机场内飞行区排水系统的功能主要是快速排除道面雨水或融雪水, 尽量减少路面径流对道面及基础稳定性的影响, 防止积水或内涝影响机场的正常运行。一般来说, 机场排水设计的设计重现期较低, 仅为1～5年。因此, 在机场改扩建工程中, 由于土面区坡度的增大或铺筑区面积增大导致的综合径流系数增大都会造成排水沟渠内洪峰流量增大, 从而导致原有排水系统排水不畅产生积水或内涝。

机场的高强度开发建设, 对场区原有的生态本底条件和水文特征改变较大, 且目前机场的排水系统设计主要以快排为主。但近些年极端暴雨天气频发, 以快排为主的雨水处理方式不仅增大了雨水管渠系统的负担, 也带来了雨水径流污染、水资源浪费等一系列的雨水问题^[1,2]。针对机场存在的这种问题, 在新建或改扩建机场时可结合低影响开发 (LID) 理念^[3,4], 充分利用跑道间及周围土面区短时间蓄水并及时排除, 可有效减轻排水系统压力, 降低排水系统新建或改造费用。但是由于机场对积水范围及积水时间较为敏感, 因此在设计机场LID渗排设施的位置和尺寸时, 应验算积水区的积水深度、宽度以及积水时间, 避免对飞机运行和场道道床造成不利影响^[5]。

国外某机场现飞行区指标为4E, 目前机场拥有一条长3 200 m, 宽45 m的跑道, 道肩宽度7.5 m, 满足E类飞机起降要求。跑道材质为沥青混凝土, PCN (Pavement Classfication Number) 值57。跑道已连续使用20年, 表面老化较为严重, 平整度较差, 结构层强度较弱, 2016年跑道进行了沥青层加铺处理。机场新跑道建成后, 现有跑道将改建成平行滑行道。

目前机场飞行区平整度不达标, 雨水依地势直接排入机场周边海域中, 联络道上有积水现象。此次改扩建项目将该机场从4E机场提升为4F机场, 新建1条3 400 m×60 m的跑道和8条联络道, 新建东侧机坪及改扩建西侧现有机坪。

本次改扩建工程的飞行区排水系统设计目的是建设系统的排水设施, 实现雨水有组织的及时排放。

拟扩建机场位于印度洋北马累环礁区, 陆域面积狭窄、地势低平, 水文地质条件总属印度洋海洋环境。砂岛地质条件覆盖层较薄、透水性好, 因此其储水条件极差, 淡水稀缺且主要来源为降雨。

现有陆地拟建跑道区域16.0 m钻探深度范围内的地层为:表层为人工填土层, 其下为珊瑚砂层, 下伏为礁灰岩。勘察范围内观测到一层地下水, 具体水位观测情况见表1。

地下水类型为潜水, 与海水处于连通状态, 以大气降水、地下径流及潮汐为主要补给方式, 以越流和地下径流为主要排泄方式。表1中的水位为施工时观测到的地下水位情况, 同时观测到地下水位会随潮位涨落而发生变化, 单日变幅0.4～1.0 m。

考虑到新旧跑道之间珊瑚砂的渗透性能较好 (见表2) , 土面区坡度从中心向两侧排水设施倾斜, 新建跑道升降带平整范围内的土面区坡度控制在0.5%～2%, 升降带平整范围以外任何部分的横坡不超过5%;对于跑道东侧, 将采用雨水渗排的方式, 由于围栏外即是海, 巡场路的高程需要降低且单向坡向外侧。未铺砌区域主要靠下渗和地表浅流排除地表径流雨水。

本机场雨水排水系统的设计重现期为5年^[6], 要求跑道、滑行道和道肩在设计降雨情景下均没有积水且排水沟内积水在3 h内排干。同时, 使用重现期为50年的设计降雨校核机坪排水沟及土面区的排水及渗透过程。按上述设计标准提出了以下设计目标:①快速排除跑道和道肩的径流雨水;②新跑道中心线两侧105 m以内 (跑道两端150 m长度范围内按75 m控制) , 以及滑行道中心线40 m以内无积水 (场地平整范围要求^[7]) ;③确保排水基础设施的尺寸足够输送5年重现期降雨产生的径流;④机场飞行区指标为4F, 因此要保证50年降雨重现期下积水不会侵蚀跑道^[6]。

