武 劍 孫森林 邵繼梅

迷宮堰亦稱(chēng)“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(zhǎng)幾倍,在較低水頭時(shí)具有較大的過(guò)流能力,加上它的經(jīng)濟(jì)、高效、方便布置和便于管理等特點(diǎn)，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(guó)水利工程中應(yīng)用較晚，但國(guó)內(nèi)在水庫(kù)溢洪道改造中應(yīng)用迷宮堰，積累了很多經(jīng)驗(yàn)，取得了巨大的效益。

1. 迷宮堰的特點(diǎn)

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(diǎn)是溢流水舌之間的干擾程度過(guò)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(jìn)行工程布設(shè)。迷宮堰還可以設(shè)置調(diào)整段，進(jìn)行一級(jí)縮窄，也可布置成二級(jí)縮窄，此時(shí)應(yīng)驗(yàn)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(guò)堰頂后，會(huì)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(jì)算，實(shí)際應(yīng)用中多用因次分析法與試驗(yàn)相結(jié)合的一元流的分析方法，并以計(jì)算機(jī)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(jìn)入上游宮室時(shí)，過(guò)水?dāng)嗝嫱蝗皇湛s從而引起水面下降，鄰近兩側(cè)堰時(shí)，水位又上升，總的趨勢(shì)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(lái)越接近庫(kù)水位時(shí)，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(huì)依次出現(xiàn)4種基本流態(tài)：完全摻氣、部分摻氣、過(guò)渡和抑制。完全摻氣時(shí)，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(kāi)始干擾的部分摻氣情況下，溢流水頭加大，尾水升高，過(guò)度狀態(tài)開(kāi)始，堰頂各部位的水舌受到抑制，致使水舌不穩(wěn)定。當(dāng)水流變?yōu)樘幱谑芤种茽顟B(tài)時(shí)，堰頂形成實(shí)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(fù)壓交替，造成水舌振蕩和噪聲。堰頂出現(xiàn)負(fù)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(shí)際工程中應(yīng)設(shè)法避免。

2. 迷宮堰的優(yōu)越性

因?yàn)楦鞣N原因經(jīng)常適用于中小型水庫(kù)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(shí)用堰作為控制堰。此種溢洪道建筑結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，后期維護(hù)不需要人力從而維護(hù)費(fèi)用低，但其泄流能力過(guò)低。閘門(mén)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(jià)過(guò)高，后期管理相對(duì)要求比較高，維護(hù)難度也較大，不能夠適用于小型水庫(kù)。而迷宮堰中和了兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有建筑造價(jià)低、過(guò)流能力強(qiáng),而且運(yùn)行維護(hù)與無(wú)閘溢洪道一樣具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)人值守、管理要求較低的特點(diǎn)，因此,小型水庫(kù)溢洪道改建首選迷宮堰。

為了使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方便，最常用的是對(duì)稱(chēng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(qiáng)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(kù)溢洪道無(wú)閘門(mén)控制，這些水利建筑修建迷宮堰在泄量相同時(shí)，可以減小溢流水頭，從而通過(guò)抬高堰頂高程增加興利庫(kù)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(diǎn)。無(wú)論對(duì)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(jì)，如在水庫(kù)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(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)中小型老水庫(kù)擴(kuò)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(wèn)題，增加泄洪量的問(wèn)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(kù)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(kù)溢洪道可增加泄流能力，或增加興利庫(kù)容，投資省，便于管理，優(yōu)點(diǎn)較多，因此，迷宮堰確是經(jīng)濟(jì)實(shí)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(diǎn)，一旦在迷宮堰的基礎(chǔ)理論研究、設(shè)計(jì)施工等方面進(jìn)一步完善，那么迷宮堰將會(huì)更廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際中。