新建铁路跨越坎儿井区域工程勘察

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  摘要:坎儿井是新疆一种特有的引水工程,由于其形成历史久远,且凝聚着劳动人民的智慧结晶,如今坎儿井不但具有引水工程的功效,部分坎儿井已被相关部门列为文物进行保护,在坎儿井地区的铁路工程由于展线长等特点将不可避免的跨越坎儿井工程,而古老的坎儿井由于多次洪水漫流覆盖等原因从地表已无法看出其具体位置及埋深,加之当地也无详细的资料可供参考,这给铁路工程勘查带来了一定的难度,本次以新建哈密至将军庙铁路线(文中简称哈将线)穿越哈密盆地坎儿井区的勘察经验为例,探讨铁路工程跨越坎儿井地区一些工作思路
  
  关键词:铁路;坎儿井;防护原则;工程勘察
  中图分类号: F53 文献标识码: A
  
  
  1工程概况
  哈将线位于新疆维吾尔自治区的东中部,经过哈密、巴里坤、木垒、奇台等市县,横跨新疆维吾尔自治区哈密和昌吉回族自治州两地州。该线自兰新铁路哈密地区火石泉站引出,经三道岭煤矿,沿北天山南麓向西北方向行进,自巴里坤山和博格达山之间垭口翻越天山后沿天山北麓西行,经木垒哈萨克自治县后折向北,沿省道S228线与准将铁路将军庙站相接,线路全长约418km。沿线人为坑洞-坎儿井是本线工程勘察中的难点之一。
  2坎儿井概述
  2.1坎儿井的特征
  坎儿井是新疆一种特有的引水工程,被誉为古代的三大水利工程之一,由竖井、暗渠、明渠、涝坝四部份组成。竖井,为挖暗渠和维修人出入及出土用的,竖井口直径1.2~2m,周围有环形弃土堆;暗渠为坎儿井的主体,高1.5~3m,宽1.2~3m;明渠,为暗渠出水到农田之间的水渠;涝坝,为蓄水池,积蓄一定水量后灌溉农田。坎儿井的起源竖井又称之为“首部”,其明渠、暗渠与竖井口的交界处,也是天山雪水经过地层渗透,通过暗渠流向明渠的第一个出水口称之为“龙口”。建造坎儿井的水文地质条件,一是要有深厚的含水层和丰富的地下水补给来源;二是坡降大,有利于暗渠引水,由于暗渠的坡度小于地面坡度,也小于地下水面坡度,因此地下水可自流引出地面。(見图1 坎儿井构造示意图)。坎儿井并不因炎热、狂风而使水分大量蒸发,因而流量稳定,保证了自流灌溉和饮用,该工程凝聚了古代劳动人民的智慧结晶。
  2.2新疆坎儿井的分布情况及现状
  新疆坎儿井主要集中在吐鲁番盆地和哈密盆地,此外奇台、木垒、阜康、库车、喀什等地也有少数坎儿井,吐鲁番、哈密是天山山间盆地,水源丰富,春夏时节有大量融雪水和雨水流出山谷,潜入戈壁滩下,山前第四纪冲、洪积层深厚,形成广阔的含水层,山前倾斜平原坡度较大,具备了建造坎儿井良好的水文地质条件。70年代中期以来工农业生产发展迅速,人口急剧增长,大面积开荒打井,大量抽取地下水,形成地下水开采漏斗,集水带的地下水位持续下降,流量明显减少,亦使得坎儿井集水带悬空干涸;此外山区拦蓄工程及防渗工程的不断建成,也减少了地下水的补偿;加之过去放松了对坎儿井的保护、利用、维修和改建工作,使得坎儿井取水灌溉工作逐步减少。近期坎儿井的急速干涸,直接导致了周边居民饮水、灌溉用水的困难,更暴露了地下水资源持续恶化、水生态平衡失调的现实,这也使得人们意识到坎儿井的重要性,相关部门及民间都有各种组织发起了不同程度的拯救或新建坎儿井活动,部分坎儿井甚至被有关部门列为文物进行保护。
  2.3哈将线坎儿井的分布情况
