水量排空時(shí)間，s；

Sz—植草溝下滲量，L ／S。

植草溝斷面為梯形（圖4），本工程段植草溝尺寸為固定尺寸，設(shè)計(jì)流速為 0.8 m／s，總長(zhǎng)度為1 380 m。

其中，下滲量Sz根據(jù)式（6）計(jì)算得到。

其中：α—綜合安全系數(shù)，一般可取0.5～0.6；

K—土壤滲透速率，m／s；

J—水力坡度，垂直下滲時(shí)，J＝1；

Fa—下凹式綠地面積，m2。

本工程中，α 取 0.6，K 取 5.79×10－5，J取 1，垂直下滲。植草溝削減流量的計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 植草溝削減流量計(jì)算表Tab.4 Calculation Table of Flow Reduction by Landscape Ditch

植草溝設(shè)定為景觀濕性植草溝，降雨的初期雨水大部分被截洪溝截留，當(dāng)植草溝內(nèi)水量不足以維持常水位時(shí)，可適時(shí)抽調(diào)排洪溝或附近水體水源補(bǔ)充；考慮到旱季或無水源補(bǔ)充時(shí)，為維持必要的景觀效果，須對(duì)植草溝內(nèi)栽種植物進(jìn)行合理配置，滿足植物的干濕習(xí)性。道路南北兩側(cè)皆有自然水體，可對(duì)其進(jìn)行人工改造，營造景觀湖或生態(tài)公園，與現(xiàn)狀排洪渠、截洪溝、植草溝和道路雨水管形成完整的區(qū)域水循環(huán)系統(tǒng)。

總之，區(qū)域內(nèi)的自然水體不僅是雨水的受納體，還是景觀水甚至飲用水的供體，雨水在區(qū)域范圍內(nèi)循環(huán)，形成了良好的水循環(huán)生態(tài)圈［8］。

2.2.3 總削減流量計(jì)算

雨水經(jīng)過截洪溝與植草溝的流量削減后，由道路雨水管承擔(dān)最后的流量排放，計(jì)算得到雨水管的管徑如表5所示。

表5 總削減流量及雨水管管徑計(jì)算表Tab.5 Calculation Table of Total Flow Reduction and Rainwater Drainage Pipe Diameter

由表5可知，經(jīng)過截留后，北側(cè)雨水管敷設(shè)至DN1 800，南側(cè)敷設(shè)至DN1 500，說明植草溝對(duì)雨水徑流有一定的削減能力，主要在于對(duì)雨水的存蓄和下滲；截洪溝具備較大的排洪能力，增強(qiáng)了道路在遭受暴雨洪峰時(shí)的抗洪能力，減輕了道路雨水管的負(fù)擔(dān)。在截洪溝、植草溝和道路雨水管形成的三級(jí)排水系統(tǒng)下，每年排入雨水管網(wǎng)的雨水量較傳統(tǒng)方案減少約40%［9］，較大提升了道路的抗洪能力，減小了道路雨水管管徑，降低了道路施工難度，形成了以“海綿城市”為指導(dǎo)思想的排水系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)［10］（圖7），有利于城市的可持續(xù)發(fā)展。

圖7 傳統(tǒng)快排模式與“海綿”排放模式Fig.7 Drainage System of Conventional Mode and Sponge City Mode

3 投資估算與經(jīng)濟(jì)分析

傳統(tǒng)方案雨水工程造價(jià)約為801.8萬元；新型方案雨水工程造價(jià)約為936萬元，其中雨水管道工程造價(jià)為695.2萬元，截洪溝工程造價(jià)為85.3萬元，植草溝工程造價(jià)為155.5萬元。

截洪溝和植草溝的設(shè)置減小了雨水管道的管徑和施工難度，繼而降低了管道工程的造價(jià)，但增加了工程的總造價(jià)和綜合技術(shù)難度。在本工程的初步設(shè)計(jì)中，考慮到經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的困難，以傳統(tǒng)的快排方案為主，利用道路雨水管聯(lián)通道路南北兩側(cè)的現(xiàn)狀排洪渠，并對(duì)現(xiàn)狀排洪渠進(jìn)行修繕；對(duì)人行道采用透水性鋪裝，預(yù)留植草溝用地；將道路附近水體納入到道路的雨水管理體系中，保護(hù)現(xiàn)狀“海綿體［11］”，為后續(xù)的海綿體系建設(shè)構(gòu)建物質(zhì)基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

（1）截洪溝和植草溝在降雨初期的蓄水量共約5 100 m3，在突發(fā)暴雨時(shí)具有削減洪峰量的作用；植草溝具備穩(wěn)定的下滲能力，在一定程度上補(bǔ)充了地下水，植草溝同時(shí)是配套景觀工程的核心設(shè)施。

（2）截洪溝和植草溝的設(shè)計(jì)是本方案的難點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)，需根據(jù)工程地質(zhì)資料，對(duì)截洪溝和植草溝的結(jié)構(gòu)、尺寸作進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足其功能性和安全性要求。

（3）截洪溝和植草溝的設(shè)置降低了管道工程的造價(jià)，但增加了工程的總造價(jià)，提高了工程的綜合技術(shù)難度。說明海綿城市的建設(shè)需要更多的資金和技術(shù)支持，只有在政府的引領(lǐng)下，發(fā)動(dòng)民間各界的力量，讓海綿城市現(xiàn)代雨洪管理的理念［1，12-13］普及群眾，海綿城市的建設(shè)進(jìn)程才能穩(wěn)步向前。

［1］住房城鄉(xiāng)建設(shè)部.海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建 （試行）［EB／OL］.（2014-10-22）http：／／www.mohurd.gov.cn／wjfb／201411／t20141102＿219465.html.

［2］室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50014—2006［S］.

［3］廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究院.廣州市建設(shè)項(xiàng)目雨水徑流控制指引 ［EB／OL ］.2014. https：／／max.book118.com／html／2016／0511／42705240.shtm.

［4］吳丹潔，詹圣澤，李友華，等.中國特色海綿城市的新興趨勢(shì)與實(shí)踐研究［J］.中國軟科學(xué)，2016（1）：79-97.

［5］章林偉.海綿城市建設(shè)概論［J］.給水排水，2015，41（6）：1-7.

［6］費(fèi)振宇，吳成國，金菊良，等.海綿城市群建設(shè)理念與思路［J］.人民珠江，2016，37（5）：1-4.

［7］北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院.給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)城鎮(zhèn)排水［M］.2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［8］李運(yùn)杰，張弛，冷祥陽，等.智慧化海綿城市的探討與展望［J］.南水北調(diào)與水利科技，2016，14（1）：161-164，171.

［9］彭樂樂.海綿城市目標(biāo)下的公園綠地規(guī)劃設(shè)計(jì)研究［D］.福州：福建農(nóng)林大學(xué)，2016.

［10］來鳳濤.“海綿城市”理念在城市公園綠地規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.中國市政工程，2016（5）：25-27.

［11］孫芳.基于海綿城市的城市道路系統(tǒng)化設(shè)計(jì)研究［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2015.

［12］王寧，吳連豐.廈門海綿城市建設(shè)方案編制實(shí)踐與思考［J］.給水排水，2015，41（6）：28-32.

［13］白志遠(yuǎn).以建設(shè)“海綿型城市”改善城市排水及生態(tài)環(huán)境的探索［J］.中國建設(shè)信息，2014（13）：76-77.