城市快速干道综合排水系统的设计

刘朴1，孔庆伟2，陈祖军3，韦鹤平3，钟迪锋4

(1.上海浦东工程建设管理有限公司，上海200127；2.上海市政工程设计研究院，上海200092；
3.同济大学环境科学与工程学院，上海200092；4.浦东新区环保局，上海200135)

　　摘　要：上海浦东新区城市快速干道综合排水系统的设计，改变了传统的道路排水只考虑路面径流的简单做法，而是将路表面、路面结构内部和路基(包括中央绿化带)排水作为一个综合系统来考虑。路基和路面结构内部排水系统的设置，增大了道路排水的径流系数，应根据快车干道不同于一般城市道路的特点，合理确定暴雨设计重现期、径流系数和汇水面积，优化排水系统的设计。
　　关键词：城市快速干道；排水系统；径流系数；设计
　　中图分类号：TU992.03
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2001)05-0039-06

　　城市快速干道(或称快速路)是解决城市长距离快速交通运输的动脉，是城市道路中质量等级最高、投资较大的骨干道路。近年来浦东新区已相继建成了远东大道、迎宾大道、环南一大道(上海市外环线一部分)、罗山路延长线等快速干道，这些干道红线宽度为80～100 m，设计时速80 km/h，设双向6至8条机动车道。位于开发区、城市郊区或边缘地带的快速干道一般不设非机动车道和人行道，红线内除车行道外其余部分均布置绿化，道路绿化面积率较大，最高可达68%，中央分隔带宽度为6～16 m，道路红线外两侧还保留有20～100 m的林带。
　　大面积绿化使道路的排水设计不仅要考虑常规的路面排水，还要考虑绿化带下渗雨水的排除，否则大量的下渗雨水集聚在路基内就会对路基产生损害。浦东新区属浜、海、河网地区，原地面标高相对较低(一般标高为4.00 m左右)，而地下水位较高(常年地下水位标高为3 m左右)，其路基排水不仅要考虑绿化带下渗雨水，而且还要考虑隔断或降低地下水位以保持路基的干燥。新建路面需设置各种接缝，路面在使用期间又会出现各种裂缝，雨水有可能通过裂缝渗入或下渗到绿化带后再侧向渗入路面结构内部。为了将积滞在路面结构内的水分迅速排除到路面和路基结构外，以利于减少或避免水损害，提高道路使用寿命，近年来已在浦东的几条快速干道成功地设置了路面内部排水系统试验段，并将进一步推广使用。因此，快速干道的排水设计应包括路面表面、路基(包括中央绿化带)和路面结构内部等排水系统组成的综合排水系统。现行的《室外排水设计规范》(GBJ 14—87)只涉及到路面表面排水，《城市道路设计规范》(CJJ 37—90)对路基排水虽有涉及，但规定不具体，对路面结构内部排水也未涉及^［1］。笔者根据浦东新区近年已建成的几条快速干道建设经验，对城市快速干道综合排水系统的设计作些研讨，并提出若干建议。

1　路面排水

　　由于浦东地区地下水位较高，河网发达(部分河道有通航和疏浚所需的净空要求)，道路工程中跨河桥较多，为了保持路基的稳定性和桥梁纵向线型的要求，大部分路段为填方，而道路路面的排水与道路的横断面及绿化土方的布置有关。图1所示为浦东新区快速干道几种常见的横断面布置形式(以100 m道路红线为例)，从图1(a)→(b)→(c)，两侧绿化带填土渐多，绿化景观效果渐好，但工程造价亦渐大。

