地下水滲流作用下機(jī)場(chǎng)道基的穩(wěn)定性分析

魏凱杰 張 強(qiáng) 楊洪順

（中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

0 引言

在國(guó)際交通運(yùn)輸和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，航空運(yùn)輸發(fā)揮了重要的作用，并在全球范圍內(nèi)修建了大量的國(guó)際機(jī)場(chǎng)[1]。這些國(guó)際機(jī)場(chǎng)在長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)中，受到飛機(jī)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(jī)場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)安全帶來(lái)極大的隱患。該文結(jié)合欽切羅國(guó)際機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目，針對(duì)前期水文地質(zhì)調(diào)研不足的問(wèn)題，導(dǎo)致地下水滲流引發(fā)機(jī)場(chǎng)道基沉降，產(chǎn)生跑道斷裂和失穩(wěn)隱患，進(jìn)行一系列研究，研究成果可為類(lèi)似的機(jī)場(chǎng)道基地下水處理提供基礎(chǔ)資料[2]。

1 工程概況

欽切羅國(guó)際機(jī)場(chǎng)位于秘魯庫(kù)斯克市郊區(qū)欽切羅鎮(zhèn)，距庫(kù)斯克市30 km 用于替代庫(kù)斯科原市區(qū)內(nèi)原老舊機(jī)場(chǎng)，建成后每年可接納570 萬(wàn)游客。秘魯政府該于2011 項(xiàng)目立項(xiàng)，2021 年完成招標(biāo)正式進(jìn)入設(shè)計(jì)和施工階段，其中跑道設(shè)計(jì)和施工是工程重要組成部分。

根據(jù)前期地址勘探水文資料，機(jī)場(chǎng)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(cè)區(qū)域，隨著土方工程開(kāi)挖和回填大規(guī)模進(jìn)行，跑道區(qū)域面逐漸涌出多個(gè)泉眼，大大小小總計(jì)57 處，主要集中在跑道北側(cè)及南側(cè)區(qū)域，這給跑道施工及后期運(yùn)維帶來(lái)較大影響和隱患。

跑道區(qū)域內(nèi)軟土含水量高、強(qiáng)度低以及壓縮性大，在后期跑道交通荷載的長(zhǎng)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(jī)荷載作用下引起的塑性應(yīng)變累積沉降、孔隙水壓力消散引起的固結(jié)沉降等。

2 機(jī)場(chǎng)區(qū)域地下水滲流調(diào)查

盡管在機(jī)場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行前期的各種調(diào)查研究，但是對(duì)機(jī)場(chǎng)及其周邊地區(qū)的地下水流的水動(dòng)力功能仍了解或者調(diào)研的結(jié)果非常粗略。根據(jù)對(duì)目前信息的分析，認(rèn)為跑道水源主要來(lái)自機(jī)場(chǎng)東側(cè)巖石山體的裂隙水，并匯入了Urquillos 溪流，為了進(jìn)一步對(duì)機(jī)場(chǎng)地下水環(huán)境進(jìn)行調(diào)研，以了解地下水的滲流特征，該研究開(kāi)展一系列的區(qū)域詳細(xì)勘測(cè)，以提供關(guān)于地下水供應(yīng)源水文地質(zhì)模型的詳細(xì)知識(shí)，提出不同的水力解決方案。

項(xiàng)目區(qū)擬實(shí)施6 條1 km 長(zhǎng)的斷層掃描線(xiàn)，分布在機(jī)場(chǎng)以東的重點(diǎn)山區(qū)地段，以此推斷地下水滲流方向，表1 為斷層掃描線(xiàn)的布置原則。所生成的信息將與前期業(yè)主2015年在機(jī)場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行的斷層掃描線(xiàn)的地球物理信息相互印證，確定3 個(gè)地質(zhì)電阻層。同時(shí)，可以將生成的信息與2022 年獲取的地質(zhì)電阻剖面進(jìn)行比較。

表1 欽切羅國(guó)際機(jī)場(chǎng)地下水滲流調(diào)研的斷層掃描線(xiàn)布置原則

為進(jìn)一步研究場(chǎng)區(qū)地下水水力學(xué)參數(shù)，在場(chǎng)區(qū)共布置14 個(gè)20 m 深的地下水測(cè)壓孔，11 個(gè)布置在機(jī)場(chǎng)周界，其他3 個(gè)孔眼安裝在區(qū)域外可能的地下水來(lái)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(shù)，這些信息將作為解釋研究區(qū)水文地質(zhì)、建立數(shù)值模型分析的基礎(chǔ)。

