卵形钢筋混凝土涵管结构在坎儿井暗渠支护中的应用

姜 波

（新疆水利水电科学研究院，乌鲁木齐 830049）

卵形钢筋混凝土涵管结构在坎儿井暗渠支护中的应用

姜 波

（新疆水利水电科学研究院，乌鲁木齐 830049）

卵形钢筋混凝土涵管这种防护形式在吐哈地区较为普遍，能够提供预制件的厂家也较多，但由于其形状较为特殊，不易控制各部尺寸，造成不同预制件场做出的产品大小尺寸多存在一定的差异，给坎儿井暗渠防护施工带来一定的不便。因此在文中介绍卵形钢筋混凝土涵管的轮廓线尺寸的计算方法。

坎儿井；地下水位下降；暗渠支护；异性钢筋混凝土；轮廓线设计

1 基本情况

作为中国古代三大水利工程之一的坎儿井，是新疆独有的古代水利工程和水文化遗产。历史上坎儿井主要分布在新疆东部吐鲁番、哈密、奇台、木垒，以及新疆南部皮山、阿图什及库车等地，随着坎儿井数量的逐年减少，目前主要集中分布在新疆东部的吐鲁番地区和哈密地区。虽然坎儿井数量不断减少，但依然是当地各族人民发展农牧业生产和人畜安全饮水的主要水源。

随着吐、哈地区经济的快速发展，当地的水资源承载能力已远远小于各业用水需求，再加上山区控制性水利枢纽的修建、田间节水力度突飞猛进，地下水的过度超采，致使吐、哈地区地下水位持续下降，再加上缺乏系统有效的管理和保护，致使坎儿井出水量逐减，乃至干涸消亡。

根据新疆坎儿井研究会2003年、2009年两次的普查结果表明，2003—2009年全疆有水坎儿井从614条减少至422条，平均每年干涸32条，其消亡速度之快令人触目惊心，已经面临危机的境地。

1.1 存在的问题

存在的问题主要有以下4个方面：地下水位持续下降、各业用水需求超出区域水资源承载能力、管理体系、方法不健全和坎儿井本身的缺陷。

1.1.1 地下水位持续下降

由于缺少对水资源统一、合理的配置规划，造成地表水和地下水资源开发利用模式不尽协调；加之前期机井建设缺乏整体规划与统一的管理，使得机电井布局不尽合理，造成机井和坎儿井争夺水源，再加上上游地下水补给减少，导致灌区的地下水位不断下降，使得绿洲生态及水资源利用呈恶性循环趋势。

根据吐鲁番和哈密盆地长观井资料分析表明，吐鲁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，下降速度非常惊人，直接导致大量的坎儿井干涸，使得绿洲的生态环境及水资源利用呈恶性循环趋势；

1.1.2 各业用水需求超出区域水资源承载能力

由于吐哈地区各业用水结构发生较大变化，水供需矛盾日益突显，在地表水资源非常有限的前提下，国民经济发展用水过分依赖于地下水，已远远超过地下水可开采量。

1.1.3 管理体系、方法不健全

由于管理制度不完善，造成责权不清，制定的坎儿井水费也存在诸多问题，再加上对坎儿井缺乏系统、有效的维修保护措施，如许多坎儿井竖井口未采取任何的加固和封闭措施，造成竖井口出现冬季冻胀、开春冻融造成井壁滑塌，致使暗渠淤堵，造成坎儿井水量减少［1］。

1.1.4 坎儿井本身的缺陷

坎儿井开凿方法原始，劳动强度大，维修费用高，易坍塌，加上无休止的往上延伸，竖井也越来越深，施工条件和安全保护较差，工作危险性较大。

1.2 工程建设的紧迫性和必要性

目前坎儿井日益衰减、干涸以至消亡的状况已引起国内外社会各界的广泛关注。根据前述工程存在的主要问题，导致干涸消亡的原因概括起来主要是两方面因素：

1）区域地下水位下降的问题，根据吐鲁番和哈密盆地长观井资料分析表明，吐鲁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惊人，造成的许多不良后果至今难以改正和弥补。

