迷宫堰在水库溢洪道工程中的应用研究

1绪论

1.1选题的背景及应用价值
为响应国务院关于加快水利改革发展的决定，2011年5月，大连市被水利部确定为全国水利现代化试点城市。为在试点中探索出一条适合大连市发展的水资源管理新路，在经过广泛调研并征求意见的基础上，2012年1月，大连市编制完成全市水务现代化规划，将按照与大连市市情、水情具有可比性的韩国首尔、日本东京、新加坡等国际城市的标准引领未来水务发展方向，高标准、高起点、高要求构建水务现代化发展蓝图。由此大连水利资源的开发利用进入了一个加速发展的阶段，与此同时，在水利工程建设中遇到的各种挑战和问题也随之增加。其中，迷宫堰等水工建筑物方案的合理选取及研究对实际工程项目建设有着极其重要的作用和意义，对促进区域水利构建的新型式及经济社会的健康稳定发展亦有积极和长远影响。


1.2迷宫堪简述
迷宫式溢洪道又称迷宫堰（Labyrinth Weir),是一种无闸控制的泄水建筑物，其堰顶轴线呈折线型，两折线间形成一宫室，每一宫室均形成一正堰和两侧堰，见图1.1。其中三角形及梯形迷宫堰居多。虽然三角形迷宫堰水力特性最优，但为了使结构设计和施工方便，最常用的是对称薄壁梯形迷宫堰[2]。因此迷宫堰的泄流前沿比任何传统的直线堰长数倍或十余倍，从而在相同的堰顶水头下，其泄流能力比直线堰增大数倍乃至十多倍，特别是在低水头下，其泄流能力几乎与溢流前沿的长度成JH比对于泄流前沿受限的水利枢纽、无闹控制的水库溢洪道，或丘陵山区河道及灌概渠系，修建迷宫堰在溢流水头不变的情况下可大幅度增加泄量；在过流量变幅较大时，堪顶水头变幅较小，而泄量相同时，可减小溢流水头，以适当抬高堰顶高程，增加兴利库容，能更充分地利用水资源。迷宫堰最主要的特点是在不增加泄水建筑物所占河谷宽度的情况下，泄流能力数倍于直线堰，有利于工程布置。而且无论对于改建和新建的工程，在满足同一前提条件下，用迷宫堰比用其他堰型更为经济，且便于维修和管理。迷宫堰具有泄流能力大的这一特点，决定了用它作为新建溢洪道的控制建筑物，或用它来改造已建水库的溢洪道以增加泄流能力，优越性都会非常突出。当前，中小型水库绝大多数采用岸边无闹溢洪道来泄洪，其优点是工程布置简揚，技术要求低，运行安全可靠，管理维修费用低等，但其同时具有无法调节泄流量，不能利用堪顶以下的库容蓄水兴利，水库蓄水能力的经济利用损失较大。选用迷宫堰可减小堰上水头，将部分滞洪库容转变成兴利库容，工程效益显著。在保持兴利库容不变的前提下，选用迷宫堰可以减小堪上水头，降低上游洪水位和琐顶高程[10]，减少上游俺没区移民动迁投资。


2迷宫爐的水力特性研究
2. 1迷宫腹流态特征的描述
迷宫堰水流是三元流，既有正堰水流，又有侧堰水流，水流过堰顶后，三股水流相撞击，集中下泄，致使迷宫堰的水力特性比直线堪复杂得多泄流函数难以解析表达，实用中借用一元流的分析方法，直接的解法是因次分析法与试验相结合，辅以计算机求解。据缓变流的连续性原理及能量守恒与转换原理可知，水流自引渠进入上游官室时，因过水断面突然收缩而引起水面下降，邻近两侧堪时，水位又上升，总的趋势是上游水面线先降后升（下游则先升后降），致使堰前水头小于引渠的工作水头。自引渠经宫室到溢流，上游水面线跌降愈小，即堰顶平均水面线愈接近库水位时，其泄流能力增大，迷宫堰的性能更好当堰顶水头增加时，迷宫堰溢洪道依次出现完全掺气、部分掺气、过渡和抑制四种基本流态。完全掺气时，溢流水舌的厚度和尾水深度都不会影响迷宫堰的泄流能力；溢流水舌幵始干扰就会出现部分掺气，尾水升高，溢流水头加大，堰顶各部位的水舌受到抑制，致使水舌不稳定，这是过渡状态的开始；当堪顶形成实心的非掺气水舌时，水流处于受抑制状态[2]。当过水流量小时，迷宫堰在低水头下运行，这时水舌贴壁不能掺气，正负压在水舌下方交替，会造成水舌振荡和噪声。堪顶出现负压虽然会增加泄流量，但容易引起因水舌振荡而诱发共振，所以应该设法避免[12]。


