迷宫堰泄流能力的研究

丁春春

安徽省滁州市水利勘测设计院安徽滁州239000

摘要：迷宫堰是一种在泄流宽度限制条件下，能极大提高泄流能力的折线型堰，在中小型水库溢洪道中加固中应用优势明显。迷宫堰泄流能力的研究是推广迷宫堰应用的核心技术。

关键词：迷宫堰；模型实验法；公式法；最优决策。

迷宫堰在国外始于20世纪初,七八十年代有了广泛的应用[1].1984年郭子中教授正式将其介绍到中国,后来在一些工程也得到应用.张绍芳在水力学实验、结构研究和工程设计方面都做了大量工作[2],奠定了良好的技术工作基础.笔者结合一具体工程,对迷宫堰的泄流与结构特性进行了研究，现报道如下：

1、背景简介

“75.8”洪水以后，水利工程的防洪标准提高，很多水库不得不将溢洪道拓宽、加深、移址重建或者另开非常溢洪道以增大溢洪道的泄流能力来满足防洪要求，如此大幅度增加了工程投资，并给管理运用带来极大不便。为了很好的解决“兴利”与“防洪”之间的矛盾，采用迷宫堰来改造现有溢洪道是一种经济有效的技术方案。推广迷宫堰应用的核心技术就是精准的确定其泄流能力。安徽省滁州市一座中型水库溢洪道就是采用的迷宫堰，迷宫堰的过流能力是决定工程投资的第一要素，为此专门委托安徽省水利部淮委水利科学研究院进行了该水库的迷宫堰水工模型试验。

2、迷宫堰模型参数确定

现状迷宫堰参数：迷宫堰单宫堰宽为ω=7m，堰前高度为P=3.7m，堰总展开长度为L=70m，有效过水总宽度W=28m，ω/P=1.89。

根据《水工模型试验规程》SL155-2012相视准则规定，该迷宫堰模型按正态模型设计，试验比尺Lr=15，流量比尺Qr=Lr5/2=871.42，流速比尺Vr=Lr1/2=3.87，糙率比尺nr=Lr1/6=1.57。比例尺满足水流进入阻力平方区和表面流速大于23cm/s，水深在3cm以上的条件，满足水工试验规程。

3、迷宫堰试验情况

试验中迷宫堰的水流呈明显三元流，水流从正堰及两侧斜堰过流，水流过堰后，三股水流相撞击，集中下泄。水流进入迷宫堰上游宫室后，因过水断面收缩，水面线下降，临近侧堰时，水位又上升。在低水头时，宫室水面下降不明显，随着流量的增大，堰上水位的升高，上游宫室内水面有明显的先下降后升高的趋势，并且最低点随着水位升高向下游移动。

迷宫堰室内底流与表流在低水头时，水舌自由下泄，并存于完全通气状态，溢流水舌的厚度和尾水位深度均不会影响迷宫堰的泄流能力。当堰上水头增大至0.75m时，上游宫头处水流首先受到侧堰水舌的抑制，难以通气，此时下游宫头仍可以继续通气，两侧堰段过堰水舌仍可以形成完整的水舌状态，水舌下方形成稳定的气囊。当堰上水头进一步增大，水舌在整个堰顶的各部位均受抑制，水舌下方原本稳定的气囊破碎，形成破碎的小气泡，并向上游移动，最后气泡完全消失。

4、迷宫堰成果

迷宫堰试验法测得的迷宫堰各水头下的泄流量见下表。由试验结果可知道，当堰上水头小于0.75m，迷宫堰溢流水舌通气良好，流量系数随着堰上水头的增大而逐渐增大。当堰上水头大于0.75m，迷宫堰溢流水舌开始相互影响，流量系数随着堰上水头的增大而逐渐减小。

迷宫堰流量系数m同样可根据“张志军—何建京”法中流量系数曲线关系图的拟合公式计算，该堰单宫堰宽为ω=7m，堰前高度为P=3.7m，堰总展开长度为L=70m，有效过水总宽度W=28m，ω/P=1.89，按如下公式确定流量系数，计算结果显示流量系数与堰上水头呈单调递减变化，具体成果见下表。

表迷宫堰各水头下的泄流量

模型试验法和公式法计算结果显示：试验法和公式法得到的流量系数变化趋势不同，试验法成果为先增后减，变化规律比较符合泄流的实际情况，公式法成果呈简单的单调变化，与实际泄流情况有所出入；公式计算的流量系数均大于试验数据，在实际运用中偏不安全。

5、迷宫堰流量系数在实际运用中的选择

迷宫堰流量系数模型试验法优点在于能较为准确的提供流量系数，为建设方案提供准确的技术支撑，合理控制工程投资，但要专门进行试验，试验时间占用建设周期且增加工程投资，在重要的中型水库溢洪道加固中应用较为合理。

迷宫堰流量系数公式法优点在于直接、方便、快捷，不占用工程建设周期，不用单独设置工程试验研究费用，但成果偏大偏不安全，实际使用时可考虑0.9的折减系数偏安全使用，应用在小型水库溢洪道加固中较为便捷、经济、合理。

结束语：迷宫堰在泄流能力上较其它类似堰型具有明显的优势，合理的确定迷宫堰流量系数是决策最优工程建设方案的前提和基础，夯实基础是成功的保障。

参考文献：

[1]HinchliffDavidL.Designandconstructionoflabyrinthspillway[A].In:Transactionofthe15thInternationalCongressonLargeDams[C].1985(4):50-57.

[2]张绍芳.堰闸水力设计[M].北京:水利电力出版社,1987.

[3]新集水库迷宫堰水工模型试验报告安徽省水利部淮委水利科学研究院2016.03

[4]新集水库除险加固初步设计安徽省滁州市水利勘测设计院2015.0.7

[5]迷宫堰水力特性综合研究及其应用张志军中国水利水电2005-49-52