卵形鋼筋混凝土涵管結構在坎兒井暗渠支護中的應用

姜 波

（新疆水利水電科學研究院，烏魯木齊 830049）

卵形鋼筋混凝土涵管結構在坎兒井暗渠支護中的應用

姜 波

（新疆水利水電科學研究院，烏魯木齊 830049）

卵形鋼筋混凝土涵管這種防護形式在吐哈地區較為普遍，能夠提供預制件的廠家也較多，但由于其形狀較為特殊，不易控制各部尺寸，造成不同預制件場做出的產品大小尺寸多存在一定的差異，給坎兒井暗渠防護施工帶來一定的不便。因此在文中介紹卵形鋼筋混凝土涵管的輪廓線尺寸的計算方法。

坎兒井；地下水位下降；暗渠支護；異性鋼筋混凝土；輪廓線設計

1 基本情況

作為中國古代三大水利工程之一的坎兒井，是新疆獨有的古代水利工程和水文化遺產。歷史上坎兒井主要分布在新疆東部吐魯番、哈密、奇臺、木壘，以及新疆南部皮山、阿圖什及庫車等地，隨著坎兒井數量的逐年減少，目前主要集中分布在新疆東部的吐魯番地區和哈密地區。雖然坎兒井數量不斷減少，但依然是當地各族人民發展農牧業生產和人畜安全飲水的主要水源。

隨著吐、哈地區經濟的快速發展，當地的水資源承載能力已遠遠小于各業用水需求，再加上山區控制性水利樞紐的修建、田間節水力度突飛猛進，地下水的過度超采，致使吐、哈地區地下水位持續下降，再加上缺乏系統有效的管理和保護，致使坎兒井出水量逐減，乃至干涸消亡。

根據新疆坎兒井研究會2003年、2009年兩次的普查結果表明，2003—2009年全疆有水坎兒井從614條減少至422條，平均每年干涸32條，其消亡速度之快令人觸目驚心，已經面臨危機的境地。

1.1 存在的問題

存在的問題主要有以下4個方面：地下水位持續下降、各業用水需求超出區域水資源承載能力、管理體系、方法不健全和坎兒井本身的缺陷。

1.1.1 地下水位持續下降

由于缺少對水資源統一、合理的配置規劃，造成地表水和地下水資源開發利用模式不盡協調；加之前期機井建設缺乏整體規劃與統一的管理，使得機電井布局不盡合理，造成機井和坎兒井爭奪水源，再加上上游地下水補給減少，導致灌區的地下水位不斷下降，使得綠洲生態及水資源利用呈惡性循環趨勢。

根據吐魯番和哈密盆地長觀井資料分析表明，吐魯番盆地地下水位平均以0.45m／a的速度下降，哈密盆地地下水位平均以0.2m／a的速度下降，下降速度非常驚人，直接導致大量的坎兒井干涸，使得綠洲的生態環境及水資源利用呈惡性循環趨勢；

1.1.2 各業用水需求超出區域水資源承載能力

由于吐哈地區各業用水結構發生較大變化，水供需矛盾日益突顯，在地表水資源非常有限的前提下，國民經濟發展用水過分依賴于地下水，已遠遠超過地下水可開采量。

1.1.3 管理體系、方法不健全

由于管理制度不完善，造成責權不清，制定的坎兒井水費也存在諸多問題，再加上對坎兒井缺乏系統、有效的維修保護措施，如許多坎兒井豎井口未采取任何的加固和封閉措施，造成豎井口出現冬季凍脹、開春凍融造成井壁滑塌，致使暗渠淤堵，造成坎兒井水量減少［1］。

1.1.4 坎兒井本身的缺陷

坎兒井開鑿方法原始，勞動強度大，維修費用高，易坍塌，加上無休止的往上延伸，豎井也越來越深，施工條件和安全保護較差，工作危險性較大。

1.2 工程建設的緊迫性和必要性

目前坎兒井日益衰減、干涸以至消亡的狀況已引起國內外社會各界的廣泛關注。根據前述工程存在的主要問題，導致干涸消亡的原因概括起來主要是兩方面因素：

1）區域地下水位下降的問題，根據吐魯番和哈密盆地長觀井資料分析表明，吐魯番盆地地下水位平均以0.45m／a的速度下降，哈密盆地地下水位平均以0.2m／a的速度下降，水位下降速度之快非常驚人，造成的許多不良后果至今難以改正和彌補。

