陈武林，黄辉华

（中国土木工程集团有限公司，北京100038）

1 工程概况

博萨索机场又名本德卡司米国际机场，位于博萨索市边界，坐标：东经11°13'32″，北纬49°08'24″。博萨索市位于索马里东北部的巴里省，人口约20 万人，是邦特兰自治区的经济中心和主要港口，是继摩加迪沙和哈尔格萨后该自治区的第三大城市。

博萨索机场项目为既有土跑道的改扩建项目，设计工期15 个月。机场设计等级为4E，跑道长2 400m，面层为125mm沥青混凝土，基层为200mm 级配碎石。

基于对现场水文地形实际勘察数据统计分析，以及博萨索当地原材料、工艺极度缺乏的实际情况，原设计图中的浆砌卵石排水沟和宽2m、高1m、长150m 的框架涵洞，实施困难。

2 方案分析研究

2.1 机场区域排水分析

博萨索机场北侧濒海，南侧为山丘，场地处在山、海间滩地。山区以珊瑚石及变质泥岩堆积为主，滩地以砂状沉积土为主。区域水文特征表现为：暴雨时地表径流损失小，山区雨水迅速汇集，夹杂泥沙，形成山洪，呈急流；进入平地漫流，泥沙沉积，呈缓流。为保护机场，在直冲山谷处需进行处治，建立防护堤。原设计排水沟、涵洞是一种朴素的解决办法。但对于泥沙沉积的平原地区，洪水路径摆动大，被动防御难以驯服水害，参考东方治水思路，当以疏导为主。本文计算分析原有设计方案，研究沿机场红线翻挖排水沟设拦水坝方案。

2.2 流量计算

根据掌握的资料，通过原有设计的排水沟和框架涵图纸分别推算其最大排水量。根据搜集的当地近15 年降雨资料和地形图计算的流域面积，结合地表汇流情况，计算暴雨径流流量。综合多种因素得到该区域百年一遇的设计流量值。

2.2.1 根据框架涵设计图，推算最大可过水量

排洪涵洞多设计为无压自由流状态，即水流通过涵洞时，涵洞出入口均不发生淹没，且全部过流长度上始终保持着自由水面。

当涵洞孔径对水流有较大的压缩时，水流被迫在涵前产生积水，以临界流情况进入涵洞，达到使全部流量通过涵洞为最佳能率。为推算最大可排水量，本研究采用无压状态临界流情况计算涵洞流量。

原设计涵洞为1-2m 钢筋混凝土框架涵，净高1m，为低边墙设计，总长为150m，纵坡较为平缓。设计流量参考中国交通行业常用公式：

式中，Q 为流量，m3/s；ε 为挤压系数；hk为临界水深；0为孔径，m；g=9.81m/s2。系数ε 按表1 选用。

表1 挤压系数ε

本涵洞考虑涵前积水淹没翼墙前墙，即ε 取0.95。参考净宽1.5m，净高1.2m 的低边墙涵洞水力特征，本涵临界水深hk取0.71m，LO代入计算得涵洞最大排水能力为3.56m3/s。

2.2.2 根据浆砌卵石铺砌设计图，推算最大排水量

排水沟水力特征表现明渠均匀流，按照常用明渠式（2）计算：

由式（2）可知，流量与沟渠粗糙程度（n 为粗糙系数）、过水面积A、水力半径R、排水沟坡降S 有关。

设计排水沟沟底宽3.0m，高1.5m。机场区域土质为易冲刷的砂土，取粗糙系数为0.025，排水沟满槽时计算流量为12.64m3/s。

2.2.3 根据降水量、流域面积和地表植被土壤情况，推算流量

博萨索机场周边，降水流经山丘、滩地，汇入大海，形成独立的流域体系。暴雨是该区域洪水的主要来源，研究洪水过程，需要从降雨、经流损失、汇集成洪流的全过程研究分析，需要考察当地的降水雨型、地形地貌、地表植被、土壤渗透等，考虑降水汇流形式及当地水文地质构造，从而制定出精度较高的估算方法。

中国交通运输部门通过多年实践和洪水经验，在搜集到大量暴雨和径流实验观测资料的基础上，提出暴雨径流计算研究方法。本文参考中国交通运输部门研究思路，计算分析该区域暴雨径流。

