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市政道路在海绵城市建设中的作为
来源:admin    发布日期:2017-06-16    点击次数:384次

海绵城市是指城市能够像海绵一样,在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”,下雨时吸水、蓄水、渗水、净水,需要时将蓄存的水“释放”并加以利用。

海绵城市的提出旨在解决我国水资源匮乏、水资源污染、水生态破坏、城市内涝等严重制约我国经济社会发展和城市居民生命安全等长期面临的突出问题,改变传统粗放式的城市开发模式,城市规划、建设、管理都本着雨水自然循环理念,规避不透水屋面、地面等基础设施对雨水自然渗透和积存的不利影响,采用一系列自然和人为的修复措施,充分利用自然降雨,减小地表径流,消弱内涝威胁,进而改善城市微气候,缓解城市“热岛”效应,解决困扰我国城市发展的水危机。

海绵城市是习近平总书记于20131212日在中央城镇化工作会议上初次提出的,其建设的核心指导思想是低影响开发(LID)模式。LID模式主要是将透水铺装、绿色屋顶、渗透塘、雨水湿地、蓄水池、植草沟、植被缓冲带、初期雨水弃流设施等一系列低影响设施,根据不同区域的水文地质、水资源等特点进行组合,实现雨水的储存、过滤和净化。在减少暴雨期间雨水峰值的同时,促进雨水的下渗,补充城市地下水;与此同时,暴雨径流量的减少以及LID设施对雨水的过滤净化,也减少了城市大雨所带来的面源污染。

海绵城市核心要素

海绵城市的核心实质上就是合理地控制降在城市下垫面上的雨水径流,使雨水就地消纳、吸收和利用。那么,怎么来实现呢?以下从“渗、滞、蓄、净、用、排”这六大要素探讨海绵城市建设的实现方法。


由于我们城市下垫面过硬,密不透水,到处都是水泥或密级配沥青混凝土,改变了原有自然生态本底和水文特征,雨水不能够形成自然渗透;而通过直排快排的方式流经集中设置的雨水管道及硬化的河渠,最终汇入大海,既浪费了宝贵的自然水资源,同时又增加了城市排水管网的运营压力,造成了“城市观海”的现象发生,“热岛效应”也日趋严重。

因此,要加强自然渗透,就是要通过对市政道路、人行便道、停车场、广场、城市管网、水工构筑物等传统结构进行优化,将雨水传统处理方法中的“封、堵、排”改为“渗、蓄、用”。具体可采用全透水道路结构、透水砖、透水混凝土、生态微渗河渠等技术使雨水通过优化后的结构层自然渗透、自然积存、自然净化,最终达到降低雨水径流、补充地下水、改善微气候的目的。国内排水路面较多采用OGFC沥青路面和透水水泥混凝土路面,然而传统的基层材料对水和温度的变化较为敏感,容易造成早期水损坏等,进而使路面结构出现开裂、唧浆、沉陷等问题,因此在推广应用中受到了束缚。此外,透水路面在后期运营中出现孔隙堵塞等问题,也是工程师们需要解决的问题。但是,作为海绵城市建设中在“渗”这个环节发挥重大作用的透水路面结构,仍将成为未来道路、广场等的主要改造方向和技术手段。关于“渗”的实现,目前国内一部分业内人士的解读过于狭隘,其实它不仅包含传统意义上的道路、广场等基础设施,还包含了绿色屋顶、渗井、渗渠、渗透塘、绿地等的建设,点、线、面、体四位一体,形成完善的渗透系统。


“滞”的主要作用是延缓短时间内形成的雨水径流量,消减洪峰流量和径流总量,在海绵系统中起到缓冲作用。可以广泛采用绿色屋顶、生态滞留区、植草沟、植物缓冲带等。

比如说,避免采取填湖造地、截弯取直等破坏生态环境的管理措施,通过自然微地形调节,让雨水慢慢地汇集到一个地方,用时间换空间,消弱城市内短历时强降雨对下垫面产生的冲击,避免快速径流导致的内涝。因此,“滞”非常重要,要做到规划、设计、建设、管理的高度统一。


通过“渗”和“滞”两大途径,将大部分的雨水留存下来,可以依据自然地形地貌因势利导,分散布局下沉式绿地、雨水花园、蓄水坑塘、湖泊、河流、湿地或工程调蓄设施,减少集中排水,合理设计坑塘形式,使其具有调蓄、错峰、抽提水体等功能。下沉式绿地、雨水花园、蓄水坑塘等可种植芦苇、青萍、凤眼莲等具有净化水质特性的水生植被;若采用工程调蓄设施宜兼备自净化系统或微渗透功能,以免蓄水设施中的水因长期存储发生腐臭。


