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【给排水精品案例】第二十五期:海绵城市经典案例之西咸新区沣西新城秦皇大道

流年i楼主
1楼2017-03-2017:14

本期导读

通过分析秦皇大道现状雨水排放系统存在问题及其环境本底特征,在确保交通安全的前提下,依据低影响开发设计原则及规划指标要求,结合红线内外绿地空间与竖向条件,系统开展低影响改造及设施布局。

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改造前基础条件及问题分析

项目概况:

秦皇大道位于陕西西咸新区沣西新城核心区,是一条南北向城市主干道。道路北起统一路,南至横八路,全长2.43 km,红线宽度80 m,红线外两侧各有35 m绿化退让。2015年下半年,按照海绵城市建设要求启动了改造工作。


基本条件分析:

气象及降雨条件:在大气环流和地形综合作用下,夏季炎热多雨,冬季寒冷干燥。多年平均降水量520 mm,其中7~9月降雨占全年降雨量50%以上(见图1),且多以暴雨形式出现(见图2),极易造成洪、涝和水土流失等自然灾害。


水文地质条件:

 (1)地下水:区域地下水以大气降水及地下径流补给为主,直接补给来源为两侧渭河及沣河。地下水自南向北径流,潜水位埋深7.9~16.1 m,目前处于缓慢下降趋势,水位年变幅0.5~1.0 m。水质类型为碳酸、硫酸、钙、钾、钠型水。


(2)工程地质:根据岩土工程勘察报告,拟建场地为非自重湿陷黄土场地,湿陷性等级为1级。区域上层原状土中黄土状土与粉质黏土含量较高,下渗性能较差,难以满足生物滞留设施雨水直接下渗要求。


下垫面条件:

 秦皇大道改造前,道路横断面设计如图3所示。下垫面类型、面积及径流系数取值参见表1。


竖向条件:

秦皇大道整体地势平坦,场地标高最低点387.43 m,最高点388.96 m,最大纵坡0.75%,最小纵坡0.35%,最小坡长190 m。道路纵坡一方面会引导雨水向低点汇聚,在管网传输能力不足时,容易造成积涝。


管网条件:

秦皇大道采用分流制排水系统,雨水管网已经建成,主要收集路面及两侧地块径流。设计标准2年一遇,管道埋深2~4 m,管径DN500~1 000,服务面积63 hm2。


区域雨水组织排放及受纳水体条件:

秦皇大道雨水管网分属2大排水分区(见图4)。其中北段(统一路-横四路)位于渭河2#排水系统,雨水经管网收集后由沣景路雨水泵站提升排入渭河,渭河(沣西段)现状水质呈地表水V类水平;南段(横四路-横八路)位于绿廊排水系统,雨水经开元路向西排入新城雨洪调蓄枢纽单元——中心绿廊,其现状水质不低于地表水Ⅳ类。


改造面临的突出问题及需求:

区域排水过度依赖末端提升,能耗高;雨水受纳体水环境保护要求高,季节性面源污染风险大;

传统排水存在局限,控制能力不足,积水频发,威胁区域交通安全。


土壤地质环境特殊性为LID设计带来挑战:

 秦皇大道所在区域原状土壤渗透性能较差,影响LID设施渗蓄功能发挥,如何改良原状土,系统提升其透水、保水及截污净化等性能成为首要解决的问题;区域地质属非自重湿陷性黄土,虽等级不高,但浸水发生结构破坏、承载能力骤降、崩解沉降变形的风险依旧很大,这就为开展LID设计时如何处理好雨水下渗和道路基础结构安全的关系带来挑战。


2

改造目标确定

核心指标——年径流总量控制率确定

径流体积控制:

依据住建部发布的《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》,沣西新城位于我国大陆年径流总量控制率第Ⅱ分区,雨水径流总量宜控制在80%~85%(见图5);结合新城开发建设前本地水文及地质特征,以开发后径流总量不大于开发前为目标,编制《沣西新城核心区低影响开发专项规划》。

根据低影响开发总体力度控制及LID设施区域配置要求,确定不同地块年径流总量控制分解指标。其中秦皇大道年径流总量控制率85%,对应设计降雨量19.2 mm。


系统建设目标:

改造目标如下:

(1)年径流总量控制率达到85%,对应设计降雨量19.2 mm。


(2)通过源头LID建设,耦合管网及超标雨水径流排放系统,可有效应对汇水区50年一遇暴雨。


(3)年径流污染总量削减率(以TSS计)达到60%以上。


3

改造方案设计与实施

设计调蓄容积计算:

子汇水分区划分:

