地下水滲流作用下機場道基的穩(wěn)定性分析

魏凱杰 張 強 楊洪順

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

0 引言

在國際交通運輸和經濟發(fā)展中，航空運輸發(fā)揮了重要的作用，并在全球范圍內修建了大量的國際機場[1]。這些國際機場在長期的運營中，受到飛機起降落荷載的循環(huán)作用以及地層條件、地下水滲流等因素的影響，不可避免地造成不均勻沉降、脫空、坍塌、跑道斷裂等病害，給機場的運營安全帶來極大的隱患。該文結合欽切羅國際機場項目，針對前期水文地質調研不足的問題，導致地下水滲流引發(fā)機場道基沉降，產生跑道斷裂和失穩(wěn)隱患，進行一系列研究，研究成果可為類似的機場道基地下水處理提供基礎資料[2]。

1 工程概況

欽切羅國際機場位于秘魯庫斯克市郊區(qū)欽切羅鎮(zhèn)，距庫斯克市30 km 用于替代庫斯科原市區(qū)內原老舊機場，建成后每年可接納570 萬游客。秘魯政府該于2011 項目立項，2021 年完成招標正式進入設計和施工階段，其中跑道設計和施工是工程重要組成部分。

根據前期地址勘探水文資料，機場跑道區(qū)域地下水并不豐富，地下水主要集中在跑道以外的西側區(qū)域，隨著土方工程開挖和回填大規(guī)模進行，跑道區(qū)域面逐漸涌出多個泉眼，大大小小總計57 處，主要集中在跑道北側及南側區(qū)域，這給跑道施工及后期運維帶來較大影響和隱患。

跑道區(qū)域內軟土含水量高、強度低以及壓縮性大，在后期跑道交通荷載的長期循環(huán)作用下，極易發(fā)生沉降，這些沉降包括工后沉降、飛機荷載作用下引起的塑性應變累積沉降、孔隙水壓力消散引起的固結沉降等。

2 機場區(qū)域地下水滲流調查

盡管在機場區(qū)域進行前期的各種調查研究，但是對機場及其周邊地區(qū)的地下水流的水動力功能仍了解或者調研的結果非常粗略。根據對目前信息的分析，認為跑道水源主要來自機場東側巖石山體的裂隙水，并匯入了Urquillos 溪流，為了進一步對機場地下水環(huán)境進行調研，以了解地下水的滲流特征，該研究開展一系列的區(qū)域詳細勘測，以提供關于地下水供應源水文地質模型的詳細知識，提出不同的水力解決方案。

項目區(qū)擬實施6 條1 km 長的斷層掃描線，分布在機場以東的重點山區(qū)地段，以此推斷地下水滲流方向，表1 為斷層掃描線的布置原則。所生成的信息將與前期業(yè)主2015年在機場內進行的斷層掃描線的地球物理信息相互印證，確定3 個地質電阻層。同時，可以將生成的信息與2022 年獲取的地質電阻剖面進行比較。

表1 欽切羅國際機場地下水滲流調研的斷層掃描線布置原則

為進一步研究場區(qū)地下水水力學參數，在場區(qū)共布置14 個20 m 深的地下水測壓孔，11 個布置在機場周界，其他3 個孔眼安裝在區(qū)域外可能的地下水來源區(qū)，由此確定飽和厚度、壓水位并確定底土的主要水力參數，這些信息將作為解釋研究區(qū)水文地質、建立數值模型分析的基礎。

3 建立三維地下水滲流模型

3.1 三維地下水滲流微分方程

在機場道基使用過程中，地下水對于道基的穩(wěn)定性有著重要的影響，當地下水位上升到土體中的某個位置時，它會將土體中的土粒推開，減小土粒之間的接觸力，導致土體的承載力降低，土體內的孔隙水飽和，土體變得松軟，導致道基變形和沉降，地下水流動的沖擊作用會對土體造成沖刷作用，使土體松動、剝蝕和脫層，使其失去穩(wěn)定性。因此有必要建立機場道基的地下水滲流固液耦合模型，對地基在地下水作用下的變形情況展開分析。機場道基的地下水滲流問題是一個復雜的數學求解問題，既包括水文地質學的基礎理論，又包括土力學的固結理論，在飛機荷載和地下水滲流雙重作用下，機場道基既要滿足力學平衡和變形協調方程，又要與水力學的達西定律和流量守恒定理相符合。因此，可以假設機場道基為無限均勻地質體，在其中取得一個任意微小土單元進行地下水的滲流場，土體單元的力學平衡方程滿足公式（1）所示[3-6]。

