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生物滞留设施建设常见问题及解决方案

信息来源:中国给水排水公众号 信息提供日期:2021-08-03 15:00 【字体: 视力保护色:

  近两年,诸多城市发布全面推进海绵城市建设的文件,地块、道路为载体的海绵城市建设正驶入发展的快车道,由于理念方式的转变、基础研究工作的缺乏和工程经验积累不足,落地的海绵城市项目往往存在功能效益欠缺、景观效果欠佳等诸多问题。其中,生物滞留设施作为应用最广泛的低影响开发技术之一,在建设过程中出现了雨水排放不畅、景观效果差、海绵效益难以发挥等问题。

  昆山市作为江苏省海绵城市建设试点城市,在前期“水敏性城市建设”尝试的基础上,于2017年在市域范围内全面推进海绵城市建设,通过近几年的尝试和努力,建成了一批海绵城市项目,建设过程中累积了大量的工程实践经验。生物滞留设施作为海绵城市建设重要源头控制的绿色技术措施之一,由于其高效的雨水滞蓄能力、径流污染去除能力以及能与景观有机结合的特点,被广泛运用于昆山市各类型用地的新建、改建、扩建项目的海绵城市建设中。通过对海绵城市建设全过程的梳理和总结,昆山市编制了《昆山市生物滞留池施工指南(试行)》供设计、施工以及管理单位参考。在此基础上提炼、总结了生物滞留设施施工过程中存在的主要问题和解决方案,并根据海绵城市建设落地的实际情况,剖析建设施工过程中常见的问题及其成因,提出了行之有效的建议与对策。

  1生物滞留池的组成及建设步骤

  1.1组成部分

  生物滞留设施模拟自然水文过程,对雨水及早进行控制,阻断或减缓地表流动,净化雨水水质,并使雨水成为景观的一部分。生物滞留池主要包括:与周边衔接的护坡(分直立式和自然式)、进水口(防冲刷设施)、溢流井、溢流井盖、检查口、景观植物组团等组成部分,自上而下设置超高层、滞留层、覆盖层、过滤层、过渡层、排水层、防渗层。生物滞留池各层级以及各层级厚度可根据实际的需要进行灵活变化,但同时应该满足过滤、植物生长、结构稳定的要求。生物滞留池透视图见图1。

  图1 生物滞留池透视图

  1.2建设步骤

  从结构层可以看出,生物滞留池结构看似简单,但施工过程相对繁复,加上由于经验不足且多数施工环节为隐蔽工程,因此在施工中极易出错。生物滞留池施工可以分为从基坑开挖到覆盖层铺设等12个主步骤,约30项子步骤,每个步骤均容易发生错误,从影响最终效果,所以需要施工单位系统理解、技术贯穿、精工细作。生物滞留池具体施工过程如图2所示。

  图2 生物滞留池施工过程

  2建设存在的问题与解决方案

  2.1位置确认及场地竖向衔接

  2.1.1存在问题

  ① 场地铺装、绿化竖向标高、场地排水方向与原有设计不符,导致生物滞留池处于汇水分区之外,雨水难以汇流进入生物滞留池,甚至造成场地积水。

  ② 植草沟、排水沟等设施距离过长,导致生物滞留池完成面与侧石堆土存在较大高差,与周边衔接突兀。

  ③ 生物滞留池本身标高处理,生物滞留池完成面不能满足滞留层+超高的要求,溢流井不能满足排水或者超高的要求。

  2.1.2解决方案

  在建设生物滞留池时,应注重场地及设施的竖向衔接,首先通过专业仪器对场地竖向地形进行确认,确保其位于汇水分区的内低点,确保汇水范围内雨水能够自然地表汇流或通过导流设施进入生物滞留池。② 施工单位最好根据场地竖向、汇水条件重新核算汇水分区,核实生物滞留池面积是否与汇水面积匹配。如项目整体施工过程中存在竖向标高的改变,生物滞留池的位置应根据实际情况进行调整,并履行相应变更手续。③ 应按照施工图纸核算开挖深度,核对完成面标高、溢流口标高在竖向上能否与汇水分区内的道路、铺装、绿地顺利衔接。④ 生物滞留池开挖、整坡、介质回填、压实等各环节,均应当满足场地坡度、坡向以及生物滞留池整体的深度,以及排水层、过渡层、过滤层、滞留层、超高层等各层级厚度设计要求;生物滞留池深度应包括所对应的厚度。

  2.2形式的选择

  2.2.1存在问题

  生物滞留池选型错误,不仅影响景观效果,还会造成边坡稳定性差。例如在场地条件允许的情况下,采用了直壁砌筑挡墙型生物滞留池,如图3(a)所示;生物滞留池位于面积较小的绿化带时,采用了“大池中套小池”,如图3(b)所示。

