迷宮堰在龍泉寺水庫除險加固中的應(yīng)用

陳順國

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河實驗站，甘肅 武威 733000）

1 工程概況

龍泉寺水庫位于古浪縣城西南角的龍泉寺，興建于1975 年，是一座以城鎮(zhèn)防洪為主，兼顧農(nóng)村人飲供水、農(nóng)田灌溉的Ⅴ等小(2)型水庫，總庫容21.85萬m3，設(shè)計灌溉面積9102 畝。庫區(qū)地形較高且在河道上游，壩下游為大片密集的居民區(qū)，猶如群眾頭上的“一盆水”，位置十分險要；同時水庫雖小，但每年的秋冬季蓄水，在緩解受益區(qū)次年春灌的卡脖子旱矛盾中發(fā)揮著巨大的作用，效益十分顯著。然而大壩實際防洪能力不滿足國家《防洪標(biāo)準(zhǔn)》GB50201-94 的規(guī)定等原因，2007 年5 月被鑒定為三類壩。

為解決現(xiàn)狀水庫防洪能力不足的問題，首先通過清理疏通已淤塞而不能泄洪的右側(cè)輸水泄洪洞，使現(xiàn)狀水庫已有泄洪通道正常運行，在此基礎(chǔ)上，以現(xiàn)狀副壩（均質(zhì)土壩）壩頂高程2106.5m 作壩前水位控制條件，通過對四個增加水庫泄洪能力的方案技術(shù)經(jīng)濟比選。迷宮堰溢洪道過流能力強、堰前寬度小、結(jié)構(gòu)相對簡單，能較好地解決本工程受地形條件和洪水超高庫容限制的難題，同時工程造價低，技術(shù)要求不高，運行安全可靠。綜合對水庫運行安全影響、對水庫蓄水的影響、工程施工、運行管理、外觀影響，確定在維持現(xiàn)狀水庫主拱壩、輸水泄洪洞結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，將現(xiàn)狀折線型堰溢流拱壩改造為WES 標(biāo)準(zhǔn)堰面，并新建迷宮堰溢洪道宣泄的泄洪方案。

2 迷宮堰水力設(shè)計

根據(jù)龍泉寺水庫地形條件，參照已建工程中迷宮堰設(shè)計參數(shù)，將新建溢洪道進口設(shè)置為2 宮迷宮堰，進口直線總寬度W=16.5m，迷宮堰折線展開總長度L=48.05m，單宮寬度w=8.73m，側(cè)堰墻邊長b=9.71m，宮頭寬a=1.8m，堰高P=3m，堰上總水頭H=1.2m（略去行近流速水頭）,單宮展開長度c=24.12m，總的展寬比L/W=48.05/16.5=2.91，寬高比W/P=16.5/3=5.5，側(cè)墻與主流向的夾角為11°59′48.9″。宮頭為1/4 圓弧形[1]。

迷宮堰是一種新堰型，它的許多特性還沒有完整的一套理論體系，為慎重起見，采用多種方法進行水力計算：

2.1 迷宮堰自由流的戴維斯法：

式中：

QL——迷宮堰泄流量，m3/s；

mw——流量系數(shù)，附圖1-3 戴維斯法迷宮堰流量系數(shù)曲線圖查得mw=9.35；

W——迷宮堰總寬，取W=19m；

H——堰頂靜水頭，校核水位時，H=1.3m。

公式適用條件是(H/p)mxa=0.5，α=0.75αmax(αmax系按三角形布置的側(cè)墻與來流方向的夾角)，L/W=3～8，(w/p)min=2。

龍泉寺水庫中，取堰頂高程與溢流拱壩齊平為2104.9m，堰底高程2101.9m，略低于迷宮堰前淤積面2102.5m，堰高p=3m，單宮寬度w=9m，側(cè)堰墻長10m，單宮長度L1=23.24m，(H/p)mxa=0.4，α=0.75αmax=0.75arcSin(w/b)=18°6′38.9″，設(shè)計α=18°15′24″，L/W=46.48/19=2.45，(w/p)min=3，與公式適用條件基本接近。

