機場設計中的地下水處治方法研究

易光偉，羅 俊

(1.北京天羿機場設計咨詢有限公司,北京 100176;2.上海民航新時代機場設計研究院有限公司廣州分公司,廣東 廣州 510405)

0 引言

對鹽漬土、季節(jié)性凍土地區(qū)的地基處理設計,需考慮覆蓋效應(鍋蓋效應),李強、姚仰平等[1-2]及規(guī)范[3]均提出低于露點設置不透水隔離層的設計原則。對高地下水位的地基處理設計,應考慮道(路)基干濕循環(huán)對道(路)基強度的不利影響。

對高地下水位的機場地勢設計,常采用整體抬升道面標高或降低地下水位的方法。機場工程為面狀工程,升降帶等的坡度按規(guī)范要求不能太大,抬升道面標高意味著機場整體地勢的抬升,對受地下水位控制并無法實現(xiàn)土方平衡的工程,將大幅增加外借土方量,大幅提升工程造價。采用降低地下水位的方法時,常于道面兩側(cè)設置排水盲溝,但由于粉黏土質(zhì)地區(qū)盲溝外裹土工布不具備長效性,多年高強度使用有滲水效果下降甚至失去降水能力的可能。

本文以新疆地區(qū)高地下水位、鹽漬土、凍脹等條件下的某新建機場工程為例,在地勢設計-地基處理中設計了一種典型地下水處治方案,為其他工程設計、施工提供借鑒。

1 地下水模型的建立

新疆地區(qū)某新建機場,地處山前平原,場地整體地勢南高北低,地下水位變動幅度達+3 m,借方運距30 km。受業(yè)主造價控制影響,整體抬高機場地勢不具可行性。工程影響范圍內(nèi)土層主要為:耕土、軟土、粉質(zhì)黏土、粉土、細砂、礫砂、圓礫等。原地基土凍脹,氯鹽中鹽漬土。綜合考慮土基干濕循環(huán)、鹽漬土、凍脹等因素,需設置1.35 m厚復合土工膜+砂礫石隔離層。

當按上述墊層厚度進行全場土方平衡設計時,考慮水位上浮,跑道南端地下水位標高與道面結(jié)構(gòu)層頂齊平。對整體地形起伏不大的地區(qū),以往的機場工程設計通常不考慮機場地勢平整對地下水位的影響,此情況下的地下水位等值線見圖1。

譚曉剛[4]、丁一聰[5]對中衛(wèi)沙坡頭機場、拉薩貢嘎機場的地下水位情況進行了模擬,但模擬范圍均遠遠超出機場平整范圍,未能有效考慮機場平整對原地形滲流場的影響。從勘察資料和勘察單位了解到,本工程地下水位與地形有較大的相關(guān)性,因此考慮場區(qū)平整對場區(qū)及附近一定范圍內(nèi)滲流場的影響是必要的(見圖1,圖2)。

本機場跑道真方位角0°～180°,場區(qū)原地形坡度南-北方向(南高北低),于平整范圍南北兩端各150 m處(實際影響范圍不大于150 m時,計算結(jié)果體現(xiàn)實際情況;實際影響范圍大于150 m時,場內(nèi)地下水位更低,計算結(jié)果趨于保守)設置第一類邊界(水頭邊界):

h(x,y,t)|Γt=ht(x,y,t)。

其中,h(x,y,t)|Γt為第一類邊界Γt上任意點(x,y)在t時刻的地下水位;ht(x,y,t)為點(x,y)在t時的水位已知值。

同時將地層結(jié)構(gòu)概化為2層(地層1為弱透水層,地層2為強透水層),水文地質(zhì)參數(shù)見表1,降雨、蒸發(fā)參數(shù)采用氣象資料。考慮地下水滲透情況概化場地地層結(jié)構(gòu)后,采用基于有限差分的Visual Modflow軟件擬合場區(qū)內(nèi)勘察資料所述最高地下水水位標高(上浮后),使跑道、聯(lián)絡道、站坪鉆孔位置75%以上的水位標高與模擬標高誤差小于0.5 m,滿足規(guī)范要求,即認為模型和邊界條件適用于場區(qū)地下水位模擬和預測。

表1 水文地質(zhì)參數(shù)取值表

經(jīng)圖1,圖2對比可知,高地下水位時,由于揭露含水層,地勢開挖對原地下水位的影響是有限的,僅局限于地勢降低點至0 m～120 m范圍處。

2 方案優(yōu)化及地下水處治

2.1 地基處理隔離層對地下水位的控制

根據(jù)規(guī)范,為避免覆蓋效應對道面結(jié)構(gòu)層的不利影響,隔離層底應高于地下水位0.2 m以上并深于最大凍深,隔離層+結(jié)構(gòu)層厚度可滿足規(guī)范最大凍脹量及上述隔離層埋置深度的要求,但平整后的地下水位高于隔離層底,不符合規(guī)范要求;盡管隔離層采用全包式,并有結(jié)構(gòu)層壓頂,復合土工膜足夠承受內(nèi)外水頭差,可視為相對不透水層,但地下水常年反復循環(huán)浸潤隔離層,考慮施工可靠性,隔離層仍有局部失效的風險。

