迷宮堰的特點及優越性

武 劍 孫森林 邵繼梅

迷宮堰亦稱“折線型堰”是堰頂平面形狀為鋸齒形的一種特殊堰型，它的溢流前沿寬度比直線形堰長幾倍,在較低水頭時具有較大的過流能力,加上它的經濟、高效、方便布置和便于管理等特點，非常適合于泄水寬度受限，但又需提高泄流能力的泄水建筑物中。迷宮堰在我國水利工程中應用較晚，但國內在水庫溢洪道改造中應用迷宮堰，積累了很多經驗，取得了巨大的效益。

1. 迷宮堰的特點

迷宮堰平面上是由一串首尾相接的三角形、梯形或矩形等幾何結構組成，堰頂軸線呈折線，狀如鋸齒。在堰頂軸線特征上，迷宮堰有明顯區別，迷宮堰用連續折線代替傳統的直線布置形式，具有了數倍于直線的泄水前沿。依據單宮形狀的不同，迷宮堰在平面上分為三角形和梯形的布設。水力特性表現最優秀的是三角形布設，缺點是溢流水舌之間的干擾程度過高。因此，為了便于工程施工施工，一般采用接近三角形的梯形進行工程布設。迷宮堰還可以設置調整段，進行一級縮窄，也可布置成二級縮窄，此時應驗算堰后最小堰高是否滿足自由出流。

迷宮堰水流是三元流，既有正堰水流，又有側堰水流。水流經過堰頂后，會集中下泄，相互撞擊的三股水流使得迷宮堰的水力特性比直線堰更為復雜。普通的泄流函數很難解析計算，實際應用中多用因次分析法與試驗相結合的一元流的分析方法，并以計算機輔助求解。

依據能量守恒定律和緩變流的連續性原理可知。水流從引渠進入上游宮室時，過水斷面突然收縮從而引起水面下降，鄰近兩側堰時，水位又上升，總的趨勢是上游水面線先降后升，下游則先升后降，致使堰前水頭小于引渠的工作水頭。自引渠經宮室到溢流，堰頂平均水面線越來越接近庫水位時，其泄流能力增大，迷宮堰的性能更好。

在堰頂水頭增加情況下，溢洪道會依次出現4種基本流態：完全摻氣、部分摻氣、過渡和抑制。完全摻氣時，溢迷宮堰的泄流能力不受溢流水舌的厚度和尾水深度影響。在溢流水舌開始干擾的部分摻氣情況下，溢流水頭加大，尾水升高，過度狀態開始，堰頂各部位的水舌受到抑制，致使水舌不穩定。當水流變為處于受抑制狀態時，堰頂形成實心的非摻氣水舌。迷宮堰在低水頭情況下，水舌貼壁不能穩定摻氣，水舌下方正負壓交替，造成水舌振蕩和噪聲。堰頂出現負壓雖增加泄流量，但易引起因水舌振蕩而誘發共振，故在實際工程中應設法避免。

2. 迷宮堰的優越性

因為各種原因經常適用于中小型水庫工程的泄水建筑物常選取寬淺的河岸溢洪道，采用寬頂堰和實用堰作為控制堰。此種溢洪道建筑結構簡單，后期維護不需要人力從而維護費用低，但其泄流能力過低。閘門控制的溢洪道能提高正常水位降低大壩高度，泄流能力較高，但是其建筑造價過高，后期管理相對要求比較高，維護難度也較大，不能夠適用于小型水庫。而迷宮堰中和了兩者的優點，具有建筑造價低、過流能力強,而且運行維護與無閘溢洪道一樣具有結構簡單、無人值守、管理要求較低的特點，因此,小型水庫溢洪道改建首選迷宮堰。

為了使結構設計和施工方便，最常用的是對稱薄壁梯形迷宮堰。和傳統的直線堰相比，迷宮堰的泄流前沿要長數倍甚至十幾倍。低水頭情況下，泄流能力和溢流前沿的長度成正比。因此相同的堰頂水頭情況下，迷宮堰的泄流能力比直線堰也要強數倍甚至十幾倍。很多水利樞紐建筑其泄流前沿受限、還有一些丘陵山區河道和灌溉渠系、水庫溢洪道無閘門控制，這些水利建筑修建迷宮堰在泄量相同時，可以減小溢流水頭，從而通過抬高堰頂高程增加興利庫容，使水資源得到充分利用；在溢流水頭不變的情況下，迷宮堰可以很大的增加泄量。迷宮堰在不增加泄水建筑所占河道寬度的情況下，其泄流能力數倍于直線堰，是其最主要特點。無論對于改建和新建的工程，在滿足同一前提條件下，用迷宮堰比用其他堰型更為經濟，如在水庫溢洪道使用迷宮堰，工程投資只有建閘的1/4～1/2，且便于維修和管理。

3. 結語

目前，國內中小型老水庫擴容改造中，普遍存在如何在太高堰頂高程的情況下，減小溢流水頭的問題，增加泄洪量的問題，在一些新建的溢洪道中，也存在著寬度受地形約束和洪水超高庫容受限的情況，迷宮堰都能較好地解決這些難題。水利建設資金緊缺，用迷宮堰改造水庫溢洪道可增加泄流能力，或增加興利庫容，投資省，便于管理，優點較多，因此，迷宮堰確是經濟實用的堰型。

應該看到迷宮堰相較于其它傳統堰型所具有諸多優點，一旦在迷宮堰的基礎理論研究、設計施工等方面進一步完善，那么迷宮堰將會更廣泛應用于工程實際中。