机场设计中的地下水处治方法研究

易光伟，罗 俊

(1.北京天羿机场设计咨询有限公司,北京 100176;2.上海民航新时代机场设计研究院有限公司广州分公司,广东 广州 510405)

0 引言

对盐渍土、季节性冻土地区的地基处理设计,需考虑覆盖效应(锅盖效应),李强、姚仰平等[1-2]及规范[3]均提出低于露点设置不透水隔离层的设计原则。对高地下水位的地基处理设计,应考虑道(路)基干湿循环对道(路)基强度的不利影响。

对高地下水位的机场地势设计,常采用整体抬升道面标高或降低地下水位的方法。机场工程为面状工程,升降带等的坡度按规范要求不能太大,抬升道面标高意味着机场整体地势的抬升,对受地下水位控制并无法实现土方平衡的工程,将大幅增加外借土方量,大幅提升工程造价。采用降低地下水位的方法时,常于道面两侧设置排水盲沟,但由于粉黏土质地区盲沟外裹土工布不具备长效性,多年高强度使用有渗水效果下降甚至失去降水能力的可能。

本文以新疆地区高地下水位、盐渍土、冻胀等条件下的某新建机场工程为例,在地势设计-地基处理中设计了一种典型地下水处治方案,为其他工程设计、施工提供借鉴。

1 地下水模型的建立

新疆地区某新建机场,地处山前平原,场地整体地势南高北低,地下水位变动幅度达+3 m,借方运距30 km。受业主造价控制影响,整体抬高机场地势不具可行性。工程影响范围内土层主要为:耕土、软土、粉质黏土、粉土、细砂、砾砂、圆砾等。原地基土冻胀,氯盐中盐渍土。综合考虑土基干湿循环、盐渍土、冻胀等因素,需设置1.35 m厚复合土工膜+砂砾石隔离层。

当按上述垫层厚度进行全场土方平衡设计时,考虑水位上浮,跑道南端地下水位标高与道面结构层顶齐平。对整体地形起伏不大的地区,以往的机场工程设计通常不考虑机场地势平整对地下水位的影响,此情况下的地下水位等值线见图1。

谭晓刚[4]、丁一聪[5]对中卫沙坡头机场、拉萨贡嘎机场的地下水位情况进行了模拟,但模拟范围均远远超出机场平整范围,未能有效考虑机场平整对原地形渗流场的影响。从勘察资料和勘察单位了解到,本工程地下水位与地形有较大的相关性,因此考虑场区平整对场区及附近一定范围内渗流场的影响是必要的(见图1,图2)。

本机场跑道真方位角0°～180°,场区原地形坡度南-北方向(南高北低),于平整范围南北两端各150 m处(实际影响范围不大于150 m时,计算结果体现实际情况;实际影响范围大于150 m时,场内地下水位更低,计算结果趋于保守)设置第一类边界(水头边界):

h(x,y,t)|Γt=ht(x,y,t)。

其中,h(x,y,t)|Γt为第一类边界Γt上任意点(x,y)在t时刻的地下水位;ht(x,y,t)为点(x,y)在t时的水位已知值。

同时将地层结构概化为2层(地层1为弱透水层,地层2为强透水层),水文地质参数见表1,降雨、蒸发参数采用气象资料。考虑地下水渗透情况概化场地地层结构后,采用基于有限差分的Visual Modflow软件拟合场区内勘察资料所述最高地下水水位标高(上浮后),使跑道、联络道、站坪钻孔位置75%以上的水位标高与模拟标高误差小于0.5 m,满足规范要求,即认为模型和边界条件适用于场区地下水位模拟和预测。

表1 水文地质参数取值表

经图1,图2对比可知,高地下水位时,由于揭露含水层,地势开挖对原地下水位的影响是有限的,仅局限于地势降低点至0 m～120 m范围处。

2 方案优化及地下水处治

2.1 地基处理隔离层对地下水位的控制

根据规范,为避免覆盖效应对道面结构层的不利影响,隔离层底应高于地下水位0.2 m以上并深于最大冻深,隔离层+结构层厚度可满足规范最大冻胀量及上述隔离层埋置深度的要求,但平整后的地下水位高于隔离层底,不符合规范要求;尽管隔离层采用全包式,并有结构层压顶,复合土工膜足够承受内外水头差,可视为相对不透水层,但地下水常年反复循环浸润隔离层,考虑施工可靠性,隔离层仍有局部失效的风险。

