大兴机场及其“锅盖效应”衍生的病害防治

机场的建设过程中涉及多种专业领域的分工与合作，本文立足于土木工程专业的视角，试图简要地普及一下北京大兴国际机场(以下简称大兴机场)可能遇到的由“锅盖效应”导致的土木工程病害，以及关于“锅盖效应”机制的研究成果、在大兴机场建设过程中采取的病害防治方案。

(1).机场工程的概述

大兴机场坐落于北京市大兴区且毗邻河北省廊坊市，于2015年9月全面开工并在70周年国庆前夕如期投入运营。机场的功能定位主要为疏解首都的航空需求和支撑雄安新区的建设。

大兴机场效果图（来自知乎@Homura）

按照工程惯例，机场级别通常由飞行区等级来衡量。机场的飞行区是与客机活动直接相关的构筑物的统称，包括：跑道、滑行道、机坪、地面标志、灯光助航设施及排水系统。

大兴机场属于最高级别的4F级。

飞行区等级表

机场的飞行区建设中，属于土木工程的部分(即跑道、滑行道和机坪)统称为场道工程。

随着民航事业的发展，机场的场道工程也在不断地演变和改进，例如：

1.为保证客机在各类气象条件下起飞着陆的安全，需要建设较大的飞行区；2.为适应客机在起降过程中喷出的高温高速气流，我国的机场跑道普遍采用耐高温的水泥混凝土跑道(早期的沥青跑道易受温度的影响)；3.为满足质量不断增加的大型客机对于助跑距离的要求，机场跑道的长度也需要不断增加。

从土木工程的角度看，场道其实就是铺设于路基之上的一层(或多层)人工结构物。场道及其下方的岩土体，从上到下可以划分为：混凝土面板层、路基层、垫层、压实过的天然土、天然土。

场道及其下方的岩土层

从上面的描述不难得知，机场的场道作为客机的所有活动区域，直接承受着由客机自重及其行驶所产生的荷载，尤其是跑道部分在客机变速和起降过程中会产生显著的动力响应，因此场道及其下部岩土体的性能直接决定了机场的运营安全。

于是，知悉场道下部岩土体的物理力学特性就显得格外重要了。

众所周知，土木工程范畴中的“土体”除了土颗粒，还包括了赋存于土颗粒间的水分和气体。天然状态下，土体中的水分能以气态水的形式蒸发到大气中，而大气中的水分则能以降雨的形式渗入土体中，也就是说水分在土体与大气之间存在着动态的变化与平衡。

而在机场建设完工后，面积广阔的场道结构会不可避免地阻断水分在土体与大气间的迁移。本应从土体中向上蒸发至大气的水汽因受阻而在场道结构的下表面聚集，本应以降雨的形式补充至土体中的水分也无法直接渗入场道下方的土体中。

简而言之，面积广阔的机场会使土体与大气之间的水分交换受到阻碍。

相较于土体强度、变形等传统的设计理念所着重考虑的因素，上述的水分交换失衡在多数情况下显得人微言轻。不过，学术界已经逐渐认识到这种失衡会在特定条件下形成“锅盖效应”，进而造成严重的场道工程病害。

大兴机场所在地的气候和岩土状况满足锅盖效应的形成条件，为此，我国科研人员在机场建设期间针对锅盖效应进行了试验研究并提出了相应的防治方案。

下文的第2、第3小节分别简要地介绍“锅盖效应”的形成机制、大兴机场“锅盖效应”的研究与防治。

(2).锅盖效应的机制

锅盖效应最初是为解释机场病害问题而提出的假说。

位于我国西北部的兰州中川机场在运营过程中一直困扰于场道面的工程病害[1]，这些病害具体表现为：

1.场道面发生严重的不均匀沉陷，沉陷量在场道中心位置达到最大值；2.跑道的纵横向都出现了宽度达3-5cm的裂缝，长度最长可达几十米；3.场道面的混凝土板存在不同程度的破损。

病害的成因在于场道面下方浅层的黄土遇水发生湿陷，使得场道面结构出现不同程度的脱空，加之客机的动力循环荷载，最终演变为足以影响机场运营安全的工程病害。

第1小节中曾提到，几乎不透水的场道面混凝土结构会阻碍雨水下渗；与此同时，身处干寒地带的兰州中川机场有着非常低的地下水位(地表以下约35m)。据此可以推断，场道面下方浅层土体的含水率会非常低。

然而事实正好相反，根据岩土勘察结果，水分在浅层土体中大量聚集，甚至使土体达到饱和状态。除此之外，水分还会在气温低于0度时发生冻胀现象并加重病害。

土体浅层的水分大量聚集

因此，解决病害问题的第一步是探究水分在浅层土体中大量聚集的机制。在这一探究过程中不断地有科研人员提出猜想并且不断地被证伪，直至2014年终于提出了逼近真相的锅盖效应[2]。

众所周知，煮沸的水会以蒸汽的形式向上迁移，如果受到锅盖的阻滞便会以水珠的形式聚集在锅盖下表面。

出自文献[2]