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(jī)場(chǎng)道基使用過(guò)程中，地下水對(duì)于道基的穩(wěn)定性有著重要的影響，當(dāng)?shù)叵滤簧仙酵馏w中的某個(gè)位置時(shí)，它會(huì)將土體中的土粒推開(kāi)，減小土粒之間的接觸力，導(dǎo)致土體的承載力降低，土體內(nèi)的孔隙水飽和，土體變得松軟，導(dǎo)致道基變形和沉降，地下水流動(dòng)的沖擊作用會(huì)對(duì)土體造成沖刷作用，使土體松動(dòng)、剝蝕和脫層，使其失去穩(wěn)定性。因此有必要建立機(jī)場(chǎng)道基的地下水滲流固液耦合模型，對(duì)地基在地下水作用下的變形情況展開(kāi)分析。機(jī)場(chǎng)道基的地下水滲流問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜的數(shù)學(xué)求解問(wèn)題，既包括水文地質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ)理論，又包括土力學(xué)的固結(jié)理論，在飛機(jī)荷載和地下水滲流雙重作用下，機(jī)場(chǎng)道基既要滿(mǎn)足力學(xué)平衡和變形協(xié)調(diào)方程，又要與水力學(xué)的達(dá)西定律和流量守恒定理相符合。因此，可以假設(shè)機(jī)場(chǎng)道基為無(wú)限均勻地質(zhì)體，在其中取得一個(gè)任意微小土單元進(jìn)行地下水的滲流場(chǎng)，土體單元的力學(xué)平衡方程滿(mǎn)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(biāo)，其中，z方向?yàn)橹亓Ψ较?，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(guò)程中服從達(dá)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(shù)矩陣，i=x、y、z，j=x、y、z，m/s；q為微小土體單元內(nèi)單位時(shí)間的滲流水量，m3。

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

式中：k為土體的滲透系數(shù)，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(yīng)變；t為時(shí)間，s。

3.2 機(jī)場(chǎng)道基三維地下水滲流有限元模型

根據(jù)三維地下水滲流微分方程，運(yùn)用Abaqus 巖土有限元仿真分析軟件建立機(jī)場(chǎng)道基三維地下水滲流分析模型。計(jì)算時(shí)，飛機(jī)荷載可以通過(guò)接觸面對(duì)道基進(jìn)行施加，并根據(jù)面積等效原理將飛機(jī)輪印面積轉(zhuǎn)換為矩形面積，按照A310 型客機(jī)的起落架結(jié)構(gòu)以及飛機(jī)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(shí)的重力沖擊系數(shù)可以取為1.05，而飛機(jī)在滑行階段的輪胎表面壓力為1.46MPa。機(jī)場(chǎng)道基的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)土質(zhì)基層。

計(jì)算時(shí)，夯實(shí)土質(zhì)基層服從摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，其密度為1800kg/m3，滲透系數(shù)為2.625m/d，彈性模量為50MPa，泊松比為0.35，內(nèi)摩擦角為30°，黏聚力為10kPa，初始孔隙比為1.500；考慮到機(jī)場(chǎng)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(jié)構(gòu)層，其剛度較大，因此假設(shè)這3層結(jié)構(gòu)的本構(gòu)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(jī)場(chǎng)道基的穩(wěn)定性仿真結(jié)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(dǎo)致的水位差，數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)考慮了4 種不同的工況，分別是在機(jī)場(chǎng)跑道方向25 m 范圍（Y方向）內(nèi)，水頭高差為0.5m、1.0m、2.0m 和4.0m，對(duì)應(yīng)的水力坡降為2%、4%、8%和16%。

限于篇幅，選取機(jī)場(chǎng)道基地下水水頭高差為2.0 m 時(shí)的沉降計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，如圖1 所示。從圖1 可以看出，在25 m 的道基范圍內(nèi)，順著機(jī)場(chǎng)跑道方向地下水的水頭不斷降低，同時(shí)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(dá)到2.93mm。在高水頭側(cè)，道基表面沉降量沿著深度方向降低較快，而在低水頭側(cè)，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(huì)對(duì)機(jī)場(chǎng)道基的沉降產(chǎn)生顯著影響。

