迷宫堰在输水工程中的应用

唐 星（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁 沈阳 110006）

迷宫堰在输水工程中的应用

唐 星
（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁 沈阳 110006）

迷宫堰是一种较新的堰型，多用于中小型水库和渠系工程。在辽宁某输水工程中，主线为无压隧洞，分别向两个分支供水，其中一个分支为有压重力流，另外一个分支为无压重力流，在主隧洞内设置迷宫堰向下游无压隧洞内溢流，在迷宫堰之前设置分水压力隧洞向一个分支供水。本文通过理论计算和模型试验进行验证，迷宫堰作为分水堰在输水工程中应用是可行的。

迷宫堰；输水工程；流量系数

迷宫堰是一种较新的堰型，这种堰前沿比传统的直线堰增长数倍，从而在相同的堰顶水头下，其溢流能力比直线堰大很多，近年来应用较广，但多用于中小型水库和渠系工程。迷宫堰在输水工程中起到了分水堰的作用，是对迷宫堰具有实际意义的推广。

1 工程概述

本工程包括取水头部、压力隧洞、电站、输水管道、无压隧洞、配水站及分支管线等几部分。输水线路总长度80.7km，其中包括38.8km的管线和41.9km的输水洞。本工程隧洞工程部分包括输水主隧洞、大峪分洞及北台分洞。

1.1 主隧洞

主隧洞段位于桩号7+971～33+402处，全长30201m。采用城门洞型断面，隧洞底坡为1/1429，成洞洞径为3.2×3.4m。

根据确定的输水规模，主隧洞的设计输水量为Q=13m3/s，校核输水量 Q=14m3/s，糙率为0.014。

1.2 大峪分洞

大峪分洞位于桩号D Y 0+000～D Y 3+882处，全长3882m。与主隧洞桩号33+402处交汇。隧洞为圆型有压隧洞，洞径2.8m，隧洞底坡为1/375。

大峪分洞扩大洞室位于主洞桩号33+380～33 +420处，全长40m，断面为城门洞型，根据水力计算，为满足大峪分洞的压力水头及上游水面线平顺连接且影响最小，确定成洞洞径为4.5×4.5m。桩号33+405处设迷宫堰壅高水位。迷宫堰设一组，沿整个过流断面布置，顶点内侧宽0.8m，顶点外侧宽1.495m，长7.515m，堰厚0.4m。桩号32+280～33+380为堰影响范围，为保证明流过流，断面设计为由3.2×3.4m渐变到4.5×4.5m。同样为减小水头损失迷宫堰下游桩号33+420～33 +430处为断面4.5×4.5m到2.4×2.8m的渐变段。

迷宫堰引水洞宽4.5m，堰高2.26m，堰体转折角8°，在最大溢流量7.75m3/s时，堰上水头为0.57m，此时堰上游计算水深为2.83m，而主洞标准断面正常过流水深为2.57m，因此堰前向洞上游方向涌水，需在迷宫堰上游洞段设置扩大洞室。

大峪分洞设计输水流量为Q=5m3/s，校核输水流量为Q=6.55m3/s，糙率为0.014，大峪分水扩大洞室布置示于图1。

1.3 北台分洞

桩号33+402～38+172段由于大峪分洞分走一部分水量，断面减小，成洞洞径为2.4×2.8m，隧洞底坡为1/1250。

2 水工模型试验

2.1 试验要求

（1）通过水工模型试验确定迷宫堰堰顶高程为185.76m时的堰上水头和大峪分洞隧洞出口断面的压力线高程，需满足的条件是大峪分水后的主洞流量为Q=7.75m3/s，大峪分洞的过流量为Q= 6.55m3/s。

（2）通过试验测定大峪分洞扩大段的净高；

（3）测定相应的主隧洞和大峪分洞各断面的水深与压强；

（4）观察大峪分洞扩大段的水流流态。

图1 大峪分水扩大洞室布置图

2.2 模型设计与制作

2.2.1相似准则与模型比尺

模型制作范围:主隧洞约从33+372至33+ 432，长70m；大峪分洞包括扩大段及其下游10m。

模型设计遵循重力相似准则，采用正态模型，模型试验的长度比尺为。各水力参数的相似比尺均列于表1。

表1 重力相似条件下的各水力参数相似比尺

2.2.2水工结构模型制作

为使模型试验能够较真实地反映原型的水流情况，在选择水工结构模型材料时必须近似顾及模型材料的糙率要求。虽不必使模型材料的糙率严格满足相似要求，但也不能差异过大，否则会影响试验结果的精度。根据重力相似要求，原型泄水建筑物的糙率，模型泄水建筑物的糙率应为0.0095。

有机玻璃材料的糙率一般为0.008，所以模型中泄水建筑物材料选用的是有机玻璃，略小于0.0095。

2.2.3试验测试手段

供水系统设施:水工模型试验供水系统设施，包括蓄水池、动力泵、平水塔、配水管和回水槽等。

试验量测仪器:水位与水面线量测仪器:采用水位测针及水位跟踪仪，用于测定恒定流水位。

压力（压强）量测仪器:采用中交天津港研院有限公司研制的智能监测系统及中国水科院研制的D J 800多功能监测系统及压力传感器，用于测定恒定流时均压力。

流速量测仪器:采用中国水科院研制的压差测量仪联合毕托管以及南京水科院研制便携式流速仪测量。

流量量测仪器:采用矩形量水堰，用于测定恒定流流量，量水堰堰型满足量程和精度要求。矩形量水堰的流量计算公式为:

式中B为量水堰宽度，H为堰上水头，m为流量系数，按公式计算:

