新集水庫迷宮堰主要水力學問題研究

張波

（水利水資源安徽省重點實驗室 安徽省·水利部淮委水利科學研究院 蚌埠 233000）

新集水庫迷宮堰主要水力學問題研究

張波

（水利水資源安徽省重點實驗室 安徽省·水利部淮委水利科學研究院 蚌埠 233000）

迷宮堰堰頂軸線以連續的折線代替傳統的直線布置形式，在溢流水頭不變的情況下可大幅度增加泄量。本文以模型試驗為手段，詳細研究了新集水庫迷宮堰的各項水力參數，為迷宮堰的實際運用提供數據支持。

迷宮堰 流量系數 水力參數 泄流能力

1 概述

迷宮堰堰頂軸線以連續的折線代替傳統的直線布置形式，使其具有數倍乃至十多倍于直線堰的泄水前沿，這使其在溢流水頭不變的情況下可大幅度增加泄量；而在過流量變幅較大，堰頂水頭變幅較小而泄量相同時，可減小溢流水頭，以適當抬高堰頂高程，增加興利庫容。迷宮堰最主要的特點是在不增加泄水建筑物所占河谷寬度的情況下，泄流能力數倍于直線堰，有利于工程布置。隨著我國對迷宮堰研究的深入，許多受實際地形限制的樞紐越來越多地采用迷宮堰這種泄流方式。

新集水庫位于安徽省定遠縣藕塘鎮，池河右岸王集河上，水庫控制流域面積31.5km2，是一座以灌溉防洪為主，兼水產養殖及城鎮供水的中型水庫。水庫社會效益和灌溉效益顯著，在當地經濟發展中發揮著重要作用。水庫現狀校核洪水標準為1000年一遇，相應洪水位61.38m，相應庫容為1665萬m3；設計洪水標準50年一遇，相應洪水位60.37m，相應庫容為1397萬m3；興利水位59.0m，相應庫容1070萬m3；死水位52.5m，相應庫容160萬m3。水庫工程等別為Ⅲ等，主要永久建筑物級別為3級。水庫設計灌溉面積2.8萬畝。防洪保護范圍包括水庫下游保護面積30km2、灌區耕地1.5萬畝、人口3.2萬及下游藕塘鎮。

2 新集水庫迷宮堰設計

2.1 進口段

迷宮堰進口段長12.0m，底板高程56.3m，底寬38.5～28.0m，建兩段各6.0m長混凝土底板，厚度均為0.3m；兩岸建圓弧型翼墻，采用重力式結構，圓弧半徑為9.0m，墻頂高程62.6～61.0m；翼墻通過錐坡和大壩相連，錐坡頂高程59.8m，錐坡投影半徑3.0m，錐坡采用漿砌石護砌，護砌厚度為300mm。

2.2 控制段

加固后迷宮堰控制段長7.9m，宮頂高程59.0m，堰高為2.7m，堰寬28.0m，堰體順水流方向長7.9m，迷宮堰單宮寬7m，單宮長17.5m，總展長70.0m，堰體底板厚400mm為鋼筋混凝土結構。兩岸建重力式漿砌石擋土墻，基礎采用鋼筋混凝土基礎，墻頂高程62.6m，底板高程56.0m,墻高6.6m，底板長5.2m，墻后為500mm厚鋼筋混凝土斜拉桿。

2.3 泄槽段

一級消能泄槽段水平長度14.5m，寬28.0m，底板高程56.3～53.6m，陡坡坡比1∶5.26，底板采用C25鋼筋混凝土底板，兩岸增建懸臂式鋼筋混凝土擋土墻。

2.4 迷宮堰幾何參數

宮數n=4；單宮寬度w=7.0m；迷宮堰總寬W=nw=28m；正堰長之半a＝0.6m；側堰長b=7.55m；單宮長l=4a+2b=17.5m；迷宮堰展開長度L=nl=70m；展寬比L/W=2.5；側墻與來流方向夾角θ=18.79°；堰高P=2.7m；寬高比w/P=2.593。

