地下水渗流作用下机场道基的稳定性分析

魏凯杰 张 强 杨洪顺

（中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450001）

0 引言

在国际交通运输和经济发展中，航空运输发挥了重要的作用，并在全球范围内修建了大量的国际机场[1]。这些国际机场在长期的运营中，受到飞机起降落荷载的循环作用以及地层条件、地下水渗流等因素的影响，不可避免地造成不均匀沉降、脱空、坍塌、跑道断裂等病害，给机场的运营安全带来极大的隐患。该文结合钦切罗国际机场项目，针对前期水文地质调研不足的问题，导致地下水渗流引发机场道基沉降，产生跑道断裂和失稳隐患，进行一系列研究，研究成果可为类似的机场道基地下水处理提供基础资料[2]。

1 工程概况

钦切罗国际机场位于秘鲁库斯克市郊区钦切罗镇，距库斯克市30 km 用于替代库斯科原市区内原老旧机场，建成后每年可接纳570 万游客。秘鲁政府该于2011 项目立项，2021 年完成招标正式进入设计和施工阶段，其中跑道设计和施工是工程重要组成部分。

根据前期地址勘探水文资料，机场跑道区域地下水并不丰富，地下水主要集中在跑道以外的西侧区域，随着土方工程开挖和回填大规模进行，跑道区域面逐渐涌出多个泉眼，大大小小总计57 处，主要集中在跑道北侧及南侧区域，这给跑道施工及后期运维带来较大影响和隐患。

跑道区域内软土含水量高、强度低以及压缩性大，在后期跑道交通荷载的长期循环作用下，极易发生沉降，这些沉降包括工后沉降、飞机荷载作用下引起的塑性应变累积沉降、孔隙水压力消散引起的固结沉降等。

2 机场区域地下水渗流调查

尽管在机场区域进行前期的各种调查研究，但是对机场及其周边地区的地下水流的水动力功能仍了解或者调研的结果非常粗略。根据对目前信息的分析，认为跑道水源主要来自机场东侧岩石山体的裂隙水，并汇入了Urquillos 溪流，为了进一步对机场地下水环境进行调研，以了解地下水的渗流特征，该研究开展一系列的区域详细勘测，以提供关于地下水供应源水文地质模型的详细知识，提出不同的水力解决方案。

项目区拟实施6 条1 km 长的断层扫描线，分布在机场以东的重点山区地段，以此推断地下水渗流方向，表1 为断层扫描线的布置原则。所生成的信息将与前期业主2015年在机场内进行的断层扫描线的地球物理信息相互印证，确定3 个地质电阻层。同时，可以将生成的信息与2022 年获取的地质电阻剖面进行比较。

表1 钦切罗国际机场地下水渗流调研的断层扫描线布置原则

为进一步研究场区地下水水力学参数，在场区共布置14 个20 m 深的地下水测压孔，11 个布置在机场周界，其他3 个孔眼安装在区域外可能的地下水来源区，由此确定饱和厚度、压水位并确定底土的主要水力参数，这些信息将作为解释研究区水文地质、建立数值模型分析的基础。

3 建立三维地下水渗流模型

3.1 三维地下水渗流微分方程

在机场道基使用过程中，地下水对于道基的稳定性有着重要的影响，当地下水位上升到土体中的某个位置时，它会将土体中的土粒推开，减小土粒之间的接触力，导致土体的承载力降低，土体内的孔隙水饱和，土体变得松软，导致道基变形和沉降，地下水流动的冲击作用会对土体造成冲刷作用，使土体松动、剥蚀和脱层，使其失去稳定性。因此有必要建立机场道基的地下水渗流固液耦合模型，对地基在地下水作用下的变形情况展开分析。机场道基的地下水渗流问题是一个复杂的数学求解问题，既包括水文地质学的基础理论，又包括土力学的固结理论，在飞机荷载和地下水渗流双重作用下，机场道基既要满足力学平衡和变形协调方程，又要与水力学的达西定律和流量守恒定理相符合。因此，可以假设机场道基为无限均匀地质体，在其中取得一个任意微小土单元进行地下水的渗流场，土体单元的力学平衡方程满足公式（1）所示[3-6]。

式中：x、y、z分别为微小土体单元空间坐标，其中，z方向为重力方向，m；为偏微分算子；u、v、w分别为微小土体单元在x方向、y方向和z方向的位移，m；μ为土体的泊松比；G为土体的剪切模量，MPa。

地下水在土体中的渗流过程中服从达西定律，其稳定渗流中的水头分布如公式（2）所示[7]。

式中：h为地下水水头高度，m；kij为三维空间中的渗透系数矩阵，i=x、y、z，j=x、y、z，m/s；q为微小土体单元内单位时间的渗流水量，m3。

假设土体中的水不可压缩且连续，就三维渗流场中的土体满足渗流固结方程如公式（3）所示[8]。

式中：k为土体的渗透系数，m/s；γ为土体的容重，kN/m3；u为土体的位移，m；ε为土体的应变；t为时间，s。

3.2 机场道基三维地下水渗流有限元模型

根据三维地下水渗流微分方程，运用Abaqus 岩土有限元仿真分析软件建立机场道基三维地下水渗流分析模型。计算时，飞机荷载可以通过接触面对道基进行施加，并根据面积等效原理将飞机轮印面积转换为矩形面积，按照A310 型客机的起落架结构以及飞机轮胎的尺寸，可以换算得到等效矩形面积为0.45m×0.40m，降落时的重力冲击系数可以取为1.05，而飞机在滑行阶段的轮胎表面压力为1.46MPa。机场道基的结构设计为4 层，从上到下分别为10cm 的混凝土面层、30cm 的水泥稳定碎石土基层、30cm的天然砂砾土垫层以及34m 的夯实土质基层。

