迷宮堰在輸水工程中的應用

唐 星（遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧 沈陽 110006）

迷宮堰在輸水工程中的應用

唐 星
（遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧 沈陽 110006）

迷宮堰是一種較新的堰型，多用于中小型水庫和渠系工程。在遼寧某輸水工程中，主線為無壓隧洞，分別向兩個分支供水，其中一個分支為有壓重力流，另外一個分支為無壓重力流，在主隧洞內設置迷宮堰向下游無壓隧洞內溢流，在迷宮堰之前設置分水壓力隧洞向一個分支供水。本文通過理論計算和模型試驗進行驗證，迷宮堰作為分水堰在輸水工程中應用是可行的。

迷宮堰；輸水工程；流量系數

迷宮堰是一種較新的堰型，這種堰前沿比傳統的直線堰增長數倍，從而在相同的堰頂水頭下，其溢流能力比直線堰大很多，近年來應用較廣，但多用于中小型水庫和渠系工程。迷宮堰在輸水工程中起到了分水堰的作用，是對迷宮堰具有實際意義的推廣。

1 工程概述

本工程包括取水頭部、壓力隧洞、電站、輸水管道、無壓隧洞、配水站及分支管線等幾部分。輸水線路總長度80.7km，其中包括38.8km的管線和41.9km的輸水洞。本工程隧洞工程部分包括輸水主隧洞、大峪分洞及北臺分洞。

1.1 主隧洞

主隧洞段位于樁號7+971～33+402處，全長30201m。采用城門洞型斷面，隧洞底坡為1/1429，成洞洞徑為3.2×3.4m。

根據確定的輸水規模，主隧洞的設計輸水量為Q=13m3/s，校核輸水量 Q=14m3/s，糙率為0.014。

1.2 大峪分洞

大峪分洞位于樁號D Y 0+000～D Y 3+882處，全長3882m。與主隧洞樁號33+402處交匯。隧洞為圓型有壓隧洞，洞徑2.8m，隧洞底坡為1/375。

大峪分洞擴大洞室位于主洞樁號33+380～33 +420處，全長40m，斷面為城門洞型，根據水力計算，為滿足大峪分洞的壓力水頭及上游水面線平順連接且影響最小，確定成洞洞徑為4.5×4.5m。樁號33+405處設迷宮堰壅高水位。迷宮堰設一組，沿整個過流斷面布置，頂點內側寬0.8m，頂點外側寬1.495m，長7.515m，堰厚0.4m。樁號32+280～33+380為堰影響范圍，為保證明流過流，斷面設計為由3.2×3.4m漸變到4.5×4.5m。同樣為減小水頭損失迷宮堰下游樁號33+420～33 +430處為斷面4.5×4.5m到2.4×2.8m的漸變段。

迷宮堰引水洞寬4.5m，堰高2.26m，堰體轉折角8°，在最大溢流量7.75m3/s時，堰上水頭為0.57m，此時堰上游計算水深為2.83m，而主洞標準斷面正常過流水深為2.57m，因此堰前向洞上游方向涌水，需在迷宮堰上游洞段設置擴大洞室。

大峪分洞設計輸水流量為Q=5m3/s，校核輸水流量為Q=6.55m3/s，糙率為0.014，大峪分水擴大洞室布置示于圖1。

1.3 北臺分洞

樁號33+402～38+172段由于大峪分洞分走一部分水量，斷面減小，成洞洞徑為2.4×2.8m，隧洞底坡為1/1250。

2 水工模型試驗

2.1 試驗要求

（1）通過水工模型試驗確定迷宮堰堰頂高程為185.76m時的堰上水頭和大峪分洞隧洞出口斷面的壓力線高程，需滿足的條件是大峪分水后的主洞流量為Q=7.75m3/s，大峪分洞的過流量為Q= 6.55m3/s。