  图3 生物滞留池的错误选型

  2.2.2解决方案

  场地条件地允许的情况下,例如小区绿地、公园等,生物滞留池建议采用自然缓坡型,如图4(a)所示。在场地条件有限的情况下,例如道路、停车场的绿化带,侧石所对应的边缘可直接作为生物滞留池的硬质护坡,放样时生物滞留池边界以道路、铺装边线为界,如图4(b)所示。

  图4 生物滞留池的正确选型

  对于车行速度慢、车流量小的支路、停车场、广场等用地,生物滞留池边缘可不设侧石,但应设置警示牌,防止行人或车辆跌入。对于快速路、主干道、机动车流量相对较大、限速较高的道路,生物滞留池边缘建议保留侧石。

  2.3自然缓坡型放样

  2.3.1存在问题

  在生物滞留池设计时,往往仅按照容积法计算出的面积,设计生物滞留池线型。因此,在施工中放样仅仅放一根线,根据该线再进行相应开挖或者放坡,按照放线开挖出来的生物滞留池面积偏大或者偏小。

  2.3.2解决方案

  采用自然放坡形式的,平面设计时应通过多线方式反映不同截面坡度,应表达上口线(与场地衔接线)、完成面对应的线、开挖面底部对应的线,如图5所示。自然缓坡型的生物滞留池应按施工图采用3条线放样,如图6所示。从上到下分别是上口线(与场地衔接线、1号线)、完成面对应的线(2号线)、开挖面底部对应的线(3号线)。为了便于开挖坡度的准确性,在放线时应放出底面(3号线)及完成面(2号线)两条线。

图5  生物滞留池开挖控制线

  图6  生物滞留设池施工放线

  2.4溢流井砌筑

  2.4.1存在问题

  生物滞留池位于场地低点,因此设置溢流井尤为重要,但现场施工中经常有不设置溢流井或者采用de110~160mm排水管代替溢流井的方式,除此之外还经常出现溢流井井面标高与设计不符的现象,如图7所示。

  图7 溢流井建设常见错误

  2.4.2改善措施

  ①溢流井盖应该满足汇水范围内设计暴雨排放,且应简洁、美观、尺寸适合,并具有防堵塞的能力。

  ②由于生物滞留池溢流口设置于绿地中,应采用棱台形或穹型等立面式防堵塞溢流井盖,以保证在异物堵塞时仍具备雨水排放能力。生物滞留池内的溢流井形式见图8。

  图8  生物滞留池内的溢流井

  2.5结构层稳定

  过滤层、过渡层、排水层铺设均属于基坑的回填工作,回填介质的粒径级配、盲管铺设直接关系到生物滞留池的结构稳固性和性能。

  2.5.1存在问题

  现场施工后经常出现降雨后,由于排水盲管孔径大、结构层粒径匹配不够,回填介质层的流失会在生物滞留池表面上留下“凹陷”,并堵塞盲管,见图9。

  图9  生物滞留池表面的凹陷

  2.5.2解决方案

  生物滞留池过滤层、过渡层、排水层一般由粉砂粒、中粗砂、圆砾或角砾等回填介质分层回填组成。各层材料的颗粒粒径不宜超过邻层较小颗粒的6~8倍。在没有地方生物滞留池建设指南时,在施工前应该做结构安全性小试,保证结构稳固。

  2.6排水盲管敷设

  2.6.1存在问题

  现有国内规范对盲管开孔率、开孔孔径、开孔间距、开孔方式鲜有规定,仅有《城市道路与开发空间低影响开发雨水设施》(15MR105)要求穿孔收集管开孔率控制在1%~3%,《城镇雨水调蓄工程技术规范》(GB 51174—2017)要求开孔孔径不得大于排水层砾石粒径。

  假设在单位面积(1m²)生物滞留池内设置一根1m的de110mm盲管,土壤渗透系数为100mm/h。在极端降雨的情况下,生物滞留池形成滞留层,按照孔口出流公式计算孔口面积:

  式中  Q——孔口出流速度,m³/s

  H0——作用水头,m

  μ——淹没孔口的流量系数,μ=0.62

  A——孔口的面积,m²

  按照土壤渗透系数计,单位面积渗透流量为0.1m³/h,约2.78×10-5m³/s;H0取0.8 m(溢流井深0.2m,过滤层厚0.5m,盲管孔口在排水层的平均深0.1 m);孔口堵塞率按照50%计,计经计算得A=5.6×10-5㎡;

