Innovative Design and Consideration of Permeable and Drainage Pavement in Sponge City Construction XIA Peng, ZHANG Xiaoyuan 浙江理工大学
摘要：考虑到海绵城市透排水路面材料因内部空隙较大，相比普通路面承重能力低，一旦路面中某一部分被压实，透排水效率会大大降低，从而影响海绵城市功能和使用寿命。根据已有道路常与不常受压区的分布调查，对透排水路面从结构上进行了改进设计和思考，提出了一种新型透排水路面结构，以延长海绵城市路面使用寿命的目的。
1. 背景
现有多数城市排水系统主要应对小到中等的降雨规模，而遇到降雨量较大时，常常发生城市内涝，造成道路通行能力下降，从而引发交通拥堵和事故。另外，城市道路目前以不透水路面为主，也会造成城市空气湿度降低，加速热岛效应形成。针对存在的问题，海绵城市的概念被提出。海绵城市在适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面有良好“弹性”，也被称之为“水弹性城市”。国际通用术语为“低冲击开发雨水系统构建”，即下雨时吸水、蓄水、渗水以及净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用。
我国对海绵城市建设极其重视，早在中华人民共和国第十二届全国人民代表大会第五次会议上，李克强总理在政府工作报告中提到：启动消除城区重点易涝区段三年行动，推进海绵城市建设，使城市既有“面子”，更有“里子”。海绵城市建设对减少城市内涝、调节城市空气湿度和温度有极为重要的作用。
海绵城市设计中，极其重要的一环就是降水能高效渗透路面，目前国际上较流行的做法是用透水砖或有透排水功能的沥青路面铺装。虽然这些措施在排水效率上取得了一定效果，但铺装材料空隙较大，造成透排水路面抗碾压能力不及普通密实混合料强，当车辆长期碾压下路面行车道易出现沉降变形，导致道路出现坑洞、凸起及车辙等病害，从而严重影响透排水路面功能，使海绵城市内水循环效率大大降低。由于透排水路面抗碾压能力低，其设计大多分布于一些景区和公园内人行道，而城市机动车道路上的应用还较少。
对此，结合普通路面的良好抗压性和透排水路面的功能性特点，考虑设计一种新型透排水路面结构，既能使降水快速渗透路面，又能保持道路抗压耐久性，将对延长海绵城市功能有重要意义。
2.原材料选择
根据《透水沥青路路面技术规程》规定，透排水路面结合料一般用高粘改性沥青或普通沥青，粗集料一般用碎石，细集料包括天然砂、机制砂等，且细集料应保证清洁干燥和有一定级配。路面混合料中矿粉则须用石灰岩或岩浆岩中强基性岩石等憎水性石料，并经磨细得到。
表1不同结构类型透水路面适用范围
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此外，原材料还包括水泥、添加剂等。根据我国相关规程，现有透水沥青路面结构主要有三种，这三种路面结构内部分层不同，对应不同适用范围，如表1所示。由于本文新型透排水路面结构主要适用于城市道路和城际公路中，所以由表1可知，所选路面的渗透排水区域可选用Ⅰ型或Ⅱ型透水路面结构类型。
3. 主要设计内容
考虑到透排水沥青路面因空隙大，与普通沥青路面相比，抗碾压能力不强，而一旦路面中接近一半部分被压实，透水效率会大大降低，路面渗透排水而变为地表径流排水。为避免出现因车辆碾压而造成排水效率低下问题，本文提出了将负责渗透排水部分区域避开作为道路受压区的设计思路。
经调查发现，道路中每个车道的车辆碾压区呈长条状，且以车道中轴线对称分布，除了这两块区域外，几乎很少承受来往车辆的碾压。若白天站于马路旁会清晰观察到每条车道表面呈“条纹状”，如图1（a）和（b）所示，即平时较少承受车轮碾压的部分表面粗糙，阳光下颜色略微发暗，受车辆碾压概率较低，所以跟刚铺设道路表面相似；而常承受车辆碾压区域，因轮胎和路面长时间摩擦，加之车辆碾压，导致这部分区域表面较光滑，阳光下颜色较浅，路面使用时间越长这两块区域之间界限越明显。
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（a） （b）
图1 经车辆常碾压区和不常碾压区的路面差别
进一步结合大量观察与测量，可发现每条受压区域大致宽度为0.6~0.8m，每条车道内两块受压区域中轴线间距离为1.6~1.8m，即受压区域边缘靠近该车道中轴线边缘距离约0.5m。以一个3.5m宽车道为例，每条受压区即常承受车辆碾压区的大致宽度为0.8m，两受压区间距离约1.0m，如图2所示。
