基于海綿城市理念的市政既有道路改造施工技術探究

文／嚴志 湖南省岳陽市城鄉建設事務中心 湖南岳陽 414000

引言：

隨著城市化進程的加速，城市基礎設施，尤其是市政道路面臨著前所未有的挑戰，包括水資源管理和環境保護等方面的問題。海綿城市理念應運而生，旨在通過模擬自然水循環，提高城市的可持續性和韌性。本文旨在探索和分析海綿城市理念下市政既有道路的改造施工技術，從而為城市雨水管理和生態恢復提供實用的解決方案。本研究著重于透水鋪裝、雨水花園、生物滯留設施以及地下蓄水與滲透系統的應用，旨在為城市基礎設施的可持續發展提供指導和參考。

1.海綿城市理念與原則

1.1 自然水循環的模擬與應用

海綿城市的構想深植于自然水循環的高效模擬與應用之中。該模擬旨在通過工程技術和生態設計原理，達成城市水文循環與自然狀態的最大程度的契合。在這一過程中，重點是實現降雨水的就地吸收、蓄存、滲透和凈化，進而有效調控水流，減少徑流。具體做法包括但不限于構建透水性路面、綠色屋頂系統、雨水花園以及其他低影響開發（LID）技術。

1.2 海綿城市的核心理念與目標

海綿城市的核心理念是實現城市與自然水循環的和諧共生。其目標不僅僅是簡單的水資源管理，而是通過一系列綜合措施，使城市在面對自然降水時更加“柔軟”和適應性強，能夠像海綿一樣在必要時吸水、蓄水、滲水、凈水，并在條件允許時釋放或利用這些水資源。這一理念的核心是促進生態平衡、減少環境影響、提高城市的生態適應性和減災能力。實現這一目標，需要從城市規劃設計開始，充分考慮土地利用、生態保護、水資源管理和城市基礎設施建設等多方面因素，綜合運用生態工程技術，形成一個多層次、多元化的城市水管理新模式。

1.3 政策背景與實施框架

隨著中國社會經濟的快速發展和城鎮化進程的加速，城市居住人口數量不斷增加。然而，這一過程中不合理的城市規劃和基礎設施快速擴張不可避免地破壞了原有的城市自然排水系統，引發了包括“熱島效應”和“雨島效應”在內的諸多城市生態環境問題。黨的十八大以來，中央政府高度重視水安全和水環境問題，將水安全保障和水環境保護作為生態文明建設的重要內容。為應對城市洪澇等問題，改善城市水環境，修復城市水生態，中國提出了“海綿城市”發展戰略，旨在實現雨水的“自然積存、自然滲透、自然凈化”。然而，在海綿城市建設過程中存在諸多挑戰。工程建設中普遍存在設計輕視、重視施工、監測缺失、維護不足等問題。暴雨沖刷所帶來的顆粒物可能造成城市排水管道堵塞、積水，導致部分管渠系統功能單元損壞，引發內澇。同時，調蓄水、滯留水等區域若水質變壞，可能導致綠藻繁殖、形成黑臭水體。工業廢水、生活廢水等污染源也可能進入海綿城市工程，造成整個城市水系污染。因此，如何有效處理海綿城市建設后期的監控、管理不足，以及城市水資源的源頭管控和數據化處理問題，成為制約海綿城市進一步發展的關鍵技術難題。

2.市政道路的現狀與問題分析

2.1 市政道路水文特性

市政道路在城市水文循環中扮演著關鍵角色。由于大部分市政道路采用不透水硬質鋪裝材料，顯著改變了城市地表的水文特性。首先，這類材料極大減少了雨水的地面滲透，導致了大量的地表徑流。這種徑流加速了雨水流向下水道系統，增加了洪水的風險，并可能導致排水系統超負荷運作。其次，由于這些路面材料的高熱吸收性質，市政道路在晴朗日子會積聚熱量，進而增強了城市熱島效應。這一效應不僅導致城市溫度升高，還可能進一步影響城市的水循環，例如通過改變局部氣候條件，影響降雨模式。