  Φ=A/S

  式中  Φ——开孔率,%

  S——管道表面积,m²

  单位长度(1m)de110mm盲管的面积S=2πrL=0.3454㎡。经计算开孔率仅为0.016%,与图集15MR105、GB51174—2017中要求的穿孔收集管开孔率(1%~3%)相差较大。盲管开孔率与盲管的开孔孔径成正比,与开孔间距成反比。开孔率越大,要求开孔孔径越大、开孔间距越小,开孔孔径越大越容易导致介质层的流失;开孔间距越小,管道开孔过于密集容易破坏管线的环刚度,埋设在排水层中,承压能力受影响。昆山生物滞留池在建设过程中参考了澳大利亚的经验,澳大利亚生物滞留设施指南建议开孔孔径尽量小,推荐孔径为2mm;在实际操作中如开孔孔径为2mm,在满足最低限为1%的开孔率时,1m的de110mm管线需要开孔数量超过1000个,按照六边形对称开孔,盲管上纵向间距仅为6mm,开孔难以操作,且开孔过于密集破坏了管道的环刚度。

  2.6.2解决方案

  考虑到排水层采用粗圆、角砾石进行铺设,排水层介质粒径控制在10~20mm,要求排水层最小粒径不得小于排水盲管开孔孔径的1.5倍,开孔率调整至0.5%~1%,采用圆形开孔时,开孔孔径4~6mm,详见图10(a);采用槽状开口时,槽宽2~3mm,槽长20~30mm,详见图10(b),间距按照流量要求、开孔(槽)尺寸、横截面孔(槽)口数量计算确定。

  图10 盲管开口方式

  2.7与各类管线的关系

  2.7.1 雨水管线埋深

  ① 存在问题

  《室外排水设计规范》(GB 50014—2006,2016年版)规定排水管道管顶最小覆土:人行道下0.6m,车行道下0.7m。生物滞留池布置在地块起始部位,按照起始管线覆土为0.6m计,生物滞留池排出管(雨水管连接管)与雨水管线无法做到管顶平接,会导致生物滞留池过渡层下一直存水,停留时间超过5h对NH+4-N、NO-3-N等污染物去除并没有太大帮助,并且时间过长,会引起厌氧区扩大,同样影响处理效果,停留的雨水含有较高污染物随下一次降雨排出,同时会产生臭味、滋生蚊蝇。

  此外,在降雨初期,雨水管线内的雨水可能很快达到满管流,这时生物滞留池内部水位会上升到与检查井水位相同,浸入过滤层,离完成面仅仅0.3m,详见图11。降雨结束后,在下次降雨前,水面下降至与下游雨水管线顶面平行的位置,排水层一直存有雨水,详见图12。因此,内部蓄水空间在降雨时、降雨后均不能完全释放出来,实际调蓄容积要低于理论计算值。

图11 降雨时雨水管线起端生物滞留池内水位情况

  图12 非降雨时雨水管线起端生物滞留池内水位情况

  ②解决方案

  建议在地块雨水管线的起端尽量不采用生物滞留池,可以采用下凹式绿地或者简易型生物滞留设施替代。如果一定要采用生物滞留池时,首先应该尽量降低过滤层的厚度,降低生物滞留池深度,保证雨水口连接管与下游雨水管能够实现管顶平接,其次在指标核算时,应该按照实际能够排空的部分重新核算设计调蓄容积。

  2.7.2 管线综合

  ①存在问题

  地块内部存在大量管线,很多管线埋设在绿化中,生物滞留池的建设经常内有多种管线穿越,详见图13,影响生物滞留池渗透、滞蓄效果,管线穿越未加设加固措施,易破损导致安全隐患。

  图13 大量室外管线与生物滞留池重叠

  ②解决方案

  设计过程中,应将海绵设施布置图与含出户管的管线综合图叠加,避免生物滞留池位于管线密集处、检查井设置处,核对燃气、电力等存在安全隐患的管线是否穿越生物滞留池,并及时做出调整。

  在现场施工时,如遇到管线密集处,应根据管线位置、竖向条件进行调整避让,并进行变更。穿越生物滞留池的管线覆土应满足相应规范要求,不满足覆土要求的应该进行加固处理。

  2.8 景观打造

  2.8.1边界处理

  ①存在问题

  周边绿地空间充足,采用了混凝土砌筑硬质护坡,未进行抹面或遮挡,破坏了整个场地的景观效果。在绿化不足的情况下,采用传统的侧石,由于生物滞留池在传统绿化整体上进行了下凹,因此圬塝裸露难以处理。

  ②解决方案

  当生物滞留池周边具有充足的绿地空间,应采用自然放坡的方式处理生物滞留池与周边场地的竖向衔接问题。生物滞留池自然放坡不应大于1:3,以保证边坡稳固,并与周边场地顺利衔接。

  生物滞留池周边无充足绿地空间、放坡空间不足时,可采用钢板护坡方式。使用3mm以上厚度的不锈钢板或锈钢板作为护坡,应保证其作为边坡的结构稳定性,宜将其插入土壤或过滤层介质中15cm以上或进行锚固、焊接处理,钢板顶端应与周边高度一致。

