博薩索機場項目系統(tǒng)排水方案研究

陳武林，黃輝華

（中國土木工程集團有限公司，北京100038）

1 工程概況

博薩索機場又名本德卡司米國際機場，位于博薩索市邊界，坐標(biāo)：東經(jīng)11°13'32″，北緯49°08'24″。博薩索市位于索馬里東北部的巴里省，人口約20 萬人，是邦特蘭自治區(qū)的經(jīng)濟中心和主要港口，是繼摩加迪沙和哈爾格薩后該自治區(qū)的第三大城市。

博薩索機場項目為既有土跑道的改擴建項目，設(shè)計工期15 個月。機場設(shè)計等級為4E，跑道長2 400m，面層為125mm瀝青混凝土，基層為200mm 級配碎石。

基于對現(xiàn)場水文地形實際勘察數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，以及博薩索當(dāng)?shù)卦牧稀⒐に嚇O度缺乏的實際情況，原設(shè)計圖中的漿砌卵石排水溝和寬2m、高1m、長150m 的框架涵洞，實施困難。

2 方案分析研究

2.1 機場區(qū)域排水分析

博薩索機場北側(cè)瀕海，南側(cè)為山丘，場地處在山、海間灘地。山區(qū)以珊瑚石及變質(zhì)泥巖堆積為主，灘地以砂狀沉積土為主。區(qū)域水文特征表現(xiàn)為：暴雨時地表徑流損失小，山區(qū)雨水迅速匯集，夾雜泥沙，形成山洪，呈急流；進入平地漫流，泥沙沉積，呈緩流。為保護機場，在直沖山谷處需進行處治，建立防護堤。原設(shè)計排水溝、涵洞是一種樸素的解決辦法。但對于泥沙沉積的平原地區(qū)，洪水路徑擺動大，被動防御難以馴服水害，參考東方治水思路，當(dāng)以疏導(dǎo)為主。本文計算分析原有設(shè)計方案，研究沿機場紅線翻挖排水溝設(shè)攔水壩方案。

2.2 流量計算

根據(jù)掌握的資料，通過原有設(shè)計的排水溝和框架涵圖紙分別推算其最大排水量。根據(jù)搜集的當(dāng)?shù)亟?5 年降雨資料和地形圖計算的流域面積，結(jié)合地表匯流情況，計算暴雨徑流流量。綜合多種因素得到該區(qū)域百年一遇的設(shè)計流量值。

2.2.1 根據(jù)框架涵設(shè)計圖，推算最大可過水量

排洪涵洞多設(shè)計為無壓自由流狀態(tài)，即水流通過涵洞時，涵洞出入口均不發(fā)生淹沒，且全部過流長度上始終保持著自由水面。

當(dāng)涵洞孔徑對水流有較大的壓縮時，水流被迫在涵前產(chǎn)生積水，以臨界流情況進入涵洞，達到使全部流量通過涵洞為最佳能率。為推算最大可排水量，本研究采用無壓狀態(tài)臨界流情況計算涵洞流量。

原設(shè)計涵洞為1-2m 鋼筋混凝土框架涵，凈高1m，為低邊墻設(shè)計，總長為150m，縱坡較為平緩。設(shè)計流量參考中國交通行業(yè)常用公式：

式中，Q 為流量，m3/s；ε 為擠壓系數(shù)；hk為臨界水深；0為孔徑，m；g=9.81m/s2。系數(shù)ε 按表1 選用。

表1 擠壓系數(shù)ε

本涵洞考慮涵前積水淹沒翼墻前墻，即ε 取0.95。參考凈寬1.5m，凈高1.2m 的低邊墻涵洞水力特征，本涵臨界水深hk取0.71m，LO代入計算得涵洞最大排水能力為3.56m3/s。

2.2.2 根據(jù)漿砌卵石鋪砌設(shè)計圖，推算最大排水量

排水溝水力特征表現(xiàn)明渠均勻流，按照常用明渠式（2）計算：

由式（2）可知，流量與溝渠粗糙程度（n 為粗糙系數(shù)）、過水面積A、水力半徑R、排水溝坡降S 有關(guān)。

設(shè)計排水溝溝底寬3.0m，高1.5m。機場區(qū)域土質(zhì)為易沖刷的砂土，取粗糙系數(shù)為0.025，排水溝滿槽時計算流量為12.64m3/s。

2.2.3 根據(jù)降水量、流域面積和地表植被土壤情況，推算流量

博薩索機場周邊，降水流經(jīng)山丘、灘地，匯入大海，形成獨立的流域體系。暴雨是該區(qū)域洪水的主要來源，研究洪水過程，需要從降雨、經(jīng)流損失、匯集成洪流的全過程研究分析，需要考察當(dāng)?shù)氐慕邓晷汀⒌匦蔚孛病⒌乇碇脖弧⑼寥罎B透等，考慮降水匯流形式及當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)構(gòu)造，從而制定出精度較高的估算方法。

中國交通運輸部門通過多年實踐和洪水經(jīng)驗，在搜集到大量暴雨和徑流實驗觀測資料的基礎(chǔ)上，提出暴雨徑流計算研究方法。本文參考中國交通運輸部門研究思路，計算分析該區(qū)域暴雨徑流。

