淺析坎兒井破壞原因及加固形式

房晨

（新疆吐魯番地區(qū)世行項(xiàng)目辦 吐魯番市 873000）

坎兒井是新疆勞動(dòng)人民根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粭l件創(chuàng)造的一種古老地下引水建筑物，至今已有兩千多年的歷史，主要提供居民飲用水和灌溉，是一個(gè)較完整的原始輸水系統(tǒng)，主要由豎井、輸水明渠、暗渠和儲(chǔ)水池組成。人們利用當(dāng)?shù)氐牡叵滤钠陆岛偷孛嫫露认嗖钶^小的地形條件和當(dāng)?shù)赝临|(zhì)為砂礫和粘土膠結(jié)、質(zhì)地結(jié)實(shí)的地質(zhì)條件，開挖井水坎。把豐富的地下水引向地面，使沙漠變成了綠洲。由于坎兒井是地下暗渠輸水系統(tǒng)，水質(zhì)好，飲用非常安全；又不受風(fēng)沙、季節(jié)影響；蒸發(fā)量小，比其它地表渠系建筑物經(jīng)濟(jì)、有效；流量、水文穩(wěn)定，可供干旱地區(qū)農(nóng)田常年自流灌溉，因此，坎兒井被稱為中國生態(tài)工程,還被譽(yù)為與萬里長城、京杭大運(yùn)河齊名的中國古代三大工程之一。

1 衰退狀況

20世紀(jì)中葉以來，古老的坎兒井由于工程艱巨、勞動(dòng)量大而被其他輸水建筑物取代，就拿坎兒井故都——吐魯番來說。20世紀(jì)以來，新疆吐魯番地區(qū)開始大量修建防滲渠道，其經(jīng)濟(jì)發(fā)展所依賴的水源結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，據(jù)調(diào)查，1950年新疆共有坎兒井1784條之多，年出水量6.826億m3，灌溉面積達(dá)到2.42萬hm2（36.30萬畝），其中吐魯番地區(qū)占據(jù)最多，坎兒井?dāng)?shù)量、出水量和灌溉面積分別占全新疆坎兒井的69.3%、48.5%、52.1%。到2003年，全新疆有水的坎兒井僅存614條，已干涸的有1170條（完全干涸的有909條，消失了261條），具體變化見附圖。

從附圖可以看出，在短短的56年內(nèi)，吐魯番坎兒井有水且在使用的，已經(jīng)減少了近千條，也就是每年減少15條，如果照這樣發(fā)展下去，坎兒井再過23年就沒有了，素有“地下萬里長城”之稱的坎兒井就將從此消亡了。

附圖 近幾十年來吐魯番地區(qū)有水坎兒井情況統(tǒng)計(jì)

2 破壞原因

2.1 外界環(huán)境因素

（1）地下水不合理的開發(fā)利用。

●各地區(qū)爭打淺井，導(dǎo)致坎兒井水源被掠奪。

●機(jī)井建設(shè)總體規(guī)劃不合理，造成地下水位下降。為了開采地下水，在坎兒井附近打機(jī)井抽水，加速坎兒井渠水區(qū)地下水位下降，造成坎兒井的補(bǔ)給水源減少或斷流，最終大量坎兒井干枯。在吐魯番地區(qū)，機(jī)電井一般打（60～80）m，便可見水，現(xiàn)在打到100m都見不到水。

（2）區(qū)域地下水超采嚴(yán)重。

近幾十年來，隨著新疆人口急劇增加，耕地面積擴(kuò)大，居民飲用和農(nóng)業(yè)灌溉對(duì)水資源的需求增大，吐魯番機(jī)電井?dāng)?shù)量在“十五”期間增加了797眼，其中鄯善縣增加了452眼，灌溉面積由1995年的73333.3hm2增長到現(xiàn)在的88000hm2，機(jī)電井提水量達(dá)到6.45億m3／a，但區(qū)域水資源有限，所以地下水長期處于超采狀態(tài)，特別是吐魯番市勝金鄉(xiāng)、二三堡鄉(xiāng)一帶和鄯善縣火焰山南部魯克沁一帶，地下水位在10年之間下降超過了25m，超采量高達(dá)3.0億m3以上，大部分坎兒井因此截流。

（3）地表地下水資源開發(fā)利用模式不協(xié)調(diào)。

近年來，為了地表水資源的開發(fā)利用，在河流上游修建水利工程，不顧客觀規(guī)律，不顧地表水和地下水的協(xié)調(diào)，把大部分水徑流直接引向下游，破壞了原有的水資源平衡，對(duì)坎兒井的運(yùn)行環(huán)境很不利。例如，柯柯牙水庫和坎兒基水庫，大壩截流后，下游水源便出現(xiàn)問題了，導(dǎo)致其下游附近近百條坎兒井出現(xiàn)生存危機(jī)；部分水利建筑物直接把水引到下游灌區(qū)，也減少了坎兒井的水源補(bǔ)給。