  采用石笼护坡时,截面形式可采用长方形、梯形等多种形式。石笼顶面高度应与周边高度一致,顶面宽度宜为15~20cm。

  采用直径为5~10cm的杉木桩作为护坡,杉木桩应插入土壤或过滤层介质中15cm以上,并应成排进行固定,其顶端高度应与周边高度一致。

  当生物滞留池与周边存在一定绿地的,可采用草石隔离带作为自然缓坡土壤与过滤层介质之间的格挡。

  若通过侧石作对生物滞留池进行衔接,宜改变传统侧石做法,可采用砌筑挡墙或者厚度较宽的侧石来替代原有的侧石形式,避免基础裸露。砌筑挡墙必须满足道路侧石建设要求。

  生物滞留池与周边场地竖向衔接及边界处理方式见图14~16。

图14 空间充足的衔接方式

 图15 不足空间的衔接方式

  图16 边界处理方式

  2.8.2植物选择及种植

  ① 存在问题

  部分植物选型缺乏因地制宜的筛选过程,刚开始以湿生植物为主,推荐的植物在现有填料里也难以保证旺盛的生长力;大部分种植植物均属于落叶性,并不常绿,所以大部分设施在冬季景观效果较差;选择的植物植株较小,或者大量的低矮地被植物,由于场地下沉,影响最终景观效果呈现。

  ② 解决方案

  选择长期耐干旱,短期耐涝的植物,根据苏州地区的气候特征,对植物进行了推荐,详见表1。增加常绿植物比例,保证冬季景观效果,点缀开花植物或色叶植物。多选用植株高度较高、观赏性好的草本类及灌木类植物,避免大面积种植低矮地被植物。

  表1 生物滞留池植物推荐

植物类型

推荐植物

过滤层厚度

草本类

花叶芦竹、花叶芦、细叶芒、旱伞草、葱兰、美人蕉、鸢尾、乱子草、苔草、画眉草、千屈菜、拂子茅、狼尾草、玉带草、马鞭草、大花金鸡菊、再力花、马蔺、蛇鞭菊、蓍草

≥200mm

灌木类

海桐、杜鹃、南天竹、大叶黄杨、无刺枸骨、黄金香柳、

火棘、夹竹桃、洒金桃叶珊瑚、山麻杆、紫穗槐、栀子花、

红叶石楠、红花檵木、柽柳

≥300mm

亚乔木类

木槿、石榴树、桔子树、柘树、巨紫荆、大叶冬青、流苏树、接骨木、枇杷树

≥500mm

  种植不同于普通绿化,宜采用长势较好、规格较高的全株苗(容器苗),同时应避免过度修剪;生物滞留池应适当提高植物的种植密度,建议在常规种植密度基础上提高20%,保证不露土。丰富植物品种,采用组团式种植方式,避免散种造成池内植物散乱。采用片植、群植、丛植、孤植相结合的布局形式,疏密结合,兼顾观赏和休憩功能,避免散种造成池内植物散乱。夏季种植完毕每日均需要进行浇灌,保证植物成活。注重植物的搭配与层次,局部可选用灌木球、亚乔木、景石等进行点缀。

  3结论与建议

  海绵城市在多年试点推进过程中,由于难以一次理解到位,在建设过程中总或多或少存在问题,生物滞留设施在海绵城市的建设过程中被大量使用,看似简单的生物滞留池,施工过程环环相扣,由于设计、施工等建设环节不到位,出现形形色色的问题,让海绵城市的初衷没有得到落实,导致群众的接受程度不高,妨碍了海绵城市的推广。

  海绵城市的建设,应该是“两分设计、六分施工、两分前期维护”,生物滞留设施的建设管控应当在合理化设计的基础上,严格把控建筑雨落管排水、室外管线、场地竖向、绿化造坡等外部条件的施工质量及精准化程度,以在竖向、平面、构造上准确落地。

  由于目前对海绵城市理解透彻的施工单位少之又少,设计单位应该在施工过程中,做到全过程现场指导,并及时按照现场条件变更图纸。此外,海绵城市的建设不能简单理解为绿化施工,应该将市政管线施工与园林绿化施工技术相结合,给予足够的工程预算,并应当尽早介入项目施工,融入雨落管、室外管道、室外铺装、绿化等各个施工环节。海绵技术措施建设完成后,应当防止施工期污染物进入,前期的维护管养也是海绵城市建设效益能否发挥的关键,施工完成后应当采用高频率、精细化的管养维护方式。

  海绵城市试点需要有一定的容错机制,海绵城市建设更是“边实践、边总结、边改进,再实践、再总结、再改进”的螺旋上升过程,试点推进是为了发现问题、解决问题,应当结合出现的问题尽快形成各个地方的设计、施工、管养维护的技术指南,构建有序的监管流程和体系,并纳入到现有施工质量管理程序,确保生物滞留设施等海绵技术措施切实、有效落地。