迷宫堰研究综述

迷宫堰研究综述

刘伟

吉林大学建设工程学院地下工程系长春130026

1问题的提出

目前，国内中小型老水库扩容改造中，普遍存在着如何在抬高堰顶高程的情况下，减小溢流水头，增加泄洪流量的问题，在一些新建的溢洪道中，也存在着宽度受地形约束和洪水超高库容受限等情况，而迷宫堰都能很好地解决这些难题，所以迷宫堰是工程界值得重视并推广应用的良好堰型。理论上研究迷宫堰的水流流态、过流能力、过流效率等基本水力特性，搞清其内在规律，将有助于迷宫堰的选型、平面布置以及水力、结构设计，为迷宫堰的实际推广应用提供必要的理论基础。因此，深入研究迷宫堰是十分必要和有价值的。

2堰的分类

根据堰顶对过堰水流的影响情况，堰一般可分为薄壁堰、实用堰和宽顶堰。顶宽在0～0.67H范围的堰统称为薄壁堰。薄壁堰水流不受堰顶边界影响的特点使其成为重要的量水设备。一般规定顶宽δ大于0．67H，小于2．5H范围的堰都称为实用堰，其中包括非标准堰和标准堰，标准堰是应用最广的堰型，其特点是定型水头溢流时堰面压力分布均匀。顶宽δ在(2．5～10)H范围的堰，称为宽顶堰，习惯上还把桥、涵、闸等的过流也当作宽顶堰来处理，其范围是相当广泛的。

如果按堰顶平面上的几何形状来分类，堰又可分为直线正堰、直线斜堰、侧堰、折线堰和环形堰等。直线正堰一般可按二元问题来处理。直线正堰以外的其它堰型除受竖向的几何和水力条件的影响外，还与平面上的布置有关。

根据堰项轴线的折线形状不同，迷宫堰可分为矩形迷宫堰、三角形迷宫堰以及梯形迷宫堰。一般来说，矩形迷宫堰应用的较少，三角形迷宫堰的水力特性最优，但为了使结构设计和施工方便，最常用的是梯形迷宫堰，其中包括对称布置以及非对称布置形式。

3迷宫堰的应用与研究进展

1910年建于美国的东帕克(EASTPARK)工程，可能是有文献记录的最早迷宫堰之一，其泄流量为283m^3／s。对迷宫堰水力特性的研究始于二十世纪四十年代，到七十年代初，在迷宫堰水力特性研究方面已经有了很大的突破，海依(NessimHay)、泰勒(GeoffreyTaylor)和戴维斯(LouisA.Davas)等人在总结迷宫堰试验研究成果的基础上，相继提出了一些可行的水力设计方法。之后，美国、葡萄牙、西班牙、法国等国家的水力试验室对迷宫堰的水力运行情况及过流能力测定等方面做大量的研究。在七十年代末以后，在美国、英国、葡萄牙及阿尔及利亚等国家陆续建成了不少迷宫堰形式的水工建筑物。

1984年，河海大学的郭子中教授在《砌石坝技术》第三期杂志上发表了《迷宫堰的水力特性及其设计》一文，首次将迷宫堰这种新堰型引入国内。同年，张志军、何建京二人在两条宽度分别为300mm和800mm的玻璃水槽中对18种不同参数组合的迷宫堰模型进行了近200个组次的过水试验，并在次年的全国中小型工程水力学学术讨论会上发表了研究成果，引起国内水利界人士的极大关注。1986年3月，在我国安徽省广德县管家坝(红卫坝)改建工程中，在张志军、何建京研究成果的基础上，首次采用了迷宫堰。

在1985年瑞士洛桑召开的国际大坝会议上，与会专家特别对迷宫堰的优越性加以肯定，并建议推广应用。

4迷宫堰的研究意义

4.1现实意义

我国存在大量病险水库，其中大型病险水库145座，中型118座，小型29150座，分别占各类水库总数的42％、42％和36％；从溃坝原因看，147座是因发生超标准洪水导致水库漫坝失事，占63％，71座是因工程质量差，抢险不当造成的垮坝失事，占30％；其它是由管理不到位，措施不得力造成的，而从垮坝水库的规模看，小型水库233座，占99％，中型水库2座。在20世纪50～80年代，全国各地发生过数次洪水，垮坝也多为漫坝导致。以上统计表明，当前水库泄洪能力不足是水库垮坝的主要原因，中小型水库又是水库安全度汛工作的最薄弱环节。

