新疆坎儿井隧洞破坏机理分析

杨 玲，王俊臣，白生强

（1.新疆水利水电科学研究院，新疆乌鲁木齐830049；2.吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春130021）

1 新疆坎儿井概况

1.1 坎儿井状况

新疆坎儿井由竖井、暗渠、明渠、涝坝4个部分组成。暗渠又分为集水段（俗称水活）和输水段（俗称旱活）。坎儿井的长度一般3～5 km，最长的达10 km以上。坎儿井按其成井的水文地质条件来划分，可以分成3种类型：一种是山前潜水补给型，这类坎儿井直接截取山前侧渗的地下水，集水段较短；第二种是山溪河流河谷潜水补给型，这类坎儿井集水段较长，出水量较大，吐鲁番地区分布较广；第三种是平原潜水补给型，这类坎儿井分布在灌区内，地层多为土质，水文地质条件差，出水量较小（俗称土坎）。

20世纪50年代以前，吐鲁番地区的工农业生产用水及人畜饮水，主要靠坎儿井水和泉水，1949年底，全地区有水坎儿井1 084条，年径流量4.871亿m3。至1957年，坎儿井数量达到最高峰为1 237条，径流量达5.626亿m3。之后有水坎儿井数量逐年减少，至1966年有水坎儿井1 161条，年径流量达到最大6.599×108m3，随后年径流量也逐年降低，据2003年最新统计，吐鲁番地区共有坎儿井1 091条，有水坎儿井404条，总长度为3 488.5 km（暗渠和明渠），总出水量约7.353 m3/s，年径流量2.32×108m3，坎儿井最大出水量为 244.8 L/s；干涸坎儿井687条，其中可望恢复的干涸坎儿井185条，不可恢复的干涸坎儿井502条。

1.2 坎儿井衰减原因

根据野外调查及坎儿井现状，吐鲁番地区坎儿井衰减原因主要有：

1）暗渠段洞顶土层严重脱落或由于地质构造原因（流砂带）而大面积集中坍塌、於积严重。

2）竖井口没有封堵严密，寒流进入，冻融使得暗渠出口段和竖井口集中坍塌破损严重。

3）大河水的开发利用，减少了地下水的补给量。

4）机电井的迅速发展造成地下水位的下降。

5）坎儿井管理不到位。

2 坎儿井隧洞破坏分析变形计算参数的选择

2.1 坎儿井隧洞地层湿度参数的选择

根据不同季节测定的地下水位以上不同距离含水率，经统计分析地层含水率（饱和度）分布规律如下：

冬季坎儿井进口段洞壁含水率（饱和度）：

夏季坎儿井进口段洞壁含水率（饱和度）：

冬季坎儿井地层含水率（饱和度）：

夏季坎儿井地层含水率（饱和度）：

式中：h——土层距地下水位以上距离，m；ω——含水率，%；Sr——饱和度，%。

2.2 坎儿井隧洞地层变形参数的选择

利用FB-1型非饱和土应力应变式控制三轴仪对土样进行饱和度（Sr）33.07%，43.57%，52.91%，72.76%和100%的三轴剪切试验。经统计分析，变形参数与含水率有如下关系：

pf～qf直线斜率M与含水率ω关系：

式中：M——pf～qf直线斜率；ω——含水率，%。

k与含水率关系：

式中：k——对数弹性体积模量；ω——含水率，%。

λ与含水率ω关系：

式中：λ——对数塑性体积模量；ω——含水率，%。

e1与含水率ω关系：

式中：e1——以孔隙比e为纵轴，对数有效压应力lnp为横轴的图上，lnp=0时的截距；ω——含水率，%。

e0与含水率ω关系：

式中：e0——初始孔隙比；ω——含水率，%。

E与含水率ω关系：

式中：E——弹性模量；ω——含水率，%。

3 坎儿井修正剑桥模型计算成果

3.1 修正剑桥模型计算选择标准

采用的宽0.7 m，高1.0 m城门洞型坎儿井的标准断面计算分析坎儿井的破坏机理。利用修正剑桥模型分别计算了夏季和冬季洞顶上覆土层厚度2.65，3.65，4.65，5.65 m的坎儿井变形情况。

3.2 坎儿井黄土隧洞变形计算成果

坎儿井变形计算成果见表1。从表中可以看出：

1）夏季土层随着洞顶上覆土层厚度的增大，侧墙最大水平位移在1.14～1.58 cm之间，最大水平位移发生在侧墙中部；拱顶最大垂直位移在1.60～2.1 cm之间；最大等效塑性应变在5.02～6.55 cm之间，塑性区从拱脚和拱肩部位沿着与水平成45°的方向，向围岩内部延伸。

2）冬季土层随着洞顶上覆土层厚度的增大，侧墙最大水平位移在1.61～1.72 cm之间，最大水平位移发生在侧墙中部；拱顶最大垂直位移在2.09～2.31 cm之间；最大等效塑性应变在8.39～8.51 cm之间，塑性区从拱脚和拱肩部位沿着与水平向成45°的方向，向围岩内部延伸。

3）同一洞顶上覆土层厚度，冬季侧墙最大水平位移、最大顶拱垂直位移和最大等效塑性应变比夏季大。随着洞顶上覆土层厚度的增大，冬季与夏季侧墙最大水平位移、最大顶拱垂直位移和最大等效塑性应变呈增大趋势，但增大幅度较小。

坎儿井变形计算成果见表1。

3.3 坎儿井破坏机理

由现场广泛考察、土工试验和数值分析可得出坎儿井破坏机理为：坎儿井竖井、暗渠出口段与水相接，与大气相通，地层的不同高度受地下水毛

表1 隧洞修正剑桥模型计算成果

4 结语

1）随着洞顶上覆土层厚度的增大，侧墙最大水平位移、最大顶拱垂直位移和最大等效塑性应变增大，但增大幅度较小。从工程实际情况看，侧墙最大水平位移、最大顶拱垂直位移和最大等效塑性应变增大，且增大幅度较小，计算结果与工程实际相符。

2）侧墙最大水平位移发生在侧墙中部，塑性区从拱脚和拱肩部位沿着与水平成45°的方向，向围岩内部延伸。从工程实际情况看，坎儿井破坏从拱脚和拱肩部位沿着与水平成45°的方向，向围岩内部延伸破坏，计算结果符合工程实际。

3）由于受季节影响，坎儿井地层含水率的变化，导致隧洞洞壁呈现类似于“热胀冷缩”式的变化。冬季土层在融化时，由于含水量较夏季增大，使土层侧墙水平变形、等效塑性应变增大；另外，再加上冬季冻胀破坏土体结构因素的影响，随着季节周而复始的变化，造成洞壁土体从底脚开始剥落破坏，这和实际工程破坏现状一致。

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