由上式計算的校核洪水位2106.2m 時迷宮堰泄洪量：

2.2 迷宮堰自由流的馬加爾哈斯法：

式中字母意義同前，流量系數(shù)mw由附圖1-4 馬加爾哈斯法迷宮堰流量系數(shù)曲線圖查得mw=1.065。

公式的適用條件為迷宮堰在平面上為梯形，上、下游底板齊平，堰頂形狀為1/4 圓弧，1≤L1/w≤8，0.2＜H/P≤0.6，α/αmax=0.8，w/p＞2

設(shè)計迷宮堰在平面上為梯形，上、下游底板齊平，堰頂形狀為1/4 圓弧，L1/w=22/9=2.44，(H/p)mxa=0.4，α/αmax=0.76，w/p=3，與公式適用條件基本接近。

由上式計算的校核洪水位2106.2m 時迷宮堰泄洪量：

2.3 山東省水利科學(xué)研究所方法：

為了進一步探明迷宮堰的水力特性，驗證現(xiàn)有成果并擴大其適用范圍，我國山東水利科學(xué)研究所從1987 年開始系統(tǒng)地對迷宮堰的泄流特性進行了研究，獲得了計及行近流速水頭影響的mw0=f(H0/p，L/w，w/p)的關(guān)系曲線，并給出曲線圖的適用條件是：堰頂形狀為半圓或大小1/4 圓弧形，堰頂厚度為0.08p，2a≤0.15w，L/W=2～8，w/p=1～4，H0/p=0.10～1，水舌下面通氣。

設(shè)計中堰頂形狀取1/4 圓弧形，堰頂厚度0.5m，大于0.08p=0.24m，2a=1.72m，大于0.15w=1.35m，L/W=2.45，介于2～8，w/p=3，介于1～4，H0/p=0.43，介于0.10～1，水舌下可設(shè)置通氣孔，與公式適用條件基本接近。

由附圖1-7 曲線圖查得mw=0.915，則不考慮行近流速水頭的校核洪水位2106.2m 時迷宮堰泄洪量：

2.4 林培利爾方法：

2000 年法國人林培利爾撰文介紹迷宮堰時指出：對于標(biāo)準(zhǔn)堰，最大自由泄流能力可用下式估算：

最優(yōu)經(jīng)濟指標(biāo)為：β=2～4，H/p=0.45～0.70。

式中字母意義同前，β=2.45，p=3，則校核洪水位2106.2m 時迷宮堰最大泄洪量：

湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院教授級高工艾克明認(rèn)為，上式可改寫為：

式中，當(dāng)H/p=0.45 時，μ=2.53，當(dāng)H/p=0.70 時，μ=2.04。

設(shè)計迷宮堰H/p=0.43，參照上述變化趨勢，取μ=2.57，則校核洪水位2106.2m 時迷宮堰最大泄洪量：

從以上計算結(jié)果看，雖然各公式適用條件不完全相同，但基本接近，在自由出流條件下，通過迷宮堰的流量在113.29m3/s～144.82m3/s 之間。根據(jù)國內(nèi)外的經(jīng)驗，經(jīng)濟上較優(yōu)的迷宮堰的各部分幾何尺寸的選擇范圍為：H/p=0.40～0.70，L/W=2～5，w/p=1～3，設(shè)計迷宮堰的H/p=0.43，L/W=2.45，w/p=3，各項參數(shù)均在上述范圍之內(nèi)，說明設(shè)計參數(shù)取值較經(jīng)濟合理。同時，設(shè)計認(rèn)為山東省水利科學(xué)研究所的方法較為系統(tǒng)全面，在相同條件下計算結(jié)果較小，相對安全。設(shè)計溢洪道在過迷宮堰后接明槽陡坡，由水力計算知為自由出流[2-3]。

