浅谈迷宫堰在中小型水库溢洪道上的应用

摘 要：本文针对迷宫堰作为泄洪建筑物的水利学特性和优点进行概括介绍，以期该措施能在中小型水库溢洪道防洪设计中得到进一步推广和应用。

关键词：迷宫堰；溢流前沿长度；泄水建筑物；迷宫堰结构及构造

一、概述

迷宫堰是一种构造简单，先进实用的薄壁堰型泄水构筑物。它最早于上世纪六十年代兴建于阿尔及利亚，至上世纪八十年代，这种无须管理和运行调控的适宜于溢洪道快速泄洪的技术措施在美国、澳大利亚、英国和墨西哥等国家得到了广泛的推广和应用。迷宫堰的主要水利学特点是能在溢洪道有限的断面空间上最大限度地扩大溢流前沿，通过曲径或折线型堰顶，使下泄水流呈三维流态，促进了水流的交叉和掺气消能，在同等水头条件下，迷宫堰顶通过的泄洪流量是直线型薄壁堰的2～2.9倍，其提高泄洪能力的效果是十分显著的。由于增强了泄洪能力，所以相应地可以提高兴利水位，增大兴利库容。另外迷宫堰构造简单，投资少，施工运行管理方便。因此迷宫堰广泛适宜于在中小型水利工程除险加固中使用。

二、迷宫堰泄洪水力学特性

相对直线型薄壁堰而言，迷宫堰是由一系列连续折线或曲线型薄壁挡水堰体组成，堰顶以下挡水，堰顶溢流。迷宫堰是基于折线堰拉直可以扩大有效溢流前沿的构想而创立的，迷宫堰的修建不仅能在有限的溢洪道断面上扩大溢流前沿长度，而且通过曲径和折线型堰顶使堰上水流呈三维流态，使水流在各个截面上，不再垂直正交，增强了下泄水流交叉消能和掺气的效果，保证了洪水超常快速排泄。自上世纪八十年代以来，经过世界各国大量的试验研究和原型观测，取得了许多宝贵成果，促进了迷宫堰水利学特性和规划设计原理的确立和发展。迷宫堰泄量计算公式如下：

Q=C（W/P）/（W/P+K）*Wt*Ho*（2*g*Ho）^（1/2）；W/P≥2

式中：Q——通过迷宫堰的泄量；

W—单孔堰体的净宽度；

L—单孔堰体的纵向全长；

P—堰前净高；

K—三维过流影响系数为恒值0.18；

Wt—迷宫堰总宽度；

Ho—堰上总水头值；

g—重力加速度；

C—受堰体形状和总体布置影响的泄量系数∝[1/（Ho/P），L/W]；

Ho/P——堰上水头与堰高比率；

L/W——堰长放大率。

原型观测和试验研究表明，在同等水位条件下，迷宫堰顶通过的泄洪流量是直线型薄壁堰的的2.7～3.0倍，据此反向推论，通过相同的泄洪流量，迷宫堰上的水位仅为直线型薄壁堰的1/2左右，也就是说，在溢洪道上通过一定的最大泄量时，迷宫堰上水头仅为普通直线堰上水头的一半，其减少的堰上水头部分，正好可以提高兴利水位，扩大兴利库容，对大多数中小型水库除险加固和蓄水挖潜来说，是非常有益的泄洪措施。

三、迷宫堰式溢洪道的结构和构造

迷宫堰式溢洪道构造简单，主要由三大部分组成，可分为上游连接段、迷宫堰段和下游连接段。一般来说，适宜于修建迷宫堰的溢洪道应具备以下几个方面的条件：一是溢洪道上游要开阔；二是下游坡陡顺直，易于布置辅助消能工和宣泄洪水；三是下游河道容许泄量大或无限制。

1、上游连接段：

上游连接段包括导流堤及铺盖等，主要起着导引水流，让水流平顺过堰的作用，要求开阔顺直，并设置倒坡倾向上游，保持水流流态稳定，底部根据实际需要设置宽10～20m厚30m的前沿防渗砼铺盖；外侧设置导流堤，导流堤可以采用砌石或混凝土重力挡土墙结构。

