基于低冲击开发模式道路设计研究-LID道路效果预测与评价.docx

基于低冲击开发模式道路设计研究-LID道路效果预测与评价LID 道路效果预料与评价 1.1 排水路面评价算例 排水路面发挥排水功能，事实上是路面功能对于降雨条件的响应。考虑到道路的主要功能是供应车辆通行，因而保证道路结构的承载实力、耐久性和平安性是道路设计的目标和前提。即便是排水路面等功能型路面，也应当以承载实力、耐久性和平安性为设计前提，对透排水性能进行验算并预料道路结构实际运用过程中的水文状况，对部分路面参数进行验算和调整调整，对道路在降雨状况下的限速供应建议。整个分析过程如图 1.1 所示，输入参数是道路材料与结构设计中设计的道路材料、结构参数；过程数据是在输入参数的基础上依据试验测试、阅历公式、规范规程等获得的，其目的是表征降雨过程中的道路水文响应；各个时段内路面结构中的水位是最重要的评价指标，或者计算出路面产生径流的强度和时间，以此评价道路的水文性质是否满意设计和运用要求。图 图 1.1 道路水文性质评价流程图 1.1.1 路面状况 拟在某地区建设排水性路面，依据当地的道路荷载和环境，通过结构和材料的力学分析，初步拟定了以下可能采纳的五种路面结构形式，分别可能用于双向双车道（单侧 1.5+3.75+0.5=5.75m）、双向四车道（单侧 3+3.75+3.75+0.75=11.25m）和双向六车道（单侧 3+3.75+3.75+3.75+0.75=15 米）。本节就这五种形式分析其对当地水文的适应性。路面结构一：4cmPAC-13+2mm 防水粘层+6cmAC-20C+8cmAC25C+18cm4%水泥稳定碎石+18cm4%水泥稳定碎石+20cm3.0%水泥稳定碎石；路面结构二：4cmPAC-13+2mm 防水粘层+6cmAC-20C+18cm4%水泥稳定碎石+18cm4%水泥稳定碎石+20cm3.0%水泥稳定碎石； 路面结构三：4cm PAC-13+6cmPAC-16+纤维碎石封层+25cm4%水泥稳定碎石+20cm3.0%水泥稳定碎石； 路面结构四：4cm PAC-13+6cm PAC-16+18cmATPB-25+纤维碎石封层+18cm4%水泥稳定碎石+20cm3.0%水泥稳定碎石； 路面结构五：4cm PAC-13+6cm PAC-16+20cm 级配碎石+纤维碎石封层+30cm3.0%水泥稳定碎石； 各路面结构的透水厚度累计如表 1.1，透水系数采纳课题组测试的 PAC-13混合料横向透水系数 1cm/s。表 1.1 各路面透水厚度 路面结构 一 二 三 四 五 透水厚度 4cm 4cm 10cm 28cm 30cm 1.1.2 无径流临界状态验算 依据公式(4.24)算得的双向双车道（5.75m，不计中分带和土路肩）路面结构在各设计降雨强度下所需厚度如图 1.1 所示。可以看出路面结构一、二可以在强度为 0.06mm/min 的持续降雨下保证路表不出现径流，初始径流点在道路外侧边缘；路面结构三能够适应 0.42mm/min 的持续降雨，初始径流点在距道路内侧 3m处；路面结构四能够适应 3.70mm/min 的持续降雨，初始径流点在距道路内侧 2.66米处；路面结构五能够适应 4.26mm/min 的持续降雨，初始径流点距道路内侧 2.65米处。图 图 1.2 双向双车道不同降雨强度下设计道路厚度依据公式算得的双向四车道（11.25m，不计中分带和土路肩）路面结构在各设计降雨强度下所需厚度如图 1.3 所示。