（4）油田開發(fā)的影響。

一方面，隨著油田開發(fā)力度增加，吐魯番每年為此用去其盆地500萬m3的地下水，地下水被大量抽走，坎兒井水源間接受到影響，另一方面，在坎兒井附近鉆油井，坎兒井水質(zhì)受到污染，嚴(yán)重影響到坎兒井提供居民飲用水和農(nóng)業(yè)灌溉的利用價(jià)值。

(4) 可靠性.懸掛豎直載荷恒為83.75 kN,同理對(duì)其做有限元分析,得到危險(xiǎn)部位應(yīng)力為141 MPa,發(fā)生在框架上(Q345鋼,屈服強(qiáng)度為345 MPa),依據(jù)機(jī)械式懸掛計(jì)算可靠度,可得此懸掛的可靠度T=Φ(β)=Φ(8.2)=100%.

（5）管理和技術(shù)不善。

●坎兒井開鑿方法原始，勞動(dòng)強(qiáng)度大，施工條件差，工作危險(xiǎn)性大，青年人都不愿從事這艱苦的行業(yè)，而當(dāng)?shù)鼐用衽懦馔鈦砣藛T，堅(jiān)持要本地人員組成施工隊(duì)伍，造成施工和維修的技術(shù)人員短缺。

●坎兒井工程是一種民間工程，自生自滅，國家投入資金、人力、物力較少，造成坎兒井開鑿、維修等施工技術(shù)依然停留在陳舊落后的水平。

（6）政府和居民對(duì)坎兒井沒有給予應(yīng)有的重視。

當(dāng)?shù)厝罕姯h(huán)境保護(hù)意識(shí)薄弱，亂倒垃圾、廢物，污染了坎兒井的水源，另外，由于政府沒有給予坎兒井充分重視，管理不到位，重新建設(shè)、維護(hù)、恢復(fù)坎兒井工作需要資金未到位，造成部分坎兒井常年無人維護(hù)、維修，最后出現(xiàn)坍塌、阻塞等現(xiàn)象。

（7）植被減少。

近年來，隨著吐魯番地區(qū)的人口增多和水利建設(shè)需求的增大，人們修建了很多防滲渠道和人工湖，為了擴(kuò)大耕地面積，開墾樹林，嚴(yán)重破壞了原有的地表覆蓋性植物，破壞了生態(tài)環(huán)境，造成土壤含水率減少，最終造成地下水位降低。

2.2 自身結(jié)構(gòu)缺陷

（1）不能滿足目前水利建設(shè)的要求。

坎兒井本身存在缺陷，越來越不能滿足目前水利建設(shè)的要求：①坎兒井開采的是淺層地下水，這一構(gòu)造特點(diǎn)決定了坎兒井對(duì)地下水位變化適應(yīng)性很差，一旦地下水位下降，便造成坎兒井的水源減少或截流，甚至干涸；②坎兒井可自流灌溉，但無法控制，造成冬季水資源得不到充分利用而浪費(fèi)，還造成下游出現(xiàn)不良的生態(tài)環(huán)境——土壤次生鹽漬化；③由于坎兒井暗渠基礎(chǔ)性多為砂質(zhì)和土質(zhì)，使得寶貴的水資源在輸水段滲漏嚴(yán)重，一旦未采取及時(shí)的防護(hù)措施，暗渠內(nèi)便可能會(huì)有發(fā)生坍塌，造成坎兒井暗渠堵塞。

坎兒井開鑿、施工、維修方法原始，出水量少，成本高，易坍塌，加上無修正的往上延伸了，豎井也越來越深，不利于坎兒井的維修和保護(hù)。

（3）豎井易坍塌、暗渠易淤堵。

由于坎兒井深埋于地下，而許多坎兒井豎井口沒有封堵或封堵不嚴(yán)密，隨著冬季寒流進(jìn)入，開春凍融使得暗渠出口段和豎井口集中坍塌破損嚴(yán)重，進(jìn)而坎兒井水量減少，利用效率明顯降低。

（4）坡度不合理。

許多現(xiàn)有的坎兒井是根據(jù)過去的地下水位而修建的，而近幾十年來地下水位不斷下降，導(dǎo)致井內(nèi)坡度不合理，有些井的坡度大于1／500，而居民又對(duì)井口冬季加固加蓋缺乏重視，導(dǎo)致沖刷嚴(yán)重，易造成倒塌堵塞，致使坎兒井水量減少。