2.2 地势设计的优化

本场区地处山前平原,整体土方量不大,地势设计应综合考虑道面结构和地基处理进行整体土方平衡。采用多元线性规划法(如AECAD软件),跑道南端安全区纵坡接近0。从图1,图2可知,场区平整对本场区渗流场有较大影响;整体增大南端安全区纵坡至1.2%,可降低跑道南端点最高地下水位0.25 m(见图1,图2),轻微抬高土方平衡下场区地势设计标高(约2 cm),且有利于挖方边坡坡脚截排水沟沟底揭露砾砂、圆砾等强透水层(地层2),跑道设计纵断面及原地形坡度见图3。

2.3 地下水综合处治措施

本工程综合采取防、排、疏、降相结合的措施来处治地下水问题。

1)隔离层隔水(防水)。隔离层采用盐渍土地区常用的复合土工膜+砂砾石隔离层,厚1.35 m。为应对地下水位阶段性升高、施工可靠性引起的局部冻胀、盐渍化风险,于隔断层外设置0.25 m厚场内粉质黏土,提升隔断层隔水可靠性。

2)隔离层疏水(排水)。对少量施工积存水、道面分缝渗入水、空气冷凝水、施工不当意外渗入隔断层的水,采取在地下水位低点处设置四周不透水盲沟、反向渗井(水由井中向井外渗透)的方式,将上述各种渗入水通过盲沟、渗井导入强透水地层,见图4。

3)透水型截排水沟的降水-疏水-排水。由图1,图2可以看出,尽管地势平整改变了场区的渗流场(尤其是南端),但地下水位仍过高,需进一步降低地下水位。参考建筑行业及当地排碱渠的做法,于跑道南端平整边界外设置透水型截排水水沟(取代挖方边坡),该沟兼具降低地下水位、拦截挖方边坡地表雨水、排除部分场内外融雪水和雨水的作用。由于民航行业、公路市政道路行业均无该种类型沟的先例,为使沟渠防冻胀并透水、耐冲刷,适应变形并维持稳定性,节省造价、无需停航并易于检修,在此创新性地设计了一种透水型截排水沟的结构型式,见图5。

3 处治效果

根据上述地下水模型,增设截排水沟后,计算得出了场区及周边地下水位等值线图(见图6)。以跑道南端中点为(B0,A0),平行跑道方向为B轴建立坐标系。道槽区不利位置(地下水迎水面处),跑道道肩西侧边线处的地下水水位情况如图7所示。

由图6,图7可知,地下水水位在机场南端挖方边坡及截排水沟处得到大幅降低,跑道南端地下水位由73.39 m降至70.49 m,降幅较大;截排水沟的设置全面降低了跑道范围内的地下水水位;跑道南部地下水位降幅度大于北部;降水后的地下水位满足2.1节中隔断层的设置要求。现场设置水位监测孔并规定了透水型截排水沟的养护要求,保证了整个处治体系的安全运行。潜水水量均衡方程:

经全场潜水水量均衡计算,得出截排水沟的最大渗流量约为1.1 m3/s～1.5 m3/s,大于该汇水面积地表雨水设计流量;机场地处新疆地区,经现场调研,认为设计暴雨与地下水渗流量最大值不同期发生,故地下水渗流量为该截排水沟设计流量的控制因素。

4 结论

针对机场地势、地基处理设计中的高地下水位问题,设计出了一种典型地下水处治方案,经Visual Modflow软件建模,得出以下结论:

1)高地下水位时,机场地势设计对整体地形起伏不大地区的地下水渗流场有一定影响,但影响范围有限,影响幅度不大。2)可通过合理的地势设计、透水型截排水沟布置,大幅降低相应位置的地下水位,达到设计目标。3)采用防、排、疏、降相结合的综合治水措施,创新性地设计出了一种防冻胀并透水、耐冲刷,适应变形并维持稳定,节省造价、无需停航并易于检修的截排水沟型式,目前工程运行良好。