可以看出路面结构一、二可以在强度为0.03mm/min 的持续降雨下保证路表不出现积水和径流，初始径流点在道路外侧边缘；路面结构三能够适应 0.06mm/min 的持续降雨，初始径流点在距道理外侧0.15m 处；路面结构四能够适应 0.94mm/min 的持续降雨，初始径流点在距道路内侧 5.5 米处；路面结构五能够适应 2.22mm/min 的持续降雨，初始径流点在距道路内侧 5.4 米处。图 图 1.3 双向四车道不同降雨强度下设计道路厚度 依据公式算得的双向六车道（15m，不计中分带和土路肩）路面结构在各设计降雨强度下所需厚度如图 1.4 所示，可以看出路面结构一、二可以在强度为0.02mm/min 的持续降雨下保证路表不出现积水和径流，初始径流点在道路外侧边缘；路面结构三能够适应 0.04mm/min 的持续降雨，初始径流点在道路外侧边缘；路面结构四能够适应 0.5mm/min 的持续降雨，初始径流点在距道路内侧 7.6米处；路面结构五能够适应 0.58mm/min 的持续降雨，初始径流点在距道路内侧7.5 米处。 图 图 1.4 双向六车道不同降雨强度下设计道路厚度 计算结果汇总如表 1.2 所示。表中数据即为不同路面结构能够适应的最大无径流降雨强度。可以看出在肯定降雨强度下保持无径流状态对路面透水层厚度的要求是比较高的，4cm 的透水材料几乎不能维持路表无径流。表 1.3 列出了不同降雨重现期、不同设计降雨历时条件下算出的平均降雨强度，为表 1.2 的路面结构选择供应参考。表 表 1.2 不同路面结构与路幅无径流降雨强度表（mm/min ）一 二 三 四 五 5.75m 0.06 0.06 0.42 3.70 4.26 11.25m 0.03 0.03 0.06 0.96 2.22 15m 0.02 0.02 0.04 0.50 0.58 表 表 1.3 平均降雨强度随重现期和设计降雨历时改变表（mm/min ）30min 60min 120min 180min 240min 0.5 年 0.74 0.50 0.33 0.26 0.21 1 年 0.91 0.61 0.40 0.31 0.26 2 年 1.08 0.73 0.48 0.37 0.31 5 年 1.31 0.88 0.58 0.45 0.38 10 年 1.47 1.00 0.66 0.51 0.43 1.1.3 局部径流临界状态验算 依据北京交通高校关彦斌大空隙沥青路面的透水机理及结构设计探讨中路面结构 路幅 降雨历时 重现期测定的透水沥青微管空隙半径，本文选定微管直径 d=2.4mm，局部水头损失系数 k 取 3，空隙率取 20%，连通空隙率 7% 算得各层位的排水速度如图 1.5 所示。可以看到，随着路面层位深度的增加，排水层的排水实力渐渐降低，其线形近似于幂函数，R 2 达到了 0.9981。可以看出，最接近路表面的约 4cm 的厚度范围内，计算排水速度特别高，甚至超出了竖向入渗可能的最大速度，由于出水速度受到竖向入渗速率的限制，这部分的出水速度选用竖向入渗的渗透率（0.1cm/s0.3cm/s）。图 图 1.5 路面层位与排水速度的关系 依据 3.3 节的计算结果估算各路面结构不出现完全径流的临界状态，汇总如表 1.4 所示。可以看出，相比于无径流状态，路面要保持局部径流状态所需的路面厚度要小得多。4cm 的排水层厚度已经基本能够满意一般降雨条件下的排水需求。