大纵坡城市道路透水边带截留能力试验

李璐菡1 王建龙1,2* 涂楠楠2 席广朋1,3 赵梦圆2 杨 冰4

(1.北京建筑大学 城市雨水系统与水环境教育部重点实验室,北京 100044; 2.北京建筑大学 北京市可持续城市排水系统构建与风险控制工程技术研究中心,北京 100044; 3.北京市市政工程设计研究总院有限公司,北京 100082;4.北京鑫旺路桥建设有限公司,北京 101405)

摘要:道路是城市重要的交通纽带,一旦发生积水内涝,将导致城市交通瘫痪,甚至危及生命财产安全,特别是山地城市道路普遍存在纵坡大、雨水口截留效率低等突出问题,发生积水内涝和马路洪水的风险较高。针对上述问题,提出了利用透水边带提高大纵坡城市道路雨水径流截留效率的方法。在实验室搭建了城市单车道物理试验模型(比例1∶1),采用人工模拟降雨方法,系统研究了不同透水面积比、不同重现期降雨条件下透水边带对雨水径流的截留效率,并与传统道路雨水口截留能力进行了比较。试验结果表明:相同透水面积比条件下,雨水径流截留能力随着重现期的增大而减小;相同重现期条件下,雨水径流截留能力随着透水面积比的增加而增大,在重现期P=5 a时,透水边带面积比从12.5%增加到50%,雨水径流截留率从72.3%增加到79.3%。与传统雨水口截留能力相比,增加透水边带后雨水径流截留能力可提高30%左右。因此,大纵坡城市道路在不影响交通安全的条件下,可根据道路空间布局特征,通过设置透水边带来提高雨水径流的截流效率。

关键词:大纵坡城市道路;透水边带;雨水径流;雨水口

0 引 言

随着城市化的快速发展,道路作为城市的交通命脉,对人们的日常出行起着至关重要的作用。GB 50137—2011《城市用地分类与规划建设用地标准》[1]中规定,城市道路与交通设施用地一般占城市建设总用地的10%~30%。我国城市道路占建设用地比例一般为10%~15%,部分城市甚至超过30%~40%[2],但城市道路带来的雨水径流污染负荷却占到60%~70%,城市道路雨水径流污染已成为环境水体污染物的重要来源之一[3,4]。传统城市道路雨水径流排放方式一般是通过横坡排向外侧车道或偏沟,然后沿纵坡汇流至雨水口,通过雨水口排入市政管道。此外,城市道路雨水排水系统还常常担负着周边汇水面的径流雨水排放任务,且城市规划设计中为便于地块内部的排水,市政道路路面标高大多低于周边用地规划地面标高,这必然会加大道路雨水排水系统的排水压力,易造成路面积水、内涝频发,道路安全系数也随之降低。

与平原城市相比,山地城市的地势起伏大、地质条件复杂,建设时常保留原有的自然地质地貌。因此,山地城市的道路在竖向设计的坡度选择上与平原城市不同,比如,在DBJ 50-064—2007《重庆市城市道路交通规划及路线设计规范》[5]中结合实际情况制定了适合重庆的道路纵坡标准。如表1所示,可知山地城市道路最大纵坡可达12%,远大于一般城市道路设计最大纵坡值。在道路纵坡大于横坡的情况下,道路径流汇流时间变小、峰值时间提前和峰值流量增加,部分雨水径流直接越过雨水口,常常导致城市道路积水内涝和马路洪水等突出问题[6]

根据山地城市道路纵坡普遍大于横坡的特点,并结合透水铺装在实际工程中的应用,本文提出了采用透水边带的形式来提高大纵坡城市道路雨水径流截流效率的方法,即在道路靠近路缘石侧铺设一定宽度的大孔隙率透水沥青铺装路面,底部设置集水管,通过集水管将渗透的雨水排入雨水口。借助于城市单车道物理试验模型,采用人工模拟降雨的方法,系统研究了设置透水边带后雨水径流的截留效率,并与传统道路雨水口截留效率进行了比较,为提高大纵坡城市道路雨水径流截留效率、缓解马路洪水等问题提供支撑。

表1 城市道路相关规范中纵坡规定
Table 1 Regulation of longitudinal slope in relevant specifications of urban roads

设计速度/(km/h)GJJ37—2012《城市道路工程设计规范》[7]最大纵坡/%DBJ50-064—2017最大纵坡/%一般值极限值一般值极限值10034804546605657505.56840677930788102088912