2.2 現有市政道路結構的環境影響

2.2.1 地表徑流與污染物傳輸

現有市政道路多采用不透水材料，如混凝土和瀝青，這導致雨水不能有效滲透地面，形成大量地表徑流。這種徑流不僅加劇城市內澇的風險，還攜帶各種污染物，如油類、重金屬和懸浮顆粒物，進入城市排水系統。這些污染物最終可能進入河流、湖泊，對水生生態系統產生長期的負面影響。

2.2.2 道路排水系統的挑戰

排水系統容量與極端天氣適應性不足。當前城市道路排水系統通常設計基于歷史降雨數據，但面對氣候變化帶來的極端天氣事件，如暴雨、洪水，這些系統往往顯得不夠充足。排水系統的容量和設計標準未能適應更高頻率和強度的降雨事件，導致在極端天氣下容易發生內澇和排水不暢，對城市交通和居民生活造成嚴重影響。

污水與雨水混合排放問題。在許多城市，道路排水系統與污水系統是合流設計，即雨水和污水通過同一管網排放。這種設計在大雨時容易導致污水處理設施超負荷運轉，甚至直接將未經處理的污水和雨水混合物排放到附近的河流或湖泊中，造成水體污染和生態破壞。此外，雨水中的污染物也通過這種方式進入自然水體，加劇了環境污染。

老舊排水設施的維護和升級難題。許多城市的排水設施設計有年代性，不僅在容量上不能滿足當前的需求，而且維護和升級成本高昂。由于城市擴張和道路網絡的不斷增加，老舊的排水系統面臨著更大的壓力。這些系統的更新換代需要大量的資金和技術投入，同時施工過程可能對城市交通和日常生活產生影響。在資源有限的情況下，如何平衡升級改造和維護成本，是一個重大挑戰。

3.海綿城市技術在市政道路改造中的應用

3.1 透水鋪裝技術

3.1.1 材料選擇

在選擇透水鋪裝材料時，需要考慮材料的滲透率、強度、耐久性和環境適應性。常見的透水材料包括透水混凝土、透水瀝青、透水磚和透水瓦。例如，透水混凝土的滲透率通常在300-600mm/h 之間，適合高強度和高滲透性要求的應用。材料選擇還應考慮地區氣候、交通負荷和維護成本。

3.1.2 設計原則

透水鋪裝設計應遵循以下原則：

滲透性與強度的平衡：設計時需確保材料具備足夠的滲透性以促進雨水滲透，同時保持足夠的承載能力和耐久性。

水文條件考量：應基于當地的降雨模式和地下水狀況設計透水鋪裝系統。例如，在年降水量500-800mm 的地區，設計時應考慮較高的雨水滲透和儲存能力。

生態環境融合：透水鋪裝設計應與周圍的生態環境相協調，如通過配合植被種植，增強地面水和土壤的互動。

系統整體性：透水鋪裝應與城市排水系統相結合，確保在大流量降雨事件中仍能有效工作。

3.1.3 實施方法

地基處理：首先需確保地基的平整和穩定性。適當厚度的基底層（通常為15-30cm）對于確保透水鋪裝的性能至關重要。

材料層施工：透水材料的鋪設需嚴格按照制造商的規格進行。例如，透水混凝土層的厚度通常設置在15-20cm 之間，以確保既有良好的滲透性又能承受交通負荷。

排水設計：透水鋪裝下方應設有排水層，以便在雨水無法完全通過鋪裝層滲透時，能夠有效地排走多余的水分。排水層的設計通常基于最大預期降雨量和地面滲水速率進行。

地表處理與邊界設計：在鋪設前，地表需平整至±2%的坡度，確保雨水分布均勻，避免積水。透水鋪裝邊界與非透水表面交界處應增設寬度約30cm 的穩定化邊緣帶，以防止水流沖刷和侵蝕。

排水系統與緊急溢流路徑：設計緊急溢流路徑時，側向排水溝的寬度和深度應根據預期最大降雨量（如100 年一遇的降雨量級）進行設計。對于地下管道，直徑至少應為150mm，以確保在極端降雨條件下快速排放過量水分。

下層材料的選擇與鋪設：選用的粗粒材料（如碎石）粒徑應在20-40mm 范圍內，以保證良好的排水性能。下層材料的厚度根據地下水位和土壤類型調整，一般在30-50cm 之間，以確保足夠的承載力和排水能力。