当然，随着路面宽度的增加，所要求的排水层厚度也就越大，选取更宽的路面时，须要重新验算 表 表 1.4 不同路面结构与路幅无径流降雨强度表（mm/min ）一 二 三 四 五 5.75m 0.85 0.85 11.25m 0.45 0.45 0.85 1.35 1.4 15m 0.3 0.3 0.65 1 1.05 指超过 10 年一遇 30min 平均降雨强度 1.2 城市 LID 道路算例 1.2.1 道路概况 如图 1.5 所示，石杨路西延工程位于南京市秦淮区，秦淮河北侧，为东西走路面结构 路幅向，西起龙蟠中路，东至苜蓿园大街，全长约 3100m，规划红线 45m，规划为城市主干路。本次实施的范围为石杨路西延（大明路-苜蓿园大街）段，西起大明路，东至苜蓿园大街，全长约 1600m。项目周边主要为御水湾花园、南京大地股份有限公司、南京二建、光华门煤场以及居民小区等建筑，道路南侧为秦淮河。道路建设对路网的完善、地区经济的发展是非常必要的。部分设计参数见表 1.5。图 图 1.5 石杨路西延工程项目位置 表 表 1.5 石杨路西延工程道路设计参数 道路等级和设计速度 城市主干路，设计速度 50km/h； 道路路面结构计算荷载 BZZ-100； 道路设计年限 15 年； 暴雨设计重现期 P=2 年； 综 合径流系数 取 0.65； 道路横断面如图 1.6。道路规划红线为 45m，断面为 4m（人行道）+3.5m（非机动车道）+2m（侧分带）+11m（机动车道）+4m（中分带+）+11m（机动车道）+2m（侧分带）+3.5m（非机动车道）+4m（人行道）。图 图 1.6 道路横断面图 图 图 1.7 机动车道及中分带结构图图 图 1.8 非机动车道及人行道路面结构 道路材料与排水形式如图 1.8 所示。道路设计中采纳的机动车道为江苏省较为常用的上面层 4cmAC-13C，中面层 6cmAC-20C，下面层 8cmAC-25C，其中中上面层采纳了 SBS 改性沥青。中分带采纳素土回填，与侧石的上边缘齐平，采纳侧向分隔带侧的雨水篦子排水，雨水篦子下接排水管。非机动车道采纳 4cmAC-13C 细粒式沥青混凝土，6cmAC-20C 中粒式沥青混凝土，利用靠近人行道侧的雨水篦子排水，雨水篦子下接排水管。人行道采纳了透水设计，符合 LID 道路设计理念，从上至下分别采纳了彩色透水沥青混凝土、透水混凝土、碎石找平层、级配碎石。总体而言，该道路采纳了传统的设计方法，为了在道路中体现 LID 的理念，验证和实践本文提出的 LID 观点和 LID 设施的适用性，本文在该工程中建设了试验段，为该工程的试验段提出了多种 LID 措施。1.2.2 低冲击开发措施 该道路工程 LID 开发实施措施包括以下几个部分：1. 非机动车道采纳双层排水沥青路面，均采纳 PAC-13 透水沥青混凝土。2. 非机动车道依旧在人行道侧排水，通过在雨水篦子侧面开口排出路面结构内部的水。人行道内增设渗管。3. 保留原设计中机动车道路侧的雨水篦子和排水管，采纳了开口侧石，允许雨水进入侧分带。侧石长 1m，高 15cm，开口距离 30cm。4. 采纳 4.3.3 节类型三中的侧分带形式。水由开口侧石进入侧分带，经过卵石缓冲，先由下凹式绿地入渗以及蓄水，超出蓄水实力后由溢水口排出，溢水口接入检查井，经排水管道汇至指定区域。侧分带下凹深度 15cm，溢水口高出地表 5cm。下凹式绿地的结构深度为 54cm，至石灰土底基层顶部，在石灰土底基层顶部设置防渗布。溢水口的设置间距为 40m，溢水口下要设置截污挂篮。5. 中分带采纳下凹式绿地，下设渗管，连结至侧分带旁边的排水管。6. 侧分带和中分带的土壤中掺加肯定比例的木炭颗粒，用于净水。掺加比例由 XXX 岩土系杜延军老师课题组试验确定。（a）（b）（c）（d）（e）（f）图 图 1.9 石杨路 LID 道路 试验段施工细微环节 图 1.9 是石杨路 LID 道路试验段施工过程的细微环节，与常规施工主要的区分体现在侧分带的施工和非机动车道双层排水路面的施工。