據統計，吐魯番盆地的坎兒井已從1957年的1237條下降到目前的242條，平均每20d就有一條坎兒井消失。

而哈密地區的坎兒井從1943年的495條下降到目前的161條，減少了334條，平均2月就有一條坎兒井干涸，消亡速度令人觸目驚心。

如不控制地下水資源的提水規模，即便是對所有有水坎兒井進行維護和改造修繕，在不久的將來隨著地下水位的不斷下降，坎兒井都將成為防空洞懸隔起來。

2）由于坎兒井年久失修，坍塌滲漏嚴重，造成坎兒井水量減少，水資源利用率低。據初步調查統計，暗渠坍塌段長度占暗渠總長的40.1%以上。

因此，對坎兒井暗渠段的加固和維修工程已迫在眉睫。

2 暗渠防護形式

由于坎兒井的開挖工作全部由人力在地下開鑿完成，沒有統一的斷面尺寸，造成目前暗渠支護也存在各種各樣的形式。

就目前調查的情況來看，吐、哈地區暗渠支護主要有以下3種形式：

1）門洞形漿砌石拱支法；

2）預制鋼筋混凝土板拼插支護法；

3）卵形鋼筋混凝土涵管支護法。

具體橫斷面型式見圖1。

圖1 坎兒井暗渠支護形式橫斷面圖

門洞形漿砌石拱支法斷面為門洞形狀，采用漿砌石襯砌，根據當地粗骨料儲藏豐富的特點，就地取材，減少投資［2］。

坎兒井工程施工是在地下進行，空間較為狹小，而漿砌石體積較大，給施工帶來很多困難。目前主要應用在龍口附近的暗渠段。

預制鋼筋混凝土板拼插支護采用兩塊預制鋼筋混凝土板拼插而成，具有體積小，施工方便，施工難度低，清淤，維護容易等優點［3］。但受力條件差，配筋率要求較高。

目前，在吐、哈地區應用較為普遍的是第3種方法：卵形鋼筋混凝土涵管支護法。

按照運行管理和施工要求的要求，結合雞蛋的外形以及受力特點，設計出橫斷面類似于雞蛋的混凝土管結構——卵形斷面混凝土管。

其內輪廓凈高度一般在1.6m左右，內側凈寬度0.8m，以滿足運行管理人員通行及活動的要求；為了保證混凝土管的安全穩定，卵形鋼筋混凝土涵管壁厚0.08m，內部配置鋼筋網。

同時，為了滿足施工時搬運的要求，將管制作成單節寬度為0.3m寬的預制件。

這種支護形式的優點是用很小的厚度抵抗較大的均布荷載，同時獲得較大的空間利用率，在施工時拼接安裝相對容易，而且在運行管理階段便于下井檢查，掏澇清淤［4－5］。

3 卵形鋼筋混凝土涵管輪廓線設計

目前，吐哈地區卵形涵管外形輪廓采用的是半橢圓＋半圓的形式（見圖1）。

卵形鋼筋混凝土涵管這種防護形式雖然在吐哈地區較為普遍，能夠提供預制件的廠家也較多，但由于其形狀較為特殊，不易控制各部尺寸，造成不同預制件廠做出的產品大小尺寸也存在一定的差異，給坎兒井暗渠防護施工帶來一定的不便。因此在文中介紹卵形鋼筋混凝土涵管的尺寸計算方法。

卵形涵管斷面尺寸設計方法：

根據坎兒井暗渠原始斷面尺寸，確定涵管的高和寬，再依據設計經驗確定頂橢圓、底圓弧半徑及涵管壁厚。

由于坎兒井出水量都比較小，故卵圓涵管斷面尺寸只需要考慮管理人員通行、清淤要求即可。

圖2 卵形涵管橫斷面尺寸示意圖

用橢圓標準方程（焦點位于Y軸）和圓（圓心在原點）的標準方程為：

式中：a為橢圓長半軸；b為橢圓短半軸；r為圓半徑。

算例：吐魯番市某坎兒井需要防護的暗渠段開挖斷面高2.1m，寬度0.8m，要求設計卵形涵管。由于卵形涵管斷面尺寸在滿足管理人員通行、清淤要求下，近可能的減小單節涵管重量，那么可假定內輪廓線H＝1600mm，2r＝800mm。

由圖1中幾何關系可知，a＝H－r，則有a＝1200mm。

將H、r、a帶入上述方程中可得到卵形涵管內輪廓線方程：

4 結 語

同理，可以得到卵形涵管外輪廓線方程，只需將壁厚80mm計入即可：

從精確的角度來看，雞蛋的斷面結構外形絕不是半橢圓＋半圓這種相對簡單的形式，從實際應用角度來看，半橢圓＋半圓這種卵形鋼筋混凝土涵管在坎兒井暗渠支護中也有其優點：曲線不復雜，技術要求不高，便于預制件廠制作。

同時，工作環境的荷載也相對較小，經過吐哈地區近十幾年的實際工程應用的檢驗，也取得比較好的支護效果。

因此卵形鋼筋混凝土涵管完全滿足坎兒井暗渠支護工程的要求。

［1］新疆水利水電科學研究院.新疆坎兒井保護利用實施方案［R］.烏魯木齊：新疆水利水電科學研究院，2012.

［2］曹生龍，高俊永.大力發展異形鋼筋混凝土涵管—橢圓涵管、卵形涵管介紹［J］.混凝土與水泥制品2011（06）：23－29.

［3］關東海，姜波，陳志卿.坎兒井暗渠和豎井防護措施及施工技術［J］，西北水力發電，2005（04）：57－59.

［4］鄭華.對鋼筋混凝土管涵施工工藝的探討［J］.黑龍江科技信息，2010，38（15）：246.

［5］紀婭卓，程凱峰.鋼筋混凝土管涵施工技術［J］.技術與市場，2012，19（06）：253.

U449.5

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1007－7596（2014）08－0039－03

2014－03－17

姜波（1980－），男，新疆烏魯木齊人，工程師，從事水利工程規劃與設計工作。