表1 新集水庫迷宮堰實測泄流能力

圖1 新集水庫迷宮堰結構布置圖

圖2 新集水庫迷宮堰堰上水頭～流量系數曲線

新集水庫迷宮堰結構圖見圖1。

3 新集水庫迷宮堰試驗成果

3.1 流態

迷宮堰的水流呈明顯三元流，過堰水流既從正堰過流，同時也沿兩側斜堰過流，水流過堰后，三股水流相撞擊，集中下泄。根據緩變流的連續性原理及能量守恒與轉換原理，水流進入迷宮堰上游宮室后，因過水斷面收縮，水面線下降，臨近側堰時，水位又上升。總的趨勢是上游水面線先降后升，致使堰前水頭小于來流水頭。在低水頭時，宮室水面下降不明顯，隨著流量的增大，堰上水位的升高，上游宮室內水面有明顯的先下降后升高的趨勢，并且最低點隨水位升高向下游移動。

迷宮堰宮室內底流與表流的流向沿堰長變化。由正堰及兩側堰下泄的水流，在低水頭時，水舌自由下泄，并處于完全通氣狀態，溢流水舌的厚度和尾水深度均不影響迷宮堰的泄流能力。當堰上水頭增大至59.75m，泄流量達80.28m3/s時，上游宮頭處水流首先受到側堰水舌的抑制，難以通氣，此時下游宮頭仍可繼續通氣，兩側堰段過堰水舌仍可形成完整的水舌狀態，水舌下方形成穩定的氣囊。當堰上水頭進一步增大，水舌在整個堰頂的各部位均受到抑制，水舌下方原本穩定的氣囊破碎，形成破碎的小氣泡，并向上游移動，最后氣泡完全消失。由于試驗下游泄槽坡度較大，下泄水流能及時流走，下游水位不影響迷宮堰泄流能力，迷宮堰始終處于自由泄流狀態，不存在淹沒出流。

3.2 泄流能力及流量系數

新集水庫迷宮堰實測泄流能力見表1。

通過能量方程可推導出迷宮堰的流量公式形式為：

式中：Q—流量，m3/s；

mw—相對于堰寬的迷宮堰流量系數；

W—堰總寬，m；

H0—包括行近流速在內的堰上總水頭，m。

根據試驗測得的流量、水頭計算迷宮堰的流量系數，繪制成圖，見圖2。

從圖2可以看出，當堰上水位較低時，迷宮堰溢流水舌通氣良好，迷宮堰的流量系數隨堰上水頭的增加而逐漸增大，達到最大值0.997時，迷宮堰上游宮頭處溢流水舌開始受到側堰水舌的影響，之后流量系數隨堰上水頭的增加而逐漸減小。

3.3 新集水庫迷宮堰主要水力參數的分析計算

3.3.1 效率E

效率E=（QL/QN）/（L/W）（QL為迷宮堰的流量，QN為相同寬度直線堰的流量），E≤1。E越大，表明迷宮堰單位長度的展開長度上的流量系數越大，E隨w/P的增加而增加，要使E較高，應使w/P＞2。當給定w/P時，E隨H0/P及L/W的增大而減小，當L/W＜3時，E值較高。新集水庫L/W=2.383，處于效率較高的區間。

3.3.2 堰頂水頭與堰高比H0/P

當迷宮堰下泄水舌還未相互影響時，迷宮堰流量系數隨H0/P的增大而增大；當下泄水舌開始相互影響，隨著H0/P的增大，下泄水舌之間相互干擾的范圍和強度均增大，流量系數逐漸減小。H0/P是對流量系數影響最顯著的因素。新集水庫0.081≤H0/P≤0.896，校核洪水時，H0仍小于P，效率E仍較高。

3.3.3 寬高比w/P

迷宮堰w/P越小，從側堰下泄的水舌越易相互影響，使效率E減小，梯形迷宮堰（w/P）min＞2，一般w/P=1.2～6.0。新集水庫w/P=2.593，處于合理范圍。

4 結論

（1）新集水庫迷宮堰上下游流態良好，無明顯不良流態。

（2）新集水庫迷宮堰水力設計參數較為合理，迷宮堰下泄水流效率較高