新疆吐鲁番地区坎儿井破坏机理及优化修复研究

The Karez water system is a sophisticated aquatic system developed under sever natural conditions in West North China. In this project, the project team investigated main cause of deterioration of this valuable aquatic system which has supported Turfan oasis for more than 2000 years. We surveyed the area,Turfan and surrounding cities to assess the current status of management in terms of civil engineering and the future preservation of Karez. Survey results revealed that Karez collects water from shallow aquifers which are strongly affected by seasonal fluctuations of water tables, and Karez consists of man-dig canals whose low stability and hight risk of root fall make it difficult to excavate and restore The project team,then,used a coupled groundwater deformation model to simulate water flow into Karez canals and the deformation of Karez due to seasonal water table fluctuations to further reveal the destructive mechanism And propose optimization to repair the project.The results of this study will ease of economic burden of farmers by irrigation to repair Karez.The repair civil technology of small section of the canal in China will played a significant role in the protection of the world cultural heritage.

坎儿井是在中国西部地区及其恶劣的自然条件下巧妙设计的水利设施。本项目组调查了吐鲁番市及其周围坎儿井的现状，以土木工程的角度评估了坎儿井的目前管理状态及其进一步的保护,以便探明2000年以上支持吐鲁番绿洲的有价值的水利设施现在迅速衰退的原因。调查的结果表明坎儿井暗渠内集水的是浅层的地下水，这意味着很容易受地下水位的季节性变化，并且坎儿井暗渠是几乎没有支护加固的水路水道，所以很容易引起暗渠壁面的塌陷，并且挖掘和修复坎儿井存在很多难解的问题。因此，本项目组以地下水变动与地盘变形耦合模型，来研究坎儿井暗渠的水位和地盘变形受到季节水位的影响，进一步揭示坎儿井的破坏机理，并提出优化修复方案。本研究的结果将减轻靠灌溉农民修复坎儿井的经济负担，并使我国的小断面暗渠的修复土木技术将在世界文化遗产的保护中起到很大的作用。

在吐鲁番盆地区水资源中，坎儿井的水量是非常重要的组成部分，坎儿井暗渠是几乎没有支架加固的水路水道，由于地下水位随着季节性改变，乃至机井抽水量的影响，构成坎儿井暗渠的土层在饱和与非饱和土层之间交替，引起坎儿井暗渠壁面的坍陷，导致坎儿井的正常使用，因此项目组着眼于此问题，主要研究坎儿井暗渠的破坏机理。.在大量的实地调查基础上，提出了坎儿井的结构构成图，把暗渠分为集水部和送水部，建立了坎儿井地下水的流动和地盘变形耦合问题的理论模型；通过实验确定了坎儿井暗渠壁面的邓肯E～μ双曲线模型参数。建立了集水部暗渠和送水部暗渠铅垂二维横截面的计算模型，以及进一步建立了正在使用并有一定历史的实际坎儿井送水部暗渠断面的计算模型，确定了水利边界条件，以实验结果作为土壤的特性参数进行了数值模拟，计算出了暗渠水位为2.9米，3.6米和4.6米时，土壤的饱和度，位移，应力，应变分布图。.在集水部暗渠季节性的水位变动对暗渠的水位变动小，对坎儿井壁面水的渗透影响大，对暗渠之间土壤变形的影响小，坎儿井挖掘后经过一定时间后由于应力松弛，应力影响范围相对没有应力松弛的1.5倍，土壤由于挖掘而产生的应力相对没有应力松弛时的1.7倍。地下水从土壤松弛的地方向下渗透，因而导致坎儿井壁面蚀化的危险增大了，因此要考虑暗渠壁面土壤的稳定性问题。.送水部暗渠饱和区域往下渗透水的范围以及非饱和区域诱导毛细现象发生的范围都是在短轴的两倍，长轴的三倍以内。因为应力松弛而导致变形和应力的影响扩大了1.5倍。较大的剪切发生在砍儿井暗渠顶部和底部的右角部位，导致暗渠顶部的坍塌破坏。.正在使用并有一定历史的实际坎儿井水流底部流动通过毛细现象渗透到顶部的伞形位置，在土壤中流动到地下水的位置，导致暗渠伞形位置的破坏的可能性增大。.本项目组通过实验和模拟计算的方法系统的研究坎儿井的破坏机理，研究的结果对坎儿井的修复提供一定的理论基础，进而减轻农民在修复坎儿井的经济负担。