吐鲁番地区坎儿井保护加固工程方案

白生贵

(吐鲁番地区水利水电勘测设计研究院 吐鲁番 838000)

1 坎儿井概述

坎儿井是与横贯东西的万里长城、纵贯南北的大运河齐名的我国古代三大工程之一,是伟大的地下水利灌溉工程。

目前,世界上的坎儿井大多数分布在北非、中亚一些干旱的沙漠地带的国家和地区。例如,阿尔及利亚、摩洛哥、利比亚、伊拉克、伊朗、前苏联和我国新疆。坎儿井取水工程对这些国家和地区的工农业发展做出了很大的贡献。

我国的坎儿井主要分布在新疆东部博格达山南麓的吐鲁番和哈密两个地区。长期以来,它一直是当地发展农牧业生产和解决人畜饮水的主要水源。史料记载,坎儿井鼎盛时总长度曾达5400多km。从新疆坎儿井在农业灌溉和人畜供水的作用来看,充分显示出它作为 “沙漠生命之泉”的深刻含义。

吐鲁番地区现有坎儿井1091条,有水坎儿井404条,总长度为3488.5km(暗渠和明渠),总出水量每秒约7.353m3,年径流量2.32×108m3,日灌溉面积0.7352万亩,整个地区坎儿井控制灌溉面积13.23万亩;干涸坎儿井687条,其中可望恢复的干涸坎儿井185条,不可恢复的干涸坎儿井502条。

2 吐鲁番地区坎儿井保护加固工程进展

吐鲁番地区从2004年开始,在新疆水利厅、新疆水科院、吐鲁番地区水利局、吐鲁番地区水利水电勘测设计研究院及吐鲁番地区水科所的共同调查、研究、讨论的基础上,初步形成了一套坎儿井保护加固工程方案。并将该方案上报至国家水利部,也通过了水利部的审查及批准。

2009年国家拨付第一批坎儿井保护加固工程专项资金到吐鲁番地区。吐鲁番地区成立了坎儿井保护与利用领导小组 (由吐鲁番地区行署,地区水利局、地区文物局等多部门共同组成)专门负责坎儿井的保护加固工作。8月领导小组召开第一次会议,专门讨论了坎儿井的加固工程方案。最终决定本期保护加固坎儿30条。并于12月保护加固工程正式开工,2010年8月全部工程完工。完成暗渠掏捞96.16km,暗渠加固4158m,竖井加固3101座,加固龙口24座。

2010年国家拨付第二批坎儿井保护加固工程专项资金到吐鲁番地区。目前设计工作已基本完成,并于12月17日举行了启动仪式,并正式开工。

3 吐鲁番地区坎儿井保护加固工程方案

坎儿井由竖井、暗渠、龙口、明渠和涝坝 (蓄水池)五部分构成。坎儿井保护加固工程主要针对竖井、暗渠和龙口三部分。

3.1 暗渠保护加固方案

坎儿井保护加固工作从上世纪六七十年代开始,至今吐鲁番地区的坎儿井保护加固措施形式多样,而保护加固措施除了对坎儿井掏捞外基本都是采用了硬质护砌为核心的混凝土预制衬砌和浆砌石衬砌结构。也有部分采用木头做支护的工艺,最简单的就是掏捞,这些都是传统工艺。这些传统的工艺延用至今,对暗渠的保护加固比较成熟也被广泛应用的就是掏捞和砼预制卵形涵加固工艺。

混凝土预制卵形涵加固工艺主要措施有:掏涝清淤、暗渠加固及土方回填。

(1)掏涝清淤:暗渠加固首先要将暗渠内淤积的表层淤泥质土和腐殖土清除。

(2)暗渠加固:卵形钢筋混凝土预制涵设计高1.7m,壁厚0.08m,每段长0.3m。卵形钢筋混凝土预制涵内轮廓尺寸由长、短半轴分别为1.3m和0.4m的半个椭圆和半径为0.4m的半圆内切而成。卵形钢筋混凝土预制涵配有钢筋网,其优点是抗压性能好,便于人们下坎检查、清淤,减少水量渗漏损失,且经济。