据统计，吐鲁番盆地的坎儿井已从1957年的1237条下降到目前的242条，平均每20d就有一条坎儿井消失。

而哈密地区的坎儿井从1943年的495条下降到目前的161条，减少了334条，平均2月就有一条坎儿井干涸，消亡速度令人触目惊心。

如不控制地下水资源的提水规模，即便是对所有有水坎儿井进行维护和改造修缮，在不久的将来随着地下水位的不断下降，坎儿井都将成为防空洞悬隔起来。

2）由于坎儿井年久失修，坍塌渗漏严重，造成坎儿井水量减少，水资源利用率低。据初步调查统计，暗渠坍塌段长度占暗渠总长的40.1%以上。

因此，对坎儿井暗渠段的加固和维修工程已迫在眉睫。

2 暗渠防护形式

由于坎儿井的开挖工作全部由人力在地下开凿完成，没有统一的断面尺寸，造成目前暗渠支护也存在各种各样的形式。

就目前调查的情况来看，吐、哈地区暗渠支护主要有以下3种形式：

1）门洞形浆砌石拱支法；

2）预制钢筋混凝土板拼插支护法；

3）卵形钢筋混凝土涵管支护法。

具体横断面型式见图1。

图1 坎儿井暗渠支护形式横断面图

门洞形浆砌石拱支法断面为门洞形状，采用浆砌石衬砌，根据当地粗骨料储藏丰富的特点，就地取材，减少投资［2］。

坎儿井工程施工是在地下进行，空间较为狭小，而浆砌石体积较大，给施工带来很多困难。目前主要应用在龙口附近的暗渠段。

预制钢筋混凝土板拼插支护采用两块预制钢筋混凝土板拼插而成，具有体积小，施工方便，施工难度低，清淤，维护容易等优点［3］。但受力条件差，配筋率要求较高。

目前，在吐、哈地区应用较为普遍的是第3种方法：卵形钢筋混凝土涵管支护法。

按照运行管理和施工要求的要求，结合鸡蛋的外形以及受力特点，设计出横断面类似于鸡蛋的混凝土管结构——卵形断面混凝土管。

其内轮廓净高度一般在1.6m左右，内侧净宽度0.8m，以满足运行管理人员通行及活动的要求；为了保证混凝土管的安全稳定，卵形钢筋混凝土涵管壁厚0.08m，内部配置钢筋网。

同时，为了满足施工时搬运的要求，将管制作成单节宽度为0.3m宽的预制件。

这种支护形式的优点是用很小的厚度抵抗较大的均布荷载，同时获得较大的空间利用率，在施工时拼接安装相对容易，而且在运行管理阶段便于下井检查，掏涝清淤［4－5］。

3 卵形钢筋混凝土涵管轮廓线设计

目前，吐哈地区卵形涵管外形轮廓采用的是半椭圆＋半圆的形式（见图1）。

卵形钢筋混凝土涵管这种防护形式虽然在吐哈地区较为普遍，能够提供预制件的厂家也较多，但由于其形状较为特殊，不易控制各部尺寸，造成不同预制件厂做出的产品大小尺寸也存在一定的差异，给坎儿井暗渠防护施工带来一定的不便。因此在文中介绍卵形钢筋混凝土涵管的尺寸计算方法。

卵形涵管断面尺寸设计方法：

根据坎儿井暗渠原始断面尺寸，确定涵管的高和宽，再依据设计经验确定顶椭圆、底圆弧半径及涵管壁厚。

由于坎儿井出水量都比较小，故卵圆涵管断面尺寸只需要考虑管理人员通行、清淤要求即可。

图2 卵形涵管横断面尺寸示意图

用椭圆标准方程（焦点位于Y轴）和圆（圆心在原点）的标准方程为：

式中：a为椭圆长半轴；b为椭圆短半轴；r为圆半径。

算例：吐鲁番市某坎儿井需要防护的暗渠段开挖断面高2.1m，宽度0.8m，要求设计卵形涵管。由于卵形涵管断面尺寸在满足管理人员通行、清淤要求下，近可能的减小单节涵管重量，那么可假定内轮廓线H＝1600mm，2r＝800mm。

由图1中几何关系可知，a＝H－r，则有a＝1200mm。

将H、r、a带入上述方程中可得到卵形涵管内轮廓线方程：

4 结 语

同理，可以得到卵形涵管外轮廓线方程，只需将壁厚80mm计入即可：

从精确的角度来看，鸡蛋的断面结构外形绝不是半椭圆＋半圆这种相对简单的形式，从实际应用角度来看，半椭圆＋半圆这种卵形钢筋混凝土涵管在坎儿井暗渠支护中也有其优点：曲线不复杂，技术要求不高，便于预制件厂制作。

同时，工作环境的荷载也相对较小，经过吐哈地区近十几年的实际工程应用的检验，也取得比较好的支护效果。

因此卵形钢筋混凝土涵管完全满足坎儿井暗渠支护工程的要求。

［1］新疆水利水电科学研究院.新疆坎儿井保护利用实施方案［R］.乌鲁木齐：新疆水利水电科学研究院，2012.

［2］曹生龙，高俊永.大力发展异形钢筋混凝土涵管—椭圆涵管、卵形涵管介绍［J］.混凝土与水泥制品2011（06）：23－29.

［3］关东海，姜波，陈志卿.坎儿井暗渠和竖井防护措施及施工技术［J］，西北水力发电，2005（04）：57－59.

［4］郑华.对钢筋混凝土管涵施工工艺的探讨［J］.黑龙江科技信息，2010，38（15）：246.

［5］纪娅卓，程凯峰.钢筋混凝土管涵施工技术［J］.技术与市场，2012，19（06）：253.

U449.5

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1007－7596（2014）08－0039－03

2014－03－17

姜波（1980－），男，新疆乌鲁木齐人，工程师，从事水利工程规划与设计工作。