降雨影響下飛行區(qū)道面地下水位智能監(jiān)測及變化規(guī)律分析

顧時俊 張鈺彬

為了適應(yīng)日益復(fù)雜的交通航班架次，提高道面維護(hù)和管理效率與效果，機場道面管理需由傳統(tǒng)的“被動防治”逐漸向基于數(shù)據(jù)分析進(jìn)行“主動防治”的管理模式轉(zhuǎn)型。虹橋機場地下水位較高，地下水位隨降雨反復(fù)上升和下降一方面對道基發(fā)生干濕循環(huán)作用，可能弱化地基承載能力，另一方面可能滲入基層底部，引發(fā)道面結(jié)構(gòu)性病害。本文依托虹橋機場東跑道側(cè)面的地下水位自動監(jiān)測設(shè)備，對跑道側(cè)面土面區(qū)地下水位計數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并結(jié)合雨量計數(shù)據(jù)驗證地下水位計的有效性，在此基礎(chǔ)上分析跑道地下水位的變化規(guī)律，為機場跑道病害誘因分析和病害維護(hù)提供分析依據(jù)。相比于傳統(tǒng)地下水位的人工觀測，虹橋機場地下水位自動監(jiān)測設(shè)備實現(xiàn)了運行機場飛行區(qū)地下水位的實時監(jiān)測，并利用開發(fā)的系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警、維護(hù)分析，也為其他建筑工程的地下水位監(jiān)測方法提供參考。

上海虹橋國際機場位于中國上海市長寧區(qū)，為4E級民用國際機場。目前虹橋機場擁有跑道兩條，是我國最為繁忙的大型民用機場之一。目前虹橋機場部分道面使用年限已較長，進(jìn)入了設(shè)計壽命中期或后期。隨著近年旅客吞吐量的穩(wěn)定增長，飛行區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)施受環(huán)境和荷載的影響性能也在不斷衰減。道面是飛行區(qū)內(nèi)最為重要的結(jié)構(gòu)設(shè)施，保證其始終處于正常、安全的使用狀態(tài)，對于飛行區(qū)安全至關(guān)重要。雖然針對道面病害經(jīng)過一系列的修補、加鋪、改造等方式，將風(fēng)險始終控制在可控的狀態(tài)。但是，由于受其設(shè)計壽命的限制，維護(hù)成本及病害復(fù)發(fā)的風(fēng)險都有明顯上升的趨勢，總體仍屬于被動維護(hù)的工作模式。

飛行區(qū)道面性能受地基沉降變形、地基地下水位等因素的變化而發(fā)生改變。基于對飛行區(qū)道面存在的安全風(fēng)險所產(chǎn)生的充分認(rèn)識，有必要對地下水位檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行深入研究，分析安全風(fēng)險的形成機理和發(fā)展規(guī)律，建立安全風(fēng)險影響因素預(yù)警模型，并提出面向四型機場建設(shè)的安全管控措施與對策。對于虹橋機場飛行區(qū)長治久安、機場未來的快速發(fā)展以及運行機場四型機場建設(shè)具有重要意義，同時為其他建筑工程的地下水位監(jiān)測方法提供案例和參考。

一、道面性能影響因素感知分析

地基發(fā)生不均勻沉降，不僅影響道面整體不均勻沉降和道面平整度，也會導(dǎo)致道面不協(xié)調(diào)變形而出現(xiàn)的斷板現(xiàn)象，因此道面沉降是影響道面結(jié)構(gòu)性能和安全的重要因素之一。地基的地下水位出現(xiàn)波動，一方面改變了地基濕度狀況，濕度依賴性極強的地基回彈模量發(fā)生衰減，影響地基承載能力，另一方面地下水通過滲流和毛細(xì)水等作用侵入道面結(jié)構(gòu)層，誘發(fā)層間結(jié)合和結(jié)構(gòu)層弱化問題。因此沉降變形和地下水位等因素能間接影響道面結(jié)構(gòu)性能，進(jìn)而成為道面安全風(fēng)險問題的間接誘因，也需要管理部門引起足夠的重視。

1.地下水位感知技術(shù)分析

沉降變形的感知手段包括傳統(tǒng)水準(zhǔn)和GPS高程測量、單點沉降計監(jiān)測、全域InSAR監(jiān)測等技術(shù)。其中單點沉降計采用鉆孔埋入光纖光柵類點式沉降計獲取重點斷面的絕對沉降和差異沉降，全域InSAR監(jiān)測利用合成孔徑雷達(dá)干涉測量（InSAR）技術(shù)，并發(fā)展長時序監(jiān)測機場跑道沉降的模型算法，克服機場跑道雷達(dá)反射信號弱的問題，大幅提高觀測點密度，快速識別飛行區(qū)全域道面的沉降速率、差異沉降等指標(biāo)，可以彌補傳統(tǒng)水準(zhǔn)和GPS測量手段的不足，廣泛用于地表形變監(jiān)測領(lǐng)域，具有較低成本、觀測范圍大、監(jiān)測時間短等優(yōu)點。

地基地下水位感知一般采用人工地下水位觀測，或光纖類或無線振弦類高精度地下水位計實時監(jiān)測，掌握監(jiān)測飛行區(qū)地基地下水位隨天氣的變化情況。

2.地下水位智能監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

虹橋機場D滑存在唧泥脫空病害，故在虹橋機場D滑附近布設(shè)人工地下水位觀測點和排水溝流量監(jiān)測裝置。采用地下水位管對地下水位進(jìn)行監(jiān)測，前期監(jiān)測頻率設(shè)置為2～3天/次，雨天時增加測量頻次。在盲管溝的檢查井和排水管設(shè)置超聲波流量計，采集管中水位、流量、流速等數(shù)據(jù)，實施無線傳輸記錄現(xiàn)場排水狀況，不間斷地掌握地下水位實時變化的情況。同時，設(shè)置機械式流量計開展流量監(jiān)測，并在監(jiān)測位置設(shè)置太陽能無線攝像頭實時觀測排水狀況。

