某机场跑道道面板底脱空测试及成因分析

2021-02-27张宇辉闫立萌

山西建筑 2021年5期

张宇辉闫立萌冯兴

(中国民航大学机场学院，天津 300300)

近年来，中国民航机场高速发展，机场数量持续增多，航班起降量大幅上升。日益频繁的飞机起降为机场场道质量带来严峻考验。由于降水、排水、跑道使用时间等因素，全国各地机场道面板底脱空的情况日益严重，已经为机场管理部门带来巨大的保障压力。目前，针对此类问题的产生原因及处理措施，国内外众多学者也展开了研究。谭悦、柴震林等[1]对中国机场水泥混凝土道面的脱空现状进行了总体的分析，并得出了脱空率和使用时间之间的关系；赵新刚[2]对机场道面及其下部地基脱空测试方法进行了总结归纳；刘持友[3]将中美机场板底脱空的实测分析进行了对比及原因分析，并提出有利于中国机场改善道面情况的建议。只是，上述的学者研究更多的是基于理论和总体的研究，没有结合实例去进行个体分析，且尚无有效的针对某一因素对于道面脱空发展影响的量化分析模型，这就使有些机场在发生板底脱空时，没有相关的案例可以借鉴，不能准确找到引发问题的原因及其影响程度，无法做出进一步的预防及补救措施。

鉴于此，本文对国内某中南部运输机场跑道开展道面板脱空分析，分别于2014年及2018年对跑道同位置测线脱空状态进行检测，从降水、排水及跑道使用时间等对该机场跑道道面板底脱空及其发展的原因进行对比分析，为之后分析机场道面板底脱空的原因提供依据。

1 工程背景

该机场位于华东与华北的交界地带，是连接华东、华北和中西部地区的重要枢纽。机场为4E级民用国际机场，跑道长为3 600 m，宽为45 m，端部厚0.41 m，中部厚0.36 m,道面为水泥混凝土结构。截至2016年，旅客吞吐人数1 161.69万人次，起降架次10.02万架次，平均每周进出港航班1 800余次。

在2014年—2018年，该机场所在城市降水量起伏较大，2014年降水量为486.4 mm，2018年为736 mm。同时该机场的排水系统出现堵塞，曾出现过跑道被雨水浸泡的情况。本文于2014年和2018年对该机场进行了两次道面检测，脱空发展情况相当严重。

2 跑道道面板底脱空分析

本论文分别采用弯沉测试和雷达测试的方法对机场道面板底脱空状态进行分析，对不同测试方法的两次测试数据进行对比分析，交叉验证测试区域板底脱空情况及其发展特征，具体分析如下。

2.1 弯沉测试及其数据分析

2.1.1弯沉测试方案

本项目使用重锤式弯沉仪，落锤承载盘直径为30 cm，以落锤承载盘为中心沿径向布置的振动位移传感器能探测到落锤作用后的瞬时变形，荷载冲击的持续时间为25 ms～30 ms，对每个测点采用3种冲击力：90 kN,150 kN和240 kN。本文选取弯沉测试的01～19跑道测线。测线布置具体如图1所示，各测点间隔为40 m。

2.1.2弯沉数据分析

本文选取两次跑道的角中比来进行对比分析。图2是2014年及2018年对该机场1号跑道1号、2号测线角中比测试结果的对比。采用的脱空判定方法依托于道面板块的板中、板边和板角3个位置的弯沉值，根据实测弯沉计算“板角弯沉/板中弯沉”(角中比)，根据比值大小来判定板边和板角是否存在脱空。当角中比大于3.0时，即可判断其存在板底脱空;且通过比值的大小可以判断脱空的严重性[4]。

从图2中可以看出，2014年时跑道1号、2号测线角中比全部低于2.0，几乎不存在板底脱空；而在2018年时，角中比全部有大幅度的上升，有至少60%的角中比超过判定板底脱空的极限值，同一位置的角中比变化最大处由1.1增至5.1，板底脱空相当严重。除此之外，未超出极限值的位置的角中比最少也增长了10%左右，说明其余点位正在向脱空状态发展。

2.2 探地雷达测试

2.2.1雷达测试方案

本次机场飞行区道面评估雷达测试系统采用俄罗斯OKO-2探地雷达系统，电磁波频率为250 MHz。测试方法为测距轮连续测试。跑道中线两侧布置两条测线(分别距中线2.5 m)。雷达测线具体布置与弯沉测线布置一致，测线布置图参考图1。

2.2.2雷达测试数据分析

与之前相对应的，本文选取跑道1号、2号测线的雷达图像，来对比分析两次雷达图谱所反映的脱空情况。如图3所示为两条测线位置相同的部分雷达图谱。

本文选取疑似空洞较多的位置上的图谱，约距跑道入口端1 000 m～1 300 m的范围。图谱中可以明显看出，2014年时图谱的结构分层还很清晰，即脱空问题还并不严重；但2018年时图谱的信号混乱，各处分层模糊，脱空问题发展严重。

