基于海綿城市理念的立交橋區積水改造方案研究

【摘" " 要】：針對現狀立交橋區積水問題，采用InfoWorks ICM軟件對采用生物滯留設施改善立交橋區積水效果進行模擬。結果表明，設置生物滯留設施對于改善立交橋區積水問題有明顯的效果，積水深度明顯降低，退水時長顯著縮短且方案工程造價低，后續運營養護簡單，是一種經濟、綠色、低碳的立交橋區積水改造方案。

【關鍵詞】：海綿城市；立交橋區；積水；生物滯留設施

【中圖分類號】：U443.5 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2024）06-59-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.06.015

Research on Waterlogging Retrofit Program for Overpass Area Based on the Sponge City Concept

【Abstract】： In view of considering the current waterlogging problem in the overpass area， a softwareInfoWorks ICM simulation was conducted to improve the waterlogging problem in the overpass area by using bioretention facilities. The results show that the installation of bioretention facilities significantly mitigates the problem of water accumulation， notably reducing the depth of accumulated water and considerably shortening the duration of water recession. Additionally， this solution is cost-effective， with low construction and maintenance expenses， making it an economical， environmentally friendly， and low-carbon option for remodeling water accumulation issues in overpass areas.

【Key words】： sponge city；overpass" area；water accumulation；bioretention facilities

作為城市交通體系重要節點的立交橋區，由于周邊地塊建設時序等因素的影響，易形成城市區域的“人為滯水點”，在遭遇降雨時頻繁發生內澇積水災害，對城市交通、行人和車輛的安全構成了嚴重的危害[1]；因此，開展現狀立交區積水問題的分析研究，進而提出有效的改造策略具有重要的現實意義。

1 工程概況

某立交橋及周邊地塊雨水管網及雨水泵站均已建成。由于建設時間較早，雨水管網設計重現期大部分為1 a，雨水泵站設計重現期為3 a，泵站收水面積約143.8 hm2，設計規模13.5 m3/s，設置6臺雨水泵，出水管道管徑為3 200 mm，排水出路為下游排水明渠。見圖1。

2 現狀問題

2.1 積水

1）現狀雨水管網標準偏低。66%的雨水管道設計標準為1 a一遇，主要位于立交南側及東側道路，設計管徑400～1 000 mm；34%的雨水管道設計標準為3 a一遇，主要位于立交西側道路，設計管徑1 200 mm及3 000 mm×3 000 mm（方涵）。

2）周邊地勢高導致收水面積過大。立交東側輔道內雨水管道原設計僅考慮收集輔道及東側部分綠地的雨水，匯水面積約6.4 hm2；但是，后續周邊地塊開發建設導致周邊場地高于東側輔道路面標高且地塊排水管徑偏小，大量雨水通過地面徑流匯集于東側輔道最低點。輔道雨水系統實際匯水面積約27.6 hm2，是設計匯水面積的4倍，導致現狀雨水管道系統能力嚴重不足。

3）短時高強度降雨造成積水。根據相關降雨資料，2022年8月18日07：00—8月19日01：00，該區域累計降雨量148.3 mm，最大小時降雨量發生在23：00—00：00，小時降雨量達到79.8 mm，經測算，小時降雨強度超過10 a一遇。降雨造成東側輔道嚴重積水，積水路段長約300 m，最大積水深度約80 cm。見圖2。

4）排水出路不暢導致泵站無法滿負荷運行。雨水泵站的運行記錄顯示，受下游排水明渠過流能力的限制， 2022年8月18日23：00—8月19日07：00雨水泵站6臺雨水泵僅可以運行1臺。疊加其他因素的影響，期間泵站甚至出現暫停排水的情況。

2.2 現狀雨水系統評價

為分析現狀雨水系統在極端天氣下的排水能力，采用InfoWorks ICM軟件建模，模擬雨水泵站僅開啟1臺水泵，設計重現期P為1、3 a及2022年8月18日實際降雨條件下的路面的積水程度。見圖3。

即使僅遭遇重現期為1 a的降雨，立交東側輔道路面也存在一定程度的積水，積水路段長度為250 m，路面最大積水深度可達0.557 m，由于道路存在局部低點，雨后積水退水時間為82 min。此時城市道路、基礎設施等已經受到威脅，無法正常使用。隨著降雨強度增大到3 a一遇，立交匝道積水區域及積水深度增大，積水路段長度為280 m，路面最大積水深度可達0.623 m，雨后積水退水時間為108 min，整條輔道已處于癱瘓狀態。使用2022年8月18日實際降雨雨型對該區域積水情況進行模擬，雨后積水路段長度為380 m，路面最大積水深度可達0.709 m，雨后積水退水時間為136 min，與當天立交東側輔道的積水實際基本一致，證明模型的建立及參數的率定是滿足模型精度要求的。

3種情況下，雨水泵站的排水曲線見圖4。

1 a一遇標準降雨條件下，降雨開始后50 min，雨水泵站開始運行，降雨開始后200 min，泵站停止運行，運行時長150 min。3 a一遇標準降雨條件下，降雨開始后35 min，雨水泵站開始運行，降雨開始后340 min，泵站停止運行，運行時長305 min。實際降雨雨型條件下，降雨開始后35 min，雨水泵站開始運行，降雨開始后380 min，泵站停止運行，運行時長345 min。可以看出，隨著降雨強度的增大，泵站運行時間明顯增加，但是始終無法持續運行。雨水管網傳輸能力不足，是導致路段積水及泵站無法持續運行的主要因素。

