下载客户端

《走近科学》| 机场竟有“锅盖”现象？北航教授道...

2018-12-25 11:48

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

本文原标题：《《走近科学》| 机场竟有“锅盖”现象？北航教授道出奥秘，原来……》

小萱还记得小时候守在电视前

等待着熟悉的台词响起

“敬请收看本期走近科学”

童年时期的科学幻想

都来自于CCTV-10《走近科学》栏目

就在昨天（12月24日）

我航交通科学与工程学院姚仰平教授

做客央视《走近科学》栏目

为大家讲述《机场“锅盖”现象》

热气腾腾的蒸锅

在锅盖上凝结了大量的水蒸气

当水蒸气积聚到一定程度时

就会凝结成水流下

这是生活中司空见惯的现象

资料图：北京大兴机场（来源网络）

锅盖+机场？

看上去八竿子打不着的两件东西

究竟有什么关系呢？

小萱这就带大家先睹为快——

沈阳桃仙国际机场始建于1989年

是中国一级干线机场

东北地区重要的航空运输枢纽

机场跑道全长3200米

最初建设时，机场跑道为水泥道面

但在2008年时，道面发生沉降

通过注浆将道面抬平

并在表面加铺了沥青

没想到，在2015年

道面出现了异常多裂缝

晚春和初夏时尤为严重

水泥或沥青跑道的道面如果开裂

就会掉落一些小石子颗粒，即“掉粒”现象

不要小瞧它们，在飞机跑道上

一丁点的异物都可能酿成巨大的灾祸

更有甚者，道面不仅出现裂缝

还出现很多鼓起的拥包

把这些拥包打开一看

眼前的情况让现场的人员大吃一惊

在寒冷干燥的东北地区

地下水位在28-35米

但机场跑道下不到1米的碎石层

却积蓄了大量的水，这是为什么呢？

北航人该出场了！

机场“973项目”首席科学家

北航姚仰平教授带领的团队

研究了沈阳机场的现象

类似的情况在全国还有几处

如兰州机场某废弃跑道等

都是在寒冷干燥以及水位低的地区

出现了道面以下积水的问题

姚仰平教授认为

渗出的水不是地下水

而是由水汽向上迁移形成的

尽管这部分地区比较干燥

但机场反复夯实的沥青路面加上混凝土

相当于在道基上盖了一层密不透气的大盖子

夏去秋来，冬散春归

土壤中的水汽上升

遇到“厚厚的大盖子”

就会凝结成水或冰

导致跑道下积水的产生

姚教授分析，沈阳机场跑道的裂缝是冻胀所致。从地下上升的水汽聚积在跑道下面的碎石层，被混凝土道面阻挡，无法将水汽蒸发掉，水汽越积越多，而我国东北地区，冬天天气寒冷干燥，地面温度在零度以下，是常有的事情，水汽凝华成冰，等到来年春夏，冰水溶化，又无法排出，这部分水分就会在跑道下聚集得越来越多。类似的现象主要出现在寒冷的地区，也就是我国的西北部和东北部。

这个过程好比生活中

蒸锅热气腾腾的锅盖

因此，姚仰平教授

将机场的这种现象形象地称为

“锅盖效应”

为验证机场的实际情况

是由“锅盖效应”引起的

姚教授设计了一个实验装置

模拟实验

实验装置如图：上面层紧实的盖子是模拟跑道，紧接着是碎石层、黏土层，冷却的液体就通过管子流到“跑道”上，保证一直是-30℃。黏土层中含有水，粗砂层中仅含有水汽，砂层中的水汽会向上迁移，遇到负温度的盖子会在盖子下面结冰。

实验进行了三个星期后，把盖子的温度逐渐恢复成室温，模拟冬去春来，冰化成水。实验结束，打开右侧阀门。

打开右侧阀门后，水滴在管道中流出，验证了机场跑道出现积水的现象确实是由于“锅盖效应”引起的。

通过系列模拟实验

证实了“锅盖效应”的存在

那么，该如何解决这一问题

既保证机场的正常运营

又能排出地下水

并且长期有效呢？

针对“锅盖效应”引起的工程病害

姚教授经过反复论证

提出了“疏堵结合”防治法

并申请了国家专利

沈阳机场设计方最终采用开挖盲沟的方法

将积水引流排走

这种做法与“疏堵结合”防治法中

“疏导”的思想是一致的

解决了沈阳机场的大难题

我们再把目光投向北京市南部的

大兴国际机场

在建的北京新机场

将成为全球最大的机场之一

2025年预计吞吐量将达到7200万人次

被称为一项“工程类奇迹”

如何杜绝“锅盖效应”的发生？

姚教授介绍了强夯的施工办法

通过强夯使土层密实

是阻止水汽向上迁移的有效方法

在新机场的多个区域

姚教授的团队也搭起了实验台

埋了地下传感器

实时监测机场的健康情况

经过两年研究发现

在最低零度位置处加一层隔水隔气的层

也称为“双锅盖”

就能够有效地抑制“锅盖效应”

作为机场“973”项目首席科学家

姚教授发现

影响机场跑道的病害

不仅仅是“锅盖效应”

比如一些高填方机场

位于山地，用大量的土石方堆积而建

常见于我国山多平地少的西南地区

但有滑坡和不均匀沉降带来的危险

姚仰平教授讲解高填方工程项目

姚教授研究团队提出了

考虑时间因素的计算模型

从而预测机场填方体未来的发展变化

姚仰平教授指导学生进行实验

通过生活中的常见现象

解释了机场跑道的灾害性问题

为北航人创新科研的精神点赞！

下面，小萱再带你多了解一下

这位优秀的北航教授吧

姚仰平，土木工程领域专家，北京航空航天大学教授、博士生导师，图书馆馆长，士嘉书院院长。北京市昌平区政协副主席，国务院政府特殊津贴获得者，国家“973计划”首席科学家。曾多次在日本名古屋工业大学、澳大利亚Newcastle大学、法国Nantes中央理工大学等做博士后或中长期访问教授。1999年至今，兼任中国土木工程学会土力学与岩土工程分会常务理事及“本构关系及强度理论专业委员会”主任，中国力学学会岩土力学专业委员会常务委员，中国振动工程学会土动力学委员会常务委员，中国岩土力学与工程学会环境岩土工程分会常务理事，全国湿陷性黄土地基规范修编组成员等。同时任国际土力学与岩土工程学会土的基本特性技术委员会委员，《ComputersandGeotechnics》《TransportationGeotechnics》《岩土工程学报》《岩土力学》《岩石力学与工程学报》《工业建筑》等学术期刊编委。在国际著名学术刊物上发表SCI论文40余篇，编著《土的本构关系》等书籍7本。主持多项国家自然科学基金项目、国家科技支撑计划项目等。获教育部自然科学一等奖（排名1）等省部级奖项6次。

教学方面，为本科生讲授《土力学》，获北京市精品课、北京市教学成果二等奖、北航教学名师，两次被评为北航“十佳教师”。为研究生讲授《高等土力学》，获北航精品课。培养博士、硕士研究生60余名。

在国家重点基础研究发展计划（973计划）中，为“山区支线机场高填方变形和稳定控制关键问题基础问题研究”首席科学家（2014-2018）。

姚仰平教授

不仅在土木学科领域建树瞩目

还作为北航图书馆馆长

打造“24小时图书馆”

尽显人文关怀

构建“中国云图书馆”

致力于建成中国规模最大、馆藏最丰富的

高效率、低成本的

国家级信息资源管理和服务机构