卵形鋼筋混凝土涵管結(jié)構(gòu)在坎兒井暗渠支護(hù)中的應(yīng)用

姜 波

（新疆水利水電科學(xué)研究院，烏魯木齊 830049）

卵形鋼筋混凝土涵管結(jié)構(gòu)在坎兒井暗渠支護(hù)中的應(yīng)用

姜 波

（新疆水利水電科學(xué)研究院，烏魯木齊 830049）

卵形鋼筋混凝土涵管這種防護(hù)形式在吐哈地區(qū)較為普遍，能夠提供預(yù)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(yù)制件場做出的產(chǎn)品大小尺寸多存在一定的差異，給坎兒井暗渠防護(hù)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(hù)；異性鋼筋混凝土；輪廓線設(shè)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(dú)有的古代水利工程和水文化遺產(chǎn)。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?dāng)?shù)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(qū)和哈密地區(qū)。雖然坎兒井?dāng)?shù)量不斷減少，但依然是當(dāng)?shù)馗髯迦嗣癜l(fā)展農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和人畜安全飲水的主要水源。

隨著吐、哈地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，當(dāng)?shù)氐乃Y源承載能力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于各業(yè)用水需求，再加上山區(qū)控制性水利樞紐的修建、田間節(jié)水力度突飛猛進(jìn)，地下水的過度超采，致使吐、哈地區(qū)地下水位持續(xù)下降，再加上缺乏系統(tǒng)有效的管理和保護(hù)，致使坎兒井出水量逐減，乃至干涸消亡。

根據(jù)新疆坎兒井研究會2003年、2009年兩次的普查結(jié)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(jīng)面臨危機(jī)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(xù)下降、各業(yè)用水需求超出區(qū)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(xù)下降

由于缺少對水資源統(tǒng)一、合理的配置規(guī)劃，造成地表水和地下水資源開發(fā)利用模式不盡協(xié)調(diào)；加之前期機(jī)井建設(shè)缺乏整體規(guī)劃與統(tǒng)一的管理，使得機(jī)電井布局不盡合理，造成機(jī)井和坎兒井爭奪水源，再加上上游地下水補(bǔ)給減少，導(dǎo)致灌區(qū)的地下水位不斷下降，使得綠洲生態(tài)及水資源利用呈惡性循環(huán)趨勢。

根據(jù)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(dǎo)致大量的坎兒井干涸，使得綠洲的生態(tài)環(huán)境及水資源利用呈惡性循環(huán)趨勢；

1.1.2 各業(yè)用水需求超出區(qū)域水資源承載能力

由于吐哈地區(qū)各業(yè)用水結(jié)構(gòu)發(fā)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(jīng)濟(jì)發(fā)展用水過分依賴于地下水，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(zé)權(quán)不清，制定的坎兒井水費(fèi)也存在諸多問題，再加上對坎兒井缺乏系統(tǒng)、有效的維修保護(hù)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(xiàn)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(qiáng)度大，維修費(fèi)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(hù)較差，工作危險性較大。

1.2 工程建設(shè)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(nèi)外社會各界的廣泛關(guān)注。根據(jù)前述工程存在的主要問題，導(dǎo)致干涸消亡的原因概括起來主要是兩方面因素：

1）區(qū)域地下水位下降的問題，根據(jù)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(bǔ)。

據(jù)統(tǒng)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(qū)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(guī)模，即便是對所有有水坎兒井進(jìn)行維護(hù)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(yán)重，造成坎兒井水量減少，水資源利用率低。據(jù)初步調(diào)查統(tǒng)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(hù)形式

由于坎兒井的開挖工作全部由人力在地下開鑿?fù)瓿桑瑳]有統(tǒng)一的斷面尺寸，造成目前暗渠支護(hù)也存在各種各樣的形式。

就目前調(diào)查的情況來看，吐、哈地區(qū)暗渠支護(hù)主要有以下3種形式：

1）門洞形漿砌石拱支法；

2）預(yù)制鋼筋混凝土板拼插支護(hù)法；

3）卵形鋼筋混凝土涵管支護(hù)法。

具體橫斷面型式見圖1。

圖1 坎兒井暗渠支護(hù)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(jù)當(dāng)?shù)卮止橇蟽Σ刎S富的特點(diǎn)，就地取材，減少投資［2］。

坎兒井工程施工是在地下進(jìn)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(yīng)用在龍口附近的暗渠段。

預(yù)制鋼筋混凝土板拼插支護(hù)采用兩塊預(yù)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(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)［3］。但受力條件差，配筋率要求較高。

目前，在吐、哈地區(qū)應(yīng)用較為普遍的是第3種方法：卵形鋼筋混凝土涵管支護(hù)法。

按照運(yùn)行管理和施工要求的要求，結(jié)合雞蛋的外形以及受力特點(diǎn)，設(shè)計出橫斷面類似于雞蛋的混凝土管結(jié)構(gòu)——卵形斷面混凝土管。

其內(nèi)輪廓凈高度一般在1.6m左右，內(nèi)側(cè)凈寬度0.8m，以滿足運(yùn)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(wěn)定，卵形鋼筋混凝土涵管壁厚0.08m，內(nèi)部配置鋼筋網(wǎng)。

同時，為了滿足施工時搬運(yùn)的要求，將管制作成單節(jié)寬度為0.3m寬的預(yù)制件。

這種支護(hù)形式的優(yōu)點(diǎn)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(yùn)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(shè)計

目前，吐哈地區(qū)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(hù)形式雖然在吐哈地區(qū)較為普遍，能夠提供預(yù)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(yù)制件廠做出的產(chǎn)品大小尺寸也存在一定的差異，給坎兒井暗渠防護(hù)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(shè)計方法：

根據(jù)坎兒井暗渠原始斷面尺寸，確定涵管的高和寬，再依據(jù)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)方程（焦點(diǎn)位于Y軸）和圓（圓心在原點(diǎn)）的標(biāo)準(zhǔn)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(hù)的暗渠段開挖斷面高2.1m，寬度0.8m，要求設(shè)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(jié)涵管重量，那么可假定內(nèi)輪廓線H＝1600mm，2r＝800mm。

由圖1中幾何關(guān)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(nèi)輪廓線方程：

4 結(jié) 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(jié)構(gòu)外形絕不是半橢圓＋半圓這種相對簡單的形式，從實(shí)際應(yīng)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(hù)中也有其優(yōu)點(diǎn)：曲線不復(fù)雜，技術(shù)要求不高，便于預(yù)制件廠制作。

同時，工作環(huán)境的荷載也相對較小，經(jīng)過吐哈地區(qū)近十幾年的實(shí)際工程應(yīng)用的檢驗(yàn)，也取得比較好的支護(hù)效果。

因此卵形鋼筋混凝土涵管完全滿足坎兒井暗渠支護(hù)工程的要求。

［1］新疆水利水電科學(xué)研究院.新疆坎兒井保護(hù)利用實(shí)施方案［R］.烏魯木齊：新疆水利水電科學(xué)研究院，2012.

［2］曹生龍，高俊永.大力發(fā)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(guān)東海，姜波，陳志卿.坎兒井暗渠和豎井防護(hù)措施及施工技術(shù)［J］，西北水力發(fā)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(jì)婭卓，程凱峰.鋼筋混凝土管涵施工技術(shù)［J］.技術(shù)與市場，2012，19（06）：253.

U449.5

B

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(guī)劃與設(shè)計工作。