2.2 地勢設計的優(yōu)化

本場區(qū)地處山前平原,整體土方量不大,地勢設計應綜合考慮道面結(jié)構(gòu)和地基處理進行整體土方平衡。采用多元線性規(guī)劃法(如AECAD軟件),跑道南端安全區(qū)縱坡接近0。從圖1,圖2可知,場區(qū)平整對本場區(qū)滲流場有較大影響;整體增大南端安全區(qū)縱坡至1.2%,可降低跑道南端點最高地下水位0.25 m(見圖1,圖2),輕微抬高土方平衡下場區(qū)地勢設計標高(約2 cm),且有利于挖方邊坡坡腳截排水溝溝底揭露礫砂、圓礫等強透水層(地層2),跑道設計縱斷面及原地形坡度見圖3。

2.3 地下水綜合處治措施

本工程綜合采取防、排、疏、降相結(jié)合的措施來處治地下水問題。

1)隔離層隔水(防水)。隔離層采用鹽漬土地區(qū)常用的復合土工膜+砂礫石隔離層,厚1.35 m。為應對地下水位階段性升高、施工可靠性引起的局部凍脹、鹽漬化風險,于隔斷層外設置0.25 m厚場內(nèi)粉質(zhì)黏土,提升隔斷層隔水可靠性。

2)隔離層疏水(排水)。對少量施工積存水、道面分縫滲入水、空氣冷凝水、施工不當意外滲入隔斷層的水,采取在地下水位低點處設置四周不透水盲溝、反向滲井(水由井中向井外滲透)的方式,將上述各種滲入水通過盲溝、滲井導入強透水地層,見圖4。

3)透水型截排水溝的降水-疏水-排水。由圖1,圖2可以看出,盡管地勢平整改變了場區(qū)的滲流場(尤其是南端),但地下水位仍過高,需進一步降低地下水位。參考建筑行業(yè)及當?shù)嘏艍A渠的做法,于跑道南端平整邊界外設置透水型截排水水溝(取代挖方邊坡),該溝兼具降低地下水位、攔截挖方邊坡地表雨水、排除部分場內(nèi)外融雪水和雨水的作用。由于民航行業(yè)、公路市政道路行業(yè)均無該種類型溝的先例,為使溝渠防凍脹并透水、耐沖刷,適應變形并維持穩(wěn)定性,節(jié)省造價、無需停航并易于檢修,在此創(chuàng)新性地設計了一種透水型截排水溝的結(jié)構(gòu)型式,見圖5。

3 處治效果

根據(jù)上述地下水模型,增設截排水溝后,計算得出了場區(qū)及周邊地下水位等值線圖(見圖6)。以跑道南端中點為(B0,A0),平行跑道方向為B軸建立坐標系。道槽區(qū)不利位置(地下水迎水面處),跑道道肩西側(cè)邊線處的地下水水位情況如圖7所示。

由圖6,圖7可知,地下水水位在機場南端挖方邊坡及截排水溝處得到大幅降低,跑道南端地下水位由73.39 m降至70.49 m,降幅較大;截排水溝的設置全面降低了跑道范圍內(nèi)的地下水水位;跑道南部地下水位降幅度大于北部;降水后的地下水位滿足2.1節(jié)中隔斷層的設置要求。現(xiàn)場設置水位監(jiān)測孔并規(guī)定了透水型截排水溝的養(yǎng)護要求,保證了整個處治體系的安全運行。潛水水量均衡方程:

經(jīng)全場潛水水量均衡計算,得出截排水溝的最大滲流量約為1.1 m3/s～1.5 m3/s,大于該匯水面積地表雨水設計流量;機場地處新疆地區(qū),經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研,認為設計暴雨與地下水滲流量最大值不同期發(fā)生,故地下水滲流量為該截排水溝設計流量的控制因素。

4 結(jié)論

針對機場地勢、地基處理設計中的高地下水位問題,設計出了一種典型地下水處治方案,經(jīng)Visual Modflow軟件建模,得出以下結(jié)論:

1)高地下水位時,機場地勢設計對整體地形起伏不大地區(qū)的地下水滲流場有一定影響,但影響范圍有限,影響幅度不大。2)可通過合理的地勢設計、透水型截排水溝布置,大幅降低相應位置的地下水位,達到設計目標。3)采用防、排、疏、降相結(jié)合的綜合治水措施,創(chuàng)新性地設計出了一種防凍脹并透水、耐沖刷,適應變形并維持穩(wěn)定,節(jié)省造價、無需停航并易于檢修的截排水溝型式,目前工程運行良好。