迷宮堰的特點及優(yōu)越性

武 劍 孫森林 邵繼梅

迷宮堰亦稱“折線型堰”是堰頂平面形狀為鋸齒形的一種特殊堰型，它的溢流前沿寬度比直線形堰長幾倍,在較低水頭時具有較大的過流能力,加上它的經(jīng)濟、高效、方便布置和便于管理等特點，非常適合于泄水寬度受限，但又需提高泄流能力的泄水建筑物中。迷宮堰在我國水利工程中應(yīng)用較晚，但國內(nèi)在水庫溢洪道改造中應(yīng)用迷宮堰，積累了很多經(jīng)驗，取得了巨大的效益。

1. 迷宮堰的特點

迷宮堰平面上是由一串首尾相接的三角形、梯形或矩形等幾何結(jié)構(gòu)組成，堰頂軸線呈折線，狀如鋸齒。在堰頂軸線特征上，迷宮堰有明顯區(qū)別，迷宮堰用連續(xù)折線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直線布置形式，具有了數(shù)倍于直線的泄水前沿。依據(jù)單宮形狀的不同，迷宮堰在平面上分為三角形和梯形的布設(shè)。水力特性表現(xiàn)最優(yōu)秀的是三角形布設(shè)，缺點是溢流水舌之間的干擾程度過高。因此，為了便于工程施工施工，一般采用接近三角形的梯形進行工程布設(shè)。迷宮堰還可以設(shè)置調(diào)整段，進行一級縮窄，也可布置成二級縮窄，此時應(yīng)驗算堰后最小堰高是否滿足自由出流。

迷宮堰水流是三元流，既有正堰水流，又有側(cè)堰水流。水流經(jīng)過堰頂后，會集中下泄，相互撞擊的三股水流使得迷宮堰的水力特性比直線堰更為復(fù)雜。普通的泄流函數(shù)很難解析計算，實際應(yīng)用中多用因次分析法與試驗相結(jié)合的一元流的分析方法，并以計算機輔助求解。

依據(jù)能量守恒定律和緩變流的連續(xù)性原理可知。水流從引渠進入上游宮室時，過水斷面突然收縮從而引起水面下降，鄰近兩側(cè)堰時，水位又上升，總的趨勢是上游水面線先降后升，下游則先升后降，致使堰前水頭小于引渠的工作水頭。自引渠經(jīng)宮室到溢流，堰頂平均水面線越來越接近庫水位時，其泄流能力增大，迷宮堰的性能更好。

在堰頂水頭增加情況下，溢洪道會依次出現(xiàn)4種基本流態(tài)：完全摻氣、部分摻氣、過渡和抑制。完全摻氣時，溢迷宮堰的泄流能力不受溢流水舌的厚度和尾水深度影響。在溢流水舌開始干擾的部分摻氣情況下，溢流水頭加大，尾水升高，過度狀態(tài)開始，堰頂各部位的水舌受到抑制，致使水舌不穩(wěn)定。當水流變?yōu)樘幱谑芤种茽顟B(tài)時，堰頂形成實心的非摻氣水舌。迷宮堰在低水頭情況下，水舌貼壁不能穩(wěn)定摻氣，水舌下方正負壓交替，造成水舌振蕩和噪聲。堰頂出現(xiàn)負壓雖增加泄流量，但易引起因水舌振蕩而誘發(fā)共振，故在實際工程中應(yīng)設(shè)法避免。

2. 迷宮堰的優(yōu)越性

因為各種原因經(jīng)常適用于中小型水庫工程的泄水建筑物常選取寬淺的河岸溢洪道，采用寬頂堰和實用堰作為控制堰。此種溢洪道建筑結(jié)構(gòu)簡單，后期維護不需要人力從而維護費用低，但其泄流能力過低。閘門控制的溢洪道能提高正常水位降低大壩高度，泄流能力較高，但是其建筑造價過高，后期管理相對要求比較高，維護難度也較大，不能夠適用于小型水庫。而迷宮堰中和了兩者的優(yōu)點，具有建筑造價低、過流能力強,而且運行維護與無閘溢洪道一樣具有結(jié)構(gòu)簡單、無人值守、管理要求較低的特點，因此,小型水庫溢洪道改建首選迷宮堰。

為了使結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工方便，最常用的是對稱薄壁梯形迷宮堰。和傳統(tǒng)的直線堰相比，迷宮堰的泄流前沿要長數(shù)倍甚至十幾倍。低水頭情況下，泄流能力和溢流前沿的長度成正比。因此相同的堰頂水頭情況下，迷宮堰的泄流能力比直線堰也要強數(shù)倍甚至十幾倍。很多水利樞紐建筑其泄流前沿受限、還有一些丘陵山區(qū)河道和灌溉渠系、水庫溢洪道無閘門控制，這些水利建筑修建迷宮堰在泄量相同時，可以減小溢流水頭，從而通過抬高堰頂高程增加興利庫容，使水資源得到充分利用；在溢流水頭不變的情況下，迷宮堰可以很大的增加泄量。迷宮堰在不增加泄水建筑所占河道寬度的情況下，其泄流能力數(shù)倍于直線堰，是其最主要特點。無論對于改建和新建的工程，在滿足同一前提條件下，用迷宮堰比用其他堰型更為經(jīng)濟，如在水庫溢洪道使用迷宮堰，工程投資只有建閘的1/4～1/2，且便于維修和管理。

3. 結(jié)語

目前，國內(nèi)中小型老水庫擴容改造中，普遍存在如何在太高堰頂高程的情況下，減小溢流水頭的問題，增加泄洪量的問題，在一些新建的溢洪道中，也存在著寬度受地形約束和洪水超高庫容受限的情況，迷宮堰都能較好地解決這些難題。水利建設(shè)資金緊缺，用迷宮堰改造水庫溢洪道可增加泄流能力，或增加興利庫容，投資省，便于管理，優(yōu)點較多，因此，迷宮堰確是經(jīng)濟實用的堰型。

應(yīng)該看到迷宮堰相較于其它傳統(tǒng)堰型所具有諸多優(yōu)點，一旦在迷宮堰的基礎(chǔ)理論研究、設(shè)計施工等方面進一步完善，那么迷宮堰將會更廣泛應(yīng)用于工程實際中。