(3)土方回填:卵形钢筋混凝土预制涵安装完后要回填土将其固定。

该方案以掏捞为主,以一条5km长的坎儿井为例,一般掏捞要全程进行,而混凝土预制卵形涵只是对100m左右长度的严重塌方段进行局部的保护。

混凝土预制卵形涵的形状就是根据坎儿井暗渠的原始形状制作出来的。不仅保持坎儿井历史形状,而且在民间得以广泛留传,也被广大人民群众所接受。该方案有施工作业简单,经久耐用,而且工程投资相对较低的优点。

根据文物保护的相关要求:坎儿的保护措施要以传统工艺为主,且最大限度保持坎儿井历史原貌。暗渠保护加固方案采用比较经济的传统工艺即以掏捞为主,以混凝土卵形预制涵加固为辅方式进行。同时混凝土卵形预制涵在制作过程中,适当的加入外加剂,将混凝土的颜色调制成和原状土相同的颜色,使其最大限度的保持坎儿井历史原貌。

3.2 竖井保护加固方案

吐鲁番气候属于极端干寒地区。坎儿井中下部及出口段大部分位于黄土地层中。竖井与大气直接接触的土层,冬季由于毛细水向冷端迁移、蒸发量降低、水气凝结作用影响,土体含水量较夏季成增大趋势。冬季温度降低,使土体产生冻胀。

由于气温周期性波动产生反复冻结和融化,使融化后土体强度降低,严重威胁着竖井安全运行。与水气距离最近的就是竖井与暗渠的交点处,因此竖井和暗渠交点处是坎儿井的薄弱点。解决这个问题最简单的方法就是阻断外界冷空气与竖井壁的接触。

由此坎儿井竖井加固采用了 “预留孔盖板加固”方案:该方案采用预留下人孔的钢筋混凝土矩形盖板覆盖井口。矩形主盖板长2.0m,宽2.0m,厚度0.08m。主盖板中央预留圆形下人孔,孔径0.8m。预留孔上设圆形钢筋混凝土预制附盖板,可方便开启或关闭井口,附盖板直径0.9m,厚度0.08m。

另外坎儿井根据地质条件不同分为土坎和砂坎两种。

砂坎的土质为砂砾石,这种土质稳定性较好,砂坎的竖井与暗渠交点处很少有破坏的。破坏严重的一般是土坎,因此建议只对土坎的竖井与暗渠交点处进行特殊加固处理。

处理方案为:对坎儿井的竖井底侧壁和与竖井底接口处的暗渠侧壁采用锚杆挂网人工改性土护面的支护形式,其中竖井底侧壁支护高度2.0m,暗渠支护长度竖井口两边各2.0m。锚杆采用Φ20螺纹钢筋,长度0.5m,孔排距0.5m,人工改性土护面厚5cm。工程所用挂网采用塑料土工格栅,可基本保持坎儿井的原貌不变。

3.3 龙口保护加固方案

龙口即坎儿井暗渠的出口,是坎儿井暗渠和明渠的分界线,也是坎儿井水利用的初始点。这个部位暗渠顶站的覆盖厚度一般在5.0m以内,大多在3m左右,而且是土坎段,地质条件相对要差,是坎儿井最不稳定的节点。

为了提高坎儿井出口的结构稳定性、美观性和取水方便性,需要对坎儿井龙口采取一定的保护和加固处理措施。采取的主要工程措施是用卵形钢筋混凝土预制涵对坎儿井的暗渠末端5.0m长段进行加固,暗渠终点处 (即:卵形钢筋混凝土预制涵末端)用人工夯实的粘土挡土墙挡土,挡土墙底部厚1.5m,宽1.96m,顶部厚度0.6m,宽5.16m,高度3.2m。

3.4 明渠及涝坝

吐鲁番地区对坎儿井明渠及涝坝保护加固措施比较少,一般都是用砌石、预制混凝土板及U形渠。坎儿井的明渠一般都比较短,而且位于透水性相对要弱的土质区域,要想其保持原貌,不做保护加固措施,只做简单的清除泥土和杂草也可以。