迷宫堰在龙泉寺水库除险加固中的应用

陈顺国

（中国农业大学石羊河实验站，甘肃 武威 733000）

1 工程概况

龙泉寺水库位于古浪县城西南角的龙泉寺，兴建于1975 年，是一座以城镇防洪为主，兼顾农村人饮供水、农田灌溉的Ⅴ等小(2)型水库，总库容21.85万m3，设计灌溉面积9102 亩。库区地形较高且在河道上游，坝下游为大片密集的居民区，犹如群众头上的“一盆水”，位置十分险要；同时水库虽小，但每年的秋冬季蓄水，在缓解受益区次年春灌的卡脖子旱矛盾中发挥着巨大的作用，效益十分显著。然而大坝实际防洪能力不满足国家《防洪标准》GB50201-94 的规定等原因，2007 年5 月被鉴定为三类坝。

为解决现状水库防洪能力不足的问题，首先通过清理疏通已淤塞而不能泄洪的右侧输水泄洪洞，使现状水库已有泄洪通道正常运行，在此基础上，以现状副坝（均质土坝）坝顶高程2106.5m 作坝前水位控制条件，通过对四个增加水库泄洪能力的方案技术经济比选。迷宫堰溢洪道过流能力强、堰前宽度小、结构相对简单，能较好地解决本工程受地形条件和洪水超高库容限制的难题，同时工程造价低，技术要求不高，运行安全可靠。综合对水库运行安全影响、对水库蓄水的影响、工程施工、运行管理、外观影响，确定在维持现状水库主拱坝、输水泄洪洞结构不变的基础上，将现状折线型堰溢流拱坝改造为WES 标准堰面，并新建迷宫堰溢洪道宣泄的泄洪方案。

2 迷宫堰水力设计

根据龙泉寺水库地形条件，参照已建工程中迷宫堰设计参数，将新建溢洪道进口设置为2 宫迷宫堰，进口直线总宽度W=16.5m，迷宫堰折线展开总长度L=48.05m，单宫宽度w=8.73m，侧堰墙边长b=9.71m，宫头宽a=1.8m，堰高P=3m，堰上总水头H=1.2m（略去行近流速水头）,单宫展开长度c=24.12m，总的展宽比L/W=48.05/16.5=2.91，宽高比W/P=16.5/3=5.5，侧墙与主流向的夹角为11°59′48.9″。宫头为1/4 圆弧形[1]。

迷宫堰是一种新堰型，它的许多特性还没有完整的一套理论体系，为慎重起见，采用多种方法进行水力计算：

2.1 迷宫堰自由流的戴维斯法：

式中：

QL——迷宫堰泄流量，m3/s；

mw——流量系数，附图1-3 戴维斯法迷宫堰流量系数曲线图查得mw=9.35；

W——迷宫堰总宽，取W=19m；

H——堰顶静水头，校核水位时，H=1.3m。

公式适用条件是(H/p)mxa=0.5，α=0.75αmax(αmax系按三角形布置的侧墙与来流方向的夹角)，L/W=3～8，(w/p)min=2。

龙泉寺水库中，取堰顶高程与溢流拱坝齐平为2104.9m，堰底高程2101.9m，略低于迷宫堰前淤积面2102.5m，堰高p=3m，单宫宽度w=9m，侧堰墙长10m，单宫长度L1=23.24m，(H/p)mxa=0.4，α=0.75αmax=0.75arcSin(w/b)=18°6′38.9″，设计α=18°15′24″，L/W=46.48/19=2.45，(w/p)min=3，与公式适用条件基本接近。

由上式计算的校核洪水位2106.2m 时迷宫堰泄洪量：

2.2 迷宫堰自由流的马加尔哈斯法：

式中字母意义同前，流量系数mw由附图1-4 马加尔哈斯法迷宫堰流量系数曲线图查得mw=1.065。

公式的适用条件为迷宫堰在平面上为梯形，上、下游底板齐平，堰顶形状为1/4 圆弧，1≤L1/w≤8，0.2＜H/P≤0.6，α/αmax=0.8，w/p＞2

设计迷宫堰在平面上为梯形，上、下游底板齐平，堰顶形状为1/4 圆弧，L1/w=22/9=2.44，(H/p)mxa=0.4，α/αmax=0.76，w/p=3，与公式适用条件基本接近。

由上式计算的校核洪水位2106.2m 时迷宫堰泄洪量：

2.3 山东省水利科学研究所方法：

为了进一步探明迷宫堰的水力特性，验证现有成果并扩大其适用范围，我国山东水利科学研究所从1987 年开始系统地对迷宫堰的泄流特性进行了研究，获得了计及行近流速水头影响的mw0=f(H0/p，L/w，w/p)的关系曲线，并给出曲线图的适用条件是：堰顶形状为半圆或大小1/4 圆弧形，堰顶厚度为0.08p，2a≤0.15w，L/W=2～8，w/p=1～4，H0/p=0.10～1，水舌下面通气。