通过土壤的渗透,以及植被、绿地、水体、膜结构等的作用,都可使水质净化,还可以根据不同区域的不同雨水污染物含量等,采用物理或化学的方法对雨水进行净化。对于处理难度较大的水质,需通过污水管线排至专门的污水处理厂,进行深度处理。


我国的水资源总量并不丰富,人均占有量更低,约占世界人均总量的1/4,加上地区分布不均,水土资源不相匹配,所以不管是丰水地区还是缺水地区,都应该更加重视对自然降水的利用。可将蓄用结合、蓄净用一体的模式,优先用于城市景观绿化、鱼塘补水、道路喷洒、混凝土拌和等适用非饮用水的领域,减少对城市自来水的浪费;亦可根据水质状况补充地下水,避免地面沉降、海水倒灌、河湖干涸等问题发生。地下水过渡开采所造成的漏斗现象在北方十分严重,尤其是河北地区,已成为全国最大的地下水漏斗,如何科学高效地将自然降水利用起来已迫在眉睫。


城市内涝是由于骤雨急降,集中排水不能短时完成所引起的,受降雨强度、地形地貌、道路设施状况、排水系统等的影响。“排”的思想是改传统的“点排”、“线排”为“面排”、“体排”,通过前述的“渗、滞、蓄、净、用”等一系列人工和自然的结合、生态措施和工程措施的结合、地上和地下的结合方式,使雨水自然渗透、自然积存、自然净化,最终达到尽其所用、畅其所行、排其所弃的目的,从而有效解决城市内涝和水体黑臭等问题,调节微气候,改善水生态。

透水铺装技术

市政道路主要参与海绵城市“渗”的环节建设,而透水铺装技术则是重要“武器”。目前国内道路透水铺装材料主要有:透水沥青混凝土、透水水泥混凝土、多孔改性水泥混凝土、碎石渗水层、泡沫混凝土、透水砖以及其他有机物组合而成的具有较大孔隙率的材料。

(1)透水沥青路面是开级配沥青磨耗层的简称,是一种典型的透水沥青路面,具有较大的孔隙率,能够一定程度上降低路面噪声,在雨天使路面雨水迅速下渗并沿下封层表面横()坡流到边沟排除,从而消除路面积水,减少行车水雾,消除夜间车灯的眩光,提高行车安全性。在水稳定性好的路基上,配合透水基层可建设高标准的全透水道路结构。目前交通部公路科学研究院、长安大学、东南大学、邢台路桥建设总公司等对透水沥青路面进行了长期深入的科研攻关,形成了大量的实体工程,并取得了一系列的科技成果,为我国排水路面的应用提供技术和材料支撑。

(2)透水混凝土又称多孔混凝土,是由骨料、水泥和水拌制而成的一种多孔轻质混凝土。它不含细骨料,粗骨料由表面包覆的一薄层水泥浆相互粘结,形成孔穴均匀分布的蜂窝状结构,具有透气、透水和重量轻的特点。

(3)多孔改性水泥混凝土又称单一粒径多孔改性水泥混凝土,是由水泥、单一粒径集料、水和改性剂混合固结而成的有连通孔的材料,孔隙率大于23%,是一种透水性强、承载力高、韧性好、施工简便、经济耐久、耐高温、抗冻融的新型免碾压路面基层材料。

(4)碎石渗水层采用不需要级配设计的卵石、碎石等材料组成透水性结构,其施工简便、透水性强、水稳定好,配合沙垫层等施工便道或排水沟渠,就能兼备净化、过滤水质的功能。

(5)泡沫混凝土是用物理方法将发泡剂水溶液制备成泡沫,与必须组分水泥基胶凝材料、水,及可选组分集料、掺和料、外加剂,按照一定比例混合搅拌,并经物理化学作用硬化形成的一种轻质微孔混凝土材料,它内部含有大量细小、封闭、均匀的气孔。

(6)透水砖分为水泥混凝土透水砖、砂基透水砖、陶瓷透水砖、聚合物混凝土透水砖等,也是多孔隙结构,可广泛用于广场、非机动车道等场所。

道路透水铺装能提供并保持良好的表面抗滑特性(其摩阻性在使用期可保持不变),而传统的磨耗层表面特性会随着交通荷载的作用逐步降低;路面没有残留水,几乎可以消除水雾;能减少潮湿状态下前灯的眩光,有利于改善能见度,减轻驾驶疲劳;消除了普通路面雨中的溅水现象,有利于行车安全。铺筑排水路面也是一种代替防音墙缓减交通噪声的合理方案,经研究,排水路面较普通沥青路面可降低噪声3~5dB,可以说是一种环保型的沥青路面。由于雨水透过排水面层,在路表产生无连续的水膜,故可防水漂。即使长时间下雨,也可使排水路面空隙饱和,由于路面的多孔结构,使得车辆与轮胎间不会产生水压,所以仍然不会发生水漂。

