基于海绵城市的下凹式绿地系统及施工方法与流程
本发明属于市政工程建设技术领域，具体涉及一种基于海绵城市的下凹式绿地系统及施工方法。
背景技术：
近年来，一些城市在强降雨天气后，积涝问题突出，严重影响了城市的正常运转，造成了人民生命财产的严重损失。在传统的“以排为主”的雨洪管理理念指导下，城镇将收集到的大多数雨水通过市政雨水管网迅速排入受纳水体，对于雨水几乎不考虑下渗入土壤、资源化利用等途径。城市硬化地面造成雨水径流加剧，随着雨水在地表的冲刷，雨水径流污染问题也被提上研究日程。
目前，通过设置路基路面排水系统对路面水、地下水通过聚集、阻拦、隔通、疏通等方式排除到路基所覆盖地面的范围以外。现有的路基路面排水系统通常采用横向漫坡法和拦水带。横向漫坡法主要用于汇水容量较小、路面堤高较低、坡度高低不同且路基坡面有较强抗冲刷能力的路面。拦水带一般适用于水流冲刷力较大，能快速排出地表水的场合。目前还有一种排水方式—中央分隔排水。中央分隔排水通常分为两种：其一，当中央分隔带的宽度小于3m时，使用设有铺面的横断面模式对中间分隔带两端采用双向横坡的方式，把道路水从中间流入到道路两端的路面上，使之汇入到统一排水系统中。其二，当中间分隔的宽度大于3m时，设置向内侵水的横向坡度，通过集中地表水汇入到中间凹陷地段后，坡度惯性将其排入横向路基中。上述几种处理方法均以“排”为主，对雨水的收集，净化，回用缺乏考虑。
鉴于目前排水现状及问题，国内外许多城市开始实践新型雨洪管理概念，将雨洪渗蓄技术与城市道路相结合设计，构建以自然积存、自然渗透、自然净化为目标的“海绵城市”。《国务院关于加强城市基础设施建设的意见》(国发[2013]36号)中明确指出，建设下沉式绿地及城市湿地公园，提升城市绿地汇聚雨水、蓄洪排涝、补充地下水、净化生态功能。可见下沉式绿地对提升城市绿地的水文调蓄功能具有重要的意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于海绵城市的下凹式绿地系统及施工方法，该系统和方法能实现海绵城市的渗、蓄、滞、用、排功能，达到良好的雨水排放、收集利用效果。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于海绵城市的下凹式绿地系统，置于机动车道、非机动车道之间，包括消能层、下凹式绿化带、防渗层、碎石盲沟；
所述消能层有两个，分别置于机动车道和非机动车道边缘，包括路侧缘石、卵石消能池、细石混凝土，卵石消能池置于路侧缘石内侧，且路侧缘石、卵石消能池置于细石混凝土上；
所述下凹式绿化带置于两个消能层之间，在下凹式绿化带的最低点处设有与地下排水系统连接的溢流雨水口；在下凹式绿化带上还设有沉沙井，所述沉沙井靠近机动车道一侧；
所述防渗层置于下凹式绿化带下方，呈下凹形，包括从上往下依次设置的水泥砂浆、沥青、防渗复合土工膜；
所述碎石盲沟置于防渗层的最低处，所述碎石盲沟内设有横向排水管和与横向排水管连接的软式透水管；在碎石盲沟内从上往下依次填充有粗砂垫层、碎石层。
在路侧缘石上设有多个进水口，相邻进水口的间距为40m，以方便雨水进入下凹式绿地，也确保路侧缘石强度，提高道路使用寿命。
下凹式绿化带呈弧形，其最低点比机动车道的路面边缘低0.1-0.3m，以使本系统达到最优的蓄、排功能。
所述卵石消能池的宽度为0.2-0.3m，以最小宽度减少雨水对道路冲刷，消减路面径流，消减洪峰流量，缓解道路因暴雨引发的滞洪灾害。
沉沙井顶标高低于机动车道的路面边缘0.1m；溢流雨水口有多个，相邻溢流雨水口的间距为4m，以在最少的投入下实现使多余雨水的良好排出。
