迷宮堰在龍泉寺水庫除險加固中的應用

陳順國

（中國農業大學石羊河實驗站，甘肅 武威 733000）

1 工程概況

龍泉寺水庫位于古浪縣城西南角的龍泉寺，興建于1975 年，是一座以城鎮防洪為主，兼顧農村人飲供水、農田灌溉的Ⅴ等小(2)型水庫，總庫容21.85萬m3，設計灌溉面積9102 畝。庫區地形較高且在河道上游，壩下游為大片密集的居民區，猶如群眾頭上的“一盆水”，位置十分險要；同時水庫雖小，但每年的秋冬季蓄水，在緩解受益區次年春灌的卡脖子旱矛盾中發揮著巨大的作用，效益十分顯著。然而大壩實際防洪能力不滿足國家《防洪標準》GB50201-94 的規定等原因，2007 年5 月被鑒定為三類壩。

為解決現狀水庫防洪能力不足的問題，首先通過清理疏通已淤塞而不能泄洪的右側輸水泄洪洞，使現狀水庫已有泄洪通道正常運行，在此基礎上，以現狀副壩（均質土壩）壩頂高程2106.5m 作壩前水位控制條件，通過對四個增加水庫泄洪能力的方案技術經濟比選。迷宮堰溢洪道過流能力強、堰前寬度小、結構相對簡單，能較好地解決本工程受地形條件和洪水超高庫容限制的難題，同時工程造價低，技術要求不高，運行安全可靠。綜合對水庫運行安全影響、對水庫蓄水的影響、工程施工、運行管理、外觀影響，確定在維持現狀水庫主拱壩、輸水泄洪洞結構不變的基礎上，將現狀折線型堰溢流拱壩改造為WES 標準堰面，并新建迷宮堰溢洪道宣泄的泄洪方案。

2 迷宮堰水力設計

根據龍泉寺水庫地形條件，參照已建工程中迷宮堰設計參數，將新建溢洪道進口設置為2 宮迷宮堰，進口直線總寬度W=16.5m，迷宮堰折線展開總長度L=48.05m，單宮寬度w=8.73m，側堰墻邊長b=9.71m，宮頭寬a=1.8m，堰高P=3m，堰上總水頭H=1.2m（略去行近流速水頭）,單宮展開長度c=24.12m，總的展寬比L/W=48.05/16.5=2.91，寬高比W/P=16.5/3=5.5，側墻與主流向的夾角為11°59′48.9″。宮頭為1/4 圓弧形[1]。

迷宮堰是一種新堰型，它的許多特性還沒有完整的一套理論體系，為慎重起見，采用多種方法進行水力計算：

2.1 迷宮堰自由流的戴維斯法：

式中：

QL——迷宮堰泄流量，m3/s；

mw——流量系數，附圖1-3 戴維斯法迷宮堰流量系數曲線圖查得mw=9.35；

W——迷宮堰總寬，取W=19m；

H——堰頂靜水頭，校核水位時，H=1.3m。

公式適用條件是(H/p)mxa=0.5，α=0.75αmax(αmax系按三角形布置的側墻與來流方向的夾角)，L/W=3～8，(w/p)min=2。

龍泉寺水庫中，取堰頂高程與溢流拱壩齊平為2104.9m，堰底高程2101.9m，略低于迷宮堰前淤積面2102.5m，堰高p=3m，單宮寬度w=9m，側堰墻長10m，單宮長度L1=23.24m，(H/p)mxa=0.4，α=0.75αmax=0.75arcSin(w/b)=18°6′38.9″，設計α=18°15′24″，L/W=46.48/19=2.45，(w/p)min=3，與公式適用條件基本接近。

由上式計算的校核洪水位2106.2m 時迷宮堰泄洪量：

2.2 迷宮堰自由流的馬加爾哈斯法：

式中字母意義同前，流量系數mw由附圖1-4 馬加爾哈斯法迷宮堰流量系數曲線圖查得mw=1.065。

公式的適用條件為迷宮堰在平面上為梯形，上、下游底板齊平，堰頂形狀為1/4 圓弧，1≤L1/w≤8，0.2＜H/P≤0.6，α/αmax=0.8，w/p＞2

設計迷宮堰在平面上為梯形，上、下游底板齊平，堰頂形狀為1/4 圓弧，L1/w=22/9=2.44，(H/p)mxa=0.4，α/αmax=0.76，w/p=3，與公式適用條件基本接近。

由上式計算的校核洪水位2106.2m 時迷宮堰泄洪量：

2.3 山東省水利科學研究所方法：

為了進一步探明迷宮堰的水力特性，驗證現有成果并擴大其適用范圍，我國山東水利科學研究所從1987 年開始系統地對迷宮堰的泄流特性進行了研究，獲得了計及行近流速水頭影響的mw0=f(H0/p，L/w，w/p)的關系曲線，并給出曲線圖的適用條件是：堰頂形狀為半圓或大小1/4 圓弧形，堰頂厚度為0.08p，2a≤0.15w，L/W=2～8，w/p=1～4，H0/p=0.10～1，水舌下面通氣。

設計中堰頂形狀取1/4 圓弧形，堰頂厚度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，水舌下可設置通氣孔，與公式適用條件基本接近。