式中：x、y、z分別為微小土體單元空間坐標，其中，z方向為重力方向，m；為偏微分算子；u、v、w分別為微小土體單元在x方向、y方向和z方向的位移，m；μ為土體的泊松比；G為土體的剪切模量，MPa。

地下水在土體中的滲流過程中服從達西定律，其穩(wěn)定滲流中的水頭分布如公式（2）所示[7]。

式中：h為地下水水頭高度，m；kij為三維空間中的滲透系數矩陣，i=x、y、z，j=x、y、z，m/s；q為微小土體單元內單位時間的滲流水量，m3。

假設土體中的水不可壓縮且連續(xù)，就三維滲流場中的土體滿足滲流固結方程如公式（3）所示[8]。

式中：k為土體的滲透系數，m/s；γ為土體的容重，kN/m3；u為土體的位移，m；ε為土體的應變；t為時間，s。

3.2 機場道基三維地下水滲流有限元模型

根據三維地下水滲流微分方程，運用Abaqus 巖土有限元仿真分析軟件建立機場道基三維地下水滲流分析模型。計算時，飛機荷載可以通過接觸面對道基進行施加，并根據面積等效原理將飛機輪印面積轉換為矩形面積，按照A310 型客機的起落架結構以及飛機輪胎的尺寸，可以換算得到等效矩形面積為0.45m×0.40m，降落時的重力沖擊系數可以取為1.05，而飛機在滑行階段的輪胎表面壓力為1.46MPa。機場道基的結構設計為4 層，從上到下分別為10cm 的混凝土面層、30cm 的水泥穩(wěn)定碎石土基層、30cm的天然砂礫土墊層以及34m 的夯實土質基層。

計算時，夯實土質基層服從摩爾庫倫本構模型，其密度為1800kg/m3，滲透系數為2.625m/d，彈性模量為50MPa，泊松比為0.35，內摩擦角為30°，黏聚力為10kPa，初始孔隙比為1.500；考慮到機場的面層、水泥穩(wěn)定碎石土基層和天然砂礫土墊層為特殊結構層，其剛度較大，因此假設這3層結構的本構模型服從彈性模型，面層的密度為2400kg/m3，彈性模量為36000MPa，泊松比為0.15；基層的密度為2000kg/m3，彈性模量為1550MPa，泊松比為0.25；墊層的密度為1850kg/m3，彈性模量為200MPa，泊松比為0.30。

4 地下水滲流作用下機場道基的穩(wěn)定性仿真結果分析

為了考慮地下水滲流的不均性以及自然降水、地形差異導致的水位差，數值模擬計算時考慮了4 種不同的工況，分別是在機場跑道方向25 m 范圍（Y方向）內，水頭高差為0.5m、1.0m、2.0m 和4.0m，對應的水力坡降為2%、4%、8%和16%。

限于篇幅，選取機場道基地下水水頭高差為2.0 m 時的沉降計算結果進行分析，如圖1 所示。從圖1 可以看出，在25 m 的道基范圍內，順著機場跑道方向地下水的水頭不斷降低，同時道基表面的沉降量不斷增加，從6.07mm 增至9.00mm，不均勻沉降差達到2.93mm。在高水頭側，道基表面沉降量沿著深度方向降低較快，而在低水頭側，道基表面沉降量沿深度方向降低較慢，由此表明，地下水的滲流方向會對機場道基的沉降產生顯著影響。