本发明还提供上述基于海绵城市的下凹式绿地系统的施工方法，包括如下步骤：
第一步、完成碎石盲沟的修建
碎石盲沟内填充有粗砂和碎石，碎石盲沟内包裹软式透水管和与软式透水管连接的横向排水管；
第二步、防渗层的修建
修建第一层水泥稳定碎石基层后，摊铺防渗复合土工膜，在防渗复合土工膜上涂一层沥青，再覆盖水泥砂浆；
第三步、完成消能层的修建
完成机动车道和非机动车道的路面摊铺后铺设细石混凝土，在细石混凝土上安设路侧缘石，在路侧缘石的内侧铺设卵石消能池；
第四步、完成下凹式绿化带的修建
下凹式绿化带的最低点比机动车道的路面边缘低，并在最低点设置溢流雨水口；在下凹式绿化带内靠近机动车道一侧设置沉沙井。
本发明响应了“海绵城市”的理念，将城市道路排水系统与下凹式绿地系统结合，对雨水进行“渗”、“蓄”、“排”，是一种生态的雨水渗蓄设施。其主要优点为：一是通过卵石消能池减少雨水对道路冲刷，消减路面径流，消减洪峰流量，缓解道路因暴雨引发的滞洪灾害；二是通过下凹式绿化带(生态雨水过滤)将雨水净化，减轻道路扬尘，减轻路面污染；三是通过下凹式绿化带、碎石盲沟节约绿地灌溉用水，储蓄降水和路面径流，补充土壤水资源和地下水资源，结合绿化带中溢流雨水口、碎石盲沟的排水管道设施(横向排水管、软式透水管)，当地面径流较大，绿化带储蓄能力不足时，雨水可以通过高出绿化带高程而低于路面高程的溢流雨水口进入地下排水系统，碎石盲沟的排水管道设施也可以将下凹式绿化带内多余的水排出；实现了雨水“蓄”、“排”功能，也实现了防止内涝、水资源利用、景观美化的多重效益。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明基于海绵城市的下凹式绿地系统的结构示意图；
图2是下凹式绿地的俯视结构示意图；
其中：1、卵石消能池，2、下凹式绿地，3、溢流雨水口，4、沉沙井，5、横向排水管，6、软式透水管，7、粗砂垫层，8、碎石层，9、防渗层，10、细石混凝土，11、机动车道，12、非机动车道，13、路侧缘石。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1和图2，一种基于海绵城市的下凹式绿地系统，置于机动车道11、非机动车道12之间，包括消能层、下凹式绿化带2、防渗层9、碎石盲沟。消能层有两个，分别置于机动车道11和非机动车道12边缘，包括路侧缘石13、宽度为0.2-0.3m的卵石消能池1、细石混凝土10；路侧缘石13上设有间距为40m的进水口；卵石消能池1置于路侧缘石13内侧，且路侧缘石13、卵石消能池1置于细石混凝土10上。下凹式绿化带2置于两个消能层之间，呈弧形，其最低点比机动车道11的路面边缘低0.1-0.3m，在较佳实施例中，下凹式绿化带2的最低点比机动车道11的路面边缘低0.2m；在下凹式绿化带2的最低点处设有多个与地下排水系统连接的溢流雨水口3，相邻溢流雨水口3的间距为4m；溢流雨水口3高出下凹式绿化带2的最低点而低于路面(机动车道和非机动车道)高程，以便于雨水的排出；在下凹式绿化带2上，靠近机动车道11一侧还设有沉沙井4，沉沙井4顶标高低于机动车道11边缘0.1m，用于过滤、净化雨水。防渗层9置于下凹式绿化带2下方，呈下凹形，包括从上往下依次设置的水泥砂浆、沥青、防渗复合土工膜，水泥砂浆为2cm厚的M5水泥砂浆。碎石盲沟置于防渗层的最低处，且位于溢流雨水口3的正下方；碎石盲沟内设有横向排水管5和与横向排水管5连接的软式透水管6；在碎石盲沟内从上往下依次填充有5cm厚的粗砂垫层7、30cm厚的碎石层8。
上述基于海绵城市的下凹式绿地系统的施工方法，包括如下步骤：
第一步、完成碎石盲沟的修建