参考山区计算公式，考虑汇流面积F，流域长度L，加权坡降I4，计算如式（3）：

考虑当地降水量S，据表2 流域近15 年降水统计，取S=0.6。

表2 博萨索机场区域地面降水流量统计

参数C2按式（4）计算：

参数P0由按式（5）计算：

式（4）、式（5）中，β0、r0、m0、A4、N0、n、η 均为参数，由土质、地形地貌、地表植被和流域概况确定，如表3 所示。机场区域地表由于长时间干旱少雨，植被极少，土壤沙化严重，取β0=0.52、r0=0.45、m0=0.25、A4=10、N0=0.30、n=0.7。

表3 博萨索机场区域部分流量计算

综上，计算机场区域百年一遇洪水流量为2.94m3/s。原设计框架涵的最大过水流量为3.56m3/s，设计排水沟最大排水量为12.64m3/s。综合分析，该区域工程设计流量可计为2.94m3/s。

2.4 坝体结构计算

2.4.1 拦水坝稳定性计算

拟设计拦水坝顶宽3m，底宽6.5m，高1m，坡度1∶1.75，填筑级配好的路基填料，用重型压路机分层碾压。当排水沟满槽时，对拦水坝结构稳定性进行检算，计算如下：

式（6）反映水冲击力与拦水坝重力稳定与岩土性质有直接关系，其中，Ea为总滑移力，Ws为拦水坝重力，Wc为岩土产生的抗滑移力， 是土内摩擦角。参考填筑材料土工参数，根据砂土经验值，计算求得拦水坝抗滑移稳定安全系数F 为11.3。可见，拦水坝整体具有足够的稳定性。

2.4.2 拦水坝受力计算

为了验证水流对拦水坝的作用，利用通用有限元软件MIDAS 建立简化的有限元模型，如图1 所示。

图1 拦水坝有限元模型

分别计算在设计水位和满流时，水流对拦水坝的作用力。据式（2）计算得出拟设计排水沟水位为0.20m 时，可排洪流量值为0.50m3/s，与机场区域流量值接近，即为排水沟设计水位。

在满流时，即水位为1m，水流对坝体压力值为9.8kN，对坝体基底的弯矩值为3.27kN·m。

在设计水位时，即水位为0.2m，水流对坝体压力值为0.98kN，对坝体基底的弯矩值为0.197kN·m。

可见设计水位下，坝体受力有一定安全储备。

2.5 方案论证

博萨索机场原设计采用“浆砌卵石铺砌的排水沟+设置2×1m 框架涵”的排水方案成立。但机场区域为山区堆积平原区，水文表现为流径摇摆，河床位置不定，水文构造以淤积为主。按水文地质情况现设计方案有需改进方面。

涵洞设置位置为现有干涸沟，在漫流区，洪水来临时，主流位置不确定，洪水顺畅流入窄小涵洞较为困难。规整卵石导流坝能起到一定作用，但洪水夹砂在该平坦区域沉积，将堵塞排水沟及涵洞。

框架涵设计宽2m，高1m，机具清淤困难，人工清淤也较为困难，涵洞使用维护耗费较高，根据中国大量工程实例，小孔径涵洞长期淤积后，将难发挥应有设计作用，多以报废处理。若考虑增大设计孔径，抬高净空，施工完成后，涵洞与跑道路基难以控制不均匀沉降，路涵过渡段设计风险较高。

分析场地周围地势，沿跑道南边翻挖设立拦水坝，引导水流从跑道中心排向东西两侧，在跑道末端引向北侧大海，是一个有效的排水路径。

2.6 经济效益分析

原设计主要施工内容为：150m 涵洞，3.6km 浆砌水沟；变更后施工内容：2.8km 拦水坝，0.8km 水沟，工程量对比表如表4 所示。

表4 工程量对比m3

按照当地实际施工成本计算，优化（采用拦水坝方案）后节约成本约197.5 万美元。

3 结论

通过分析研究得到如下结论：（1）该区域工程设计流量计为2.94m3/s；（2）翻挖排水沟并以路基填料构筑的拦水坝，整体具有足够的稳定性，坝体受力有一定安全储备；（3）变更原设计排水方案，即取消设计的过水涵洞及浆砌水沟，采用翻挖排水沟引导水流的区域综合排水方案；（4）优化设计后将大大缩短工期，节约成本，经济效益最大化。

该项目已经竣工运营，拦水坝已发挥其功能，机场系统排水状况良好。拦水坝工程现状如图2 所示。

图2 博萨索机场项目拦水坝工程现状