圖1 機場道基地下水水頭高差為2.0 m 時的沉降計算結果

表2 和圖2 為不同水頭高差工況下順機場跑道方向地下水滲流引起的道基表面沉降量計算結果。從圖6 可以看出，不同水頭高差工況下，順機場跑道方向地下水滲流引起的道基表面沉降量的變化規(guī)律基本一致，均呈反“S”型。在同一水頭高差下，順機場跑道方向的道基表面沉降量隨著距離的增加而增大，以水頭高差0.5m 為例，從表2 中可以看出，在高水頭側（距離=0m），道基表面沉積為2.08mm，在低水頭側（距離=25.0m），道基表面沉降為3.0mm，增加幅度達到44.23%；在同一距離條件下，道基表面沉降量隨著水頭高差增加而增加，以低水頭側（距離=25.0m）為例，當水頭高差為0.5m 時，道基表面沉降為3.0mm，在水頭高差為4.0m 時，道基表面沉降為13.20mm，增加幅度達到340%。由此可以看出，地下水滲流的坡降對道基的沉降產生不利影響，在長期的飛機荷載作用下極易發(fā)生道基松散、脫空、波狀沉降，引發(fā)道基坍塌和失穩(wěn)風險，為了保證機場道基的穩(wěn)定性，必須要對地下水流動情況進行分析和評估，并采取相應的防護措施，可以通過加固土體、加強排水、加裝防滲設施等方式來降低地下道基的水頭差，提高機場道基的穩(wěn)定性，并且可以通過監(jiān)測和維護來保持其長期的穩(wěn)定性。

圖2 機場道基跑道方向（Y 方向）的沉降計算結果

表2 順機場跑道方向地下水滲流引起的道基表面沉降量計算結果

圖3 為不同水頭高差工況下道基孔隙水壓力變化計算結果。從圖3 中可以看出，在飛機降落的5min 內，道基內的孔隙水壓力急速上升，達到孔隙水壓力峰值，并在隨后的30min 內不斷消散，并趨于穩(wěn)定收斂，隨著水頭高差不斷增加，孔隙水壓力峰值不斷增加，當水頭高差為0.5m時，孔隙水壓力最大值為100kPa，收斂值為14kPa；當水頭高差為1.0m 時，孔隙水壓力最大值為130kPa，收斂值為24kPa；水頭高差為2.0m 時，孔隙水壓力最大值為150kPa，收斂值為28kPa；水頭高差為4.0m 時，孔隙水壓力最大值為200kPa，收斂值為39kPa。由此可以看出，在長期的循環(huán)往復的飛機荷載作用下，土體的孔隙水壓力產生波動，土體產生滲流固結，導致機場道基不均勻，逐漸形成疏密之分，極易導致機場跑道結構的褶皺和病害。

圖3 機場道基孔隙水壓力計算結果

5 結論

以欽切羅國際機場道基為研究對象，采用三維數值仿真模擬的手段，建立地下水滲流三維模擬，研究機場道基的變形規(guī)律，得到以下3 個結論：1）不同水頭高差工況下，順機場跑道方向地下水滲流引起的道基表面沉降量的變化規(guī)律基本一致，均呈反“S”形，順著機場跑道方向地下水的水頭不斷降低，同時道基表面的沉降量不斷增加。2）在同一水頭高差下，順機場跑道方向的道基表面沉降量隨著距離增加而增大，在同一距離條件下，道基表面沉降量隨著水頭高差的增加而增加。地下水滲流的坡降對道基的沉降產生明顯的不利影響，在長期的飛機荷載作用下極易出現道基松散、脫空、波狀沉降，引發(fā)道基坍塌和失穩(wěn)風險。3）在飛機降落的5 min 內，道基內的孔隙水壓力急速上升，達到孔隙水壓力峰值，并在隨后的30 min 內不斷消散，并趨于穩(wěn)定收斂，隨著水頭高差不斷增加，孔隙水壓力峰值不斷增加。由此可以看出，在長期的循環(huán)往復的飛機荷載作用下，土體的孔隙水壓力產生波動，土體產生滲流固結，導致機場道基不在均勻，逐漸形成疏密之分，極易導致機場跑道結構的褶皺和病害。