  线路自兰新线哈密地区火石泉站向三道岭方向的近80km段跨越洪积平原、洪积倾斜平原及山前剥蚀平原三个地貌单元,为哈密盆地坎儿井较集中的地域,坎儿井走向由高向低,自山前向盆地,即由北向南,恰好与哈将线走向近于垂直,因此导致哈将线的走行不可避免的要穿越大部分坎儿井,线路途经地表除起点为村落、农田外,其余地段均为戈壁。据当地市志介绍,该地区最早的坎儿井有近百年历史,长年受天山融雪水补给供水。
  3 哈将线经过坎儿井地段的处理、防护原则
  由于坎儿井为线性地下巷道工程,且多平行于山体倾斜方向往平原区引水,而铁路为线性地表工程,且展线多垂直于山体倾斜方向行走,因此在哈密盆地等坎儿井密集地域的铁路工程不可避免的会跨越部分坎儿井,一般跨越的地理位置均为坎儿井暗渠段落。
  铁路经过坎儿井地段时,一般应先与当地水利局及文物局等部门进行沟通协商,了解当地坎儿井的分布现状及使用情况,并协商铁路经过坎儿井区域的工程处理及防护手段。在哈将线的勘察过程中了解到,目前多数在使用中的坎儿井已被列为文物进行保护,部分干涸的坎儿井已被当地有关部门认可已废弃或当地部门也无记载,此外还有一些近年新开挖的坎儿井,仅仅作为灌溉使用,但没有被列为文物,对于以上三种情况,哈将线在途经坎儿井地段也相应商定出了两种通过原则。
  3.1线路在跨越废弃坎儿井时原则
  线路跨越废弃坎儿井时,一般采用路基工程通过,当埋深较大并影响到铁路工程时,采用水泥灌浆的方式将其填实,当埋深较浅(一般小于3m)时,采用挖开地表土至暗渠,后用圆砾土回填至地表,并分层夯实,通过此两种处理方法以保证路基基底的安全稳定性。
  3.2线路在跨越被列为文物或正在使用中的坎儿井时原则
  根据其埋深及当地部门意见来采取不同的工程防护措施,埋深较大并与铁路工程存在相互影响的坎儿井,采用梁桥跨越;浅埋坎儿井(一般埋深小于5m),经水利、文物等相关部门同意后可采用挖开地表土至暗渠,加防护涵洞后回填夯实至地表,地表仍为路基工程,当地相关部门不同意采取开挖地表土的施工方式时,仍需采用梁桥跨越。
  4 哈将线坎儿井的勘察
  4.1初勘阶段
  初勘阶段,需满足可研设计精度要求,要基本查清铁路沿线穿越坎儿井数目,大致了解坎儿井埋深及沿线土层结构及水文地质条件,坎儿井勘察工作应进行收集资料、调查核实、初步勘探等工作。
  4.1.1收集资料
  桥涵、路基等专业与当地文物局、水利局等部门收集沿线坎儿井资料,内容包括区内铁路跨越有那些坎儿井、坎儿井年代、那些坎儿井已经废弃、那些坎儿井正在使用或已经被列为文物加以保护,并且与当地协商铁路跨越处坎儿井的工程防护原则(采用路基、涵洞还是桥梁)。同时工程地质专业需收集坎儿井走向、埋深、暗渠洞身大小、龙口(首部)位置等资料,以便指导后期坎儿井勘察、设计工作。
  4.1.2调查核实
  工程地质专业在收集掌握了当地部门提供的坎儿井资料的前提下,去拟建铁路沿线调查核实,调查过程中,实地量取各坎儿井离铁路最近的上下游竖井井深,以此分析铁路穿越处坎儿井竖井埋深情况。通常坎儿井在地表都有较为突出的特征,表现为竖井口周围连续的环形土堆,保留较好的坎儿井,可在航片及卫星影像图上看到其竖井土堆,以此可看出其延伸方向,线路航飞平面图上也有标示,且精度高,但图幅较窄,可与卫星影像图结合利用,相互取长补短。(见图2线路方案及坎儿井卫星影像图)。对于
  保留完好的坎儿井,可在线路平面图上在坎儿井两竖井之间画一直线,根据古老坎儿井开挖原理,坎儿井两竖井之间均为直线,因此直线与铁路线相交的位置,应该就是坎儿井暗渠和铁路线的交点,用此种办法可以获