2.2迷宫堰的消能防冲
迷宫堰下游流动的时间过程线十分类似于无闻溢洪道的时间曲线，对于中小洪水，安全闹不会倾倒，这时是正常的迷宫堪，对于大洪水，当上游水位连续增加时，各部件彼此独立倾倒，这时出流曲线的形状仍与长坎溢洪道没有本质区别，但对于很大的洪水有两点不同(参见图2.2):①存在不连续性。因为各部件是可活动的，但仅在水位达到最大水位的60%之后才会倾倒，因而流量的不连续性引起下游水位的变化仅在10?20 cm,至琐下远处很快衰减，②由于放空迷宫堰产生的附加库容所需时间，延长了洪水消退的历时⑵。关于迷宫堰下游消能问题研究很少，其原因是目前迷宫堰主要用于水库溢洪道，在河渠上修建迷宫堰屈指可数，而且都是堰高很低的小型工程，同时由于迷宫堰的单宽流量大，正堪和侧堪三股水流汇集，单宽流量分布不均。据我们最近试验量测宫头和宫室沿纵向流速分布规律不同，这对消能产生不利影响；由于水流流态复杂，水跃发生条件界限不清，如何确定消能型式有一定困难。水流过堰顶后，虽经水舌撞击，仅消除了部分能量，所以应据下游河床质情况，采用适宜的消能措施。对于大型工程应做模型试验，以保安全。我国河道上第一座是院南红卫规，原下游消能设计是采用二级消力池，但因无河道的水位一流量资料，消能控制条件不明，只好采用六种消能形式进行试验比较，最后确定给定条件下的适合的消能形式[9]。浙江永嘉县山溪头水库溢洪道的迷宫堪，经试验确定用挑流消能；美国的鲍德曼(Boardm an)埂迷宫堰溢洪道也采用挑流消能，在长陆槽下端接挑流鼻坎。


3 鞍子河水库迷宫腹模型试验研究
3.1溢洪道的布置
经与设计单位设计人员研究，确定两种轴线布置方案，即弯道方案和折流壤方案[22]。溢洪道最大下泄流量约1000 m3/s，溢洪道宽50 m,单宽流量约20m2/s，相应的临界水深约3.44 m，整个溢洪道的落差约为23.04-7=16.04 m,轴线长约220 m，平均坡度为16.04/220=0.073为了使折流墩处有较好的来流条件，并计及上述的具体条件，溢洪道在立面沿轴线布置成阶梯形，为比较消能率，对三个方案进行试验研究，三个方案的区别是第二方案中第6、7、8台阶的出口加了 0.5 m高的尾坎，第3方案又在第6、7、8台阶的中间加了 0.5 m高的消力坎。水工模型试验供水系统设施，包括蓄水池、平水塔、动力粟、配水管和回水槽等；试验量测仪器：水位与水面线量测仪器：釆用水位测针及水位跟踪仪，用于测定恒定流水位；流速量测仪器：釆用南京水科院研制便携式流速仪测量；流量量测仪器：采用直角三角形薄壁量水堰，用于测定恒定流流量，量水堪堰型满足量程和精度要求。




结论

本文结合鞍子河水库工程中迷宫堰的设计实例，通过计算和试验，对迷宫堰水流流态、泄流能力、水力设计等进行了分析研究，得出了以下结论：
(1)迷宫堰的优点在于既可以挡水，又可以泄水，釆用迷宫堰方案，在提高兴利水位的同时，又能满足泄流要求，非常适用于中小型水库改建和扩建工程。
(2)迷宫堰和其它水工建筑物比较，具有过流能力强、堰前宽度小、结构相对简单等特点，可广泛应用于枢纽布置受限制、泄洪前沿不足、无闸控制的中低水头溢洪道中。迷宫堰的泄流能力远大于相同水头下宽顶堰和实用堰的泄流能力，这一特点在低水头下的优势表现得更为突出。
(3)溢洪道采用迷宫堰结构型式，各频率库水位均较低，库区淹没面积较小，工程移民补偿投资比宽顶堰低很多，在降低工程移民补偿投资方面效果显著。
(4)下游防冲等结构型式的选择上，采用阶梯式泄水陡槽，同时在台阶中间设置中墩，出口设置尾坎。研究成果表明，台阶出口处的流速低，消能率高，消能效果好；并且增加的钢筋混凝土量很少，本文中的水力设计和结构设计方法可以为类似工程项目方案选择提供参考。
(5)结合工程实例，通过设计计算和模型试验，分析迷宫堰的水力特性，简化和取舍了一些比较复杂的影响因素，得出了直线型迷宫堰水力计算、流量系数选取等的一般公式和计算方法。