国外研究表明:与密级配热拌沥青混凝土和普通水泥混凝土路面相比,排水路面具有优良的抗滑性,使得雨天交通事故大大减少。日本道路公团的资料显示,高速公路铺筑的排水沥青路面较普通沥青路面,每年交通事故量从2900多起降低到400多起。邢台路桥建设总公司在大广高速公路和邢台市南二环快速路等排水沥青路面实体项目中做了大量的刹车试验,结果表明:排水路面的有效刹车距离较传统路面缩短了10%以上。这将大幅降低交通事故的发生率。

此外,多孔排水路面粗集料含量比较高,骨架作用显著,具有较高的抗推移与抗裂性能,路面不易变形和开裂。

透水沥青路面的缺点及解决措施

透水型沥青路面起源于德国,西欧在20世纪60~70年代开始研究、推广应用透水型沥青路面,各国的应用规模、所用沥青材料、级配等均有所不同;但通常使用改性沥青,排水功能层厚度在4~5cm,近年来的新技术是双层排水沥青路面。开级配抗滑磨耗层(OGFC)的应用以美国为代表,它起源于20世纪50年代的碎石封层;后学习引进欧洲的排水沥青路面技术,使用改性沥青,掺加纤维添加剂,使用更粗的级配,厚度增加,使空隙率增大到20%左右。日本20世纪80年代学习引进欧洲的排水路面技术,但由于不同于欧洲的高温等气候条件,日本研发了有针对性的高粘度改性沥青。

我国对透水型沥青路面的研究自20世纪90年代初期起。国内部分高校和研究所先后在收集国外资料的基础上做了一些尝试性工作,工程应用很少,上海、河北、黑龙江、广东等地铺筑了一些小规模的试验路段,但由于使用普通沥青,性能很差,未获得成功。2003年,陕西与日本公司合作,在西安机场路铺筑了约18km的排水型沥青路面,这是我国第一个大规模使用排水型沥青路面的工程,取得了很好的工程应用效果。

2001~2004年,交通部公路科学研究院与东南大学等单位合作完成了交通部西部项目《山区公路沥青面层排水技术研究》课题,并在重庆渝邻高速修筑了长3km的实体工程,试验了不同空隙率、不同改性沥青的多种排水性沥青路面,为排水沥青路面在我国的应用奠定了基础。2005~2006年,盐通高速成功铺筑了16.8km的排水性沥青路面,这条试验路也是目前我国南方高温多雨地区第一条大规模的排水性沥青路面实体工程,取得了丰富的研究成果。

透水沥青路面是透水铺装技术中适用性最强,也是应用范围最广和最具潜力的技术,在实践中,透水沥青道路可以和雨水回收系统、植草沟、渗透井、下凹式绿地等海绵城市建设的其他设备设施相结合。尤其是在旧城区的海绵城市建设改造中,无需对于绿地进行大规模动工,只要进行必要的改造与铺设,就能使透水沥青道路起到“渗”的作用。但是要使其在海绵城市建设中发挥更大的作用,仍然需要克服一些技术难题。

早期松散

松散的主要原因被认为是沥青膜厚度不足、粘结料的过度老化和冻融状态下沥青与集料间粘附性的丧失。

透水性路面的特殊结构导致了空气或水分更易活跃于结构层内部,这对沥青材料提出了更高的要求,即必须使用具备高粘度的改性沥青或采用在普通改性沥青中添加纤维等方法,使沥青能够均匀包裹于集料和粘结料周围,以防止集料的脱落飞散,且要具备抗老化、抗盐分等功能,能够有更好的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和耐久性等。合理选用矿质材料和采用沥青增粘改性剂,可提高沥青粘度,稳定级配,保持多孔路面结构的稳定性;同时要加强对材料及施工工艺的控制。我国石料质量参差不齐,急需对石料的质量管控形成完善体系,进一步规范骨料等的加工质量,使施工配合比近似于实验室配比,从而确保透水性路面的强度和耐久性。