參考山區(qū)計算公式，考慮匯流面積F，流域長度L，加權(quán)坡降I4，計算如式（3）：

考慮當(dāng)?shù)亟邓縎，據(jù)表2 流域近15 年降水統(tǒng)計，取S=0.6。

表2 博薩索機場區(qū)域地面降水流量統(tǒng)計

參數(shù)C2按式（4）計算：

參數(shù)P0由按式（5）計算：

式（4）、式（5）中，β0、r0、m0、A4、N0、n、η 均為參數(shù)，由土質(zhì)、地形地貌、地表植被和流域概況確定，如表3 所示。機場區(qū)域地表由于長時間干旱少雨，植被極少，土壤沙化嚴(yán)重，取β0=0.52、r0=0.45、m0=0.25、A4=10、N0=0.30、n=0.7。

表3 博薩索機場區(qū)域部分流量計算

綜上，計算機場區(qū)域百年一遇洪水流量為2.94m3/s。原設(shè)計框架涵的最大過水流量為3.56m3/s，設(shè)計排水溝最大排水量為12.64m3/s。綜合分析，該區(qū)域工程設(shè)計流量可計為2.94m3/s。

2.4 壩體結(jié)構(gòu)計算

2.4.1 攔水壩穩(wěn)定性計算

擬設(shè)計攔水壩頂寬3m，底寬6.5m，高1m，坡度1∶1.75，填筑級配好的路基填料，用重型壓路機分層碾壓。當(dāng)排水溝滿槽時，對攔水壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行檢算，計算如下：

式（6）反映水沖擊力與攔水壩重力穩(wěn)定與巖土性質(zhì)有直接關(guān)系，其中，Ea為總滑移力，Ws為攔水壩重力，Wc為巖土產(chǎn)生的抗滑移力， 是土內(nèi)摩擦角。參考填筑材料土工參數(shù)，根據(jù)砂土經(jīng)驗值，計算求得攔水壩抗滑移穩(wěn)定安全系數(shù)F 為11.3。可見，攔水壩整體具有足夠的穩(wěn)定性。

2.4.2 攔水壩受力計算

為了驗證水流對攔水壩的作用，利用通用有限元軟件MIDAS 建立簡化的有限元模型，如圖1 所示。

圖1 攔水壩有限元模型

分別計算在設(shè)計水位和滿流時，水流對攔水壩的作用力。據(jù)式（2）計算得出擬設(shè)計排水溝水位為0.20m 時，可排洪流量值為0.50m3/s，與機場區(qū)域流量值接近，即為排水溝設(shè)計水位。

在滿流時，即水位為1m，水流對壩體壓力值為9.8kN，對壩體基底的彎矩值為3.27kN·m。

在設(shè)計水位時，即水位為0.2m，水流對壩體壓力值為0.98kN，對壩體基底的彎矩值為0.197kN·m。

可見設(shè)計水位下，壩體受力有一定安全儲備。

2.5 方案論證

博薩索機場原設(shè)計采用“漿砌卵石鋪砌的排水溝+設(shè)置2×1m 框架涵”的排水方案成立。但機場區(qū)域為山區(qū)堆積平原區(qū)，水文表現(xiàn)為流徑搖擺，河床位置不定，水文構(gòu)造以淤積為主。按水文地質(zhì)情況現(xiàn)設(shè)計方案有需改進方面。

涵洞設(shè)置位置為現(xiàn)有干涸溝，在漫流區(qū)，洪水來臨時，主流位置不確定，洪水順暢流入窄小涵洞較為困難。規(guī)整卵石導(dǎo)流壩能起到一定作用，但洪水夾砂在該平坦區(qū)域沉積，將堵塞排水溝及涵洞。

框架涵設(shè)計寬2m，高1m，機具清淤困難，人工清淤也較為困難，涵洞使用維護耗費較高，根據(jù)中國大量工程實例，小孔徑涵洞長期淤積后，將難發(fā)揮應(yīng)有設(shè)計作用，多以報廢處理。若考慮增大設(shè)計孔徑，抬高凈空，施工完成后，涵洞與跑道路基難以控制不均勻沉降，路涵過渡段設(shè)計風(fēng)險較高。

分析場地周圍地勢，沿跑道南邊翻挖設(shè)立攔水壩，引導(dǎo)水流從跑道中心排向東西兩側(cè)，在跑道末端引向北側(cè)大海，是一個有效的排水路徑。

2.6 經(jīng)濟效益分析

原設(shè)計主要施工內(nèi)容為：150m 涵洞，3.6km 漿砌水溝；變更后施工內(nèi)容：2.8km 攔水壩，0.8km 水溝，工程量對比表如表4 所示。

表4 工程量對比m3

按照當(dāng)?shù)貙嶋H施工成本計算，優(yōu)化（采用攔水壩方案）后節(jié)約成本約197.5 萬美元。

3 結(jié)論

通過分析研究得到如下結(jié)論：（1）該區(qū)域工程設(shè)計流量計為2.94m3/s；（2）翻挖排水溝并以路基填料構(gòu)筑的攔水壩，整體具有足夠的穩(wěn)定性，壩體受力有一定安全儲備；（3）變更原設(shè)計排水方案，即取消設(shè)計的過水涵洞及漿砌水溝，采用翻挖排水溝引導(dǎo)水流的區(qū)域綜合排水方案；（4）優(yōu)化設(shè)計后將大大縮短工期，節(jié)約成本，經(jīng)濟效益最大化。

該項目已經(jīng)竣工運營，攔水壩已發(fā)揮其功能，機場系統(tǒng)排水狀況良好。攔水壩工程現(xiàn)狀如圖2 所示。

圖2 博薩索機場項目攔水壩工程現(xiàn)狀