迷宫堰在中小河道治理工程中的应用与探讨

杨秋光

（阜新市水利勘测设计研究院（市水利科技推广中心），辽宁 阜新123099）

0 引 言

迷宫堰是堰顶平面形状为锯齿形的新型溢流堰，它改变了传统直线型溢流堰堰顶的平面形状，通过增加有效堰顶溢流长度的手段，加大溢流堰的过流能力，从而在较低的水头下通过工程设计所需要的设计流量。

由于迷宫堰的优点突出，国外很早就将迷宫堰用于低水头的中小型工程，主要应用于无闸控制的水库溢洪道的改扩建。如美国的东帕克工程（1910年）、澳大利亚的伍郎诺拉坝溢洪道（1941年）、阿冯坝（1970年）和美国的于特坝（1983年）。迷宫堰在我国水利工程中应用较晚，l986年安徽省广德县城郊率先建成了我国第一座迷宫堰—红卫兵迷宫堰，运行情况良好。可以预料，随着人们对迷宫堰水力特性及其优点认识的提高和模型试验及工程实践资料的集累，应用迷宫堰将更加广泛[1]。

2005年辽宁省首座迷宫堰在东港市前阳镇石佛沟建成，主要功能为满足上游4 座小型提水站灌溉用水[2]。但较少应用于城镇中小河道的综合治理中。2010年，阜新市高林台河城区段综合整治工程率先将迷宫堰这一新型拦河坝应用于阜新市的中小河道治理中，基本满足了设计要求，达到了景观蓄水的效果。

1 整治工程4 号迷宫堰简介

高林台河位于辽宁省阜新市境内，是阜新蒙古族自治县和阜新市高新技术产业园区的界河，左岸为阜新蒙古族自治县民族产业园区，右岸为辽宁阜新高新技术产业园区。地理位置重要。阜新市高林台河城区段综合整治工程治理河道长4.4 km，防洪标准达到50年一遇，本着生态治河的理念，在高林台桥至玍海西桥之间河槽设置6 座蓄水建筑物，其中1，2，3 号拦河坝为底横轴翻转闸，4 号拦河坝为迷宫堰，5 号拦河坝采用宽顶堰，6 号拦河坝为折线实用堰。为保证蓄水工程对防洪工程不产生不利影响，蓄水工程全部采用开挖主槽方式蓄水，开挖主槽过流能力按高林台河10年一遇洪水标准设计。

4 号迷宫堰堰宽36 m，展宽比3，宫数为6，单宫宽度为6 m，迷宫堰高1.5 m，堰墙为厚0.35 m，宫头为1/4 圆弧形，侧墙长（斜长）8.10 m，宫头宽1.8 m，展开长度18 m，堰墙与底板连接采用整体式结构。4 号迷宫堰上下游分别钢筋混凝土铺盖、钢筋混凝土消力池、干砌石海漫和格宾网箱防冲槽，铺盖齿墙末端设钢筋混凝土板桩，板桩深入基岩1 m，板桩与齿墙紧密相连，消力池设间距2 mφ100的PVC 排水管，梅花型布置。堰边墙为重力俯斜式钢筋混凝土挡墙，堰边墙首末端采用扭曲面与河槽连接，混凝土构件伸缩缝内填2 cm 宽的沥青木板，分缝处止水采用橡胶止水。铺盖、堰底板、消力池、海漫的下部均设土工布反滤层。

高林台河4 号迷宫堰采用钢筋混凝土梯形薄壁堰，按照山东省水利科学研究的研究成果进行计算。其泄流能力为同等宽度的折线形实用堰的两倍，高林台河10年一遇洪水（Q=134.92 m3/s）时堰上水头可减少48%。其流量与水头关系如表1及图1所示。