對接口與連接部分的特殊處理：接縫材料應選擇高彈性和耐候性材料，如聚合物改性瀝青，以適應溫度變化和機械應力。在透水鋪裝與建筑物底部接口處，應增加寬度約20cm 的加強帶，以防止滲水和結構損壞。

3.2 雨水花園與生物滯留設施

3.2.1 設計

尺寸與位置：雨水花園的尺寸應根據收集區域的大小和預期降雨量計算。一般情況下，雨水花園的面積應占其排水區域面積的5-7%，深度約為30-60cm。

土壤與植被選擇：土壤應具有良好的滲透性，一般建議使用含有30-50%的沙質土壤。植被選擇應考慮本地氣候和水文條件，采用耐水澇和本地化的植物。

排水設計：在雨水花園底部設置至少30cm 厚的礫石層，以確保良好的排水性。排水出口的設計應保證在超過處理能力的降雨事件中能夠安全溢流。

3.2.2 施工

挖掘與土壤處理：挖掘深度應確保足夠的容積以存儲預計的雨水量。挖掘完成后，底部和側壁需松散處理，以提高土壤滲透性。

礫石層和過濾層鋪設：在底部鋪設厚度約30cm 的粗礫石層，上面覆蓋一層約20-30cm 的過濾層（如細沙層），以防止土壤流失并提高水質。

植物栽植與邊界處理：根據設計選擇的植物進行栽植，植物間距應根據其成熟大小調整。邊界部分可采用石頭或木材圍欄加以固定，以增強結構穩定性。

灌溉與維護系統：初始階段可能需要額外的灌溉以促進植物生長。設立定期維護計劃，包括除草、修剪和檢查排水系統。

3.2.3 維護

常規檢查：定期進行視覺檢查，確保雨水花園的結構完整無損害，排水系統暢通無阻。檢查周期可以設為每季度一次。

植物管理：定期對植被進行修剪和維護，移除枯死和病害植物。根據植物的生長情況，每年至少進行一到兩次的維護工作。

土壤與排水層維護：檢查并清理排水層中的沉積物，以保持良好的滲透性。如果發現土壤過度緊實或排水性能下降，可能需要重新翻松或更換部分土壤。

積水處理：在連續降雨后，檢查是否有長時間的積水情況。如果積水超過48 小時仍未排干，需要檢查排水系統是否存在堵塞或損壞。

冬季管理：在冰凍地區，需要特別注意冬季的維護，包括清除雪堆和防止鹽類融雪劑的污染。

3.3 地下蓄水與滲透系統

3.3.1 技術原理

蓄水原理：地下蓄水系統通過在地下建設蓄水設施（如蓄水池、蓄水管或蓄水礫石層），捕獲和儲存雨水。這些設施的容積設計通常基于區域的年均降雨量和峰值降雨強度，例如，在年均降雨量800mm、峰值降雨強度50mm/h 的區域，設計蓄水容量可能需達到每平方米地表面積100L。

滲透原理：地下滲透系統通過滲透層（如透水混凝土或礫石層）使雨水滲入地下，補充地下水。這一過程同時通過土壤層的自然過濾作用凈化水質。

水質管理：地下蓄水設施常配備過濾系統，如沙濾層或生物膜，以去除懸浮顆粒和部分污染物。

3.3.2 設計標準

蓄水能力：地下蓄水設施的設計應考慮最大降雨事件和連續降雨周期，確保有足夠的蓄水能力[1]。例如，在設計時可能需考慮連續5 天的降雨總量，并在此基礎上增加20%的安全余量。