（2）通過試驗測定大峪分洞擴大段的凈高；

（3）測定相應的主隧洞和大峪分洞各斷面的水深與壓強；

（4）觀察大峪分洞擴大段的水流流態。

圖1 大峪分水擴大洞室布置圖

2.2 模型設計與制作

2.2.1相似準則與模型比尺

模型制作范圍:主隧洞約從33+372至33+ 432，長70m；大峪分洞包括擴大段及其下游10m。

模型設計遵循重力相似準則，采用正態模型，模型試驗的長度比尺為。各水力參數的相似比尺均列于表1。

表1 重力相似條件下的各水力參數相似比尺

2.2.2水工結構模型制作

為使模型試驗能夠較真實地反映原型的水流情況，在選擇水工結構模型材料時必須近似顧及模型材料的糙率要求。雖不必使模型材料的糙率嚴格滿足相似要求，但也不能差異過大，否則會影響試驗結果的精度。根據重力相似要求，原型泄水建筑物的糙率，模型泄水建筑物的糙率應為0.0095。

有機玻璃材料的糙率一般為0.008，所以模型中泄水建筑物材料選用的是有機玻璃，略小于0.0095。

2.2.3試驗測試手段

供水系統設施:水工模型試驗供水系統設施，包括蓄水池、動力泵、平水塔、配水管和回水槽等。

試驗量測儀器:水位與水面線量測儀器:采用水位測針及水位跟蹤儀，用于測定恒定流水位。

壓力（壓強）量測儀器:采用中交天津港研院有限公司研制的智能監測系統及中國水科院研制的D J 800多功能監測系統及壓力傳感器，用于測定恒定流時均壓力。

流速量測儀器:采用中國水科院研制的壓差測量儀聯合畢托管以及南京水科院研制便攜式流速儀測量。

流量量測儀器:采用矩形量水堰，用于測定恒定流流量，量水堰堰型滿足量程和精度要求。矩形量水堰的流量計算公式為:

式中B為量水堰寬度，H為堰上水頭，m為流量系數，按公式計算:

式中B0為引水渠寬，P為堰頂高程與上游堰底高程之差。

2.2.4大峪分洞模型出口的控制水位

因為大峪分洞模型在擴大段后只包括10m長的壓力洞，因此分洞隧洞出口斷面的壓力線高程▽02需由模型出口（截斷位置）的水位推算確定，如圖2所示:

圖2 大峪分洞模型出口的控制水位

已給定壓力洞進口底板高程180.2m，壓力洞長3882m，底坡i=1/2667，壓力洞出口底高程為178.717m，頂高程為181.517m。已知洞身的糙率系數n=0.014、d=2.8m，則謝才系數為67.31。壓力洞的阻力系數λ為0.0173，從模型出口到整個有壓洞出口的沿程損失hf為1.406m，略去局部水頭損失，則由模型出口水位▽01-1.406m，即可得隧洞出口斷面的壓力線高程▽02（分洞的流量為6.55m3/s）。

2.2.5模型主洞出口處的控制水位

模型主洞只做到33+430m處，在原型中該斷面下接寬2.40m底坡1/1250的矩形明渠（緩坡渠道）。經計算知，該明渠（n=0.014）與 Q= 7.75m3/s相應的均勻流水深，即h0=1.95m。在實際流動中，33+430m斷面處的水深應為后接明渠的均勻流水深，即h=1.95m。若h＞1.95m，則在后接渠道中將形成a1型壅水曲線，這是不合理的；若在33+430m處h＜1.95m，則在后接渠道中將形成b1型降水曲線，因渠道很長，所以也是不可能的。

2.3 試驗結果

2.3.1迷宮堰的綜合流量系數

由實測數據可見，當堰頂高程為185.76m、主洞分流后的流量保持7.75m3/s時，雖分洞中的過流量Q2稍有變化，1#測點的水位變化不大，其值為186.125m（斷面水深2.62m），據此，可推算輸水頭部的運行參數。μ1不僅和▽1有關，還和分流比Q1/Q2和（p值為堰高）值有關，一般而言，迷宮堰的流量系數是隨的增大而降低的。因此μ1在一定范圍內變化。