表1 流量(Q)～水头(H)关系表

图1 流量(Q)～水头(H)曲线图

2 建设经验

2010年10月，阜新市高林台河城区段综合整治工程开工建设。经过近两年的紧张施工，2012年8月，工程的主体工程建设完毕，治理河道4.4 km，并形成3.0 km 的带状水面。

2.1 主要问题及其原因

迄今为止，工程已经运行了一年多，4 号迷宫堰在实际运行过程中工作状态良好，但也存在着部分问题，主要体现在以下几个方面。

1）泥沙淤积问题

河道泥沙淤积，是水利工程管理特别是河道管理中一个普遍存在的问题。高林台流域地形主要为低山丘陵，植被覆盖率低，水土流失面积分布广，水土流失是高林台河河道泥沙淤积的主要原因。再加上蓄水工程的修建，在坝址处水流速度变缓，挟沙能力降低，加剧了河道的泥沙淤积，影响了河道蓄水的景观效果。

2）表面混凝土脱落问题

阜新市属温带季风大陆性气候，温差变化大，冬季寒冷少雪，夏季炎热多雨，全年的冰冻期5 个月。由于高林台河4 号迷宫堰冬季蓄水运行，经过2013年冬季冰冻期后，2013年3月时发生了堰体表面部分混凝土脱落的现象，尤其是靠近边墙两侧。究其原因，主要是冰冻期的冰体由岸向河槽中心扩大，形成封冻冰盖，冰层加厚，对两岸砌体及堰体产生冰压力和冰推力。由于混凝土抗拉强度较低，适应拉伸变形或不均匀变形的能力较差，在周期性冻融循环作用下混凝土冻胀破坏，造成部分混凝土脱落。

2.2 应对措施

根据4 号迷宫堰在实际运行过程中出现的问题，管理部门根据高林台河实际情况，有的放矢地制定了如下应对措施。

1）通过库区清淤解决泥沙淤积问题。通过对比清淤及引水冲沙两套方案的利与弊，最后选定清淤的方式解决高林台河的泥沙淤积问题。在不影响堰体整体安全运行的前提下，在右岸的宫头中间安放一拍门，用于清淤时放空库区内存水，当库区的回水长度减少1/3 或淤积至设计蓄水高度1/2 时，管理部门就组织库区清淤。

2）采用高强度混凝土补强和冬季凿冰解决混凝土冻胀问题。对于已脱落的表面混凝土，按设计要求重新补强。为了减小冬季冻胀力对堰体的影响，参照阜新市细河城市中心段冬季运行的方案，在库区前端进行凿冰处理，长度与河槽同长，宽度20～40 cm。

3 结 语

迷宫堰的设计原理是在给定的溢洪道宽度内通过增加溢流前沿的长度，从而在较低的水头下通过设计需要的流量。增加溢流前沿的长度是通过将薄壁的溢流堰体在平面上按锯齿形有规律地布置来实现的。在理想状态下（堰上水头与堰高比极小，下游无淹没影响），其工作原理可理解为薄壁堰体按周期折曲并排列在溢洪道的总宽度内[3]。

目前，迷宫堰多用于水库溢洪道的除险加固，随人们对迷宫堰认识的提高和资料的积累，在解决好排沙及下游消能等问题的基础上，迷宫堰作为拦河溢流坝也是经济有效的。 高林台河4 号迷宫堰的修建是阜新地区景观蓄水工程的一大突破。由于迷宫堰的经济、高效、方便布置以及便于运行管理的突出特点，可以预见其在今后的水利工程建设中定会得到越来越广泛的应用。

［1］ 马法三. 迷宫堰研究成果综述［J］.河海科技进展，1994（14）：31-32.

［2］ 王成和，刘开坤 关颖红.迷宫堰在东港市石佛沟拦河坝的试验推广成果[J]. 农业与技术，2007，27（6）：112.

［3］ 金兆辉，林长杰，穆国华，周林虎. 迷宫堰在西藏加达水电站溢洪道工程中的应用［J］.中国水利，2005（06）：44-45.