碎石盲沟内填充有防渗土工膜满包粗砂(厚5cm)和30cm厚的碎石，碎石盲沟内还包裹有软式透水管，该软式透水管与横向排水管5连接；
第二步、防渗层的修建
修建第一层水泥稳定碎石基层后，摊铺防渗复合土工膜，在防渗复合土工膜上涂一层沥青，再覆盖2cmM5水泥砂浆；
第三步、完成消能层的修建
完成机动车道和非机动车道的路面摊铺后铺设细石混凝土，在细石混凝土上安设路侧缘石，在路侧缘石的内侧铺设卵石消能池，消能池用于减少雨水本身能量，避免雨水流速大对泥土造成强冲刷；
第四步、完成下凹式绿化带的修建
下凹式绿化带的最低点比机动车道的路面边缘低0.1-0.3m，最低点根据需要设置在绿化带中间或其他位置，在最低点设置间距为4m的溢流雨水口，用于收集雨水；在下凹式绿化带内靠近机动车道一侧设置沉沙井，以便于净化雨水。
本发明中，路面和周边雨水排入绿化带、然后通过绿化带过滤和净化，当绿化带储蓄能力不足时，雨水通过溢流雨水口进入地下排水系统，收集的雨水可以用于绿化带养护及路面清理。本发明具有蓄、渗雨水，消减洪峰流量、减轻地表径流、污染等优点。
下凹式绿地水量平衡分析：
下凹式绿地通过渗透、蒸发、蓄积等处理集水区内部分雨水，超出绿地渗蓄能力的雨水就近排入雨水管道，计算时段内存在以下水量平衡关系式：
P0+U0＝D+E+S+U1+Q (1)
式中：P0—降雨总量，m3；U0—初始蓄水量，m3；D—径流损失量，m3；E—蒸发量，m3；S—下渗量，m3；U1—结束时绿地蓄水量，m3；Q—溢流外排水量，m3。
下凹式绿雨水渗蓄能力计算：
下凹式绿地雨水渗蓄率是降雨过程中绿地渗透、蓄积雨水的量占进入绿地总雨水径流量的百分比，用N表示。可通过式(2)计算，由于时段内蒸发量E较小，因此计算中未考虑；通过对雨水径流渗蓄率的计算，可以反映下凹式绿地的雨水渗蓄能力；
式中：Pz—降雨量，mm；F1—绿地服务区域面积(即集水区面积)，m2；F2—下凹式绿地面积，m2；Cn—绿地服务区域的径流系数。
下渗量S计算公式：
S＝60KJF2T (3)
式中：K—土壤稳定入渗速率，m/s；J—水力坡度，垂直下渗时，J＝1；T—渗蓄计算时段，min。
下凹式绿地蓄水量U1计算公式为：
U1＝F2Δh (4)
式中△h—下凹深度，即下凹式绿地与溢流口或路面之间的高差，cm。
根据当地降雨强度q(t)，单位时间内的降雨量Pz可通过对降雨强度求积分获得；武汉地区降雨强度公式：
式中：q(t)—设计暴雨强度，mm/min；P—设计暴雨重现期，a；t—降雨历时，min，武汉地区按照60min计算。
根据公式(2)、(3)、(4)，当绿化率达到最大控制容积时，即N＝100％时，可以推算出临界值的降雨量公式如(7)，绿化带所需的下沉深度如公式(8)：
实例：
为定量描述下凹式绿地对雨水径流的渗蓄效应，以某封闭区域A为例，区域除去绿地以外面积的径流系数Cn为0.9，假定蒸发量E和下凹式绿地的前期蓄水量U0均为零。以该区域实测土壤稳定入渗速率K的最大和最小值，即5×10-5m/s和3×10-7m/s为代表结合武汉市雨水系统专业规划规定，选择一般情况下一年、三年和五年一遇设计暴雨重现期，即1h降雨量分别为35.5mm，49.6mm和56.3mm的情况，根据式(1)～式(6)，计算1h内不同绿地面积比f(f＝F1/F2)、下凹深度Δh条件下的绿地雨水渗蓄率N，计算结果见表，结果显示，当K＝5×10-5m/s时，f＝25％，Δh≥0.1m的下凹式绿地，对于一年、三年和五年一遇的设计暴雨重现期，持续1h的降雨可被下凹式绿地渗蓄；对于K＝3×10-7m/s的情况，以f＝35％Δh＝0.3m为例，一年一遇的暴雨可被渗蓄，对于三年和五年一遇的暴雨，N可达94％和81％。