1 试验部分

1.1 试验装置

试验平台主要由城市道路物理模型和人工模拟降雨系统2部分组成,具体试验工艺流程如图1所示。城市道路物理模型平面尺寸为18 m×4 m(L×B),横坡Sx=2.5%,纵坡Sy=7%,路面由上至下依次铺设沥青、防渗膜、二灰和夯实基土,其中路面铺设所用沥青混凝土的标号为AC-13C细粒式密级配沥青混凝土,其厚度为5 cm。雨水口下游端距道路平台末端1.5 m,雨水口右侧距右侧路缘石0.1 m,其尺寸为0.75 m×0.45 m(L×B)。透水边带所用沥青的标号为OGFC-13排水沥青混合料,混合料中的允许最大粒径为13 mm,施工及材料选择严格按照CJJ/T 190—2012《透水沥青路面技术规程》相关要求进行[8],试验选取透水边带面积比分别为12.5%、25%、50%,试验现场如图2所示。人工模拟降雨系统有效降雨面积为150 m2,降雨净高度为15 m,降雨强度变化范围为6~240 mm/h,人工模拟降雨控制系统具有手动和自动控制双重功能,软件配有雨强信号实时传输设备可对道路降雨量实时反馈。Q1为雨水口流量,Q2为透水边带截留量,Q3为道路漫流径流量,上述流量均采用DCT1158C外夹式超声波流量计监测。

图1 试验平台系统
Figure 1 Experiment system diagram

图2 试验现场
Figure 2 The experiment scene

1.2 试验仪器

试验中采用的主要仪器型号、数量以及工作参数见表2。

表2 试验仪器及主要参数
Table 2 Experiment instruments and main parameters

仪器型号数量监测范围人工模拟降雨系统定制1套降雨强度:6~240mm/hDCT1158C外夹式超声波流量计DCT1158C6台流量:0.2~16.0m3/h翻斗式雨量计KE-YL-N01-14台0~240mm/h数据采集器定制6台数据间隔:1s激光水准仪FDT022台误差:±0.001m水泵MHI4041台Q=60L/min,H=4m

1.3 雨型及降雨过程线

人工降雨采用某山地城市暴雨强度公式,雨型采用芝加哥雨型,雨峰系数取0.5,降雨历时为1 h。

(1)

式中:P为设计降雨重现期,a;q为暴雨强度,L/(s·hm2);t为降雨历时,min。

将暴雨强度式(1)代入芝加哥雨型生成器,得出1,3,5年一遇降雨重现期条件下历时1 h的分钟雨量过程线(图3),根据图3调控人工模拟降雨系统的降雨量。

—1年一遇; —3年一遇; —5年一遇。
图3 降雨过程线
Figure 3 The hydrograph of the rainfall

2 结果分析

试验系统研究了不同透水边带面积比、不同降雨重现期条件下,透水边带、雨水口及其组合条件下雨水径流的截留能力,并与不同条件下传统道路雨水口截留能力进行了对比,传统道路雨水口截留能力采用HEC-22中横向篦条式雨水口截流能力计算公式进行计算[9]。雨水口截留率是指雨水口入流体积占雨水径流总体积百分比;透水边带截留率是指透水边带渗流体积占雨水径流总体积百分比;道路整体截留率是指透水边带与雨水口组合截流体积占径流总体积百分比。

2.1 12.5%透水边带截留效果

不同重现期条件下,12.5%透水边带面积比时透水边带截留率、雨水口截留率、道路整体截留率及其与传统道路雨水口截留率比较见表3。可知:传统道路雨水口截流率随着重现期增大而减小,重现期从1年一遇增加到5年一遇时,传统道路雨水口截留率从44.7%降低至41.9%。设置透水边带条件下,透水边带和雨水口整体截留率也随着重现期增大而减小,重现期从1年一遇增加到5年一遇时,道路整体截留率从75.5%降低至72.3%。然而,设置透水边带后雨水径流整体截留率平均提高了约30%,其中透水边带截留率为53%~58%,占道路整体截留率的74%~77%。由此可知,透水边带在试验条件下具有较好的截留效果。此外,由表3还可看出,随着重现期的增加,降雨强度大于透水边带的渗透截留能力,结果导致路面雨水径流逐渐增多,因此,透水边带随着重现期增加截留率逐渐降低,重现期从1年一遇增加到5年一遇时,透水边带截留率从58.5%降低至53.2%。与此同时,实验条件下雨水口截留率远低于最大截留能力,因此可随着重现期的增加而增加。