图 1.9（a）是侧分带中修建雨水井井身和布置防水层。本试验段没有采纳完全透水的侧分带，在侧分带下方布置了防水布，防水布上层是收集雨水的碎石，碎石层中布置了渗管，碎石层上布置透水的土工布，用于防止上层的土壤污染碎石。图 1.9（b）是布置侧分带边的路缘石，由于路缘石内侧是凹形的绿化带，对于路缘石的支撑作用不如传统设计，因此在路缘石内测浇筑了水泥混凝土支护。路缘石采纳缺口的形式接受雨水，详细形式如图 1.9（c）所示。该试验段路缘石开口偏小，数量偏少，由于道路结构中依旧保留了原有的雨水篦子及原设计排水管，因此没有排水实力不足的风险。图 1.9（e）是本试验段采纳的溢流口和截污挂篮；图 1.9（f）是双层排水路面利用雨水篦子侧面排水的设置。预留好排水位置后干脆摊铺透水沥青材料，正常压实。1.2.3 基于 SWMM 的雨水管网评价 用 SWMM 模型分别对 LID 方案实施前后的道路排水管网积水进行模拟，对比分析 LID 设计方案实施前后节点处的进流量的改变状况。降雨条件参数按南京市城市管理局 2014 年 2 月发布的南京市暴雨强度公式，采纳五年一遇的 2 小时降雨，芝加哥雨型。模拟区域的汇水面积划分和汇水节点的划分如图 1.10 所示，其中 Y9、Y13、Y26 和 Y27’节点是原设计方案处的节点；Y19’J 和 Y29’J是机动车上的汇水节点；Y29F 和 Y30’F 为非机动车道汇水节点。分别考察管道水量以及八个节点处的节点径流量、超载时长，以此确定 LID 措施缓解道路雨洪的实力。 图 图 1.10 汇水面积和节点划分 区域汇水面积和节点模拟图如图 1.10 所示。原方案与 LID 改造方案在降雨第 55min 时管道水量状况如图 1.11 所示。可以看出，在重现期为 5 年降雨条件下，应用 LID 措施，管道段 Y10-Y18’中，超载节点个数削减，Y15’-Y18’管段水量显著削减。图 图 1.11 管道水量改变（上：改造前，下：改造后）节点超载时长是指当水位超过最高渠道顶部时，发生超载的时间，Y9、Y13、Y26、Y27’、 Y19’J、Y29’J、Y29F 和 Y30’F 节点处的超载时长如表 1.6 所示。通过对比 5 年重现期 LID 前后，8 个节点处的超载时长，可以得到：（1）应用LID 措施后，位于管道上游处干流的节点（Y9）超载时长没有改变；（2）应用LID 措施后，机动车道雨水口（Y19’J、Y29J）由于加入了非机动车道的地面径流，超载时长有所增加；（3）应用 LID 措施后，非机动车道与人行道之间的雨水口（Y29F、Y30’F）节点超载时长明显大幅减小。表 表 1.6 节点超载时长（h ）对比 节点 原方案 LID 缩小（% ）Y9 0.42 0.42 0 Y13 0.56 0.45 19.64 Y26 1.23 0.99 19.51 Y27" 1.13 0.92 18.58 Y19"J 0.43 0.59 -37.2 Y29J 0.51 0.51 0 Y29F 0.29 0.13 58.6 Y30"F 0.29 0.13 58.6 5 年重现期各节点处实施 LID 措施前后进流量如图 1.12 所示，可以看出， LID 对于管道干流节点流量具有削峰作用，减缓、推后峰值；应用 LID 措施后，机动车道雨水口由于加入了非机动车道的地面径流，节点（Y29J 和 Y19’J 节点）流量增大，但增量有限，并且 SWMM 管网模型并没有考虑植草边沟、工程土壤的蓄水作用，高估了节点的压力。