由附圖1-7 曲線圖查得mw=0.915，則不考慮行近流速水頭的校核洪水位2106.2m 時迷宮堰泄洪量：

2.4 林培利爾方法：

2000 年法國人林培利爾撰文介紹迷宮堰時指出：對于標準堰，最大自由泄流能力可用下式估算：

最優經濟指標為：β=2～4，H/p=0.45～0.70。

式中字母意義同前，β=2.45，p=3，則校核洪水位2106.2m 時迷宮堰最大泄洪量：

湖南省水利水電勘測設計研究總院教授級高工艾克明認為，上式可改寫為：

式中，當H/p=0.45 時，μ=2.53，當H/p=0.70 時，μ=2.04。

設計迷宮堰H/p=0.43，參照上述變化趨勢，取μ=2.57，則校核洪水位2106.2m 時迷宮堰最大泄洪量：

從以上計算結果看，雖然各公式適用條件不完全相同，但基本接近，在自由出流條件下，通過迷宮堰的流量在113.29m3/s～144.82m3/s 之間。根據國內外的經驗，經濟上較優的迷宮堰的各部分幾何尺寸的選擇范圍為：H/p=0.40～0.70，L/W=2～5，w/p=1～3，設計迷宮堰的H/p=0.43，L/W=2.45，w/p=3，各項參數均在上述范圍之內，說明設計參數取值較經濟合理。同時，設計認為山東省水利科學研究所的方法較為系統全面，在相同條件下計算結果較小，相對安全。設計溢洪道在過迷宮堰后接明槽陡坡，由水力計算知為自由出流[2-3]。

3 迷宮堰結構設計

3.1 基本情況

迷宮堰設2宮，進口直線總寬度W=19m，迷宮堰折線展開總長度L=46.48m，單宮寬度w=9m，側堰墻邊長b=10m，宮頭寬a=1.72m，堰高P=3m，堰上總水頭H=1.2m（略去行近流速水頭）,單宮展開長度c=23.24m，側墻與主流向的夾角為18°15′24″。宮頭為1/4圓弧形。工程區氣候寒冷，按運行環境及耐久性要求，采用現澆鋼筋砼結構，砼強度等級C25，抗滲等級W6，抗凍等級F200。堰底板前后均設置齒墻，考慮運行中清淤等影響，齒墻深度取1.5m，底板厚1.0m，邊墻厚1.0m，堰墻厚0.5m。

迷宮堰左側墻頂高程2106.30m，墻基高程2099.45m，墻基深入底板底面以下基巖1.5m，以延長滲徑，防止迷宮堰底板下滲流破壞。底板頂面以上墻高4.40m，考慮到側墻承受較大的土壓力，墻厚取1.0m。迷宮堰擋水側墻高3.0m，墻頂高程2104.90m，與正常高水位齊平[4-5]。

側墻背為坡積碎石土層，類比確定其內摩擦角30°，粘聚力0，容重19kN/m3。迷宮堰下伏基巖為奧陶系下統南泥溝組灰綠色中厚層狀變質砂巖夾片巖，參照《工程巖體分級標準》（GB50218-94）C.0.1巖體物理力學參數，按Ⅲ級巖體，重力密度26.5～24.5kN/m3，內摩擦角50°～39°，粘聚力1.5～0.7MPa，計算時取重力密度25kN/m3，內摩擦角40°，粘聚力0.7MPa，地基承載力取500kPa（《公路橋涵地基與基礎設計規范》JTJ024-85表2.1.2-7碎石狀極軟巖容許承載力400～800kPa）。工程區地震基本烈度9度，抗震設防烈度9度。

3.2 設計荷載及內力組合分析

針對迷宮堰底板受力，按以下幾種方法進行分析：

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)按梁和地基剛度分別計算的有限元法作底板受力分析。

側墻與底板交界面：Mmax=1.2×74.77=89.72kN·m，Qmax=1.2×110=132kN。

宮墻與底板交界面：Mmax=1.2×302.51=363kN·m，Qmax=1.2×134.61=161.53kN。

底板按5 跨連續梁配筋，Mmax=1.2×387.96=465.55kN·m，Qmax=1.2×25.16=30.19kN。

4 結語

本文結合龍泉寺水庫迷宮堰的工程實例，對迷宮堰泄流能力、結構設計進行了研究，對迷宮堰投入運行的效益進行總結，得出了以下結論：

1.迷宮堰的優點在于既可以擋水，又可以泄水，釆用迷宮堰方案，在提高興利水位的同時，又能滿足泄流要求，非常適用于中小型水庫改建和擴建工程，值得推廣應用。

2.迷宮堰和其它泄水建筑物比較，具有過流能力強、堰前寬度小、結構相對簡單，技術要求低，運行安全可靠，便于管理等特點，可廣泛應用于樞紐布置受限制、泄洪前沿不足、無閘控制的中低水頭溢洪道中。迷宮堰的泄流能力遠大于相同水頭下寬頂堰和實用堰的泄流能力，這一特點在低水頭下的優勢表現得更為突出。

3.溢洪道采用迷宮堰結構型式，工程造價低，且工程效益顯著。