现状的机场区域是用珊瑚砂吹填的陆地, 现场实测结果显示其渗透系数较大。因此可参考LID理念, 充分利用珊瑚砂的良好渗透性来规划设计飞行区的雨水排水方案, 发挥土面区对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用, 形成自然排水的系统。

新旧跑道间土面区与7条联络道形成6个低洼集水区, 如图1所示。竖向设计的原则是保留现有跑道东侧土面区自然地面及植被, 新跑道、道肩、升降带分别按不同坡度坡向现有地形。

根据地势设计的典型剖面图, 机场土面区形成梯形低洼区域, 积水及渗透作用大部分集中在这个区域内, 联络道将该区域划分成A～F共6个排水子区域, 其中B～F区为蓄渗区, 其下垫面基本参数见表3。结合当地最新的IDF曲线 (见图2) , 以及10种不同历时的雨型分配图、不同排水分区的汇水面积、汇流时间、径流系数等, 计算B～F共5个蓄渗区在不同设计降雨情景下的运行工况 (积水深度及宽度随时间变化情况) 。

当地雨型分配图有两大类, 第一类步长为1 h, 是利用2013～2017年的小时降雨数据生成的短历时雨型分配图;第二类步长为3 h, 是利用1990～2012年的3 h降雨数据生成的长历时雨型分配图。其中计算步长为1 h的降雨的历时分别为2 h、3 h、4 h、5 h、6 h、7 h、8 h、9 h;步长为3 h的降雨的历时分别为12 h、18 h、24 h。不同历时的设计雨型见图3。

本文计算了各蓄渗区在不同重现期 (5年、20年和50年) 下不同雨型分配时的运行工况, 以确定蓄渗区设计过程的最不利雨型, 并针对最不利雨型进行计算优化。

现以重现期为20年, 历时为5 h的降雨事件为例, 计算各蓄渗区内水位及淹水宽度的变化情况。计算步骤如下:

(1) 根据提供的雨型分配图, 得出5 h降雨事件各步长 (1 h) 内的降雨量分配比例为:41%、44%、8%、5%、2%。

(2) 不同重现期对应的雨强计算公式见表4, 其中重现期为20年时IDF曲线计算公式为:y=39.445 4x^{-0.618 4}, 计算得5 h对应最大平均雨强y=39.445 4×5^{-0.618 4}=14.58 (mm/h) , 故设计降雨量为14.58 mm/h×5 h=72.9 mm。

(3) 根据雨型分配图, 计算各步长内的降雨量:V_0-1=29.9 mm;V_1-2=32.1 mm;V_2-3=5.8 mm;V_3-4=3.6 mm;V_4-5=1.5 mm。故各步长内平均雨强为:I_0-1=29.9 mm/h;I_1-2=32.1 mm/h;I_2-3=5.8 mm/h;I_3-4=3.6 mm/h;I_4-5=1.5 mm/h。

(4) 时段径流量计算见式 (1) 、式 (2) :

式中 Q_i——i时段雨水流量, m³/s;

ΔV_i ——i时段雨水量, m³;

q_i ——i时段暴雨强度, L/ (s·m²) ;

φ₁ ——跑道径流系数, 取0.9;

φ₂ ——土面径流系数, 取0.5;

A₁ ——跑道区面积, m²;

A₂ ——土面区面积, m²;

A₃ ——蓄渗区面积, m²。

(5) 时段下渗量ΔV_1i计算见式 (3) 、式 (4) :

V_1i=KB_iL×10^-4 (3)

ΔV_1i=V_1i×3 600 (4)

式中 V_1i——i时段雨水下渗流量, m³/s;

ΔV_1i ——i时段雨水下渗量, m³;

K ——渗透系数, 取38.67 m/d;

B_i ——某时间点积水宽度, m;

L ——蓄渗区长度, m。

(6) 时段净水量 (m³) :V=max (ΔV_i-ΔV_1i, 0) 。

(7) 某时间点总径流量 (m³) :M_i=max (V+M_i-1, 0) , 其中M₀=0。

(8) 某时间点积水水深${\rm H}{}_i=\frac{\sqrt[]{BL{}^2+2LV{}_{i-1}\frac{i{}_{\text{左}}+i{}_{\text{右}}}{i{}_{\text{左}}i{}_{\text{右}}}}-BL}{L\frac{i{}_{\text{左}}+i{}_{\text{右}}}{i{}_{\text{左}}i{}_{\text{右}}}},i$左、i_右分别为蓄渗区左、右侧边坡坡度;B-F蓄渗沟旁的土面区坡度均为0.02。