通过竖向分析,秦皇大道现状红线范围内共有6个相对高点、5个相对低点,按照“高—低—高”方式将秦皇大道划分为5个子汇水分区,分区域进行控制(见图6)。各子汇水分区道路横断面、下垫面情况基本一致。


绿地本身接近自然下垫面产汇流状态,因而地块内绿地径流可不考虑在所需控制容积内,然而实践中,绿地产流势必汇入工程LID设施内并占据一定蓄水空间,若仅考虑硬化区域径流,则实际年径流总量控制率可能低于设计值。

考虑上述因素,采用2种算法计算子汇水分区所需控制容积,对比分析后确定。


调蓄容积计算:

 以1号子汇水分区为例,计算所需控制容积如表2所示。项目设计考虑到实际建设时绿地产流汇入及既有乔木、管线和附属构筑物避让等因素会导致LID设施有效容积衰减,故在算法Ⅱ确定的调蓄容积基础上额外增加5%安全余量,得出1号子汇水分区总需控制容积为571.8 m3 。依此类推,详细计算其他分区调蓄容积如表3所示。


工艺流程及设施选择 :

秦皇大道改造的核心思想为构建“源头减排、管网传输、排涝除险”相结合的综合雨水管理系统(见图7)。


设计中利用道路机非分隔带、绿篱带进行下凹处理;通过低点路缘石开口,将机动、非机动车道雨水引入侧分带,并在路缘石豁口后设置拦污槽进行截污、消能;机非分隔带内根据竖向变化,分段设置传输型草沟、生物滞留草沟和雨水花园,实现雨水分段传输、净化与下渗;人行步道有机更新,将不透水铺装改造为透水铺装;通过上述措施有效实现雨水径流及污染的源头减排。在侧分带内新增雨水溢流口,与现有雨水井连接,将超出LID设施容纳能力的雨水溢流排放至现状雨水管,充分发挥既有管网排水功能。


设施布局:

根据秦皇大道各子汇水分区所需调蓄容积及下垫面属性,统筹考虑红线内外绿地空间及降雨控制条件(设计降雨和50年一遇降雨情形),结合LID设施径流组织及管网衔接关系,合理开展设施布局(详见图8~图10)。


设施规模试算与达标分析:

 计算方法:

Vk=As(h1β1+h2β2+h3β3)ζ(4)

式中 Vk——设施控制调蓄容积,m3;

 As——设施面积,按垂直下渗水平投影面积计算,hm2;

 h1——设施临时蓄水深度,m;

 h2——设施种植土层深度,m;

 h3——设施排蓄水层深度,m;

 β1、β2、β3——有效调蓄容积系数,根据各层介质孔隙率、含水率、压实度等属性确定,本项目设计时β1取1、β2取0.3、β3取0.4;

 ζ——容积折减系数,根据设施横断面有效面积(扣除既有乔木、管线和附属构筑物避让等所导致LID设施有效容积衰减的面积)占等宽、高的矩形面积比例确定。


设施控制容积计算及达标情况:

 以1号子汇水分区为例,根据其采用的设施组合,计算设施控制容积如表4所示。

 依此类推,详细计算5个子汇水分区设施控制容积,各分区设施控制总容积均能满足本分区调蓄容积需求(见表3)。经核算,秦皇大道LID改造实际总控制容积2 887.5 m3,满足设计调蓄容积2 851.6 m3的要求,反算相当于20.9 mm降雨量,对应年径流总量控制率87%,满足规划控制目标(85%,19.2 mm)要求。


LID改造后下垫面径流系数变化:

秦皇大道改造后下垫面包括:沥青路面、硬质铺装、透水铺装、绿地4类,各类型下垫面面积及径流系数取值参见表5。经计算,改造后下垫面综合雨量径流系数为0.721,相比改造前(见表1)下降0.024,一定程度削减了区域雨水产流,缓解了径流排放压力。


典型设施节点设计:

侧分带LID设施做法:

 拦污槽:设计时在路牙开口处增设拦污槽(内填10~25 mm建筑垃圾再生骨料)可有效滤除雨水杂质、分散径流并消能。其结构设计如图11所示。


L型钢筋混凝土防水挡墙:

 鉴于湿陷性黄土地质雨水下渗威胁路基安全,改造时在进水口处设计了一种“L”型钢筋混凝土防水挡墙(见图11),用于路基侧向支挡及雨水侧渗规避。


传输型草沟:

一种布置在侧分带起端入流处及树木、检查井等构筑物基础处,用于转输径流。与道路纵坡同坡,只做表面下凹,底部不换填,种植35~50 mm高地被植物,草沟与车行道或辅道衔接处设置防渗土工布。另一种布置在道路红线外绿化退让内,用于转输透水铺装排出的径流雨水。2种结构基本相同,做法详见图12。


生态滞留草沟、雨水花园:


植物是LID设施的重要组成。改造中,侧分带内乔木保持不动,地被植物优选根系发达、净化力强、既耐涝又抗旱的本土植物栽植,并适当搭配部分外来物种,以实现海绵与景观功能的有机融合(见表6)。


人行道透水铺装做法:

秦皇大道两侧人行道下供电通信电缆管沟埋深较浅,仅有0.3 m。设计时,在保障路基强度和稳定前提下,将人行道硬质铺装改造为浅层透水砖铺装结构(兼有孔隙和缝隙透水),透水基层内设置排水管并与红线外传输型草沟衔接,形成局部雨水源头渗滞系统(见图14)。


低点行泄通道及调节塘做法:

秦皇大道共有5处高程低点,采用SWMM软件进行内涝模拟发现:下游雨水管网通畅情况下,50年一遇暴雨发生时,有3处低点内涝风险较大。设计时充分利用项目红线外35 m绿化退让,在三处低点人行道下设置排水暗涵,将路上经LID设施消纳、管网转输仍不能及时排除的涝水引至红线外绿化带中,通过分散式调节塘进行涝水调节(见图15)。


处涝水风险点调节塘规模如表7所示,内涝模拟参数详见表8。

表8中:

模拟方法:产流采用Horton扭损法,汇流采用Laurenson非线型法;

设计雨型:50年一遇24 h降雨(详见图2);

边界条件:秦皇大道排水组织,详见2.1.6中图4;

管道参数为:曼宁系数0.014,沿程阻力损失系数0.025,进口局部阻力损失系数0.5,出口局部阻力损失系数0.5。


4

改造效果

直观效果(见图16~图17)


模拟评估及监测分析:

年径流总量控制率达标分析


年径流总量控制率基于多年日降雨量统计分析而来。考虑到降雨随机性,本项目采用LID设施年径流总量控制率对应的24 h降雨进行模拟。结果显示(见图18a),24 h降雨量≤19.2 mm时,传统开发模式秦皇大道汇水区径流峰值流量q1=0.32 m3/s,LID改造后外排流量为0,削峰100%。


50年一遇24 h暴雨径流峰值分析:

 50年一遇降雨模拟显示(见图18b),传统开发模式径流峰值流量q1=2.63 m3/s,LID改造后径流峰值流量q2=2.23 m3/s,削峰15.2%;峰现时间较传统开发模式滞后约5 min。


道路积水改善情况分析:

 秦皇大道改造前,1~2年一遇重现期降雨发生时,积水深度≥15 cm,时间≥2 h,面积≥500 m2的内涝积水点共有3处(见图19)。LID改造后,根据6场成涝监测数据,确定设计降雨条件下2处积水得到消除,1处积水显著改善。对比改造前2015年8月2日(30.4 mm,5 h,2年一遇单峰降雨)与改造后2016年6月23日(31.4 mm,6 h,2年一遇单峰降雨)两场相似暴雨发现:①②号积水点基本消除;③号积水点得到明显缓解,最大积水面积减少70%,积水深度降低53%,积水时间缩短85%以上。


结语:目前,秦皇大道已完成侧分带LID改造,正在进行人行道透水铺装及红线外调节塘建设。经初步监测与模拟分析,已发挥出较佳的海绵效益。 


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  • coa1490074760493 2楼
    是不是说要实现海绵城市道路排水,就必须要相应的绿地?
    2017-3-21 13:40
  • 小老鼠980 3楼
    太厉害了,非常好!
    2017-3-21 14:07
  • volet 4楼
    还是没懂,蓄水+排水吗,
    2017-3-21 15:40
  • xiaoge1208 5楼
    非常非常感谢楼主的分享
    2017-3-22 09:41
  • nj1210 6楼
    这个项目非常成功。。。。估计投资也不会少。看来在一些主干道且两侧有绿化带的区域实施海绵比较有成效
    2017-3-22 10:10
  • 图奴隶丑八怪 7楼
    谢谢楼主分享
    2017-3-22 11:26
  • duanjjxj 8楼
    非常感谢楼主的分享
    2017-3-22 11:57
  • meijunmeijun2008 9楼
    谢谢楼主分享!!!
    2017-3-22 12:20
  • luochongchong 10楼
    学习了,感谢分享!
    2017-3-22 13:27

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