圖1 機(jī)場(chǎng)道基地下水水頭高差為2.0 m 時(shí)的沉降計(jì)算結(jié)果

表2 和圖2 為不同水頭高差工況下順機(jī)場(chǎng)跑道方向地下水滲流引起的道基表面沉降量計(jì)算結(jié)果。從圖6 可以看出，不同水頭高差工況下，順機(jī)場(chǎng)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(jī)場(chǎng)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(cè)（距離=0m），道基表面沉積為2.08mm，在低水頭側(cè)（距離=25.0m），道基表面沉降為3.0mm，增加幅度達(dá)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(cè)（距離=25.0m）為例，當(dāng)水頭高差為0.5m 時(shí)，道基表面沉降為3.0mm，在水頭高差為4.0m 時(shí)，道基表面沉降為13.20mm，增加幅度達(dá)到340%。由此可以看出，地下水滲流的坡降對(duì)道基的沉降產(chǎn)生不利影響，在長(zhǎng)期的飛機(jī)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(fēng)險(xiǎn)，為了保證機(jī)場(chǎng)道基的穩(wěn)定性，必須要對(duì)地下水流動(dòng)情況進(jìn)行分析和評(píng)估，并采取相應(yīng)的防護(hù)措施，可以通過(guò)加固土體、加強(qiáng)排水、加裝防滲設(shè)施等方式來(lái)降低地下道基的水頭差，提高機(jī)場(chǎng)道基的穩(wěn)定性，并且可以通過(guò)監(jiān)測(cè)和維護(hù)來(lái)保持其長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。

圖2 機(jī)場(chǎng)道基跑道方向（Y 方向）的沉降計(jì)算結(jié)果

表2 順機(jī)場(chǎng)跑道方向地下水滲流引起的道基表面沉降量計(jì)算結(jié)果

圖3 為不同水頭高差工況下道基孔隙水壓力變化計(jì)算結(jié)果。從圖3 中可以看出，在飛機(jī)降落的5min 內(nèi)，道基內(nèi)的孔隙水壓力急速上升，達(dá)到孔隙水壓力峰值，并在隨后的30min 內(nèi)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(dāng)水頭高差為0.5m時(shí)，孔隙水壓力最大值為100kPa，收斂值為14kPa；當(dāng)水頭高差為1.0m 時(shí)，孔隙水壓力最大值為130kPa，收斂值為24kPa；水頭高差為2.0m 時(shí)，孔隙水壓力最大值為150kPa，收斂值為28kPa；水頭高差為4.0m 時(shí)，孔隙水壓力最大值為200kPa，收斂值為39kPa。由此可以看出，在長(zhǎng)期的循環(huán)往復(fù)的飛機(jī)荷載作用下，土體的孔隙水壓力產(chǎn)生波動(dòng)，土體產(chǎn)生滲流固結(jié)，導(dǎo)致機(jī)場(chǎng)道基不均勻，逐漸形成疏密之分，極易導(dǎo)致機(jī)場(chǎng)跑道結(jié)構(gòu)的褶皺和病害。

圖3 機(jī)場(chǎng)道基孔隙水壓力計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

以欽切羅國(guó)際機(jī)場(chǎng)道基為研究對(duì)象，采用三維數(shù)值仿真模擬的手段，建立地下水滲流三維模擬，研究機(jī)場(chǎng)道基的變形規(guī)律，得到以下3 個(gè)結(jié)論：1）不同水頭高差工況下，順機(jī)場(chǎng)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(jī)場(chǎng)跑道方向地下水的水頭不斷降低，同時(shí)道基表面的沉降量不斷增加。2）在同一水頭高差下，順機(jī)場(chǎng)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(duì)道基的沉降產(chǎn)生明顯的不利影響，在長(zhǎng)期的飛機(jī)荷載作用下極易出現(xiàn)道基松散、脫空、波狀沉降，引發(fā)道基坍塌和失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。3）在飛機(jī)降落的5 min 內(nèi)，道基內(nèi)的孔隙水壓力急速上升，達(dá)到孔隙水壓力峰值，并在隨后的30 min 內(nèi)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(zhǎng)期的循環(huán)往復(fù)的飛機(jī)荷載作用下，土體的孔隙水壓力產(chǎn)生波動(dòng)，土體產(chǎn)生滲流固結(jié)，導(dǎo)致機(jī)場(chǎng)道基不在均勻，逐漸形成疏密之分，極易導(dǎo)致機(jī)場(chǎng)跑道結(jié)構(gòu)的褶皺和病害。