计算时，夯实土质基层服从摩尔库伦本构模型，其密度为1800kg/m3，渗透系数为2.625m/d，弹性模量为50MPa，泊松比为0.35，内摩擦角为30°，黏聚力为10kPa，初始孔隙比为1.500；考虑到机场的面层、水泥稳定碎石土基层和天然砂砾土垫层为特殊结构层，其刚度较大，因此假设这3层结构的本构模型服从弹性模型，面层的密度为2400kg/m3，弹性模量为36000MPa，泊松比为0.15；基层的密度为2000kg/m3，弹性模量为1550MPa，泊松比为0.25；垫层的密度为1850kg/m3，弹性模量为200MPa，泊松比为0.30。

4 地下水渗流作用下机场道基的稳定性仿真结果分析

为了考虑地下水渗流的不均性以及自然降水、地形差异导致的水位差，数值模拟计算时考虑了4 种不同的工况，分别是在机场跑道方向25 m 范围（Y方向）内，水头高差为0.5m、1.0m、2.0m 和4.0m，对应的水力坡降为2%、4%、8%和16%。

限于篇幅，选取机场道基地下水水头高差为2.0 m 时的沉降计算结果进行分析，如图1 所示。从图1 可以看出，在25 m 的道基范围内，顺着机场跑道方向地下水的水头不断降低，同时道基表面的沉降量不断增加，从6.07mm 增至9.00mm，不均匀沉降差达到2.93mm。在高水头侧，道基表面沉降量沿着深度方向降低较快，而在低水头侧，道基表面沉降量沿深度方向降低较慢，由此表明，地下水的渗流方向会对机场道基的沉降产生显著影响。

图1 机场道基地下水水头高差为2.0 m 时的沉降计算结果

表2 和图2 为不同水头高差工况下顺机场跑道方向地下水渗流引起的道基表面沉降量计算结果。从图6 可以看出，不同水头高差工况下，顺机场跑道方向地下水渗流引起的道基表面沉降量的变化规律基本一致，均呈反“S”型。在同一水头高差下，顺机场跑道方向的道基表面沉降量随着距离的增加而增大，以水头高差0.5m 为例，从表2 中可以看出，在高水头侧（距离=0m），道基表面沉积为2.08mm，在低水头侧（距离=25.0m），道基表面沉降为3.0mm，增加幅度达到44.23%；在同一距离条件下，道基表面沉降量随着水头高差增加而增加，以低水头侧（距离=25.0m）为例，当水头高差为0.5m 时，道基表面沉降为3.0mm，在水头高差为4.0m 时，道基表面沉降为13.20mm，增加幅度达到340%。由此可以看出，地下水渗流的坡降对道基的沉降产生不利影响，在长期的飞机荷载作用下极易发生道基松散、脱空、波状沉降，引发道基坍塌和失稳风险，为了保证机场道基的稳定性，必须要对地下水流动情况进行分析和评估，并采取相应的防护措施，可以通过加固土体、加强排水、加装防渗设施等方式来降低地下道基的水头差，提高机场道基的稳定性，并且可以通过监测和维护来保持其长期的稳定性。

图2 机场道基跑道方向（Y 方向）的沉降计算结果

表2 顺机场跑道方向地下水渗流引起的道基表面沉降量计算结果

图3 为不同水头高差工况下道基孔隙水压力变化计算结果。从图3 中可以看出，在飞机降落的5min 内，道基内的孔隙水压力急速上升，达到孔隙水压力峰值，并在随后的30min 内不断消散，并趋于稳定收敛，随着水头高差不断增加，孔隙水压力峰值不断增加，当水头高差为0.5m时，孔隙水压力最大值为100kPa，收敛值为14kPa；当水头高差为1.0m 时，孔隙水压力最大值为130kPa，收敛值为24kPa；水头高差为2.0m 时，孔隙水压力最大值为150kPa，收敛值为28kPa；水头高差为4.0m 时，孔隙水压力最大值为200kPa，收敛值为39kPa。由此可以看出，在长期的循环往复的飞机荷载作用下，土体的孔隙水压力产生波动，土体产生渗流固结，导致机场道基不均匀，逐渐形成疏密之分，极易导致机场跑道结构的褶皱和病害。

图3 机场道基孔隙水压力计算结果

5 结论

以钦切罗国际机场道基为研究对象，采用三维数值仿真模拟的手段，建立地下水渗流三维模拟，研究机场道基的变形规律，得到以下3 个结论：1）不同水头高差工况下，顺机场跑道方向地下水渗流引起的道基表面沉降量的变化规律基本一致，均呈反“S”形，顺着机场跑道方向地下水的水头不断降低，同时道基表面的沉降量不断增加。2）在同一水头高差下，顺机场跑道方向的道基表面沉降量随着距离增加而增大，在同一距离条件下，道基表面沉降量随着水头高差的增加而增加。地下水渗流的坡降对道基的沉降产生明显的不利影响，在长期的飞机荷载作用下极易出现道基松散、脱空、波状沉降，引发道基坍塌和失稳风险。3）在飞机降落的5 min 内，道基内的孔隙水压力急速上升，达到孔隙水压力峰值，并在随后的30 min 内不断消散，并趋于稳定收敛，随着水头高差不断增加，孔隙水压力峰值不断增加。由此可以看出，在长期的循环往复的飞机荷载作用下，土体的孔隙水压力产生波动，土体产生渗流固结，导致机场道基不在均匀，逐渐形成疏密之分，极易导致机场跑道结构的褶皱和病害。