3 迷宮堰結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 基本情況

迷宮堰設(shè)2宮，進口直線總寬度W=19m，迷宮堰折線展開總長度L=46.48m，單宮寬度w=9m，側(cè)堰墻邊長b=10m，宮頭寬a=1.72m，堰高P=3m，堰上總水頭H=1.2m（略去行近流速水頭）,單宮展開長度c=23.24m，側(cè)墻與主流向的夾角為18°15′24″。宮頭為1/4圓弧形。工程區(qū)氣候寒冷，按運行環(huán)境及耐久性要求，采用現(xiàn)澆鋼筋砼結(jié)構(gòu)，砼強度等級C25，抗?jié)B等級W6，抗凍等級F200。堰底板前后均設(shè)置齒墻，考慮運行中清淤等影響，齒墻深度取1.5m，底板厚1.0m，邊墻厚1.0m，堰墻厚0.5m。

迷宮堰左側(cè)墻頂高程2106.30m，墻基高程2099.45m，墻基深入底板底面以下基巖1.5m，以延長滲徑，防止迷宮堰底板下滲流破壞。底板頂面以上墻高4.40m，考慮到側(cè)墻承受較大的土壓力，墻厚取1.0m。迷宮堰擋水側(cè)墻高3.0m，墻頂高程2104.90m，與正常高水位齊平[4-5]。

側(cè)墻背為坡積碎石土層，類比確定其內(nèi)摩擦角30°，粘聚力0，容重19kN/m3。迷宮堰下伏基巖為奧陶系下統(tǒng)南泥溝組灰綠色中厚層狀變質(zhì)砂巖夾片巖，參照《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》（GB50218-94）C.0.1巖體物理力學(xué)參數(shù)，按Ⅲ級巖體，重力密度26.5～24.5kN/m3，內(nèi)摩擦角50°～39°，粘聚力1.5～0.7MPa，計算時取重力密度25kN/m3，內(nèi)摩擦角40°，粘聚力0.7MPa，地基承載力取500kPa（《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》JTJ024-85表2.1.2-7碎石狀極軟巖容許承載力400～800kPa）。工程區(qū)地震基本烈度9度，抗震設(shè)防烈度9度。

3.2 設(shè)計荷載及內(nèi)力組合分析

針對迷宮堰底板受力，按以下幾種方法進行分析：

1).按倒置梁法作底板受力分析：

2).按郭氏表法作底板受力分析：

3)按梁和地基剛度分別計算的有限元法作底板受力分析。

側(cè)墻與底板交界面：Mmax=1.2×74.77=89.72kN·m，Qmax=1.2×110=132kN。

宮墻與底板交界面：Mmax=1.2×302.51=363kN·m，Qmax=1.2×134.61=161.53kN。

底板按5 跨連續(xù)梁配筋，Mmax=1.2×387.96=465.55kN·m，Qmax=1.2×25.16=30.19kN。

4 結(jié)語

本文結(jié)合龍泉寺水庫迷宮堰的工程實例，對迷宮堰泄流能力、結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了研究，對迷宮堰投入運行的效益進行總結(jié)，得出了以下結(jié)論：

1.迷宮堰的優(yōu)點在于既可以擋水，又可以泄水，釆用迷宮堰方案，在提高興利水位的同時，又能滿足泄流要求，非常適用于中小型水庫改建和擴建工程，值得推廣應(yīng)用。

2.迷宮堰和其它泄水建筑物比較，具有過流能力強、堰前寬度小、結(jié)構(gòu)相對簡單，技術(shù)要求低，運行安全可靠，便于管理等特點，可廣泛應(yīng)用于樞紐布置受限制、泄洪前沿不足、無閘控制的中低水頭溢洪道中。迷宮堰的泄流能力遠(yuǎn)大于相同水頭下寬頂堰和實用堰的泄流能力，這一特點在低水頭下的優(yōu)勢表現(xiàn)得更為突出。

3.溢洪道采用迷宮堰結(jié)構(gòu)型式，工程造價低，且工程效益顯著。