类似地，面积广阔且难以透水的场道面结构如同扣在土层上方的锅盖，阻滞了土中水的向上迁移并使之聚集于场道面结构的下表面附近。这就是土体的锅盖效应。

一般情况下，土中水自发向上迁移的水量非常有限，并且处于浅层土体中的水分如无其他外力则会受重力影响而下渗至深处。反而言之，锅盖效应的机制在于如何使水分不断地向上迁移并大量滞留于浅层土体中。

文献[3]根据物理过程和内在机制的差异，将锅盖效应分为两类：

第一类锅盖效应属于非饱和土内水气冷凝的过程：处于浅层的非饱和土具有一定的吸水和储水能力，再加上土体温度随深度的增加而增加(也就是上冷下热)，于是，深层土体中的水分在毛细吸力和温度的作用下，以气态水的形式向上迁移并在冷凝后聚集于浅层土体中。

从以上描述可知，第一类锅盖效应的形成条件是土体本身的含水率不低、毛细作用较强，因此还不足以完满地解释旱区机场(例如兰州中川机场)的病害。

温度和含水率随着埋深的变化

第二类锅盖效应属于非饱和冻土内水气迁移成冰的过程。在冬季，兰州中川机场的场道面下方浅层土体的温度低于霜点(水蒸气凝华成霜的温度)，该区域土中的液态水与气态水分别发生冻结与凝华，也就是相变成冰。这一相变过程会导致浅层土体内的空气湿度与含水率降低，于是在深浅土层之间形成了空气湿度梯度，吸引着深层土体中的水分以气态水的形式向上迁移，随后凝华成冰并再度形成了空气湿度梯度，进一步强化了水分的向上迁移。

上述物理过程可以归纳为：气态水向上迁移→凝华成固态→浅层土体的空气湿度下降→形成空气湿度梯度→强化了气态水的向上迁移。

至此，第二类锅盖效应作为一种正反馈调节的泵吸过程，很好地解释了出现在兰州中川机场的工程病害。

从科研角度看，第二类锅盖效应涉及了土体的温度-渗流场耦合、非饱和土、冻土这3个土力学研究领域。学术圈目前已经积累了一定的数值模拟和室内试验方面的研究成果[3,4]，但要完全探清第二类锅盖效应的机制还任重而道远。

第二类锅盖效应的机制

(3).大兴机场的病害防治

大兴机场的所在地属于暖温带半湿润半干旱的大陆性季风气候区，地下水平均埋深约20米，地表附近的土体会随着季节变化而出现冻融循环的过程。这意味着大兴机场同样可能困扰于锅盖效应所致的工程病害。

为此，在大兴机场的建设初期，针对锅盖效应所致病害的防治，北京航空航天大学的研究人员开展了现场试验的研究[5]。

试验筒壁的埋设-出自文献[5]

第2小节已经叙述了锅盖效应与季节变化的密切关联，因此该现场试验研究的时间跨度为2016年12月至2017年4月，完整地观测了一个冬季的气温变化所带来的影响。

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含水率随深度的分布-出自文献[5]

上图展示了大兴机场下方的土体在冬季前后的含水率随深度的分布情况。可见，经冬之后，深层土体中的水分向上迁移并富集于浅层土体中。也就是说，如果没有对症下药地改良场道工程的设计方案，那么锅盖效应必定会再现于大兴机场。

第2小节已经介绍了锅盖效应的机制，结合工程的可操作性和经济性，“阻断水分的向上迁移”可能是最为有效的方案。

北航的研究者们早已考虑了这一方案并进行了隔断水分迁移的试验。试验中保持其他参量不变，仅在埋深45cm的土体中设置一道隔水隔气的隔断层，并观测土体在冬季前后的含水率随深度的分布情况。

含水率随深度的分布-出自文献[5]

如上图所示，在增设隔断层后，水分不再富集于浅层土体中，说明隔断层有效地阻断了水分的向上迁移，从而破坏了锅盖效应的形成条件。

至此，由锅盖效应所致工程病害的防治方案已得到现场试验的验证，兰州中川机场长期所困扰的工程病害将不会再重蹈于大兴机场。

以上。谢谢阅读。

参考内容：

[1]熊英功.兰州中川机场扩建工程的环境地质问题及其治理[J].西部探矿工程,1998(05):16-17.

[2]李强,姚仰平,韩黎明,胡晶,彭仁,王乃东.土体的“锅盖效应”[J].工业建筑,2014,44(02):69-71.

[3]滕继东,贺佐跃,张升,盛岱超.非饱和土水气迁移与相变:两类“锅盖效应”的发生机理及数值再现[J].岩土工程学报,2016,38(10):1813-1821.

[4]张升,贺佐跃,滕继东,刘岩,盛岱超.非饱和土水汽迁移与相变:两类“锅盖效应”的试验研究[J].岩土工程学报,2017,39(05):961-968.

[5]罗汀,曲啸,姚仰平,王乃东,陈经伟.北京新机场“锅盖效应”一维现场试验[J].土木工程学报,2019,52(S1):233-239.

[6]知乎用户@鹤运的文章：地下世界的“云腾致雨，露结为霜”.

[7]知乎用户@Mustang在“流体力学在岩土工程，土木工程中有什么用？”问题下的回答.

供稿：许晓亮，骆祚森，陈奕恺，郭宇，曹旭等

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