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图2 常受压区与不常受压区分布状况
若考虑整体铺设透水沥青路面方案，常受压区混合料透水空隙会因车辆碾压而密实，该区域排水效率将大大降低，随路面使用时间延长，混合料中排水空隙逐渐压实，路面形成一条条无排水功能行车带。遇到较大降水时，道路内部易出现一个个封闭存水区域，因水长时间滞留混合料空隙内，不仅会降低排水效率，也会因混合料长期浸泡，其强度降低，路面寿命随之缩短。特别是遇特大降雨时，路面极易造成大量积水，对出行人员造成安全危害。
对此，我们提出了路面常受压区用强度较高普通沥青混合料，而不经常受压区铺设透排水功能沥青混合料，两区域间由透水土工布进行分隔，然后在主要受压区下铺设排水管道的方案。其中，土工布可阻挡透排水区碎石入排水管道造成的堵塞，实现路面下雨水连通和循环，且排水管道也可减小路面下土壤吸收降水的压力，尤其遇大暴雨时，土壤渗透吸收能力有限，难以及时吸收路面渗透进的降水，这时设计的排水管道，将部分雨水排到道路两边排水盲沟内，再汇集到城市中负责收集降水的固定区域，可实现后续净水及统一排放。
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图3 新型透排水路面结构剖面图
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图4 新型透排水路面结构平面图
图3~4中为新型透排水路面结构，分别表示一条四车道的平面图和剖面图。黄色竖线是车道间分界线，图示可见每条车道内普通沥青混合料和透排水沥青混合料交替布置，中间由土工布分隔其中透排水部分，除了透水沥青混合料，还包括透水沥青面路内所需原材料，具体种类和分层情况，可从《透水沥青路路面技术规程》中选择透水结构类型，作为新型透排水路面中不常受压区内部结构。
4.尺寸设计
普通沥青路面铺设宽度：普通沥青路面铺设面积约占道路总面积的50%，即每条承压区普通沥青混合料的铺设宽度可取路面每个行车道宽度约25%。以3.5m宽路面为例，每条受压区宽度可取值0.8m，但具体数值还应根据当地降水和施工条件，在25%或0.8m的基础上作调整，确定具体数值。
透排水沥青路面铺设宽度：透排水沥青路面铺设面积约占道路总面积的50%。以3.5m宽路面为例，中间排水区域可取约1.0m宽度，且要求排水区域中轴线与路面中轴线重合，如图5所示。
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图5 车道沥青铺设图 图6 车道剖面图
排水管道的尺寸：排水管道只铺设于无透水功能普通沥青混合料下，起到连通透排水区域和辅助土壤吸收降水功能，如图6所示。排水管道铺设越密集，路面下渗透降水流动越快，将有更多水最终汇聚到路边排水盲沟中，留给路下土壤吸收的降水就越少，补充地下水的功能就越不明显，但道路可承受的降水量也更大，抗洪能力更强。各地区可根据当地情况决定铺设间距，如地处西北干旱区，对补充城市地下水的需求更大，可适当增大铺设间距；地处东南地区，对城市抗洪涝功能需求较大，可使排水管道铺设更密，口径可稍大。此处给出一个供参考数值：间距约0.5~1.0m，内径约100~200mm。
铺设厚度：道路结构在夯实土基层上铺设厚度是由中间向两边逐渐增大，中间最薄处不小于360mm，两边最厚处不大于700mm。此厚度还应结合《透水沥青路路面技术规程》，选择的内部结构如Ⅰ型或Ⅱ型透水路面，再确定具体数值，但应保证不同区域间一定流动性。
5 . 结语
针对现有海绵城市建设中存在的透水路面空隙大而易被压实的问题，本文提出了新型透排水路面结构设计和思路，以提高透排水路面使用寿命和排水效率。此外，提出的设计方案主要可应用于城市防洪抗涝以及补给城市地下水等方面，设计中的具体尺寸和材料种类需结合当地自然条件、施工条件及具体的修建目的而定。
作者简介：
夏鹏，浙江理工大学建筑工程学院，本科生
XIA Peng, Zhejiang Sci-Tech University, School of Civil Engineering and Architecture, Undergraduate；
张小元，浙江理工大学建筑工程学院，讲师，邮箱：xyzhang@zstu.edu.cn
ZHANG Xiaoyuan, Zhejiang Sci-Tech University, School of Civil Engineering and Architecture, Lecturer; Email: xyzhang@zstu.edu.cn