  得坎儿井在铁路线上较为准确的相交位置。在室内获得此类资料,再去沿线调查核实,给调查带来了很大便捷。
  4.1.3初步勘探
  结合桥涵及路基工点,布置勘探点,揭露沿线土层结构及水文地质条件。
  通过以上方法,已基本调查到哈将线跨越坎儿井的数目及相交位置,已查清废弃坎儿井、正在使用中的坎儿井以及列为文物的坎儿井,掌握了沿线大致地层结构,满足了可研阶段勘测精度要求。
  4.2详勘阶段工作
  详勘阶段要满足桥涵、路基初步设计及施工图设计需要,不但要详细查清每条坎儿井具体平面位置,而且要详细查清铁路通过处坎儿井具体埋深、走向、以及地层结构。无论废弃与否的坎儿井,均需根据埋深、走向决定相应的工程处理及防护措施。
  4.2.1坎儿井的主要勘察手段极特点
  目前在工程上针对坎儿井的主要常用勘查手段有物探、静力触探、钻探三种,每种勘查手段都有其局限性,一般是采取综合手段进行勘测。探测坎儿井采用的主要物探手段有高密度电法、瞬变电磁及地质雷达,物探有着经济、快速、易操作等优点,可以沿铁路线走向布置断面,缺点是成果资料存在着多解性及不确定性,甚至有些地段无异
  常显示,但从地表调查却可以发现有坎儿井存在;钻探的优点是能够详细揭露地下各类地层的土层结构,在钻进过程中,能够感受到地下空洞的存在,缺点是成本大,只能做点位的勘察,勘察揭露点太小;静力触探较钻探更经济、易操作,但仅能在黏性土、砂类土中使用,而戈壁土或硬度较大的黏性土,无法运用。
  4.2.2哈将线坎儿井勘察存在的问题
  哈将线勘测期间在与当地部门结合收集到的坎儿井资料中,只有坎儿井龙口、首部的埋深,中间暗渠及竖井的准确埋深均无记录,且有一部分坎儿井无文献记载,甚至可能存在个别坎儿井,由于时代久远,经过洪水漫流,在地表已看不到任何痕迹,无从考察。通过既有兰新线事故记录也确认了此问题的可能性,“兰新线所经的哈密地区遇到的坎儿井,为哈密到柳树泉长达60km的段落,遇见坎儿井100多条,现在正在使用的坎儿井,位置明显,但一些废弃年久的坎儿井,地表无任何痕迹,区域图表文书资料中也无记载,1956年蘭新线定测后,曾组织专门调查组,对上述地段进行详细勘察,结果仍未彻底查清,通车后在运营期间,由于个别的废弃坎儿井没有发现和处理,以致在列车震动下塌陷,险些造成行车事故。”哈将线自哈密火石泉车站引出至三道岭的前80km地段,具备坎儿井的建造条件,可能也存在此类问题。
  4.2.3沿线坎儿井详勘原则
  针对以上问题,为满足桥涵、路基两专业设计需要,哈将线哈密段坎儿井详勘原则定为在充分分析、利用上个阶段即初步勘察成果的前提下采用综合勘察的方法:综合物探为先导,原则上不少于两种物探方法进行探测,在物探异常带根据初步勘探揭露地层情况,选择性的用钻探、静力触探进行核实,哈将线由于前80km经过三个地貌单元,分别为洪积平原区、洪积倾斜平原区及剥蚀平原区,前期在收集资料及调查的过程中,在以上三类地貌单元均有坎儿井存在,坎儿井不同段落有不同的特点,因此为达到最经济有效的勘察目的,针对各个特点段落也采取了不同的勘察手段:
  (1)DK0+000~DK9+600段属于土质平原区,地表均为耕地及村落,该段由于农耕及其他人为活动,从地面已经无法看到坎儿井痕迹或很不明显,也无文献资料可参考,相关部门已认可该片区坎儿井已废弃。根据初勘钻探成果得知地层以黏性土为主,局部夹粉、细砂层。根据坎儿井结构特点,该段为坎儿井下部接近龙口地段,暗渠埋深较浅(一般埋深为3~6m),约接近龙口,埋深越浅。从地层结构及暗渠埋深条件来说静力触探均可满足要求,因此勘察手段为:综合物探为先导,由于地面没有坎儿井痕迹,物探剖面须沿中线全线贯通,在物探显示异常带的线路两侧增设物探剖面,查异常带走向及埋深,并在异常带用静力触探验证核实,无需钻探。
  (2)DK9+600~DK18+000段属于砾质平原区下部,地表为戈壁,人为活动少,有较多坎儿井竖井痕迹,但井身下部多有坍塌,太多文献记录,相关部门已认可该片区坎儿井废弃。依据初勘结果得知地层大部分为圆砾。该段暗渠为坎儿井中部地段,根据坎儿井结构特点得知该段暗渠深度较大,且地层含砾石颗粒,从地层结构及深度考虑,验证物探异常带只能采用钻探。因此勘察手段为,综合物探并结合地表竖井痕迹为先导,物探剖面贯通全段,在异常带的线路两侧增设物探剖面,之后在异常带用钻探验证核实。
  (3)DK18+000~DK55+000段属于砾质平原区上部,地表为戈壁,人为活动少,地表有坎儿井竖井痕迹,保存良好,有文献记载为近几年开挖,正在使用中。根据初勘资料得知水位埋深较大,多大于30m,且30m以上全为砂砾石层,无不透水层,无储水条件,因此根据坎儿井构造原理,可知道竖井埋深也大于30m,防护手段只能采用梁桥跨越,只需考虑梁桥跨越,无需物探及钻探验证。
  (4)DK55+000~DK80+000段属剥蚀平原区,地表为戈壁,局部出漏第三系泥岩,依据初勘结果,得知地表覆盖圆砾,下伏第三系泥岩、泥质砂岩,大多有文献记载,该种地貌单元坎儿井的特点较为特殊,暗渠多在圆砾及第三系岩层的土石交界处,利用岩层作为暗渠下部不透水层来引水下流,因此该段坎儿井勘察,只需借鉴最近铁路工程钻孔土石界面的埋深,即可得知坎儿井的埋深,无需物探及钻探工作。
  5 结论
  (1)通过对哈将线初勘成果的利用并结合坎儿井结构原理进行分析,全段80km范围可能存在坎儿井的段落,物探工作只需做前18km,并在前9km采用较为经济的静力触探为物探异常带核实手段,查出了沿线坎儿井分布情况。本线对坎儿井的勘察,在先了解坎儿井构造原理的前提下,再针对不同地层结构选取了合适的勘探方式,做到了有的放矢,减少了不必要的工作。
  (2)本次对坎儿井的勘察是分阶段、分步骤进行的,通过阶段和步骤的循序渐进,分析透彻各方要素,把握好每个阶段的工作深度,并在每个阶段充分利用既有的和前期的工作成果的前提下,既达到了工作的目的,又节约了勘察成本。
  (3)此次勘察是以收集资料及与地方各部门沟通为先期工作,直接指导了后期工作的逐步深入,因此本次感受到勘察工作的综合手段,不仅仅是现场各类手段勘察,诸多部门访问调查及古老文献资料收集也是勘察的一个重要手段。
  
  参考文献:
  [1]哈密市地方志编纂委员会.哈密市志[M].乌鲁木齐:新疆人民出版社,2007年8月第1版.
  [2]铁道第一勘察设计院.铁路工程地质实例(西北及相邻地区分册)[M].北京:中国铁道出版社,2002年4月.
  [3]新疆维吾尔自治区坎儿井研究会编.新疆坎儿井[M].乌鲁木齐.新疆人民出版社,2006年1月第1版.
  
  作者简介:刘新元,(1980-),男,四川内江人,工程师。
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