(9) 某时间点积水宽度$B{}_i=B+\frac{{\rm H}{}_i}{i{}_{\text{左}}}+\frac{{\rm H}{}_i}{i{}_{\text{右}}}$。

由上述计算过程可知, 降雨速率大于渗水速率的时段, 将有积水产生且积水面的变化会引起渗透水量的变化。利用上述方法计算重现期为5年、50年的不同历时 (即不同雨型) 各区域的水位变化情况, 并根据最大水深确定各区域对应的最不利降雨历时和雨型。当渗透系数取值为38.67 m/d时, 计算结果显示各重现期下各区域内均不产生积水。考虑机场运行一段时间后植物的生长可能会削减土壤的渗透性能, 将渗透系数取一个折减系数0.1, 重复上述计算。计算结果显示最大积水深度和宽度大都发生在降雨历时为5 h的设计情景下, 计算结果见表5。

由于该文件提供的雨型步长过大 (1 h、3 h) , 计算结果不能精细化反映水深变化过程, 例如, 按5 h雨型分配图进行计算, 由于步长为1 h, 计算结果只能得到5个水位过程值。实际降雨过程中, 单位步长 (1 h) 内会出现多个水深数值且数值大小相差较大, 因此该计算结果得出的最大水深很可能与实际最大水深有较大差距。

为了更详细体现实际降雨过程中的水深变化情况, 首先根据雨型分配图计算出各步长 (1 h) 内的降雨量, 然后模拟各步长 (1 h) 内雨强均匀的降雨过程线, 以此计算步长为1 min的水位变化过程。

(1) 根据本文前述方法计算各步长内的降雨强度如下:

(2) 根据式 (5) 计算区域内汇流时间^[8]:

式中 T_c——汇流时间, min;

n ——粗糙系数 (跑道为0.012, 土面区为0.03) ;

I ——雨强, mm/min;

S ——地面坡度;

K_c ——经验系数, 取1.35;

L ——路面流行长度, m。

汇流时间影响跑道和土面区的汇流面积, 计算过程中在汇流时间内汇流面积按等比例分配。

后续其他参数的计算方法均与上述一致, 计算出各降雨重现期下最不利雨型 (历时5 h) 时渗蓄沟内的水位及宽度变化情况。由图4结果可知, 步长为1 h的积水宽度、深度计算结果比步长1 min的更不利。

按第一部分计算过程找出最不利雨型, 并对不利雨型进行降雨过程模拟计算优化, 通过计算各时段内蓄渗区降雨产生的径流量和时段内渗透量差值, 得到各区的积水宽度和深度随时间的动态变化过程线。结果显示在现有参数下飞行区内跑道、滑行道与联络道形成的5处封闭区域内的积水不会进入跑道中心线105 m范围, 且不会到达滑行道道肩。各区积水能在雨停后短时间内消退。

以国外某机场扩建工程为例, 介绍了机场飞行区应用低影响开发设施进行雨水有组织排放时的计算方法及效果。首先通过对比不同设计降雨情景下机场排水设施内的积水深度、范围及积水时间的变化情况, 分析出最不利雨型后, 针对其最不利雨型缩小其计算步长, 计算得到了更为细致的积水深度及范围变化曲线。计算结果显示, 在土壤下渗能力较强地区的机场飞行区设计应用低影响开发设施辅助雨水排放的效果很好, 不仅能有组织地快速排除道面雨水, 降低排水系统的建设费用, 还能通过设施下渗, 净化径流雨水并回补地下水。

由于机场飞行区对积水范围、积水时间以及地下水对道床的影响较为敏感, 在机场新建或改建项目中应用渗排沟等具有蓄渗功能的设施时, 要根据实际情况合理布置设施, 并结合汇水区的基底条件和不同设施的设计计算方法, 精确计算设施在设计降雨情景下的运行工况, 保证机场的运行安全。应注意的是, 在应用渗排沟等蓄渗设施进行飞行区排水时, 应充分考虑机场建成后植物生长对径流系数的影响^[9]。