迷宫堰技术在抗旱保水中的应用

谢曌1，陈文仲2

1.四川问水工程咨询有限公司，成都 610000   2.四川大学工程设计研究院有限公司，成都 610000

摘 要:在相同堰上水头条件下，迷宫堰与直线堰相比，可大幅度提高过流能力。在小型水水及堰塘溢洪道改造中，在不降低正常蓄水位情况下，可将其改造成迷宫堰增大泄流能力来提高防洪标准，同时不减小原有库容以提高保水效益以备抗旱之需。

关键词：迷宫堰，泄流能力，小水库及堰塘

1.问题的提出

近年来，四川各地发生旱灾频率增高。抗旱保水成为各地政府重要任务，故相关部门需提前将辖区内“坛坛罐罐”装满水以备抗旱之需。上世纪50~60年代，我国兴建大量小（2）型水库和塘堰，受当时技术水平的限制，这些小型水库（堰塘）的溢洪道一般为无闸控制的开敞式溢洪道，其兴利库容较小，防洪标准低。近几年随着管理规范化，许多水库的防洪标准已不满足规范要求，部分水库采用下深溢洪道的方法，但这样做降低水库的兴利库容，对抗旱保水十分不利，因此解决蓄水与防洪之间的矛盾十分重要。

迷宫堰是一种兼挡水和泄水的建筑物，在平面上布置成折线型，形状如锯齿状的迷宫，因此而得名，其泄流能力一般比直线堰大得多。用迷宫堰来改建已建水库的溢洪道，可降低洪水位，原兴利库容保持不变，同时其工程造价是有闸溢洪道的1/4~1/2，在抗旱保水中十分值得推广[1]。

2、迷宫堰水利设计

迷宫堰属三元水流，边界条件比较复杂，其水力特性，集中反映在它的泄流能力以及其影响因素的相互关系上。迷宫堰的泄流能力以流量系数为表征，与堰的平面布置，上下流底板高差，堰顶形状和尺寸、宽高比、展宽比以及水头等有关。国内外对迷宫堰进行了很多模型试验，得出了许多适用于工程上使用的水力计算公式。主要有戴维斯法、犹他州水工试验室法、美国垦务局法和国内的张志军—何建京法等。国内试验研究认为戴维斯法和犹他州水工试验室法因未考虑w/P的影响而有一定的局限性，而美国垦务局法和国内的张—何法两者所考虑的影响因素基本一致，但在适用范围及精度方面，张—何法具有优势，因此，一般建议 采张—何法计算[2]。

式中：Q—考虑行近流速的迷宫堰泄流量；

mw0—考虑行近流速后顺水流方向计算的迷宫堰的流量系数。

下泄流量求得需首先确定mw0，根据曾甄、张志军的成果，迷宫堰流量系数也可按下列各式计算[3]：

当 w/P＝1时，，

当 w/P＝2时，，

当 w/P＝3时，，

当 w/P＝4时，，

式中：w—单宫宽度；

P—堰墙高（上游堰高 p1，下游堰高 p2）；

w／p—宫的宽高比；

W—迷宫堰总宽，W＝nw，n 为宫数；

L—迷宫堰之展长，L＝nl，l为单宫长度；

L/W—展宽比（堰长放大系数），L/W＝l/w；

3、迷宫堰应用实例

以四川省德阳市某小（2）型水库的溢洪道改建迷宫堰为例，比较改建前后的下泄流量和对兴利库容影响的情况。该水库是一座以灌溉为主，兼有防洪功能的小（2）型水库。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2017规定，该工程为Ⅴ等小（2）型水库，其主要建筑物和次要建筑物级别均为5级，设计洪水标准为20年一遇（P＝5％），校核洪水为200年一遇（P＝0.5％）。通过水文复核计算及“三查三定”等相关资料，校核洪水位659.33m，对应总库容16.07万m3，正常水位657.91m，对应正常库容13.00万m3，死水位650.40m，对应死库容1.00万m3，兴利库容12.00万m3 。

该水库防洪标准达不到要求，亟需整治。设计拟采用2种方式提高防洪标准，方式一：溢洪道底板顶高程下挖0.5m以降低洪水位满足防洪标准；方式二：保持正常蓄水位不变，原开敞式溢洪道改造成迷宫堰，提高泄流能力满足防洪标准。结果如下表。

表1     泄流能力的比较

	方式一（下挖溢洪道）		方式二（迷宫堰）
H/P	流量系数	下泄流量 (m3/s)	流量系数	下泄流量 (m3/s)	溢洪能力 Q 迷宫/Q 原堰
0.09	0.35	0.3	1.6	2.1	7
0.26	0.35	1.53	1.33	9	5.88
0.34	0.35	2.3	1.23	12.5	5.43
0.6	0.35	5.3	0.99	23	4.34
0.69	0.35	6.5	0.93	26.6	4.09
0.86	0.35	9.1	0.85	33.7	3.7

图1    相同H/P条件下不同改造方式下泄流量关系图

图2    相同H/P条件下不同改造方式溢洪能力比较图

表2    水库特征比较表

	原水库 （未改造前）	方式一 （下挖溢洪道）	方式二 （迷宫堰）
校核洪水位（m）	659.33	658.47	658.52
兴利水位（m）	657.91	657.41	657.91
兴利库容(万m3)	12	10.23	12

4、结论

（1）在H/P相同的情况下，迷宫堰的泄流能力是原有堰的3.7~7倍，尤其是在低水头的作用下更为明显。

（2）两种改造方式虽都能降低水库洪水位，提高水库防洪标准，但方式一以牺牲库容为前提，保水效益教方式二差

5、展望

修建迷宫堰后，其泄流能力增大，洪水位降低，提高水库防洪标准。迷宫堰的修建可以不减小兴利库容，在抗旱工程中具有巨大的发展前景，尤其适用于小（2）型水库和堰塘。

参考文献：

[1]马法三.迷宫堰研究成果综述[J].河海科技进展，1994（3）：31-35.

[2]袁缤络，刘小众.迷宫堰在什源水库加固中的应用[J].江西水利科技，2011（3）：36-39.

[3]曾甄，张志军.迷宫堰流量系数的探讨[J].中国农村水利水电，2005（4）.

作者简介：谢曌（1989-），男，硕士研究生，工程师.

陈文仲（1990-），男，大学本科，助理工程师