3 加固形式

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)水資源開發(fā)力度加大，水資源缺乏的矛盾將日益突出 （吐魯番地區(qū)年降水量僅16mm，嚴(yán)重缺水），地下水位的下降趨勢將難以逆轉(zhuǎn)，所以我們必須采取強(qiáng)力有效的加固形式來保護(hù)坎兒井這一傳統(tǒng)文化水資源。

3.1 暗渠防護(hù)加固

目前暗渠支護(hù)主要有城門形漿砌石拱支法、預(yù)制混凝土板支護(hù)、橢圓形混凝土涵管防護(hù)三種形式。

（1）城門形漿砌石拱支法。

城門形漿砌石拱支法斷面為城門形狀，采用漿砌石襯砌，如果當(dāng)?shù)卮止橇蟽?chǔ)藏豐富，可以就地取材，這樣比較經(jīng)濟(jì)，但是由于坎兒井工程施工是在地下進(jìn)行，而漿砌石體積較大，這樣施工比較困難。

（2）預(yù)制混凝土板支護(hù)。

預(yù)制混凝土板支護(hù)采用兩塊預(yù)制板拼接而成，具有施工方便，施工條件好，清淤、維護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)，但受力條件差，對(duì)混凝土板的強(qiáng)度要求高。

（3）橢圓形混凝土涵管防護(hù)。

目前常用的是橢圓形混凝土涵管防護(hù)，因?yàn)檫@種形式具有受力均勻，施工拼接安裝相對(duì)容易，抗壓性能好，便于檢查。其中加固措施有：①為了防止橢圓形斷面相鄰兩塊混凝土管發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)移位，在混凝土管中部和底部設(shè)置凹槽和凸塊，凹槽高度6cm，深度6cm，寬度8cm，凸塊寬5cm，高5cm，長度8cm，便于相鄰兩個(gè)混凝土管之間相互咬合對(duì)齊，注意的是要在凸塊和凹槽之間留一定縫隙，便于施工安裝。②在混凝土附近配置鋼筋網(wǎng)來保證混凝土管的安全穩(wěn)定。

3.2 豎井防護(hù)加固

（1）預(yù)制鋼筋混凝土圓環(huán)。

第一節(jié)鋼筋混凝土圓環(huán)采用內(nèi)徑d=0.8m，外徑D= 1.1m，高度h=0.3m，壁厚a=0.15m的預(yù)制鋼筋混凝土圓環(huán)作為井座，井座內(nèi)嵌入半徑為d=0.45m的圓形鋼筋混凝土板，其它圓環(huán)采用外徑D=0.96m，壁厚a=0.08m預(yù)制鋼筋混凝土圓環(huán)對(duì)豎井口進(jìn)行保護(hù)的措施。環(huán)內(nèi)配有鋼筋網(wǎng)以加強(qiáng)強(qiáng)度。此種方式具有受力條件好，制作工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，但施工比較困難，運(yùn)行管理不方便。

（2）矩形預(yù)制鋼筋混凝土板。

假設(shè)豎井口凈尺寸長×寬=1.5m×0.6m，可以采取矩形預(yù)制鋼筋混凝土板對(duì)豎井口進(jìn)行防護(hù)，鋼筋混凝土板長邊尺寸可以取長×寬×厚=1.66m×0.3m×0.08m，短邊尺寸可以取長×寬×厚=0.78m×0.3m×0.08m，長邊和短邊互相穿插，互相制約，并且在板內(nèi)配有鋼筋網(wǎng)以加強(qiáng)強(qiáng)度，另外，蓋板采用長×寬×厚=0.8m×0.7m×0.06m的鋼筋預(yù)制混凝土板。這種方式具有施工方便，制作工藝簡單，受力條件好，運(yùn)行管理方便等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 其 它

（1）在坎兒井保存完好的典型地區(qū)，采取引水回灌的方式，來抬升局部地下水位，保障坎兒井的運(yùn)行環(huán)境。

（2）將坎兒井列入農(nóng)業(yè)水利的一部分進(jìn)行維修保養(yǎng)。（3）合理調(diào)整坎兒井內(nèi)坡度，通過深挖和延伸廊道以增加水量。

（4）對(duì)井內(nèi)容易倒塌的流沙層和下游井口進(jìn)行永久性加固，這樣既可防倒塌，又可防滲漏。

4 結(jié) 語

拯救、恢復(fù)和發(fā)展坎兒井輸水系統(tǒng)是我們地下水工作者的義務(wù)和責(zé)任，功在當(dāng)代利在千秋，我們必須對(duì)其給予充分重視，實(shí)施科學(xué)的工程化管理，實(shí)行水庫、機(jī)井、坎兒井聯(lián)合開發(fā)、統(tǒng)一調(diào)度，使坎兒井從民間工程走向現(xiàn)代化、正規(guī)化。

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