新疆坎兒井隧洞破壞機理分析

楊 玲，王俊臣，白生強

（1.新疆水利水電科學研究院，新疆烏魯木齊830049；2.吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林長春130021）

1 新疆坎兒井概況

1.1 坎兒井狀況

新疆坎兒井由豎井、暗渠、明渠、澇壩4個部分組成。暗渠又分為集水段（俗稱水活）和輸水段（俗稱旱活）。坎兒井的長度一般3～5 km，最長的達10 km以上。坎兒井按其成井的水文地質條件來劃分，可以分成3種類型：一種是山前潛水補給型，這類坎兒井直接截取山前側滲的地下水，集水段較短；第二種是山溪河流河谷潛水補給型，這類坎兒井集水段較長，出水量較大，吐魯番地區分布較廣；第三種是平原潛水補給型，這類坎兒井分布在灌區內，地層多為土質，水文地質條件差，出水量較小（俗稱土坎）。

20世紀50年代以前，吐魯番地區的工農業生產用水及人畜飲水，主要靠坎兒井水和泉水，1949年底，全地區有水坎兒井1 084條，年徑流量4.871億m3。至1957年，坎兒井數量達到最高峰為1 237條，徑流量達5.626億m3。之后有水坎兒井數量逐年減少，至1966年有水坎兒井1 161條，年徑流量達到最大6.599×108m3，隨后年徑流量也逐年降低，據2003年最新統計，吐魯番地區共有坎兒井1 091條，有水坎兒井404條，總長度為3 488.5 km（暗渠和明渠），總出水量約7.353 m3/s，年徑流量2.32×108m3，坎兒井最大出水量為 244.8 L/s；干涸坎兒井687條，其中可望恢復的干涸坎兒井185條，不可恢復的干涸坎兒井502條。

1.2 坎兒井衰減原因

根據野外調查及坎兒井現狀，吐魯番地區坎兒井衰減原因主要有：

1）暗渠段洞頂土層嚴重脫落或由于地質構造原因（流砂帶）而大面積集中坍塌、於積嚴重。

2）豎井口沒有封堵嚴密，寒流進入，凍融使得暗渠出口段和豎井口集中坍塌破損嚴重。

3）大河水的開發利用，減少了地下水的補給量。

4）機電井的迅速發展造成地下水位的下降。

5）坎兒井管理不到位。

2 坎兒井隧洞破壞分析變形計算參數的選擇

2.1 坎兒井隧洞地層濕度參數的選擇

根據不同季節測定的地下水位以上不同距離含水率，經統計分析地層含水率（飽和度）分布規律如下：

冬季坎兒井進口段洞壁含水率（飽和度）：

夏季坎兒井進口段洞壁含水率（飽和度）：

冬季坎兒井地層含水率（飽和度）：

夏季坎兒井地層含水率（飽和度）：

式中：h——土層距地下水位以上距離，m；ω——含水率，%；Sr——飽和度，%。

2.2 坎兒井隧洞地層變形參數的選擇

利用FB-1型非飽和土應力應變式控制三軸儀對土樣進行飽和度（Sr）33.07%，43.57%，52.91%，72.76%和100%的三軸剪切試驗。經統計分析，變形參數與含水率有如下關系：

pf～qf直線斜率M與含水率ω關系：

式中：M——pf～qf直線斜率；ω——含水率，%。

k與含水率關系：

式中：k——對數彈性體積模量；ω——含水率，%。

λ與含水率ω關系：

式中：λ——對數塑性體積模量；ω——含水率，%。

e1與含水率ω關系：

式中：e1——以孔隙比e為縱軸，對數有效壓應力lnp為橫軸的圖上，lnp=0時的截距；ω——含水率，%。

e0與含水率ω關系：

式中：e0——初始孔隙比；ω——含水率，%。

E與含水率ω關系：

式中：E——彈性模量；ω——含水率，%。

3 坎兒井修正劍橋模型計算成果

3.1 修正劍橋模型計算選擇標準

采用的寬0.7 m，高1.0 m城門洞型坎兒井的標準斷面計算分析坎兒井的破壞機理。利用修正劍橋模型分別計算了夏季和冬季洞頂上覆土層厚度2.65，3.65，4.65，5.65 m的坎兒井變形情況。

3.2 坎兒井黃土隧洞變形計算成果

坎兒井變形計算成果見表1。從表中可以看出：

1）夏季土層隨著洞頂上覆土層厚度的增大，側墻最大水平位移在1.14～1.58 cm之間，最大水平位移發生在側墻中部；拱頂最大垂直位移在1.60～2.1 cm之間；最大等效塑性應變在5.02～6.55 cm之間，塑性區從拱腳和拱肩部位沿著與水平成45°的方向，向圍巖內部延伸。

2）冬季土層隨著洞頂上覆土層厚度的增大，側墻最大水平位移在1.61～1.72 cm之間，最大水平位移發生在側墻中部；拱頂最大垂直位移在2.09～2.31 cm之間；最大等效塑性應變在8.39～8.51 cm之間，塑性區從拱腳和拱肩部位沿著與水平向成45°的方向，向圍巖內部延伸。

3）同一洞頂上覆土層厚度，冬季側墻最大水平位移、最大頂拱垂直位移和最大等效塑性應變比夏季大。隨著洞頂上覆土層厚度的增大，冬季與夏季側墻最大水平位移、最大頂拱垂直位移和最大等效塑性應變呈增大趨勢，但增大幅度較小。

坎兒井變形計算成果見表1。

3.3 坎兒井破壞機理

由現場廣泛考察、土工試驗和數值分析可得出坎兒井破壞機理為：坎兒井豎井、暗渠出口段與水相接，與大氣相通，地層的不同高度受地下水毛

表1 隧洞修正劍橋模型計算成果

4 結語

1）隨著洞頂上覆土層厚度的增大，側墻最大水平位移、最大頂拱垂直位移和最大等效塑性應變增大，但增大幅度較小。從工程實際情況看，側墻最大水平位移、最大頂拱垂直位移和最大等效塑性應變增大，且增大幅度較小，計算結果與工程實際相符。

2）側墻最大水平位移發生在側墻中部，塑性區從拱腳和拱肩部位沿著與水平成45°的方向，向圍巖內部延伸。從工程實際情況看，坎兒井破壞從拱腳和拱肩部位沿著與水平成45°的方向，向圍巖內部延伸破壞，計算結果符合工程實際。

3）由于受季節影響，坎兒井地層含水率的變化，導致隧洞洞壁呈現類似于“熱脹冷縮”式的變化。冬季土層在融化時，由于含水量較夏季增大，使土層側墻水平變形、等效塑性應變增大；另外，再加上冬季凍脹破壞土體結構因素的影響，隨著季節周而復始的變化，造成洞壁土體從底腳開始剝落破壞，這和實際工程破壞現狀一致。

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