从计算实例可以看出：
选择不同设计参数，雨水渗蓄能力也不同。如配合适当的工程措施，可成为城市雨洪管理的重要生态措施。下凹式绿地功能发挥受诸多因素影响，其中下凹式绿地面积比例f、绿地下凹深度△h、绿地土壤稳定入渗速率K和设计暴雨重现期P是影响下凹式绿地对雨水渗蓄效率的重要影响因子。设计选用合适的参数有非常重要的意义。
1、竖向设计
下沉式道路绿化带竖向设计要考虑地形条件、土壤条件、降雨量和绿化带而积比率以及植物的选择类型等因素，进行合理设计和布局。下沉深度太小，雨水大量外排，不能起到调蓄雨水功能的作用，下沉深度过大，雨水在绿化带中大量渗蓄，一旦超过植被的耐淹时间将会带来灾害。所以，为了定量描述绿化带的竖向设计，以武汉地区为例，在一定的暴雨重现期下，假设N为100％，根据公式(5)和公式(6)可算出不同重现期武汉的降雨量H变化，当T取值为1、3、5、10a时，对应的武汉降雨量H分别为48.47、61.19、67.11、75.13mm，可见随着重现期的增加，降雨量也随之增加，但是增加趋势变缓。
选择3a的重现期，设其土壤稳定入渗系数K为1.5×10-6m/s，路面径流系数为0.9，水利坡度J设为垂直下渗为1，时间t取60min，下沉深度△h取10、15、20、25、30cm，可推算所需的道路绿化率f分别为56.4％、,37.3％、27.9％、22.2％、18.5％。
可见，当道路绿化带下沉深度在10～30cm时就能满足雨水渗蓄需求，设计少于20cm的也能吸收一定量的雨水，剩余的雨水可以通过溢流口进入存蓄装置，也可以排入雨水管道。武汉城区的地势较为平坦，道路设计坡度也较小，比较适合设计下沉式道路绿化带，最好将道路设计在较高地势处，有利于雨水流向地势较低的下沉式绿化带和周边绿地。为了减少地表径流，在人行道和非机动车道处采取生态路面处理，而且需要合理设计下沉式绿化带与路面及溢流雨水口的衔接方式。首先，路缘侧石设计高度最好不高于路面，尽量与路面平齐，如需高出路面也要设计缺口以保证雨水流入下沉绿地；其次，在绿化带近路面侧要铺20～30cm宽的卵石，防止绿化带土壤被冲刷，土层层次从下到上采用砾石、沙、土壤、覆盖物进行铺设能更有利于雨水下渗；最后，雨水溢流口的高程应低于路面，可设计在绿化带中间或两侧，而且要做防堵塞处理。
2、下凹式绿地面积比f
下沉式绿化带占全部面积的百分比对雨水的排水率影响特别明显，根据公式(8)，设其土壤稳定入渗系数K为1.5×10-6m/s，路面径流系数中为0.9,水利坡度J设为垂直下渗为1，时间t取60min，变量绿化带比率f分别取值10％、20％、30％、40％、50％，得出不同的暴雨重现期下道路绿化带的下沉深度h。
随着绿化率的增加，所需要的下沉深度减小，且在前面降幅大于后面，当f达到30％以上时下沉深度减少较少。当道路绿化率低于20％时所需要的下沉深度超过下沉绿化带设计的临界值，可能不利于植物的生长。而最符合武汉道路绿化率标准也能满足下沉式绿化带功能需求的绿化率是30％左右。当f为35％时，满足暴雨重现期1、3、5、10a的下沉深度分别为14.7、18.6、20.4、22.9cm，符合下沉深度规范设计，渗蓄效果明显。而在武汉大部分地区，道路绿化率普遍高于20％，很多地区都达到30％，但是基本属于高程绿地，无法渗蓄路面雨水，设计只需要将现有的绿地改造成下沉式绿化带就能留住大部分道路80％的雨水。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
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