　　城市快速干道为了保持车行道的平整度和行车舒适性，一般不将雨水管布置在快车道下，而将其放在两侧绿化带内靠近车行道侧石较近的位置(一般相距2.5 m)。为了道路绿化景观的需要及其他一些因素的考虑(如预留城市轨道交通位置)，中央绿化带一般较宽(6～16 m)，并布置成凸形，以利雨水坡流至两侧快车道。在城市快速干道的路面排水设计中，应当注意下述问题。
1.1泄水范围
　　浦东新区已建的几条城市快速干道(如外环线)大多位于城市边缘地带(郊区)，且采用全封闭全立交的形式，道路红线处像高速公路那样设置禁入隔离栅，且道路红线外一定的距离(20～100 m)均有规划的林带，道路设计由于要防止地下水对路基的侵蚀，最低路面设计标高要比原地面标高超出0.5～1 m，因此一般城市边缘地带(郊区)的快速干道路均设独立专用的排水系统，不考虑沿线地块雨水的进入。快速干道红线内的泄水范围受道路横断面布置特别是两侧绿化土方的坡向有关。图1所示的(a)边坡式和(b)前置式断面，泄水范围小，仅为快车道和中央绿化带；两侧绿化带的雨水坡流至红线内的边沟，边沟设置一定的纵向坡度，雨水经边沟汇集后分段排至附近的河浜。图1(c)所示的后置式断面，泄水范围大，为整个红线内的路幅。对于图1(a)和(b)的道路断面布置形式，也可以通过工程措施达到道路红线内全幅排水的目的，图2就是将道路两侧红线处的边沟做成水泥铺砌式，每隔一定的距离埋设横向连管与雨水窨井接通，将边沟的雨水再逆向接入道路排水系统。由于横向连管与道路两侧绿化带下埋设的公用管线在标高上难免有矛盾，且两侧绿化带的折返式排水水力条件不顺，横向连管的设置相应增加排水工程造价，这种排水改进方案一般不被采纳。值得注意的是，目前在浦东新区快速干道的设计中，不管道路断面采用哪种形式，其排水范围均按道路红线宽度甚至再加两侧各20 m的区域是不合理的，这造成了某些干道排水管径不必要的增加而浪费投资。

1.2　径流系数
　　根据《室外排水设计规范》(GBJ 14—87)，汇水面积的平均径流系数按地面种类加权平均计算^［2］；区域的综合径流系数市区按0.5～0.8，郊区按0.4～0.6采用。
　　快速干道由于一般设置专用排水系统，且地面铺砌性质已经明确，其径流系数不应采用区域综合径流系数，应结合道路的不同断面形式，根据雨水管实际服务范围内道路的地表种类按面积加权平均计算。目前，在浦东快速干道工程设计中，排水径流系数按小区排水设计中普遍采用的区域综合径流系数＝0.6取值是不合理的。
　　根据图1所示不同形式的断面，由于雨水管的泄水范围不同，快速干道的平均径流系数有所不同。对于图1(a)和(b)断面，其平均径流系数为：Ψa,b＝(32×0.9+16×0.15)/48＝0.65；对于图1(c)断面，其平均径流系数为：Ψc＝(32×0.9+68×0.15)/100＝0.39。
1.3设计重现期
　　根据《室外排水设计规范》(GBJ 14—87)，重要干道的雨水管渠的设计重现期一般选用2～5 a，这与《城市道路设计规范》(CJJ 37—90)中有关快速路的排水设计重现期2～5 a相吻合。但目前浦东新区已建成的几条快速干道的排水设计重现期仍按一年一遇考虑，低于“规范”的规定值，这可能是基于两个原因：
　　①重现期对系统的设计流量影响不大。上海市市政局曾组织过对浦东地区排水设计重现期课题的研究，该研究选取了浦东某小区的雨水排水系统，泄水面积约300km²，采用上海地区暴雨公式［(q＝5544(p^0.3-0.42)/(t+10+71gp)^0.82+0.071gp(1/s.ha))］ 在一系列相同条件下，按重现期(q＝1、2、3、5)分别计算出系统(泵站)的设计流量为14.4、16.8、19.2、24.0m³/s，即2、3、5年重现期的设计流量分别是1 a重现期的1.17、1.33、1.66倍。②上海及浦东新区城市排水规划规定，绝大部分地区暴雨重现期采用一年一遇的标准，仅对如陆家嘴中央商务区(CBD)等特别重要地区才采用三年一遇的重现期。为了与一般地区排水设计标准一致，故目前浦东快速干道还是沿袭上海市常规的一年一遇的设计重现期。

2　路基排水

　　在浦东地区由于地下水位较高，为了减少道路填方量，降低工程投资，路基设计标高离地下水位较近，如果在施工时不开设纵向明沟和横向盲沟，加强路基排水，降低地下水位，路基的压实度难以达到标准。在快速干道的土路基中设置盲沟系统，既可施工时排水，又可控制工后地下水位(毛细水)上升，保持路基干燥以防止道路水损害的发生。快速干道比一般道路具有更宽的中央绿化分隔带(6～16 m)，绿化带里85%的降水(径流系数为0.15)渗入土层，沿着道路横坡渗流到路基和底基层内产生危害。在中央绿化带里设置碎石盲沟，预埋透水管将其渗透雨水引入盲沟系统排放，则可以减少甚至避免以上问题的发生。因此，快速干道的盲沟系统兼有多重功能，特别是能有效排除绿化带的下渗雨水而被广泛采用。

