吐魯番地區(qū)坎兒井保護(hù)加固工程方案

白生貴

(吐魯番地區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)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?zāi)媳钡拇筮\(yùn)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(shù)分布在北非、中亞一些干旱的沙漠地帶的國家和地區(qū)。例如,阿爾及利亞、摩洛哥、利比亞、伊拉克、伊朗、前蘇聯(lián)和我國新疆。坎兒井取水工程對(duì)這些國家和地區(qū)的工農(nóng)業(yè)發(fā)展做出了很大的貢獻(xiàn)。

我國的坎兒井主要分布在新疆東部博格達(dá)山南麓的吐魯番和哈密兩個(gè)地區(qū)。長期以來,它一直是當(dāng)?shù)匕l(fā)展農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和解決人畜飲水的主要水源。史料記載,坎兒井鼎盛時(shí)總長度曾達(dá)5400多km。從新疆坎兒井在農(nóng)業(yè)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(qū)現(xiàn)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(gè)地區(qū)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(fù)的干涸坎兒井185條,不可恢復(fù)的干涸坎兒井502條。

2 吐魯番地區(qū)坎兒井保護(hù)加固工程進(jìn)展

吐魯番地區(qū)從2004年開始,在新疆水利廳、新疆水科院、吐魯番地區(qū)水利局、吐魯番地區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院及吐魯番地區(qū)水科所的共同調(diào)查、研究、討論的基礎(chǔ)上,初步形成了一套坎兒井保護(hù)加固工程方案。并將該方案上報(bào)至國家水利部,也通過了水利部的審查及批準(zhǔn)。

2009年國家撥付第一批坎兒井保護(hù)加固工程專項(xiàng)資金到吐魯番地區(qū)。吐魯番地區(qū)成立了坎兒井保護(hù)與利用領(lǐng)導(dǎo)小組 (由吐魯番地區(qū)行署,地區(qū)水利局、地區(qū)文物局等多部門共同組成)專門負(fù)責(zé)坎兒井的保護(hù)加固工作。8月領(lǐng)導(dǎo)小組召開第一次會(huì)議,專門討論了坎兒井的加固工程方案。最終決定本期保護(hù)加固坎兒30條。并于12月保護(hù)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(hù)加固工程專項(xiàng)資金到吐魯番地區(qū)。目前設(shè)計(jì)工作已基本完成,并于12月17日舉行了啟動(dòng)儀式,并正式開工。

3 吐魯番地區(qū)坎兒井保護(hù)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(gòu)成。坎兒井保護(hù)加固工程主要針對(duì)豎井、暗渠和龍口三部分。

3.1 暗渠保護(hù)加固方案

坎兒井保護(hù)加固工作從上世紀(jì)六七十年代開始,至今吐魯番地區(qū)的坎兒井保護(hù)加固措施形式多樣,而保護(hù)加固措施除了對(duì)坎兒井掏撈外基本都是采用了硬質(zhì)護(hù)砌為核心的混凝土預(yù)制襯砌和漿砌石襯砌結(jié)構(gòu)。也有部分采用木頭做支護(hù)的工藝,最簡單的就是掏撈,這些都是傳統(tǒng)工藝。這些傳統(tǒng)的工藝延用至今,對(duì)暗渠的保護(hù)加固比較成熟也被廣泛應(yīng)用的就是掏撈和砼預(yù)制卵形涵加固工藝。

混凝土預(yù)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(nèi)淤積的表層淤泥質(zhì)土和腐殖土清除。

(2)暗渠加固:卵形鋼筋混凝土預(yù)制涵設(shè)計(jì)高1.7m,壁厚0.08m,每段長0.3m。卵形鋼筋混凝土預(yù)制涵內(nèi)輪廓尺寸由長、短半軸分別為1.3m和0.4m的半個(gè)橢圓和半徑為0.4m的半圓內(nèi)切而成。卵形鋼筋混凝土預(yù)制涵配有鋼筋網(wǎng),其優(yōu)點(diǎn)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(jīng)濟(jì)。

(3)土方回填:卵形鋼筋混凝土預(yù)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(jìn)行,而混凝土預(yù)制卵形涵只是對(duì)100m左右長度的嚴(yán)重塌方段進(jìn)行局部的保護(hù)。

混凝土預(yù)制卵形涵的形狀就是根據(jù)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(yè)簡單,經(jīng)久耐用,而且工程投資相對(duì)較低的優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)文物保護(hù)的相關(guān)要求:坎兒的保護(hù)措施要以傳統(tǒng)工藝為主,且最大限度保持坎兒井歷史原貌。暗渠保護(hù)加固方案采用比較經(jīng)濟(jì)的傳統(tǒng)工藝即以掏撈為主,以混凝土卵形預(yù)制涵加固為輔方式進(jìn)行。同時(shí)混凝土卵形預(yù)制涵在制作過程中,適當(dāng)?shù)募尤胪饧觿?將混凝土的顏色調(diào)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(hù)加固方案

吐魯番氣候?qū)儆跇O端干寒地區(qū)。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(xì)水向冷端遷移、蒸發(fā)量降低、水氣凝結(jié)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(chǎn)生凍脹。

由于氣溫周期性波動(dòng)產(chǎn)生反復(fù)凍結(jié)和融化,使融化后土體強(qiáng)度降低,嚴(yán)重威脅著豎井安全運(yùn)行。與水氣距離最近的就是豎井與暗渠的交點(diǎn)處,因此豎井和暗渠交點(diǎn)處是坎兒井的薄弱點(diǎn)。解決這個(gè)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(yù)留孔蓋板加固”方案:該方案采用預(yù)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(yù)留圓形下人孔,孔徑0.8m。預(yù)留孔上設(shè)圓形鋼筋混凝土預(yù)制附蓋板,可方便開啟或關(guān)閉井口,附蓋板直徑0.9m,厚度0.08m。

另外坎兒井根據(jù)地質(zhì)條件不同分為土坎和砂坎兩種。

砂坎的土質(zhì)為砂礫石,這種土質(zhì)穩(wěn)定性較好,砂坎的豎井與暗渠交點(diǎn)處很少有破壞的。破壞嚴(yán)重的一般是土坎,因此建議只對(duì)土坎的豎井與暗渠交點(diǎn)處進(jìn)行特殊加固處理。

處理方案為:對(duì)坎兒井的豎井底側(cè)壁和與豎井底接口處的暗渠側(cè)壁采用錨桿掛網(wǎng)人工改性土護(hù)面的支護(hù)形式,其中豎井底側(cè)壁支護(hù)高度2.0m,暗渠支護(hù)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(hù)面厚5cm。工程所用掛網(wǎng)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(hù)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(diǎn)。這個(gè)部位暗渠頂站的覆蓋厚度一般在5.0m以內(nèi),大多在3m左右,而且是土坎段,地質(zhì)條件相對(duì)要差,是坎兒井最不穩(wěn)定的節(jié)點(diǎn)。

為了提高坎兒井出口的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、美觀性和取水方便性,需要對(duì)坎兒井龍口采取一定的保護(hù)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(yù)制涵對(duì)坎兒井的暗渠末端5.0m長段進(jìn)行加固,暗渠終點(diǎn)處 (即:卵形鋼筋混凝土預(yù)制涵末端)用人工夯實(shí)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(qū)對(duì)坎兒井明渠及澇壩保護(hù)加固措施比較少,一般都是用砌石、預(yù)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(duì)要弱的土質(zhì)區(qū)域,要想其保持原貌,不做保護(hù)加固措施,只做簡單的清除泥土和雜草也可以。