在经过“1991江淮洪水”、“1996海河洪水”、“1998三江洪水”和“2003淮河洪水”后，我国对防洪工作进行了战略性的调整，在管理方面开始运用系统论理论和风险管理方法，从洪水控制向洪水管理转交，有计划的启用蓄滞洪区把分洪损失减小到最少，确保无人员伤亡。一般情况下采用分洪闸可以精确调节分洪流量，实施有计划的分洪，但在洪水危急时，其可靠性不易得到保证，电力中断、机械故障、漂浮物堵塞、误操作等原因有时会给分洪带来麻烦。在危急情况下，采用炸坝分洪的应急措施，由于存在流量不易控制、分洪区水位上涨迅猛、汛后修复费用高等弱点使炸坝分洪实属无奈之举。为保证水库和蓄滞洪区的安全，提高包括洪水资源在内的水资源利用效率，对现有溢洪道和分洪建筑物的改造是十分必要的。

而迷宫堰这种堰型恰恰弥补了这方面的不足，迷宫堰的每一个迷宫都相当于一个短正堰和双侧堰的泄洪型式，修建迷宫堰，在溢流水头不变时，其泄量可比普通直线堰增大数倍，而在流量变幅较大时，堰顶水头变幅较小，而在泄量相同时，可减小溢流水头，这样就可抬高堰顶高程，从而增大兴利库容，更充分利用水资源。无论是泄洪前沿有限的水利枢纽，还是泄洪前沿不受限制的平原水库，无论是已建还是改建工程采用迷宫堰作为溢洪道的泄流形式，因地制宜的使用它都能提高经济效益。

4.2理论意义

国内外学者多研究堰断面外形及堰坎在平面上的相对位置对泄流系数的影响，但很少有人研究堰轴线布置成非直线对溢流能力和溢流效率的影响。我国目前使用的堰型多为一字型直线正堰，其泄流系数都比较小，因此，常常需要加大溢流前缘宽度，或用降低堰顶高程来加大溢流能力，这样势必增加总造价。我国虽有少数应用迷宫堰，但计算方法还不很完善，研究成果未形成系统。

迷宫堰过堰水流属正流与侧流的混合流，为三元水流，侧堰后槽内的流动属变量流，水流过侧堰后，转90。角往下游流动，槽内水流扰动较大，流态甚为复杂。因此迷宫堰的水力特性比较复杂，经过前人大量的试验和总结，已经有大量卓有成效的研究成果。由于研究方法的差别，选取参数的不同，所得成果也颇有出入，对于系统的研究还远远不够，为了更好的指导实践，完善迷宫堰的设计理论，做进一步更深入、系统的试验研究，是非常有意义而且必要的。

5研究方法

近些年来，随着计算机性能的不断提升和计算流体动力学的快速发展，使得数值模拟方法可以部分或全部的应用于水力问题的研究中，这不仅为工程提供了水流流动的完整信息，而且还较大程度的解放了人力，节省了财力和时间。数值模拟正成为解决水利工程问题的重要手段。

数值模拟方法的特点是，比模型试验花费的费用少，可以得到更多的流场信息；此外，若数值模拟的数学提法(控制方程、边界条件、数值算法等)正确，则可在较短的时间内，获得较广泛流动参数(如雷诺数，空化数等)的流场信息，不受试验中固有约束条件的影响。因此随着计算流体力学和计算机科学的迅速发展，数值模拟在科学技术研究中将具有更大的优势和发展空间。

鉴于数值模拟拥有的诸多优点，使其在流体动力学研究中以及整个科学技术进步中都起着至关重要的作用。

6参考文献：

[1]杨晓莹.观音阁引水工程迷宫堰水力设计及泄流能力分析[J].水利科技与经济,2014,20(12):14-16.

[2]杨秋光.迷宫堰在中小河道治理工程中的应用与探讨[J].东北水利水电,2014,32(12):28-29+72.

[3]李宗坤,张亚东,张钊.迷宫堰过流能力数值模拟[J].水利与建筑工程学报,2014,12(01):179-181+187.

[4]彭新民,崔广涛,贾树宝.迷宫堰泄流能力及水力特性的试验研究[J].天津大学学报,2003(06):727-730.