空隙的堵塞

透水沥青路面优良的路用性能主要来自于较大的空隙率。在交通流和自然环境的作用下,透水路面的空隙率会逐年下降,或者空隙被堵塞,导致其优越性无法体现。

多孔沥青混凝土要优先考虑应用于高速公路、快速路等道路中,不宜用于重交通低速道路。因为这种道路使用几年后,由于表层空隙被堵塞,使混合料变成密级配,降噪的效果就会全部丧失。相反,车辆高速行驶时,水压将灰尘从路面孔隙中冲出来,减少了堵塞。道路研究人员应着力研发系统性透水结构层,不仅使面层透水,基层也应开发透水结构,同时可在基层中设计自清洁设备,以防止后期空隙堵塞。采用传统排水路面在运营期要加强路面的清洁养护管理工作,机械工程师们应集中精力研发出能够解决路面堵塞问题的设备,如可采用负压泵吸、高压冲洗等多种手段来解决后期空隙堵塞问题。目前德国、日本等国家已经设计生产出了成套设备,而我国也应当加紧相关设备的研发,形成具有我国自主知识产权的新产品,以满足我国海绵城市建设的需要。同时,材料领域的创新也急需突破,如采用特殊的亲水类材料使路面透水且能隔离杂物等。

较低的强度

大的空隙率会造成集料与集料之间的接触面积减小,势必引起材料强度的降低。有研究表明,多孔沥青混凝土的结构承载贡献约为密实沥青混凝土的50%

路面结构设计时,通常不考虑该层材料对结构强度的贡献,但也不能一味地通过加厚面层来弥补强度的不足;应提出科学合理、操作性较强的排水性沥青混合料配合比设计,通过流淌试验和飞散试验,确定最佳沥青用量,同时更要严格控制原材料质量,加强现场各工序施工控制。

较短的寿命

大的空隙率使得粘结料与空气、阳光的接触面积增加,因而粘结料随时间的老化速度比一般的密级配材料更快,耐久性相对较低,寿命较短。从各国的使用情况来看,透水路面的平均寿命在10年左右,交通部行业标准征求意见稿中给出的设计年限为8年。

一方面,可采用改性沥青提高结合料的抗老化能力;另一方面,在材料设计时,要增大沥青膜厚度,例如掺入一定量的纤维以提高沥青用量,使集料表面裹覆的沥青膜增厚。

与下卧层间的分离

透水性沥青混合料通常铺筑在道路的表面,以提高路面的行车性能,其下部结构仍采用各国常用的材料。透水性沥青混合料表面层与下层材料之间,不仅要有良好的粘结性,通常还需要密实不透水,确保表面层内的水不会进入下层结构中,对其造成破坏。如果施工周期过长,下层结构铺筑完毕后不及时铺筑表面层会使得下层表面被污染,影响层间粘结;或粘层油用量不足,也会造成透水性沥青混合料表面层与下卧层分离,随着行车荷载的作用,路面表面将出现拥包、推移等损坏问题,影响行车安全。

相应的措施是设计完善的结构。首先根据下卧层的表面纹理确定足够的防水粘层油用量,加强层间粘结。然后需要考虑充分发挥路面的排水功能,增加必要的附属设计,加快路面中水分排出,缩短水对材料的影响时间;或研发一种新型的结构体系,有效解决传统路面材料水损害等缺陷,如多孔改性水泥混凝土材料的研究改变了我国传统路面结构对水“封、堵”的处理理念,而采用特殊结构体系变“堵”为“疏”,解决了传统基层材料易发生水损害、抗冻融性差等问题,同时通过多孔结构增大了与面层的接触面积,免去透层设计,从根本上解决推移问题。

结语

针对透水性沥青路面所存在的种种问题,工程师和科学家们需要就技术创新作出大量的科研攻关和反复实践,以催生出适合我国气候特征、地域环境、交通流量等的新材料、新技术、新设备、新工艺。

海绵城市建设不是一个单一的目标,而是一个综合的目标,是城市发展理念和建设方式的转型,应该严格按照低影响开发模式去规划和建设海绵城市。而作为路桥行业的科研工作者和广大工程师们需要结合当前国家政策,做好海绵城市建设中涉及到本行业的创新工作,主要研究方向是排水式沥青路面、排水基层、透水混凝土、自洁净路面或相关的路面清洁设备。在城市建设中主干路、次干路的道路覆盖率较高,传统透水路面的堵塞问题和寿命问题严重影响其在城市道路中应用,故科研工作者们需要结合市场需求,重点在全透水道路、透水廊道、透水广场、透水停车场、生态微渗河渠等领域研发出一批具有我国自主知识产权的材料特殊、性能优越、价格低廉的新产品、新结构,方能满足我国海绵城市的建设需求。



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