为更好地表示雷达探测的结果，本文将两次检测中探测出的脱空隐患统计如图4所示。

图4中，X轴为跑道中线，坐标零点为跑道端，Y轴正坐标为1号测线，Y轴负坐标为2号测线。可以看出，2018年较2014年相比，疑似脱空位置明显增多，且两年中相近的脱空区域也有不同程度的发展：2014年轻度脱空的区域有2.5%发展为中度脱空，19.5%发展为重度脱空；重度脱空的区域所占百分比明显上升，数目也急剧增加。其次，两年的脱空位置都在跑道中部密度较大，这是由于长期频繁的飞机起降，荷载主要作用于跑道中部所导致。单独比较每次测试的两条测线来看，1号测线上的脱空位置要比2号测线的密度更大，且增长较快，可能是由于1号测线位置的排水系统不畅，使道面积水不能及时排出导致的。

由弯沉和雷达测试数据综合分析可得，2014年该机场跑道1号测线脱空率为9.2%，2号测线为8.5%，2018年1号测线为89.2%，2号测线为51.2%，脱空率平均增长70.2%。可见，该机场2018年的跑道脱空情况堪忧，存在严重的安全隐患。本文就该机场的实际情况，从以下几个方面进行原因分析。

3 脱空发展影响因素分析

对机场道面脱空产生影响的因素包括降水、冻融、排水、跑道使用时间、道面板自身结构、生物因素等等[8-10]。该机场场区属北暖温带季风气候区，具有大陆性气候特征，冬天气候温差不大，跑道冻融的情况极少出现；各机场的道面板结构基本相同，只有使用时间上的差别；该机场驱虫驱鸟相关处理措施也较为完善。所以，排除以上所提到的因素，本文将从降水、排水、跑道使用时间、跑道荷载作用等方面来探讨该机场脱空发展的影响因素。

3.1 降水作用

为了量化降水与脱空率之间的关系，本文选取了全国范围内飞行区等级一致，客货吞吐量增长率相近，跑道使用时间相近，排水系统均正常工作且出现跑道脱空情况的机场，将其跑道道面脱空率与该机场所在城市降雨量进行对比及数据拟合。数据拟合结果如图5所示，其中，脱空率由当年检测得出，降水量为检测当年与前5年该城市降水量的平均值。

数据拟合情况如图5所示，拟合因子R=0.712 8，较好地反映了数据的变化趋势。由图5可以看出，随着降雨量的增大，跑道的脱空率也在随之上升，这是由于降水会导致雨水堆积在道面上，若排水不及时或排水系统不完善，雨水滞留，浸泡道面，就会降低道面的强度；水渗透进地面，会导致地下水位的升高，且道面板底在饱水条件下，随着飞机荷载的反复作用，会带走更多的地下颗粒和碎石，导致地下更大的空洞。其次，由图5还可以看出，随着降雨量的增多，降雨对于跑道脱空的影响也越来越小，分析其可能原因是降雨量大的机场会有相应更加完善的排水设施和防治措施，来保障道面的强度。

为进一步量化降水因素对道面脱空带来的影响，本文依据拟合出的公式，将降水量以200 mm为间隔带入计算，观察脱空率的变化，计算结果得，降水量每增长200 mm，脱空率平均增长8.16%。该城市降水量情况如表1所示。

表1 该城市近年降水量情况

从表1中数据可得，2018年降水量比2014年上升249.6 mm，依据上述关系，该降水量的变化会导致脱空率上升10.2%。可见，相比于之前计算所得的平均增长率70.2%，降水所导致的脱空率增长只占有一小部分的比重。

3.2 跑道使用年限

一般认为，跑道的脱空率会随使用时间的增加而增加。本文选取国内若干机场，这些机场飞行区等级一致，机场所处地区的干湿条件基本相同，排除其他可能因素造成的影响，将其跑道使用时间和脱空率放入图像中进行分析，并拟合数据，如图6所示。

拟合方式及结果如表2所示。

表2 跑道使用时间与脱空率数据拟合结果

由图6可以看出，虽然脱空率与时间关系的散点有一定离散性，但整体趋势较为明显，即随着跑道使用时间的增长，道面脱空率会显著增加。本文采用线性拟合、二项式拟合及指数拟合三种方法对数据进行处理。从图中趋势以及表中的拟合因子可以看出，二项式拟合和指数拟合的效果较好，即道面在使用前期脱空率增长较快，后期逐渐趋于稳定；且跑道使用时间每增加1年，脱空率会相应增加2.4%左右。因此，该机场在2014年—2018年这5年间，受跑道使用时间影响下的脱空发展应为12%左右。

当然，本文选取的机场虽然飞行区等级一致，干湿条件基本保持类似，但不同机场之间一定有所差异，再加上地理位置带来的影响，所得结果一定有些偏差。所以，要想进一步排除其余因素对上述拟合的干扰，应进行偏相关分析，来消除其他变量间关联性的传递效应。

3.3 跑道荷载作用

关于跑道荷载作用，本文将从“起降架次”入手，探寻其与脱空率之间的关系。同上述研究方法类似，本文选取飞行区等级一致，干湿条件基本相同的若干机场，但由于跑道荷载作用和道面使用年限会共同影响脱空率的发展，所以本文又将上述机场中道面使用年限相近的机场筛选出来进行对比分析。拟合结果如图7所示。

