地下世界的「雲騰致雨，露結為霜」

02-05

《千字文》中用「雲騰致雨，露結為霜」描述自然界的物態變化。水蒸氣上升過程中遇冷液化，形成雲雨；秋冬時節，夜間氣溫降低，空氣中的水蒸氣液化成為露，如果氣溫更低甚至會凝華成為霜。這樣的物態變化實在是太常見，初中生小學生都能把這種稀鬆平常的現象解釋清楚。

但是，並不是所有的現象都那麼容易理解，在機場建設中，就有一類病害曾讓技術人員傷透了腦筋。

這個病害最初發現於蘭州中川機場，該機場始建於1968年，1970年通航，到了90年代初，機場跑道道面及地基已有多處病害、嚴重影響飛行，甚至可能威脅飛機飛行的安全。相關部門於1993進行了災害調查和加固整修。

（圖：蘭州中川機場，圖片來自網路）

跑道下方的地基土以濕陷性黃土為主，調查發現黃土路基中出現了洞穴5處、軟弱帶18處、塌陷42處，出現病害面積占跑道總面積的30~40%。當時對病害成因給出的解釋包括四點：1.道面和路基結構設計不合理；2.道面開裂後地表水從裂縫下滲進入地基，導致黃土濕陷；3.飛機機型改變導致荷載增大；4.凍脹。

這些原因能從一些方面解釋機場路基的破壞，但是有一點很讓人費解——為什麼會出現凍脹？在寒冷地區，凍脹出現必須滿足兩個條件：一是溫度足夠低；二是土裡有水。蘭州是干寒地區，降雨量小且雨水多集中在夏季，即使夏天有水輸入路面以下，這部分水要麼會蒸發掉，要麼會在重力的作用下繼續往下滲流、進入更深的部位。冬天寒冷的時候，路面以下居然還有水？沒道理啊，水從哪裡來呢？

有一天，一位技術人員正在苦思冥想之際，打開電視收看CCTV《走進科學》，節目中正在播出「神秘藍冰」。他恍然大悟——這水可能是飛機上掉下來的呀！那一夜他沒有能入睡，激動得輾轉反側。如果故事到這裡就結束了，我也不會寫這篇文章了……後來人們在機場盯梢了很久，也沒見到飛機上掉落「藍冰」。「藍冰」的解釋就此流產了……

查閱資料的過程中，技術人員又發現了另一個倒霉的機場——敦煌機場。

如果說蘭州中川機場下面的濕陷性黃土（遇水會發生體積收縮）是土力學工作者所討厭的一個極端，那麼敦煌機場下面的土則是我們所忌憚的另一個極端，它遇到水會膨脹。建設於1982年-1984年的敦煌機場從投入使用起就飽受膨脹的摧殘，地面不停地鼓包，嚴重影響飛機起降。

和蘭州一樣，敦煌也是一個乾旱少雨的地方，在七八月份有降雨時，地面鼓脹就很嚴重。當然，更令人費解的是，在二三月份，地面同樣會鼓。大冬天的，你好好獃著不行么？天上又不下雨，你哪兒來的自信讓自己鼓起來？人們發現，敦煌機場下面的水也不是天上掉下來的，而是它自己聚集到跑道下方的。

冬天很冷的時候，跑道下方不知為何產生了很多冰；天氣回暖之後冰逐漸融化成水，地面就鼓起來了。

「天吶，這冰也長腳了不成？」
「跑道下方的冰，到底是哪兒來的呢？」
「這背後一定潛藏著某種黑暗的力量…… 」

「我們要相信科學！」

我們按照經典的土力學套路來分析一下這個問題。

（一）水不會憑空產生，它一定是從哪裡來的。——這是廢話，學過物理的都知道。

（二）冬天的水不會是從地面滲下去的，也不會是從旁邊流進來的。——那是當然，冬天基本沒有降水。

（三）水應該不是是夏天的水滯留在這兒的。——根據敦煌機場的病害推測，冰層是冬天才逐漸形成的。

（四）是毛細水上升么？

土是多孔的材料，土裡的孔隙就像一個個毛細管一樣，可以把水網上吸（毛細作用）。孔隙越細，毛細水上升高度越大。然而這種情況導致的水份分布是單調的，越往上含水量越低，不會出現臨近道面的一小塊含水量奇高的現象。此外，在一般的土中，毛細水能上升三五米就不錯了，這些乾旱的地方地下水位在-20~-30m的地方。毛細水也被排除了。