卵形钢筋混凝土涵管结构在坎儿井暗渠支护中的应用.pdf

2 0 1 4年第 8期 黑龙江水利科技 ( 第 4 2卷)H e i l o n g j i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y No 8 2 01 4 ( T o t a l N o 4 2 ) 文章编号 ： 1 0 0 77 5 9 6 ( 2 0 1 4 ) 0 8 0 0 3 90 3 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 8 3 0 0 4 9 ) 摘要： 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。 关键词： 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 中图分类号 ： U 4 4 9 5 文献标识码 ： B 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 2 0 0 3年 、 2 0 0 9年两次的 普查结果 表 明， 2 0 0 3 -2 0 0 9年全 疆 有水 坎 儿 井 从 6 1 4条减少至 4 2 2条 ， 平均每年干涸 3 2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 4 5 m a 的速度下 降 ， 哈密盆地地下水位平均 以0 2 m 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 。 【 收稿 日期 2 0 1 4 0 31 7 作者简介 姜波( 1 9 8 0一 ) ， 男， 新疆乌鲁木齐人， 工程师， 从事水利工程规划与设计工作。 2 0 1 4年第 8期 ( 第 4 2卷) 黑龙江水利科技 He i l o n g i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y No 8 201 4 ( T o t a l N o 4 2 ) 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 4 5 m a 的速度下降， 哈密盆地地下水位平 均以0 2 m 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 1 9 5 7年 的 l 2 3 7 条下降到目前的2 4 2条， 平均每2 O d 就有一条 坎儿井消失。 而哈密地 区的坎儿井 从 1 9 4 3年 的 4 9 5条下 降 到 目前的 1 6 1 条 ， 减少 了 3 3 4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4 0 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 。 门洞形 浆石拱 支法 预制钢筋混凝土板拼插支护法 卵形钢筋混凝 土涵 管支护法 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 筋率要求较高。 砌石衬砌， 根据当地粗骨料储藏丰富的特点， 就地取 目前， 在吐、 哈地区应用较为普遍的是第 3种方 材 ， 减少投资 j 。 法 ： 卵形钢筋混凝土涵管支护法。 坎儿井工程施工是在地下进行 ， 空间较 为狭小 ， 按照运行管理和施工要求 的要求 ， 结 合鸡蛋 的 而浆砌石体积较大 ， 给施工带来很多 困难 。 目前主 外形以及受力特点， 设计 出横断面类似 于鸡 蛋的混 要应用在龙 口附近的暗渠段。 凝土管结构卵形断面混凝土管。 预制钢筋混凝土板拼插支护采用两块预制钢筋 其内轮廓净高度一般在1 6 m左右 ， 内侧净宽度 混凝土板拼插而成， 具有体积小， 施工方便 ， 施工难0 8 m， 以满足运行管理人员通行及活动的要求； 为 度低 ， 清淤 ， 维护容易等优点 J 。但受力条件差 ， 配 了保证混凝土管的安全 稳定 ， 卵形钢筋混凝 土涵管 4 0 姜波 ： 卵形钢筋混凝 土涵管结构在坎儿井 暗渠 支护中的应用 第 8期 壁厚0 0 8 m， 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 3 m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 J 。 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。 & J t OJ 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： 2 2 + =1 ( y0 ) 【 ， +Y =r 2 ( y0 ) r=b ( 1 ) 式中： 口为椭 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 1 m， 宽度0 8 m， 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 =1 6 0 0 m m， 2 r=8 0 0 mm。 由图 1中几何 关 系可 知 ， 0 = H r， 则 有 0 =1 2 0 0 mm。 将 日、 r 、 口带入上述方程 中可得到卵形涵管内轮 廓线方程 ： 2 ，2 A N t 2+ =1 ( Y0 ) 4 0 0 1 2 0 0 、 。 +Y =4 0 0 ( Y0 ) ( 2 ) 同理， 可以得到卵形涵管外轮廓线方程， 只需将 壁厚8 0 m m 计人即可 ： 2 ，2 + ，_ 一 y 0 +Y =( 4 0 0+8 0 ) Y0 ) ( 3 ) 4结语 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。 参考文献 ： 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， 2 0 1 2 2 曹生龙， 高俊永 大力发展异形钢筋混凝土涵管一椭圆 涵管、 卵形涵管介绍 J 混凝土与水泥制品 2 0 1 1 ( 0 6 ) ： 2329 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， 2 0 0 5 ( 0 4 ) ： 5 7 5 9 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 ， 2 0 1 0， 3 8 ( 1 5 ) ： 2 4 6 5 纪娅卓 ， 程凯峰 钢筋混凝土管涵施工技术 J 技术与 市场 ， 2 0 1 2 ， 1 9 ( 0 6 ) ： 2 5 3 - - - 41 -