表3 12.5%透水边带与传统道路雨水口截留能力比较
Table 3 Comparison of runoff interception rate between 12.5% porous belt and traditional road grate inlets

重现期出口体积/m3雨水口截流率/%透水边带截留率/%道路整体截留率/%透水边带截留率占比/%传统道路雨水口截流率/%1年一遇路面径流0.4717.058.575.577.544.7透水边带渗流1.13雨水口入流0.3283年一遇路面径流0.8217.656.373.976.242.6透水边带渗流1.77雨水口入流0.555年一遇路面径流1.1119.153.272.373.641.9透水边带渗流2.12雨水口入流0.76

2.2 25%透水边带截留效果

不同重现期条件下,25%透水边带面积比时透水边带截留率、雨水口截留率、道路整体截留率及其与传统雨水口截留率比较见表4。可知:随着重现期的增加,道路整体截留率逐渐降低,但变化幅度较小,基本稳定在78.5%~79%,重现期为1,3,5年一遇时,道路整体截留率较普通路面雨水口截流能力分别增加34.2%、36.0%、36.6%。但在3年一遇重现期时,雨水口截流率最高约为26.3%,与12.5%透水边带该重现期时相比增加8.6%。同样条件下,透水边带截留率最小为52.4%,与12.5%透水边带该重现期时相比减小约4%。不同重现期条件下,透水边带截留效率顺序为1a(61.3%)>5a(58.7%)>3a(52.4%),3年一遇时透水边带截留效率较低,分析其主要原因是1年一遇和3年一遇时,由于流量较小,透水边带只有部分面积发挥截留作用,但3年一遇时,不透水路面雨水径流的纵向流速加大,使较多雨水径流排向雨水口,从而导致雨水口截留率最大,透水边带截留率最小。而5年一遇重现期时,随着降雨量增加,透水边带全部面积开始截留,因此此时透水边带截留率较高,雨水口截留率降低。

表4 25%透水边带与传统道路雨水口截留能力比较
Table 4 Comparison of runoff interception rate between 25% porous belt and traditional road grate inlets

重现期出口体积/m3雨水口截流率/%透水边带截留率/%道路整体截留率/%透水边带截留率占比/%传统道路雨水口截流率/%1年一遇路面径流0.417.661.378.977.744.7透水边带渗流1.17雨水口入流0.343年一遇路面径流0.7926.352.478.766.642.6透水边带渗流1.94雨水口入流0.95年一遇路面径流0.8719.858.778.574.841.9透水边带渗流2.37雨水口入流0.8

2.3 50%透水边带截留效果

不同重现期条件下,50%透水边带面积比时透水边带截留率、雨水口截留率、道路整体截留率及其与传统雨水口截留率比较见表5。可知:随着重现期的增加,道路整体截留率逐渐降低,但在不同重现期条件下,道路整体截留率变化幅度较小,基本稳定在79%~81%,重现期为1,3,5年一遇时,道路整体截留率较普通路面雨水口截流能力分别增加35.9%、32.9%、33.8%。重现期在3年一遇和5年一遇时,透水边带及其与雨水口的组合截留率变化较小,结合试验期间路面产流过程观察,初步分析主要是由于此时透水边带较宽,3年一遇和5年一遇重现期时,只有靠近不透水路面的部分透水边带发挥了截留作用,因此导致透水边带和雨水口的截留率变化较小。

表5 50%透水边带与传统道路雨水口截留能力比较
Table 5 Comparison of runoff intercept rate between 50% porous belt and traditional road grate inlets

重现期出口体积/m3雨水口截流率/%透水边带截留率/%道路整体截留率/%透水边带截留率占比/%传统道路雨水口截流率/%1年一遇路面径流0.3815.765.381.080.644.7透水边带渗流1.31雨水口入流0.313年一遇路面径流0.6519.560.079.575.542.6透水边带渗流1.89雨水口入流0.615年一遇路面径流0.7119.260.079.375.741.9透水边带渗流2.06雨水口入流0.66