本文依次对数据进行线性及多项式拟合，结果如表3所示。从表3可以看出，三项式拟合能更好地反映数据的变化规律。由此可见，脱空率与起降架次之间并没有明显的正相关关系，但相对于起降架次在6万次～14万次左右的机场，更贴合实际的情况是起降架次的增多会对道面的质量产生影响，且国内大部分机场的起降架次也是在此范围之内。因此，该范围内的量化情况还是有意义的。

表3 跑道荷载与脱空率数据拟合结果

就三项式拟合结果分析，机场的起降架次每增加1万次，对应的脱空率会平均上升5.16%。本文所研究的机场起降架次是由2014年的8.35万次上升至2018年的12.68万次，由上述分析结果可知，由于起降架次导致的脱空率发展大约为22.3%。

由上述分析结果可得，虽然降水因素、跑道使用时间以及跑道荷载作用会对脱空率的发展产生一定影响，但不能导致该机场有70.2%的大幅度发展，因此还有影响系数更大的因素待发现和研究。据调查，该机场的排水系统存在堵塞，曾多次出现跑道被积水浸泡的现象，因此，本文将进一步从排水因素来研究其对于该机场道面脱空发展的影响。

3.4 排水作用

一般认为，机场道面的脱空率与水的浸泡因素有关。如果雨水长期浸泡，道面基础底部的细颗粒会随水流失，导致脱空；另外，跑道底部有积水的情况下，当有荷载作用时，会发生唧泥等现象加速脱空问题的发展。所以，在上述对降水因素分析之后，还需要对该机场的排水效率进行研究。

对于排水效率的研究，引进“截流倍数”这一概念。截流倍数是指合流制排水系统在降雨时截流的雨水量与旱流污水量之比值。旱流污水量是指排水系统晴天时的污水量。若截流倍数较小，说明在降水并不多的情况下，地下径流还是较大，排水系统就有待改善；若截流倍数较大，说明在降水较多的情况下，地下径流却较小，说明排水系统良好。我国的《室外排水设计规范》中规定，截流倍数采用1.0～5.0，在工程实践当中，我国大多数城市一般采用截流倍数n=1.5～4.0[11-13]。

计算该城市的平均降雨强度，运用以下公式：

其中，q为降雨强度；P为降雨的重现期；t为降雨的时长。A1,C,b,n均为地区性参数，根据统计方法进行计算确定。重现期P根据《民用机场排水设计规范》，空侧设计暴雨重现期通用机场为1年～3年。

依据暴雨强度计算公式，得出平均降水强度为152.911 L/s,将其转换单位，得到降水强度5.50 mm/h。图8表示截流倍数与降雨强度和降雨量之间的关系。由图可以得出在降雨强度为5.50 mm/h时对应的截流倍数为3.93，并且超过该截流倍数的降雨量大致约为670 mm。

再来比对2014年—2018年的降雨量，得出在2018年的736 mm和2017年713.7 mm都超出了该截流倍数下最大的降水强度，2016年的668.9 mm也很接近，这就说明机场的排水系统已不足以满足该降水量下的要求，就会使雨水滞留在跑道上，浸泡道面，降低跑道的强度；过多的雨水也会渗透进跑道内部，使地下水位升高，等天气放晴或温度上升，地下水位又会随着水的蒸发而下降，地下水位的起伏便会不断地带走碎石和泥沙，造成道面脱空。

由上述分析可知，排水作用在该机场的脱空率发展问题中也占有一定的比重。只不过，国内外几乎没有由于排水问题导致机场道面脱空发展的案例，因此，本文对于截流倍数的研究做出一点改进，提出“设计截流倍数”和“实际截流倍数”的概念。

“设计截流倍数”是指建筑师在设计排水系统时希望其达到的截流倍数；“实际截流倍数”是指由于材料误差、施工条件等因素导致的实际应用中的真实截流倍数。以本文机场为例，n设应为按照暴雨强度公式计算出的降水强度所对应的截流倍数，即n设=3.93；n真应为超过该设计要求的降水量所对应的截流倍数，即2016年—2018年平均降水量706.2 mm所对应的截流倍数，从图8可得n真=3.51。

两者的差值导致了排水系统超负荷工作，积水排出不及时，从而导致道面被浸泡，强度下降，加速了脱空问题的发展。根据之前的讨论，该机场5年内跑道道面平均脱空70.2%，其中降水因素占比10.2%，跑道使用时间占比12%，再加上其余各种非重要的影响因素，令其总共占比5%，由于该机场的特殊性，剩下的43%均是由排水因素所导致。而n设与n真的差值0.42是导致这一占比的主要原因，因此可得，n真比n设每减少0.1，会导致道面脱空率上升10.2%。

综上所述，排水作用对于机场道面的影响较大，且任何排水系统都会存在n设与n真之间的差值，即由于排水不畅导致的脱空发展问题广泛存在于各大机场，希望加以重视。