吐魯番地區坎兒井保護加固工程方案

白生貴

(吐魯番地區水利水電勘測設計研究院 吐魯番 838000)

1 坎兒井概述

坎兒井是與橫貫東西的萬里長城、縱貫南北的大運河齊名的我國古代三大工程之一,是偉大的地下水利灌溉工程。

目前,世界上的坎兒井大多數分布在北非、中亞一些干旱的沙漠地帶的國家和地區。例如,阿爾及利亞、摩洛哥、利比亞、伊拉克、伊朗、前蘇聯和我國新疆。坎兒井取水工程對這些國家和地區的工農業發展做出了很大的貢獻。

我國的坎兒井主要分布在新疆東部博格達山南麓的吐魯番和哈密兩個地區。長期以來,它一直是當地發展農牧業生產和解決人畜飲水的主要水源。史料記載,坎兒井鼎盛時總長度曾達5400多km。從新疆坎兒井在農業灌溉和人畜供水的作用來看,充分顯示出它作為 “沙漠生命之泉”的深刻含義。

吐魯番地區現有坎兒井1091條,有水坎兒井404條,總長度為3488.5km(暗渠和明渠),總出水量每秒約7.353m3,年徑流量2.32×108m3,日灌溉面積0.7352萬畝,整個地區坎兒井控制灌溉面積13.23萬畝;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。

2 吐魯番地區坎兒井保護加固工程進展

吐魯番地區從2004年開始,在新疆水利廳、新疆水科院、吐魯番地區水利局、吐魯番地區水利水電勘測設計研究院及吐魯番地區水科所的共同調查、研究、討論的基礎上,初步形成了一套坎兒井保護加固工程方案。并將該方案上報至國家水利部,也通過了水利部的審查及批準。

2009年國家撥付第一批坎兒井保護加固工程專項資金到吐魯番地區。吐魯番地區成立了坎兒井保護與利用領導小組 (由吐魯番地區行署,地區水利局、地區文物局等多部門共同組成)專門負責坎兒井的保護加固工作。8月領導小組召開第一次會議,專門討論了坎兒井的加固工程方案。最終決定本期保護加固坎兒30條。并于12月保護加固工程正式開工,2010年8月全部工程完工。完成暗渠掏撈96.16km,暗渠加固4158m,豎井加固3101座,加固龍口24座。

2010年國家撥付第二批坎兒井保護加固工程專項資金到吐魯番地區。目前設計工作已基本完成,并于12月17日舉行了啟動儀式,并正式開工。

3 吐魯番地區坎兒井保護加固工程方案

坎兒井由豎井、暗渠、龍口、明渠和澇壩 (蓄水池)五部分構成。坎兒井保護加固工程主要針對豎井、暗渠和龍口三部分。

3.1 暗渠保護加固方案

坎兒井保護加固工作從上世紀六七十年代開始,至今吐魯番地區的坎兒井保護加固措施形式多樣,而保護加固措施除了對坎兒井掏撈外基本都是采用了硬質護砌為核心的混凝土預制襯砌和漿砌石襯砌結構。也有部分采用木頭做支護的工藝,最簡單的就是掏撈,這些都是傳統工藝。這些傳統的工藝延用至今,對暗渠的保護加固比較成熟也被廣泛應用的就是掏撈和砼預制卵形涵加固工藝。

混凝土預制卵形涵加固工藝主要措施有:掏澇清淤、暗渠加固及土方回填。

(1)掏澇清淤:暗渠加固首先要將暗渠內淤積的表層淤泥質土和腐殖土清除。

(2)暗渠加固:卵形鋼筋混凝土預制涵設計高1.7m,壁厚0.08m,每段長0.3m。卵形鋼筋混凝土預制涵內輪廓尺寸由長、短半軸分別為1.3m和0.4m的半個橢圓和半徑為0.4m的半圓內切而成。卵形鋼筋混凝土預制涵配有鋼筋網,其優點是抗壓性能好,便于人們下坎檢查、清淤,減少水量滲漏損失,且經濟。