2.4 不同透水边带面积比截留效果比较

在不同重现期条件下,不同透水边带面积比时道路整体截流率如图4所示。可知:在相同重现期条件下,道路整体截留能力随着透水边带面积增加而增加。不同实验重现期条件下,透水边带宽度从12.5%增加到50%,道路整体截留率平均增加6%。在相同透水边带面积比条件下,道路整体截留能力随着重现期的增大而减小,但在50%透水边带面积比条件下,较高重现期时透水边带和道路整体截留率变化较小,当透水边带比例超过25%时,透水边带及其与雨水口的组合截留率变化基本趋于稳定。因此,在实际工程中应根据实际道路条件与降雨条件,合理选择透水边带宽度。

—1年一遇; —3年一遇; —5年一遇。
图4 透水边带面积比和重现期对道路整体截流率影响
Figure 4 Influence of porous belt area ratio and return period on overall runoff intercept rate of urban road

3 结论与展望

本研究结果表明,在大纵坡城市道路路段,设置透水边带可有效提高雨水径流的截留效率,透水边带宽度、降雨重现期对雨水径流的截留能力具有重要影响。试验条件下与传统道路雨水口截留率(40%~45%)相比,设置透水边带雨水径流截留率(72%~81%)可提高30%左右,不同重现期条件下,透水边带截留率占比平均达到75%以上。因此,在山地城市、下凹桥区和隧道等大纵坡城市路段,可通过增加路侧透水边带来提高雨水径流的截留率,从而有效缓解马路洪水和低洼路段积水等问题。

城市道路一般沉积物污染较严重,在车辆碾压和携带作用下,道路边带是沉积物累积的主要区域,因此,透水边带在工程应用中面临较高的堵塞风险,所以在实际应用中还应结合道路的等级、空间布局和维护清扫频次等情况合理布局和设计。

参考文献

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[4] 车伍, 杨正, 赵杨,等. 中国城市内涝防治与大小排水系统分析[J].中国给水排水, 2013, 29(16):13-19.

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[8] 中华人民共和国住房和城乡建设部.透水沥青路面技术规程:CJJ/T 190—2012[S].2012.

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PILOT STUDY ON RUNOFF INTERCEPT RATE OF POROUS BELT BESIDE THE URBAN ROAD WITH LARGE LONGITUDINAL SLOPE

LI Lu-han1, WANG Jian-long1,2*, TU Nan-nan2, XI Guang-peng1,3, ZHAO Meng-yuan2, , YANG Bing4

(1. Key Laboratory of Urban Stormwater System and Water Environment (Ministry of Education), Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044,China; 2. Beijing Engineering Research Center of Sustainable Urban Sewage System Construction and Risk Control, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China; 3. Beijng General Municipal Engineering Design & Research Institute Co., Ltd, Beijing 100082, China; 4. Beijing Xinwang Bridge Construction Group Co., Ltd, Beijing 101405, China)

Abstract: Urban road is an important traffic infrastructure of the city. Once flooding occurs on the urban road, it will lead to an traffic paralysis and even endanger the safety of people and property. Especially in mountainous cities, many roads are with large longitudinal slope, low runoff intercept efficiency of grate inlets, and higher risk of road flooding. For the above problems, a novel method was proposed to improve the stormwater runoff intercept rate of urban roads with large longitudinal slope by using porous belt. A physical experiment model of urban single lane road was built in laboratory. The intercept rates of porous belt under different widths of porous belt and rainfall design return periods were systematically investigated via artificial rainfall process, and the intercept rate of porous belt was compared with that of traditional road grate inlets. The experimental results showed that under the same porous belt width, the stormwater runoff intercept rate decreased with the increase of the return period; under the same design return period, the stormwater runoff intercept rate increased with the increase of porous belt width. When the design return period was five years, the porous belt ratio increased from 12.5% to 50%, and the stormwater runoff intercept rate increased from 72.3% to 79.3%. Compared with the traditional grate inlet, the stormwater runoff intercept capacity could be increased about 30% when the road equipped with porous belt. Therefore, the urban roads with large longitudinal slope could improve the interception efficiency of stormwater runoff by setting porous belt, according to the characteristics of road spatial layout.

Keywords: urban road with large longitudinal slope; porous belt; stormwater runoff; grate inlet

DOI:10.13205/j.hjgc.202006025

收稿日期:2020-05-14

基金项目:国家“十三五”水体污染控制与治理科技重大专项课题(2017ZX07103-002)。

第一作者:李璐菡(1994-),女,硕士研究生,主要研究方向为城市雨水控制利用。liluhanoffice@163com

*通信作者:王建龙(1978-),男,教授,博士,主要研究方向为城市雨水控制利用。wjl_xt@163.com