　　图3为浦东新区快速干道普遍采用的盲沟系统，在路基30 cm石灰土垫层下设置横向碎石盲沟，尺寸为30 cm(宽)×40 cm(深)，横向盲沟间距为17.5 m(与窨井的间距为35 m相对应)，横向盲沟坡度同道路横坡。纵向盲沟设置4道，布置在中央绿化带和绿化带内靠近侧石的地方。中央绿化带盲沟断面尺寸为倒梯形(上底为0.8 m、下底为0.4 m、高为0.4 m)，两侧绿带盲沟尺寸为0.4 m(宽)×0.7 m(深)，坡度同道路纵坡。为了防止土壤颗粒随水流进入盲沟系统堵塞盲沟碎石孔隙，盲沟均外包能渗水的无纺土工布。为了增加泄水能力，在盲沟内又埋设了8 cm软式透水管，最大限度地保证盲沟系统的排水能力。中央绿化带的渗透雨水(占盲沟排水的绝大部分)和路基内由地下水上升的毛细水通过纵、横盲沟收集后，由15 cm的PVC管将盲沟系统的水引入雨水窨井内。为了避免部分雨水不
　　通过盲沟而直接渗入路面结构层内和石灰土路基内，最好在中央绿化带一侧的路基边坡上铺上一层涂沥青的防渗土工布(或其他隔水材料)，使绿化带的雨水能完全进入盲沟系统，其排水效果会更好。
　　在研究盲沟排水系统方案时，曾有专家建议不要保留永久性碎石盲沟，特别是横向盲沟，因为横向盲沟上接绿化带排水，下连道路雨水管，将绿化带的雨水引入路基下有一定的风险，一旦盲沟堵塞、排水受阻，绿化带的雨水就通过路基下的盲沟上升到石灰土路基，从而对路基及路面结构产生水损害。另外，由于盲沟与雨水管相通，浦东新区的内河最高水位可达3.9 m，如果道路排水不设泵站抽排而自排至河道，在极端高水位下河水有可能倒灌入盲沟对路基面结构产生水损害。因此，盲沟既能排水也可以滞水，关键是通过各种措施，如在盲沟碎石外面包土工布，里面设软式透水管，保证盲沟系统通畅，另外在雨水受纳水体水位较高时，最好设泵排，以防受纳水体高水位时雨水倒灌。
　　近年来有人提出在盲沟与雨水窨井连接管上设置逆止阀，以便在窨井达到一定水位时能自然关闭以防倒灌。由于阀门较小且又是通过机械传动而关闭很容易损坏，另外当逆止阀关闭时，中央绿化带的下渗雨水由于没有排水出路，更加剧了通过横向盲沟对路基路面的渗透，同样造成水损害。因此该逆止阀还没有在工程上得到推广应用，盲沟的排水宜疏不宜堵。

3　路面结构内部排水

　　对于像上海等南方多雨城市，大量的路面损坏状况调查和路面使用经验表明，进入路面结构内的自由水是造成或加速路面损坏的重要原因，雨水通过新建路面的接缝(如伸缩缝等)或者运营一段时间后所出现的裂缝、松散、坑槽等病害处或者面层孔隙下渗到路面结构内部。此外，道路两侧有滞水时，水分也有可能侧向渗入路面结构内部。设置路面排水系统，将积滞在路面结构内的水分迅速排除到路面和路基结构外，有利于改善路面的使用性能，提高使用寿命。国外的一些研究表明，设排水基层的路面，其使用寿命要比未设的提高30%(沥青混凝土路面)和50%(水泥混凝土路面)左右。排水基层排水系统是浦东新区快速干道路面结构内部排水的主要形式，见图4。

　　该方案采用透水性材料做基层，使渗入路面结构内的水分先通过竖向渗流进入排水层(沥青碎石透水层)
，然后横向渗流进入侧平石下的多孔水泥碎石，再渗流进入埋置在其中的纵向PVC穿孔集水管，集水管设置一定的坡度，沿途汇集渗入路面结构的自由水，再将集水管与雨水口井接通，排入路表雨水排水系统。
　　排水基层由经水泥或沥青处置、不含或含少量(＜10%)粒径为4.75 mm以下细料的碎石组成，石料应选用洁净、坚硬而耐久的碎石，其压碎值＜30%，最大粒径可为20 mm或5 mm，并不得超过层厚的2/3。碎石级配应满足透水性要求(渗透系数＞300 m/d)，可通过常水头或变水头渗透试验确定。排水层的厚度视需要排泄的渗入水量和所选透水材料的渗透系数而定，一般为8～15 cm。根据国内外的有关路面表面渗入率的试验测定，《公路排水设计规范》(JTJ 018—97)建议路面雨水设计渗入率按以下考虑：对于存在接缝和裂缝的水泥混凝土按Ic＝150 cm³/(h·cm)取用；对于面层透水或存在龟裂的沥青路面按IA＝0.625cm³/(h·cm²)取用。表面水渗入路面结构的量，按路面类型通过计算确定［3］。