同時，在東跑道側(cè)面土面區(qū)安裝4個無線地下水位計，并擬在2023年于西跑道側(cè)面土面區(qū)安裝4個地下水位計，多區(qū)域監(jiān)測虹橋機場飛行區(qū)地下水位變化情況。地下水位自動監(jiān)測裝置主要由地下埋設(shè)裝置、地面數(shù)據(jù)傳輸裝置和數(shù)據(jù)存儲、分析、預(yù)警平臺三大部分組成（圖1）。

圖1 自動監(jiān)測裝置組成示意圖

地下水位數(shù)據(jù)通過地下埋設(shè)裝置中的地下水位計采集，然后數(shù)據(jù)通過傳感器引線傳輸至地面無線采集箱，多個采集箱數(shù)據(jù)匯總后發(fā)送到云服務(wù)器進(jìn)行存儲。同時，地下水位自動監(jiān)測數(shù)據(jù)可接入飛行區(qū)其他系統(tǒng)（如虹橋機場道面管理系統(tǒng)、虹橋機場跑道表面狀況監(jiān)測系統(tǒng)），具備數(shù)據(jù)實時展示、埋入式傳感器三維可視化、自動生成報告、實時預(yù)警等功能。

二、飛行區(qū)道面地下水位變化規(guī)律分析

依托虹橋機場東跑道側(cè)面的地下水位自動監(jiān)測設(shè)備，對東跑道側(cè)面土面區(qū)地下水位計數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并結(jié)合雨量計數(shù)據(jù)驗證地下水位計的有效性，并在此基礎(chǔ)上分析虹橋機場東跑道地下水位的變化規(guī)律。

2022年11月地下水位計與雨量計數(shù)據(jù)分布如圖2所示。由圖可知，地下水位變化趨勢與降雨強度一致，且存在一定的滯后性，這是因為降雨入滲引發(fā)地下水位上升需要一定時間。因此，本次安裝的地下水位計是有效的。

圖2 2022年11月地下水位計與雨量計數(shù)據(jù)分布

跑道南端、聯(lián)絡(luò)道B1、跑道北端和H4的地下水位變化趨勢一致，但數(shù)值存在一定差異；總的來說，跑道南端＞聯(lián)絡(luò)道B1＞ H4 ＞跑道北端。另外，11日短時強降雨過程中，H4處的地下水位在10:54時發(fā)生劇烈變化，這可能是由于排水不暢造成監(jiān)測水位突變，隨后緩慢消散至正常水平。統(tǒng)計可得11月跑道南端、聯(lián)絡(luò)道B1、跑道北端和H4 處地下水位的最高和最低值分別為（-0.284，-1.203）m、（-0.188，-1.845）m、（-1.127，-1.847）m、（-0.664，-1.906）m。

2022年12月地下水位計與雨量計數(shù)據(jù)分布如圖3所示。由圖可知，地下水位變化趨勢與降雨強度一致。因此，本項目安裝的地下水位計是有效的。

圖3 2022年12月地下水位計與雨量計數(shù)據(jù)分布

跑道南端、聯(lián)絡(luò)道B1、跑道北端和H4的地下水位變化趨勢一致，但數(shù)值存在一定差異；總的來說，跑道南端＞聯(lián)絡(luò)道B1＞ H4 ≈跑道北端。

統(tǒng)計可得12月跑道南端、聯(lián)絡(luò)道B1、跑道北端和H4 處地下水位的最高和最低值分別為（-0.225，-0.885）m、（-0.276，-1.192）m、（-0.97，-1.547）m、（-0.792，-1.574）m。

同理，針對2023年1月-2023年3月數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合地下水位計與雨量計數(shù)據(jù)分布圖，總結(jié)得出：

（1）2022年11月-2023年3月虹橋機場東跑道的地下水位計數(shù)據(jù)隨著雨量計數(shù)據(jù)而變化，充分表明本項目安裝的地下水位計是有效的。

（2）跑道南端、聯(lián)絡(luò)道B1、跑道北端和H4的地下水位變化趨勢一致，但數(shù)值存在一定差異?？偟膩碚f，跑道南端＞聯(lián)絡(luò)道B1＞跑道北端＞ H4 。

（3） 2022年11月-2023年3月虹橋機場東跑道的地下水位最高值和最低值分別為-0.17 m和-1.906m。

三、結(jié)論與建議

本文依托地下水位自動監(jiān)測設(shè)備，對虹橋機場跑道側(cè)面土面區(qū)地下水位計數(shù)據(jù)進(jìn)行有效收集，通過監(jiān)測平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，并結(jié)合雨量計數(shù)據(jù)驗證了地下水位計的有效性。在此基礎(chǔ)上分析跑道地下水位的變化規(guī)律及趨勢，可以為機場土建工程、給排水工程，以及跑道病害誘因分析和病害維護(hù)提供依據(jù)，為機場道面管理由傳統(tǒng)“被動防治”向“主動防治”管理模式的轉(zhuǎn)型提供助力，也為其他建筑工程的施工、運維和養(yǎng)護(hù)過程提供參考方案。

建議加強智能監(jiān)測系統(tǒng)平臺的使用和跟蹤維護(hù)，充分利用和積累長時監(jiān)測數(shù)據(jù)，優(yōu)化模型算法，可加強管理決策的實時性和合理性，也可提前發(fā)現(xiàn)濕滑跑道、冰雪跑道等適航條件較差或不適航的跑道狀態(tài)。