(3)土方回填:卵形鋼筋混凝土預制涵安裝完后要回填土將其固定。

該方案以掏撈為主,以一條5km長的坎兒井為例,一般掏撈要全程進行,而混凝土預制卵形涵只是對100m左右長度的嚴重塌方段進行局部的保護。

混凝土預制卵形涵的形狀就是根據坎兒井暗渠的原始形狀制作出來的。不僅保持坎兒井歷史形狀,而且在民間得以廣泛留傳,也被廣大人民群眾所接受。該方案有施工作業簡單,經久耐用,而且工程投資相對較低的優點。

根據文物保護的相關要求:坎兒的保護措施要以傳統工藝為主,且最大限度保持坎兒井歷史原貌。暗渠保護加固方案采用比較經濟的傳統工藝即以掏撈為主,以混凝土卵形預制涵加固為輔方式進行。同時混凝土卵形預制涵在制作過程中,適當的加入外加劑,將混凝土的顏色調制成和原狀土相同的顏色,使其最大限度的保持坎兒井歷史原貌。

3.2 豎井保護加固方案

吐魯番氣候屬于極端干寒地區。坎兒井中下部及出口段大部分位于黃土地層中。豎井與大氣直接接觸的土層,冬季由于毛細水向冷端遷移、蒸發量降低、水氣凝結作用影響,土體含水量較夏季成增大趨勢。冬季溫度降低,使土體產生凍脹。

由于氣溫周期性波動產生反復凍結和融化,使融化后土體強度降低,嚴重威脅著豎井安全運行。與水氣距離最近的就是豎井與暗渠的交點處,因此豎井和暗渠交點處是坎兒井的薄弱點。解決這個問題最簡單的方法就是阻斷外界冷空氣與豎井壁的接觸。

由此坎兒井豎井加固采用了 “預留孔蓋板加固”方案:該方案采用預留下人孔的鋼筋混凝土矩形蓋板覆蓋井口。矩形主蓋板長2.0m,寬2.0m,厚度0.08m。主蓋板中央預留圓形下人孔,孔徑0.8m。預留孔上設圓形鋼筋混凝土預制附蓋板,可方便開啟或關閉井口,附蓋板直徑0.9m,厚度0.08m。

另外坎兒井根據地質條件不同分為土坎和砂坎兩種。

砂坎的土質為砂礫石,這種土質穩定性較好,砂坎的豎井與暗渠交點處很少有破壞的。破壞嚴重的一般是土坎,因此建議只對土坎的豎井與暗渠交點處進行特殊加固處理。

處理方案為:對坎兒井的豎井底側壁和與豎井底接口處的暗渠側壁采用錨桿掛網人工改性土護面的支護形式,其中豎井底側壁支護高度2.0m,暗渠支護長度豎井口兩邊各2.0m。錨桿采用Φ20螺紋鋼筋,長度0.5m,孔排距0.5m,人工改性土護面厚5cm。工程所用掛網采用塑料土工格柵,可基本保持坎兒井的原貌不變。

3.3 龍口保護加固方案

龍口即坎兒井暗渠的出口,是坎兒井暗渠和明渠的分界線,也是坎兒井水利用的初始點。這個部位暗渠頂站的覆蓋厚度一般在5.0m以內,大多在3m左右,而且是土坎段,地質條件相對要差,是坎兒井最不穩定的節點。

為了提高坎兒井出口的結構穩定性、美觀性和取水方便性,需要對坎兒井龍口采取一定的保護和加固處理措施。采取的主要工程措施是用卵形鋼筋混凝土預制涵對坎兒井的暗渠末端5.0m長段進行加固,暗渠終點處 (即:卵形鋼筋混凝土預制涵末端)用人工夯實的粘土擋土墻擋土,擋土墻底部厚1.5m,寬1.96m,頂部厚度0.6m,寬5.16m,高度3.2m。

3.4 明渠及澇壩

吐魯番地區對坎兒井明渠及澇壩保護加固措施比較少,一般都是用砌石、預制混凝土板及U形渠。坎兒井的明渠一般都比較短,而且位于透水性相對要弱的土質區域,要想其保持原貌,不做保護加固措施,只做簡單的清除泥土和雜草也可以。