设计中堰顶形状取1/4 圆弧形，堰顶厚度0.5m，大于0.08p=0.24m，2a=1.72m，大于0.15w=1.35m，L/W=2.45，介于2～8，w/p=3，介于1～4，H0/p=0.43，介于0.10～1，水舌下可设置通气孔，与公式适用条件基本接近。

由附图1-7 曲线图查得mw=0.915，则不考虑行近流速水头的校核洪水位2106.2m 时迷宫堰泄洪量：

2.4 林培利尔方法：

2000 年法国人林培利尔撰文介绍迷宫堰时指出：对于标准堰，最大自由泄流能力可用下式估算：

最优经济指标为：β=2～4，H/p=0.45～0.70。

式中字母意义同前，β=2.45，p=3，则校核洪水位2106.2m 时迷宫堰最大泄洪量：

湖南省水利水电勘测设计研究总院教授级高工艾克明认为，上式可改写为：

式中，当H/p=0.45 时，μ=2.53，当H/p=0.70 时，μ=2.04。

设计迷宫堰H/p=0.43，参照上述变化趋势，取μ=2.57，则校核洪水位2106.2m 时迷宫堰最大泄洪量：

从以上计算结果看，虽然各公式适用条件不完全相同，但基本接近，在自由出流条件下，通过迷宫堰的流量在113.29m3/s～144.82m3/s 之间。根据国内外的经验，经济上较优的迷宫堰的各部分几何尺寸的选择范围为：H/p=0.40～0.70，L/W=2～5，w/p=1～3，设计迷宫堰的H/p=0.43，L/W=2.45，w/p=3，各项参数均在上述范围之内，说明设计参数取值较经济合理。同时，设计认为山东省水利科学研究所的方法较为系统全面，在相同条件下计算结果较小，相对安全。设计溢洪道在过迷宫堰后接明槽陡坡，由水力计算知为自由出流[2-3]。

3 迷宫堰结构设计

3.1 基本情况

迷宫堰设2宫，进口直线总宽度W=19m，迷宫堰折线展开总长度L=46.48m，单宫宽度w=9m，侧堰墙边长b=10m，宫头宽a=1.72m，堰高P=3m，堰上总水头H=1.2m（略去行近流速水头）,单宫展开长度c=23.24m，侧墙与主流向的夹角为18°15′24″。宫头为1/4圆弧形。工程区气候寒冷，按运行环境及耐久性要求，采用现浇钢筋砼结构，砼强度等级C25，抗渗等级W6，抗冻等级F200。堰底板前后均设置齿墙，考虑运行中清淤等影响，齿墙深度取1.5m，底板厚1.0m，边墙厚1.0m，堰墙厚0.5m。

迷宫堰左侧墙顶高程2106.30m，墙基高程2099.45m，墙基深入底板底面以下基岩1.5m，以延长渗径，防止迷宫堰底板下渗流破坏。底板顶面以上墙高4.40m，考虑到侧墙承受较大的土压力，墙厚取1.0m。迷宫堰挡水侧墙高3.0m，墙顶高程2104.90m，与正常高水位齐平[4-5]。

侧墙背为坡积碎石土层，类比确定其内摩擦角30°，粘聚力0，容重19kN/m3。迷宫堰下伏基岩为奥陶系下统南泥沟组灰绿色中厚层状变质砂岩夹片岩，参照《工程岩体分级标准》（GB50218-94）C.0.1岩体物理力学参数，按Ⅲ级岩体，重力密度26.5～24.5kN/m3，内摩擦角50°～39°，粘聚力1.5～0.7MPa，计算时取重力密度25kN/m3，内摩擦角40°，粘聚力0.7MPa，地基承载力取500kPa（《公路桥涵地基与基础设计规范》JTJ024-85表2.1.2-7碎石状极软岩容许承载力400～800kPa）。工程区地震基本烈度9度，抗震设防烈度9度。

3.2 设计荷载及内力组合分析

针对迷宫堰底板受力，按以下几种方法进行分析：

1).按倒置梁法作底板受力分析：

2).按郭氏表法作底板受力分析：

3)按梁和地基刚度分别计算的有限元法作底板受力分析。

侧墙与底板交界面：Mmax=1.2×74.77=89.72kN·m，Qmax=1.2×110=132kN。

宫墙与底板交界面：Mmax=1.2×302.51=363kN·m，Qmax=1.2×134.61=161.53kN。

底板按5 跨连续梁配筋，Mmax=1.2×387.96=465.55kN·m，Qmax=1.2×25.16=30.19kN。

4 结语

本文结合龙泉寺水库迷宫堰的工程实例，对迷宫堰泄流能力、结构设计进行了研究，对迷宫堰投入运行的效益进行总结，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，值得推广应用。

2.迷宫堰和其它泄水建筑物比较，具有过流能力强、堰前宽度小、结构相对简单，技术要求低，运行安全可靠，便于管理等特点，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，工程造价低，且工程效益显著。