唐 星（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽 110006）

迷宮堰在輸水工程中的應(yīng)用

唐 星
（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)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(gè)分支供水，其中一個(gè)分支為有壓重力流，另外一個(gè)分支為無壓重力流，在主隧洞內(nèi)設(shè)置迷宮堰向下游無壓隧洞內(nèi)溢流，在迷宮堰之前設(shè)置分水壓力隧洞向一個(gè)分支供水。本文通過理論計(jì)算和模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，迷宮堰作為分水堰在輸水工程中應(yīng)用是可行的。

迷宮堰；輸水工程；流量系數(shù)

迷宮堰是一種較新的堰型，這種堰前沿比傳統(tǒng)的直線堰增長(zhǎng)數(shù)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(yīng)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(duì)迷宮堰具有實(shí)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(zhǎng)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(tái)分洞。

1.1 主隧洞

主隧洞段位于樁號(hào)7+971～33+402處，全長(zhǎng)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(jù)確定的輸水規(guī)模，主隧洞的設(shè)計(jì)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(hào)D Y 0+000～D Y 3+882處，全長(zhǎng)3882m。與主隧洞樁號(hào)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(kuò)大洞室位于主洞樁號(hào)33+380～33 +420處，全長(zhǎng)40m，斷面為城門洞型，根據(jù)水力計(jì)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(hào)33+405處設(shè)迷宮堰壅高水位。迷宮堰設(shè)一組，沿整個(gè)過流斷面布置，頂點(diǎn)內(nèi)側(cè)寬0.8m，頂點(diǎn)外側(cè)寬1.495m，長(zhǎng)7.515m，堰厚0.4m。樁號(hào)32+280～33+380為堰影響范圍，為保證明流過流，斷面設(shè)計(jì)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(hào)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(zhuǎn)折角8°，在最大溢流量7.75m3/s時(shí)，堰上水頭為0.57m，此時(shí)堰上游計(jì)算水深為2.83m，而主洞標(biāo)準(zhǔn)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(shè)置擴(kuò)大洞室。

大峪分洞設(shè)計(jì)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?dāng)U大洞室布置示于圖1。

1.3 北臺(tái)分洞

樁號(hào)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(yàn)

2.1 試驗(yàn)要求

（1）通過水工模型試驗(yàn)確定迷宮堰堰頂高程為185.76m時(shí)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(yàn)測(cè)定大峪分洞擴(kuò)大段的凈高；

（3）測(cè)定相應(yīng)的主隧洞和大峪分洞各斷面的水深與壓強(qiáng)；

（4）觀察大峪分洞擴(kuò)大段的水流流態(tài)。

圖1 大峪分水?dāng)U大洞室布置圖

2.2 模型設(shè)計(jì)與制作

2.2.1相似準(zhǔn)則與模型比尺

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

模型設(shè)計(jì)遵循重力相似準(zhǔn)則，采用正態(tài)模型，模型試驗(yàn)的長(zhǎng)度比尺為。各水力參數(shù)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(shù)相似比尺

2.2.2水工結(jié)構(gòu)模型制作

為使模型試驗(yàn)?zāi)軌蜉^真實(shí)地反映原型的水流情況，在選擇水工結(jié)構(gòu)模型材料時(shí)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(yán)格滿足相似要求，但也不能差異過大，否則會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果的精度。根據(jù)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(yīng)為0.0095。

有機(jī)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(jī)玻璃，略小于0.0095。

2.2.3試驗(yàn)測(cè)試手段

供水系統(tǒng)設(shè)施:水工模型試驗(yàn)供水系統(tǒng)設(shè)施，包括蓄水池、動(dòng)力泵、平水塔、配水管和回水槽等。

試驗(yàn)量測(cè)儀器:水位與水面線量測(cè)儀器:采用水位測(cè)針及水位跟蹤儀，用于測(cè)定恒定流水位。

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

流速量測(cè)儀器:采用中國水科院研制的壓差測(cè)量?jī)x聯(lián)合畢托管以及南京水科院研制便攜式流速儀測(cè)量。

流量量測(cè)儀器:采用矩形量水堰，用于測(cè)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(jì)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(shù)，按公式計(jì)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?yàn)榇笥侄茨Ｐ驮跀U(kuò)大段后只包括10m長(zhǎng)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?cái)辔恢茫┑乃煌扑愦_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(jìn)口底板高程180.2m，壓力洞長(zhǎng)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(shù)n=0.014、d=2.8m，則謝才系數(shù)為67.31。壓力洞的阻力系數(shù)λ為0.0173，從模型出口到整個(gè)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(jīng)計(jì)算知，該明渠（n=0.014）與 Q= 7.75m3/s相應(yīng)的均勻流水深，即h0=1.95m。在實(shí)際流動(dòng)中，33+430m斷面處的水深應(yīng)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(zhǎng)，所以也是不可能的。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1迷宮堰的綜合流量系數(shù)

由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可見，當(dāng)堰頂高程為185.76m、主洞分流后的流量保持7.75m3/s時(shí)，雖分洞中的過流量Q2稍有變化，1#測(cè)點(diǎn)的水位變化不大，其值為186.125m（斷面水深2.62m），據(jù)此，可推算輸水頭部的運(yùn)行參數(shù)。μ1不僅和▽1有關(guān)，還和分流比Q1/Q2和（p值為堰高）值有關(guān)，一般而言，迷宮堰的流量系數(shù)是隨的增大而降低的。因此μ1在一定范圍內(nèi)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(dāng)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(shí)，分洞出口斷面的壓力線標(biāo)高為184.595m。

2.3.2堰頂高程185.76m、Q 1=7.75m3/s時(shí)的水面線

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

2.3.3迷宮堰上、下游及擴(kuò)大洞室中的流態(tài)

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

在所試驗(yàn)的三種工況下，迷宮堰都沒有出現(xiàn)淹沒流態(tài)。

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(tài)）。這時(shí)實(shí)測(cè)泄流量與主洞1#、2#、3#、4#測(cè)點(diǎn)的水深及大峪分洞進(jìn)口的水面高程，進(jìn)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(jìn)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(zhǎng)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(kuò)大段中有水躍發(fā)生。

第二種極端工況:分洞不過流時(shí)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(dāng)通過9.03m3/s的流量時(shí)，迷宮堰并未淹沒。

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)確定，當(dāng)1#測(cè)點(diǎn)處（原型樁號(hào)33+ 373）的水面標(biāo)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(shí)，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(yùn)行方式須滿足兩個(gè)條件:Q=14.30m3/s，主洞樁號(hào)33+373斷面的水深為2.62m。

在所要求的運(yùn)行工況下，主洞（包括堰體段）和分洞（包括擴(kuò)大段）的流態(tài)均良好，但在充水時(shí)，擴(kuò)大段中會(huì)出現(xiàn)非恒定的水躍，當(dāng)擴(kuò)大段后接的有壓洞進(jìn)口淹沒后水躍即消失不影響運(yùn)行。

試驗(yàn)表明，所試驗(yàn)的方案流態(tài)良好，能滿足設(shè)計(jì)要求。如適當(dāng)調(diào)節(jié)控制裝置可獲得不同的分流比。

［1］SL 319-2005.《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》［S］.中國水利水電出版社，2005.

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

［3］SL 71-2013.《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》［S］.中國水利水電出版社，2013.

［4］夏毓常.水力計(jì)算論文集［C］.中國水利水電出版社，1997（10）.

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作者簡(jiǎn)價(jià):唐 星（1980年—），男，工程師。