μ2值主要決定于分流隧洞中的水頭損失。▽1和分洞的工作水頭有一定差異，但影響不大，所以μ2值變化很小。當堰頂高程為185.76m，主洞分流后的流量Q1=7.75m3/s，分洞流量Q2=6.55m3/s時，分洞出口斷面的壓力線標高為184.595m。

2.3.2堰頂高程185.76m、Q 1=7.75m3/s時的水面線

堰頂高程185.76m，Q 1=7.75m3/s時，分別測定了Q 2=6.55m3/s、4.02m3/s和2.79m3/s三種不同分流比時的水面線，當維持Q 1=7.75m3/s不變時，稍有變化，主洞中的水面變化都在量測誤差范圍之內。

2.3.3迷宮堰上、下游及擴大洞室中的流態

第一種情況:Q1=7.75m3/s、Q2=6.55m3/s時，迷宮堰上、下游及擴大洞室中的流態。第二種情況:Q1=7.75m3/s、Q2=4.02m3/s、時，迷宮堰上、下游及擴大洞室中的流態。第三種情況:Q1= 7.75m3/s、Q2=2.79m3/s、時，迷宮堰上、下游及擴大洞室中的流態。

在所試驗的三種工況下，迷宮堰都沒有出現淹沒流態。

2.3.4兩種極端工況下的泄流能力

第一種極端工況:分流后下游主洞不過流。主洞迷宮堰前的水位低于堰頂，分流后主洞不過流，僅大峪分洞過流（保持壓力流態）。這時實測泄流量與主洞1#、2#、3#、4#測點的水深及大峪分洞進口的水面高程，進口下游10m處的水面高程，由此推算得到的大峪分洞處的壓力線高程。

假如分洞進口前水位方程等于迷宮堰堰頂高程（185.76m），分洞后的鋼管出口高程為120.0m（鋼管長2770.8m，直徑2.2m），那么分洞的過流能力約為26m3/s，所以分洞的最大過流能力限制于迷宮堰堰頂高程及上游過流能力，其值為14.15m3/s。但在這種極端工況下擴大段中有水躍發生。

第二種極端工況:分洞不過流時主洞最大過流能力。主洞最大過流能力受制于分流下游的主洞過流斷面。假如取下游的均勻流水深為2.2m，則過流能力為9.03m3/s。當通過9.03m3/s的流量時，迷宮堰并未淹沒。

3 結論

通過試驗確定，當1#測點處（原型樁號33+ 373）的水面標高為 186.125m，迷宮堰堰頂高程185.76m，大峪分洞出口水位為184.595m時，主洞在分流后的過流量為Q=7.75m3/s，分洞過流量為Q=6.55m3/s。引水頭部的運行方式須滿足兩個條件:Q=14.30m3/s，主洞樁號33+373斷面的水深為2.62m。

在所要求的運行工況下，主洞（包括堰體段）和分洞（包括擴大段）的流態均良好，但在充水時，擴大段中會出現非恒定的水躍，當擴大段后接的有壓洞進口淹沒后水躍即消失不影響運行。

試驗表明，所試驗的方案流態良好，能滿足設計要求。如適當調節控制裝置可獲得不同的分流比。

［1］SL 319-2005.《混凝土重力壩設計規范》［S］.中國水利水電出版社，2005.

［2］武漢水利電力學院水力學教研室，水力計算手冊［M］.水利出版社，1980（12）.

［3］SL 71-2013.《水利水電工程鋼閘門設計規范》［S］.中國水利水電出版社，2013.

［4］夏毓常.水力計算論文集［C］.中國水利水電出版社，1997（10）.

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：1672-2469（2015）03-0086-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.03.030

作者簡價:唐 星（1980年—），男，工程師。