滲透率：地下滲透層的滲透率應滿足地區降雨強度的要求。例如，在降雨強度為30mm/h 的地區，滲透層的設計滲透率應不低于50mm/h。

結構穩定性：地下蓄水設施應具有足夠的結構強度，以承受地下壓力和交通負荷。針對不同的地質和土壤條件，蓄水設施的設計需進行地質適應性評估。

3.3.3 施工細節

地點選擇與準備：選定地點應考慮地質條件、地下水位和周邊環境。施工前進行地質勘探，確保選址適宜，如土壤透水性、承載能力等。

挖掘與基礎建設：按照設計圖紙進行挖掘，深度和寬度需精確控制。施工時需注意防止對周邊地區的水文和結構穩定性造成影響。

蓄水層鋪設：蓄水層的材料一般包括高強度塑料模塊、碎石或專用蓄水板材。鋪設時應保證層間連接牢固，避免滲漏。

過濾層和保護層：在蓄水層上方鋪設一層過濾材料（如非織造布）以防止細顆粒進入。然后覆蓋一層保護層（如土壤或砂層），以保護下方結構。

管道連接與排水設計：確保管道連接正確并安裝排水閥門。排水管道的直徑和布局應根據設計標準和計算的排水量來確定。

4.施工技術的實踐與管理

4.1 施工過程中的問題診斷與解決策略

4.1.1 問題診斷

在施工過程中，可能會遇到各種問題，如設計與實際地形不匹配、材料供應問題、施工技術挑戰或環境保護要求。例如，地下蓄水系統可能因地下不明管線、土壤條件或地下水位的變化而需要調整設計。海綿城市設施在施工過程中可能面臨排水不足或過度積水的問題，尤其在極端天氣條件下。在透水鋪裝施工中，可能出現鋪設不均或滲透效率不達標的問題。

4.1.2 解決策略

在項目前期，利用海綿設施模擬系統對試點項目預先設置的LID（低影響開發技術）進行數學模擬。這一模擬有助于分析雨水管控設施調控后的降雨徑流情況，并與現狀傳統開發下的徑流情況進行對比分析。通過這種方式，可以直觀看到LID 對項目區域雨水的調控作用，并對年徑流總量控制率、污染物控制率進行定量、定性分析，輔助完成海綿城市報告計算書。

試點項目完成階段，對外排雨水（市政口）的水量、流速及水質實時監控，并上傳至實時監測系統。已建好的模擬模型利用實時監測數據進行率定和驗證，調整模型參數。通過典型降雨的監測數據進行累計分析，以驗證雨水管控設施達到設計要求[2]。

對于施工過程中的技術和環境問題，建立一個快速響應機制，包括現場問題診斷、專家咨詢和快速解決方案制定；對于材料和施工技術問題，可通過引入更先進的材料和技術，或調整施工方案來解決。例如，透水鋪裝中出現的問題可以通過調整材料配比或施工工藝來解決[3]。

4.2 施工質量與安全管理

4.2.1 施工質量管理

質量管理的關鍵在于確保所有施工活動符合設計規范和工程標準。這包括對所有使用的材料進行質量檢驗，確保它們滿足項目要求，如透水性、耐久性和環境適應性。實施定期的現場檢查和監督，確保施工過程遵循設計圖紙和技術規范，特別是在關鍵施工階段，如地下蓄水層的鋪設、透水鋪裝的安裝等。強化施工團隊的技能培訓和意識提升，確保每位工人都了解其工作對整個項目質量的影響[4]。設立一個有效的質量反饋和糾正機制，一旦發現質量問題，立即進行糾正，并采取措施防止其再次發生。

4.2.2 安全管理措施

在施工現場實施嚴格的安全標準和規程，包括定期的安全培訓和教育，確保所有工人了解并遵守安全操作規程。使用適當的安全設備和防護措施，如安全帽、防護網、警示標志和圍欄，尤其在開挖和高空作業時[5]。設立應急響應計劃，以應對可能發生的事故，如工地意外、自然災害等。這包括事故預防措施、緊急撤離路徑和急救設施。定期進行安全檢查，識別潛在的風險和隱患，并采取預防措施，確保施工現場的安全[6]。

結語：

海綿城市理念的實施對于提高城市的生態性能和水資源管理效率具有重大意義。本文對市政既有道路改造施工技術進行了全面的分析和討論，提出了一系列切實可行的技術方案和管理策略。通過實施這些技術，不僅可以有效地管理雨水，減少洪澇災害，還可改善城市的生態環境，提升城市生活質量。未來，隨著技術的進一步發展和實踐的深入，海綿城市理念將在城市可持續發展中發揮更加關鍵的作用。