式中B0为引水渠宽，P为堰顶高程与上游堰底高程之差。

2.2.4大峪分洞模型出口的控制水位

因为大峪分洞模型在扩大段后只包括10m长的压力洞，因此分洞隧洞出口断面的压力线高程▽02需由模型出口（截断位置）的水位推算确定，如图2所示:

图2 大峪分洞模型出口的控制水位

已给定压力洞进口底板高程180.2m，压力洞长3882m，底坡i=1/2667，压力洞出口底高程为178.717m，顶高程为181.517m。已知洞身的糙率系数n=0.014、d=2.8m，则谢才系数为67.31。压力洞的阻力系数λ为0.0173，从模型出口到整个有压洞出口的沿程损失hf为1.406m，略去局部水头损失，则由模型出口水位▽01-1.406m，即可得隧洞出口断面的压力线高程▽02（分洞的流量为6.55m3/s）。

2.2.5模型主洞出口处的控制水位

模型主洞只做到33+430m处，在原型中该断面下接宽2.40m底坡1/1250的矩形明渠（缓坡渠道）。经计算知，该明渠（n=0.014）与 Q= 7.75m3/s相应的均匀流水深，即h0=1.95m。在实际流动中，33+430m断面处的水深应为后接明渠的均匀流水深，即h=1.95m。若h＞1.95m，则在后接渠道中将形成a1型壅水曲线，这是不合理的；若在33+430m处h＜1.95m，则在后接渠道中将形成b1型降水曲线，因渠道很长，所以也是不可能的。

2.3 试验结果

2.3.1迷宫堰的综合流量系数

由实测数据可见，当堰顶高程为185.76m、主洞分流后的流量保持7.75m3/s时，虽分洞中的过流量Q2稍有变化，1#测点的水位变化不大，其值为186.125m（断面水深2.62m），据此，可推算输水头部的运行参数。μ1不仅和▽1有关，还和分流比Q1/Q2和（p值为堰高）值有关，一般而言，迷宫堰的流量系数是随的增大而降低的。因此μ1在一定范围内变化。

μ2值主要决定于分流隧洞中的水头损失。▽1和分洞的工作水头有一定差异，但影响不大，所以μ2值变化很小。当堰顶高程为185.76m，主洞分流后的流量Q1=7.75m3/s，分洞流量Q2=6.55m3/s时，分洞出口断面的压力线标高为184.595m。

2.3.2堰顶高程185.76m、Q 1=7.75m3/s时的水面线

堰顶高程185.76m，Q 1=7.75m3/s时，分别测定了Q 2=6.55m3/s、4.02m3/s和2.79m3/s三种不同分流比时的水面线，当维持Q 1=7.75m3/s不变时，稍有变化，主洞中的水面变化都在量测误差范围之内。

2.3.3迷宫堰上、下游及扩大洞室中的流态

第一种情况:Q1=7.75m3/s、Q2=6.55m3/s时，迷宫堰上、下游及扩大洞室中的流态。第二种情况:Q1=7.75m3/s、Q2=4.02m3/s、时，迷宫堰上、下游及扩大洞室中的流态。第三种情况:Q1= 7.75m3/s、Q2=2.79m3/s、时，迷宫堰上、下游及扩大洞室中的流态。

在所试验的三种工况下，迷宫堰都没有出现淹没流态。

2.3.4两种极端工况下的泄流能力

第一种极端工况:分流后下游主洞不过流。主洞迷宫堰前的水位低于堰顶，分流后主洞不过流，仅大峪分洞过流（保持压力流态）。这时实测泄流量与主洞1#、2#、3#、4#测点的水深及大峪分洞进口的水面高程，进口下游10m处的水面高程，由此推算得到的大峪分洞处的压力线高程。

假如分洞进口前水位方程等于迷宫堰堰顶高程（185.76m），分洞后的钢管出口高程为120.0m（钢管长2770.8m，直径2.2m），那么分洞的过流能力约为26m3/s，所以分洞的最大过流能力限制于迷宫堰堰顶高程及上游过流能力，其值为14.15m3/s。但在这种极端工况下扩大段中有水跃发生。

第二种极端工况:分洞不过流时主洞最大过流能力。主洞最大过流能力受制于分流下游的主洞过流断面。假如取下游的均匀流水深为2.2m，则过流能力为9.03m3/s。当通过9.03m3/s的流量时，迷宫堰并未淹没。

3 结论

通过试验确定，当1#测点处（原型桩号33+ 373）的水面标高为 186.125m，迷宫堰堰顶高程185.76m，大峪分洞出口水位为184.595m时，主洞在分流后的过流量为Q=7.75m3/s，分洞过流量为Q=6.55m3/s。引水头部的运行方式须满足两个条件:Q=14.30m3/s，主洞桩号33+373断面的水深为2.62m。

在所要求的运行工况下，主洞（包括堰体段）和分洞（包括扩大段）的流态均良好，但在充水时，扩大段中会出现非恒定的水跃，当扩大段后接的有压洞进口淹没后水跃即消失不影响运行。

试验表明，所试验的方案流态良好，能满足设计要求。如适当调节控制装置可获得不同的分流比。

［1］SL 319-2005.《混凝土重力坝设计规范》［S］.中国水利水电出版社，2005.

［2］武汉水利电力学院水力学教研室，水力计算手册［M］.水利出版社，1980（12）.

［3］SL 71-2013.《水利水电工程钢闸门设计规范》［S］.中国水利水电出版社，2013.

［4］夏毓常.水力计算论文集［C］.中国水利水电出版社，1997（10）.

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：1672-2469（2015）03-0086-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.03.030

作者简价:唐 星（1980年—），男，工程师。