4　讨论

　　在浦东新区城市快速干道的排水工程设计中，已将路基、路面结构内部和路表面的排水作为一个综合系统来考虑，路基和路面结构内部排水最终都排入路面排水系统内，这必将对道路排水系统的设计产生一定的影响。设置完善的盲沟和路面结构内部排水系统，使中央绿化带和路面的下渗雨水随路表面雨水及时排出，等于提高了车道路面和中央绿化带的径流系数。由于目前对盲沟系统和路面结构内部排水系统分别对中央绿化带和沥青路面下渗雨水的排水效果还缺乏定量的研究，它们对道路径流系数的影响还难以量化表达。不过笔者根据已建成的试验路段初步推测，设置盲沟(软管)系统后，至少可以将中央绿化带的下渗雨水排除70%，即将中央绿化带的径流系数由0.15提高至0.15+0.85×70%＝0.745；设置路面结构内部排水系统后，至少可以将路面下渗雨水排除50%，即将路面径流系数由0.9提高至0.9+0.1×50%＝0.95。对于图1所示的几种断面，由于在土路肩下设有纵向盲沟(透水管)，图1(a)、(b)土路肩的下渗雨水也可以流入下水道，泄水范围应包括土路肩，其径流系数为0.85×70%＝0.6；图1(c)土路肩的径流系数同中央绿化0.15+0.85×70%＝0.745。考虑路面结构内部和盲沟系统排水效果后，应对前述的路面排水的平均径流系数修正为：Ψ′a、b＝(32×0.95+16×0.745+2×3×0.6)/(32+16+6)＝0.79，则Ψ′a、b＝1.23Ψa、b；Ψ′c＝(32×0.95+22×0.75+46×0.15)/100＝0.54，则Ψ′c＝1.38Ψc。
　　综上所述，在浦东快速干道的排水设计中，径流系数(Ψ)取值偏小，设计重现期(P)取值亦比规范值小，从而使设计暴雨强度(q)偏小，由前述可知，三年一遇的暴雨强度是一年一遇的1.33倍，即按规范取值修正后的q′＝1.33q；但在设计中泄水面积(F)偏大，以图1(b)所示的断面为例，设置盲沟系统和路面结构内部排水系统后，其修正后的实际泄水面积F′与设计中所采用的泄水面积F(按红线宽为100 m考虑)的比值
为：F′/F＝(48+6)/100＝0.54，F′＝0.54F，根据雨水设计流量公式Q＝q×Ψ×F，可得Q′＝q′×Ψ′×F′＝1.33q×1.23Ψ×0.54F＝0.88Q。可见，设计流量值与按规范和实际需要所修正的流量值有一定的差距，浦东快速干道的排水工程设计还有待于进一步的优化。

5　结语

　　①浦东新区城市快速干道的排水设计，考虑了路基、路面结构内部和路表面的排水，三者构成了一个综合排水系统，有利于提高道路的使用性能和寿命，这是对传统排水设计的一次突破。
　　②应根据快速干道不同于一般城市道路的特点，在快速干道综合排水系统的设计中，应合理确定暴雨设计重现期(P)、径流系数(Ψ)和汇水面积(F)，准确计算暴雨设计流量，以优化排水工程的设计。
　　③在快速干道的土路基里设置盲沟系统，具有施工时排水、控制施工后地下毛细水上升和排除中央绿化带雨水的多重功能。中央绿化带的下渗雨水通过路基盲沟排水系统将其排入路表面排水系统。
　　④浦东新区城市快速干道通过设置排水基层以排除路面结构内部水分，并排入路表面排水系统，对于一个有效的排水基层，应该使排水基层的泄水能力大于路面结构表面水的渗入量。
　　⑤路基和路面结构内部排水系统的设置，提高了快速干道的径流系数。应结合工程实践，通过对该两个排水系统排水效果的检测，尽快开展对快速干道综合排水系统径流系数的研究，以指导工程设计。

参考文献：
　　［1］城市道路设计规范(CJJ 37—90)［M］.北京：中国建筑工业出版社，1997.
　　［2］室外排水设计规范(GBJ 14—87)［M］.北京：中国计划出版社，1998.
　　［3］公路排水设计规范(JTJ 018—97)［M］.北京：人民交通出版社，1998.

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收稿日期：2001-02-20