迷宫堰的特点及优越性

武 剑 孙森林 邵继梅

迷宫堰亦称“折线型堰”是堰顶平面形状为锯齿形的一种特殊堰型，它的溢流前沿宽度比直线形堰长几倍,在较低水头时具有较大的过流能力,加上它的经济、高效、方便布置和便于管理等特点，非常适合于泄水宽度受限，但又需提高泄流能力的泄水建筑物中。迷宫堰在我国水利工程中应用较晚，但国内在水库溢洪道改造中应用迷宫堰，积累了很多经验，取得了巨大的效益。

1. 迷宫堰的特点

迷宫堰平面上是由一串首尾相接的三角形、梯形或矩形等几何结构组成，堰顶轴线呈折线，状如锯齿。在堰顶轴线特征上，迷宫堰有明显区别，迷宫堰用连续折线代替传统的直线布置形式，具有了数倍于直线的泄水前沿。依据单宫形状的不同，迷宫堰在平面上分为三角形和梯形的布设。水力特性表现最优秀的是三角形布设，缺点是溢流水舌之间的干扰程度过高。因此，为了便于工程施工施工，一般采用接近三角形的梯形进行工程布设。迷宫堰还可以设置调整段，进行一级缩窄，也可布置成二级缩窄，此时应验算堰后最小堰高是否满足自由出流。

迷宫堰水流是三元流，既有正堰水流，又有侧堰水流。水流经过堰顶后，会集中下泄，相互撞击的三股水流使得迷宫堰的水力特性比直线堰更为复杂。普通的泄流函数很难解析计算，实际应用中多用因次分析法与试验相结合的一元流的分析方法，并以计算机辅助求解。

依据能量守恒定律和缓变流的连续性原理可知。水流从引渠进入上游宫室时，过水断面突然收缩从而引起水面下降，邻近两侧堰时，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，堰顶平均水面线越来越接近库水位时，其泄流能力增大，迷宫堰的性能更好。

在堰顶水头增加情况下，溢洪道会依次出现4种基本流态：完全掺气、部分掺气、过渡和抑制。完全掺气时，溢迷宫堰的泄流能力不受溢流水舌的厚度和尾水深度影响。在溢流水舌开始干扰的部分掺气情况下，溢流水头加大，尾水升高，过度状态开始，堰顶各部位的水舌受到抑制，致使水舌不稳定。当水流变为处于受抑制状态时，堰顶形成实心的非掺气水舌。迷宫堰在低水头情况下，水舌贴壁不能稳定掺气，水舌下方正负压交替，造成水舌振荡和噪声。堰顶出现负压虽增加泄流量，但易引起因水舌振荡而诱发共振，故在实际工程中应设法避免。

2. 迷宫堰的优越性

因为各种原因经常适用于中小型水库工程的泄水建筑物常选取宽浅的河岸溢洪道，采用宽顶堰和实用堰作为控制堰。此种溢洪道建筑结构简单，后期维护不需要人力从而维护费用低，但其泄流能力过低。闸门控制的溢洪道能提高正常水位降低大坝高度，泄流能力较高，但是其建筑造价过高，后期管理相对要求比较高，维护难度也较大，不能够适用于小型水库。而迷宫堰中和了两者的优点，具有建筑造价低、过流能力强,而且运行维护与无闸溢洪道一样具有结构简单、无人值守、管理要求较低的特点，因此,小型水库溢洪道改建首选迷宫堰。

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。和传统的直线堰相比，迷宫堰的泄流前沿要长数倍甚至十几倍。低水头情况下，泄流能力和溢流前沿的长度成正比。因此相同的堰顶水头情况下，迷宫堰的泄流能力比直线堰也要强数倍甚至十几倍。很多水利枢纽建筑其泄流前沿受限、还有一些丘陵山区河道和灌溉渠系、水库溢洪道无闸门控制，这些水利建筑修建迷宫堰在泄量相同时，可以减小溢流水头，从而通过抬高堰顶高程增加兴利库容，使水资源得到充分利用；在溢流水头不变的情况下，迷宫堰可以很大的增加泄量。迷宫堰在不增加泄水建筑所占河道宽度的情况下，其泄流能力数倍于直线堰，是其最主要特点。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，如在水库溢洪道使用迷宫堰，工程投资只有建闸的1/4～1/2，且便于维修和管理。

3. 结语

目前，国内中小型老水库扩容改造中，普遍存在如何在太高堰顶高程的情况下，减小溢流水头的问题，增加泄洪量的问题，在一些新建的溢洪道中，也存在着宽度受地形约束和洪水超高库容受限的情况，迷宫堰都能较好地解决这些难题。水利建设资金紧缺，用迷宫堰改造水库溢洪道可增加泄流能力，或增加兴利库容，投资省，便于管理，优点较多，因此，迷宫堰确是经济实用的堰型。

应该看到迷宫堰相较于其它传统堰型所具有诸多优点，一旦在迷宫堰的基础理论研究、设计施工等方面进一步完善，那么迷宫堰将会更广泛应用于工程实际中。