对于大部分节点，总进流量都有所降低，尤其对于 Y29J 和 Y19’J 节点，在降雨全过程中流量都有显著的减小，LID 措施的削峰作用特别明显。 图 图 1.12 重要节点实施 LID 后流量对比 通过 SWMM 对管道水量以及八个节点处的节点径流量、超载时长的仿真模型可以看出，采纳 LID 措施之后，降雨时道路能够缓解内涝状况，积水范围大幅度削减，排水管网压力肯定程度的降低，在降雨过程中，LID 措施对降雨的削峰作用明显。同时也应当看到，作为经典的通用水力学模拟软件，SWMM 并不针对 LID 理念，也不针对道路结构，而侧重管网内的水流，没有适当的模拟工程土的渗水过程，对植草边沟的蓄水作用也较难表达，许多参数仅仅局限于某一时刻的状态，不能直观表现全降雨过程的参数改变，更重要的是，通用软件存在建模困难的通病，道路工程管网相对简洁，LID 设施的种类也相对固定，实际工程中亟需针对的 LID 道路水力学评估软件。1.2.4 基于本文软件的评价 利用本文开发的软件对该段道路建模评价，绘制了降雨强度随时间改变曲线、出水口流量随时间改变曲线、多层工程土内水量曲线。当然，软件可以计算的参数远不止这几种，这里选取重要的参数进行评述。如图 1.13 所示，最直观的表现就是 LID 设施的削峰作用，降雨在第 25 分钟左右到达峰值，而排水口的出水量在 35 分钟左右达到峰值。排水管自第 25 分钟起先工作，从图 1.14 可以看出，25 分钟时，最下层工程土（土层 4）达到饱和持水量，因此向渗管中排水，渗管水进入排水管中，引起排水管检测到水量。而大约 32 分钟起先，侧分带内的 LID 设施达到基本饱和，溢流口起先工作，降雨大量通过溢水口进入排水管道，排水管全面进入工作状态。整个系统随时间的工作的状态刻画无遗。图 图 1.13 降雨强度与出水口流量 图 图 1.14 多层工程土内水量 1.2.5 项目留意事项 石杨路工程 LID 道路试验段现已基本完工，实施过程中遇到了许多文中和设计过程中没有意料到的问题，充分说明白城市道路施工，尤其是老城区道路施工条件的困难性。现将整个 LID 道路施工过程中遇到的问题总结如下，为以后的类似工程供应阅历。（1）传统观念和传统审美难以变更。在项目早期的探讨和评审中，专家提出这种 LID 道路有两处不美观，一是凹形绿化带，传统的绿化带审美是要像包子一样鼓出来才好看；二是间断的侧石不美观。（2）地下管线限制和植物生长要求的土壤厚度限制。城市道路下方道路管线困难，在改造过程中侧分带下方是管线密集之处，道路施工一般不触动有压管，因此下凹式绿化带的下部深度被限制。而植物生长，尤其是树木生长有必需的土壤厚度，园林设计也有相关规范，导致 LID 道路分隔带可能不能种植高大树木。（3）公交站台布置。侧分带设计过程中必需与城市交通部门协商，确定公交站台的位置，公交站台一般设置在侧分带内，必需协调好溢水口与公交站台的位置关系。（4）堵塞和清理风险。工程刚刚完成尚未经验长期运用，市政部门提出了对道路排水设施堵塞和溢水口可能须要频繁清理的担忧。1.3 本章小结 本章依托泰州某排水路面工程和南京市石杨路 LID 道路试验段工程演示了马路和城市道路中相关水文性能的计算和验算方法。本章基于局部径流的概念，评价了五种道路结构在泰州某马路的水文响应。介绍了南京市石杨路 LID 道路试验段工程施工的部分细微环节以供相关工作者进一步探讨和实践。分别基于 SWMM 软件和本文开发的 LID 道路水力学计算软件验算了该路的水文性质，SWMM 模型显示 LID 设施对于大部分道路关键节点的入水压力有很大的缓解；本文软件则展示了排水管和工程土内在随意时刻的水文状态，显示了 LID 设施良好的延峰作用。