3 雨水系統改造

3.1 改造方案

由于該段道路車流量較大，增大現狀雨水管道管徑的改造方案實施難度大；另外，由于下游排水出路能力的限制，單純增大雨水管道管徑，不能保證雨水及時有效排除。

海綿城市建設理念的提出為解決上述問題提供了切實可行的建設思路。目前，國內解決現狀建成區立交區域積水問題，主要以調蓄及錯峰排放手段為主，通過修建雨水調蓄池或者生物滯留設施等海綿設施，實現對超標雨水的調蓄。北京市立交橋區采用劃分高水系統和低水系統的方式，在不改變徑流系數的前提下，減少客水流入[2]，通過改造，使雨水泵站達到5 a一遇設計標準，新建調蓄池，對5～10 a的降雨進行削峰調蓄[3]。天津洞庭路立交采用蓄水模塊、下凹式綠地等技術手段，實現了設計年徑流總量控制率75%的目標[4]，有效的解決了橋頭積水及排水管網沖擊負荷較大的問題。

綜上所述，本工程提出充分利用立交橋匝道圍成的區域內的綠地，修建調蓄設施，對超過雨水管道排水能力的雨水進行調蓄，以實現雨水錯峰排放，緩解地面道路積水問題的目的，經初步計算，為緩解3 a一遇降雨條件下路段積水的問題，需要增加調蓄容積9 000 m3。

針對雨水調蓄的需求，目前主要有修建地下雨水調蓄池或修建生物滯留設施兩種技術措施。結合本工程本底條件，對上述兩種技術措施在工程造價、占地面積及養護難度等方面進行比較。見表1。

雖然調蓄池占地面積較小，但工程造價遠高于生物滯留設施且后期運行運維難度較大；因此，建議將現狀綠地改造為生物滯留設施，通過構建地表徑流通道，將超標雨水引入生物滯留設施。

現狀可利用綠化面積19 500 m2，考慮到生物滯留設施和現狀橋梁安全凈距的要求，按照60%綠化面積可以建設生物滯留設施、有效深度0.8 m計算，生物滯留設施可達到9 360 m3的調蓄能力。

3.2 改造后雨水系統模擬分析

為驗證改造后的雨水系統應對不同設計重現期降雨的能力，基于目前雨水泵站僅能開啟一臺水泵的現實條件，在構建的現狀雨水系統模型基礎上增加生物滯留設施模塊進行模擬。見圖5。

當遭遇1 a一遇降雨時，超出雨水管道排放能力的雨水均存儲在生物滯留設施中，雨后路面幾乎積水。當遭遇3 a一遇降雨時，路面積水情況相比改造前得到明顯的改善，積水路段長度約195 m，路面最大積水深度0.230 m，雨停后積水深度即可降低至0.2 m以下，不影響交通。實際降雨雨型模擬，積水路段長度為260 m，路面最大積水深度0.251 m，雨后積水退水時間為37 min，道路已不存在積水嚴重點位。

為進一步探索改造方案對路面積水問題的改善能力，利用軟件模擬得到3 a一遇重現期降雨條件下，立交匝道區域最大積水深度隨時間的變化曲線。改造前，道路在降雨開始后20 min開始出現積水，最大積水深度0.623 m，235 min后積水深度降低至0.2 m以下。改造后道路在降雨開始后20 min開始出現積水，最大積水深度0.23 m，143 min后積水深度降低至0.15 m以下，滿足車輛正常通行需求。見圖6。

改造方案極大地改善了立交區域的積水問題，可保證道路在遭遇3 a一遇標準降雨時能夠迅速恢復通行能力。

進一步模擬遠期下游排水通道過流能力可以滿足雨水泵站最大排水能力，降雨時泵站可以滿負荷運行情況下，改造后的雨水系統在不同設計重現期下運行。當遭遇3 a一遇降雨時，積水路段長度約190 m，路面最大積水深度0.230 m，雨停后積水深度即可降低至0.2 m以下；當遭遇5 a一遇降水時，積水路段長度約230 m，路面最大積水深度0.236 m，雨后積水退水時間為3 min；當遭遇10 a一遇降水時積水路段長度約260 m，路面最大積水深度0.242 m，雨后積水退水時間為7 min。見圖7。

當遭遇3 a一遇重現期降雨時，雨水泵站滿負荷運行與泵站僅能開1臺泵相比，除了積水退水時間略有縮短外，積水范圍及積水最大深度沒有明顯的改善，輔道內雨水管道管徑偏小，過流能力嚴重不足，成為導致道路仍舊輕微積水的關鍵原因。但是，由于生物滯留設施的存在，道路積水深度大大降低，均保持在0.25 m以下且雨后退水時間大大縮短，可以滿足交通通行的要求。

4 結語

立交橋區積水是城市建設過程中普遍存在的問題，積水點的形成多為雨水系統標準低、局部地形低洼及極端暴雨天氣等多因素耦合的結果，常規的改造模式多為增大積水點雨水管道直徑，但是由于立交區交通量較大，管道改造不但造價高，且對現狀交通的影響較大。

本文提出了一種采用生物滯留設施方式對立交區積水點改造的方案，無需對現狀雨水系統進行大規模改造，僅利用立交區現狀綠地建設生物滯留設施削減雨水徑流峰值，生物滯留設施內調蓄的雨水可通過雨水系統排放，以達到緩解城市內澇點的目的。由于整個系統均采用雨水自流方式排放，不設置提升泵等耗電設備，不但降低了工程造價，也減輕了后續運營維護的壓力，可以實現雨水調蓄系統的綠色、低碳運行。

參考文獻：

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[4]袁曉宇，王旭陽，王""" 穎，等. 天津市洞庭路立交工程海綿改造設施的應用和設計[J].建設科技，2020，（19）：74-77+81.