2、迷宫堰段：

迷宫堰段是溢洪道主体构筑物，多采用（钢筋）砼薄壁连续墙式结构，底部做砌石或砼基础，堰顶做成流线型，该段堰体必须做抗滑及抗倾覆等结构及稳定验算，并必要时作堰体前趾后踵的应力复核，迷宫堰段泄流交叉底部做好消能防冲设施，采用50～80cm厚的砼护坦防冲，根据消能效果增设消力墩及消力坎。若有调节功能要求，还可以在适当位置设置对称布置管理运用方便的泄洪闸。

3、下游连接段：

下游连接段包括下游导流墙和消能防冲设施，导流墙（堤）主要起导引水流向下游平顺宣泄的作用，多采用砌石或混凝土重力式挡土墙结构，高岸坡时多采用空箱岸墙及扶壁或悬臂式结构。消能防冲设施主要有砼消力池，或挑流式消能鼻坎，砼防冲海漫，远驱陡坡钢筋砼防冲底板及防冲槽等设施。具体设计可参阅消能防冲规范标准进行设计。

对于中小型水库工程的溢洪道，也可以酌情将以上三部分进行合并处理，以迷宫堰段为重点，简化上下游连接段的工程内容。

四、迷宫堰的适用范围

迷宫堰主要适宜于修建在中小型水库（下转第93页）（上接第91页）溢洪道上，要求水库枢纽工程特别是大坝主体工程要达到防洪安全标准，下游河道无障碍，河道容许泄量大或无限制。

随着中小型水库除险加固工作的不断开展，水库的防洪安全等级将得到进一步的提高，在此情况下，尽可能多地提高兴利水位，增加蓄水库容，也是解决当前水资源严重缺乏的重要途径；随着水资源和水价制度改革的进一步深化，水资源的市场价值将会得到不断提升，广开水资源，节约挖潜就成为水资源管理的重中之重。为增蓄水资源量，因地制宜的对现有水库工程进行最大程度的挖潜改造，增加蓄水量和确保防洪安全就显得同等重要，溢洪道迷宫堰泄洪措施，正好能够解决水资源的“开源”难题，迷宫堰作为溢洪道简单易行的的泄洪工程措施值得进一步推广应用。

迷宫堰特别适宜于在中小型水库开敞溢洪道上修建，要求溢洪道上游开阔平坦，下游坡陡顺直，易于排泄洪水；迷宫堰也适宜于修建在宽而深的河道上，以及流域内宽而深的沟道上起拦河坝的作用，既能够保证多蓄水，又能确保洪水及时宣泄，不致发生淹没决堤的灾害；迷宫堰适宜于在堰上水头低且堰顶截面宽度受限制的河道、沟道及溢洪道上修建，水头越低，泄洪的影响系数越大，洪水越易于排泄。

五、迷宫堰技术的应用和推广前景

目前全省的中小型水库众多，溢洪道多为开敞式宽顶堰，泄洪能力受限制，很难通过提高兴利水位来增加兴利库容。要解决最大限度地提高兴利蓄水，而同时又能确保防洪安全这一矛盾，迷宫堰泄洪措施的优势就显得尤为突出，因为迷宫堰能够在确保防洪安全的情况下，最大限度地抬高兴利水位，特别适用于调洪要求不高的中小型水库溢洪道上修建。

迷宫堰不仅结构简单，而且先进实用，便于管理，不须配备电力及启闭设施，即使为增强调节能力，增设泄洪闸和泄洪底孔，其操作管理也相对简单易行。

溢洪道实行迷宫堰泄洪技术改造后，保守估计兴利水位可以提高0.5～2m，由于库容随水位提高呈级数增加，按增蓄3～7%计，同时考虑水文气象因素和降雨时程分布不均的影响折减30%，其增蓄效果是十分明显的。同时可以尽可能发挥中小型水库的调蓄灵活性。

因此迷宫堰泄洪措施对于中小型水库水资源的开源潜力是巨大的，值得进一步推广应用。

六、结语

综合以上所述，迷宫堰泄洪技术措施是一项简单易行，先进实用的泄洪措施，它不仅能显著地增强泄洪能力，而且有利于提高兴利水位，增蓄水资源量，非常适宜于在中小型水利工程除险加固和溢洪道改建工程中优先选用。