新集水库迷宫堰主要水力学问题研究

2015-12-23张波

治淮 2015年3期

关键词：水头迷宫水流

张波

（水利水资源安徽省重点实验室安徽省·水利部淮委水利科学研究院蚌埠 233000）

新集水库迷宫堰主要水力学问题研究

张波

（水利水资源安徽省重点实验室安徽省·水利部淮委水利科学研究院蚌埠 233000）

迷宫堰堰顶轴线以连续的折线代替传统的直线布置形式，在溢流水头不变的情况下可大幅度增加泄量。本文以模型试验为手段，详细研究了新集水库迷宫堰的各项水力参数，为迷宫堰的实际运用提供数据支持。

迷宫堰流量系数水力参数泄流能力

1 概述

迷宫堰堰顶轴线以连续的折线代替传统的直线布置形式，使其具有数倍乃至十多倍于直线堰的泄水前沿，这使其在溢流水头不变的情况下可大幅度增加泄量；而在过流量变幅较大，堰顶水头变幅较小而泄量相同时，可减小溢流水头，以适当抬高堰顶高程，增加兴利库容。迷宫堰最主要的特点是在不增加泄水建筑物所占河谷宽度的情况下，泄流能力数倍于直线堰，有利于工程布置。随着我国对迷宫堰研究的深入，许多受实际地形限制的枢纽越来越多地采用迷宫堰这种泄流方式。

新集水库位于安徽省定远县藕塘镇，池河右岸王集河上，水库控制流域面积31.5km2，是一座以灌溉防洪为主，兼水产养殖及城镇供水的中型水库。水库社会效益和灌溉效益显著，在当地经济发展中发挥着重要作用。水库现状校核洪水标准为1000年一遇，相应洪水位61.38m，相应库容为1665万m3；设计洪水标准50年一遇，相应洪水位60.37m，相应库容为1397万m3；兴利水位59.0m，相应库容1070万m3；死水位52.5m，相应库容160万m3。水库工程等别为Ⅲ等，主要永久建筑物级别为3级。水库设计灌溉面积2.8万亩。防洪保护范围包括水库下游保护面积30km2、灌区耕地1.5万亩、人口3.2万及下游藕塘镇。

2 新集水库迷宫堰设计

2.1 进口段

迷宫堰进口段长12.0m，底板高程56.3m，底宽38.5～28.0m，建两段各6.0m长混凝土底板，厚度均为0.3m；两岸建圆弧型翼墙，采用重力式结构，圆弧半径为9.0m，墙顶高程62.6～61.0m；翼墙通过锥坡和大坝相连，锥坡顶高程59.8m，锥坡投影半径3.0m，锥坡采用浆砌石护砌，护砌厚度为300mm。

2.2 控制段

加固后迷宫堰控制段长7.9m，宫顶高程59.0m，堰高为2.7m，堰宽28.0m，堰体顺水流方向长7.9m，迷宫堰单宫宽7m，单宫长17.5m，总展长70.0m，堰体底板厚400mm为钢筋混凝土结构。两岸建重力式浆砌石挡土墙，基础采用钢筋混凝土基础，墙顶高程62.6m，底板高程56.0m,墙高6.6m，底板长5.2m，墙后为500mm厚钢筋混凝土斜拉杆。

2.3 泄槽段

一级消能泄槽段水平长度14.5m，宽28.0m，底板高程56.3～53.6m，陡坡坡比1∶5.26，底板采用C25钢筋混凝土底板，两岸增建悬臂式钢筋混凝土挡土墙。

2.4 迷宫堰几何参数

宫数n=4；单宫宽度w=7.0m；迷宫堰总宽W=nw=28m；正堰长之半a＝0.6m；侧堰长b=7.55m；单宫长l=4a+2b=17.5m；迷宫堰展开长度L=nl=70m；展宽比L/W=2.5；侧墙与来流方向夹角θ=18.79°；堰高P=2.7m；宽高比w/P=2.593。

表1 新集水库迷宫堰实测泄流能力

图1 新集水库迷宫堰结构布置图

图2 新集水库迷宫堰堰上水头～流量系数曲线

新集水库迷宫堰结构图见图1。

3 新集水库迷宫堰试验成果

3.1 流态

迷宫堰的水流呈明显三元流，过堰水流既从正堰过流，同时也沿两侧斜堰过流，水流过堰后，三股水流相撞击，集中下泄。根据缓变流的连续性原理及能量守恒与转换原理，水流进入迷宫堰上游宫室后，因过水断面收缩，水面线下降，临近侧堰时，水位又上升。总的趋势是上游水面线先降后升，致使堰前水头小于来流水头。在低水头时，宫室水面下降不明显，随着流量的增大，堰上水位的升高，上游宫室内水面有明显的先下降后升高的趋势，并且最低点随水位升高向下游移动。

迷宫堰宫室内底流与表流的流向沿堰长变化。由正堰及两侧堰下泄的水流，在低水头时，水舌自由下泄，并处于完全通气状态，溢流水舌的厚度和尾水深度均不影响迷宫堰的泄流能力。当堰上水头增大至59.75m，泄流量达80.28m3/s时，上游宫头处水流首先受到侧堰水舌的抑制，难以通气，此时下游宫头仍可继续通气，两侧堰段过堰水舌仍可形成完整的水舌状态，水舌下方形成稳定的气囊。当堰上水头进一步增大，水舌在整个堰顶的各部位均受到抑制，水舌下方原本稳定的气囊破碎，形成破碎的小气泡，并向上游移动，最后气泡完全消失。由于试验下游泄槽坡度较大，下泄水流能及时流走，下游水位不影响迷宫堰泄流能力，迷宫堰始终处于自由泄流状态，不存在淹没出流。

3.2 泄流能力及流量系数

新集水库迷宫堰实测泄流能力见表1。

通过能量方程可推导出迷宫堰的流量公式形式为：

式中：Q—流量，m3/s；

mw—相对于堰宽的迷宫堰流量系数；

W—堰总宽，m；

H0—包括行近流速在内的堰上总水头，m。

根据试验测得的流量、水头计算迷宫堰的流量系数，绘制成图，见图2。

从图2可以看出，当堰上水位较低时，迷宫堰溢流水舌通气良好，迷宫堰的流量系数随堰上水头的增加而逐渐增大，达到最大值0.997时，迷宫堰上游宫头处溢流水舌开始受到侧堰水舌的影响，之后流量系数随堰上水头的增加而逐渐减小。

3.3 新集水库迷宫堰主要水力参数的分析计算

3.3.1 效率E

效率E=（QL/QN）/（L/W）（QL为迷宫堰的流量，QN为相同宽度直线堰的流量），E≤1。E越大，表明迷宫堰单位长度的展开长度上的流量系数越大，E随w/P的增加而增加，要使E较高，应使w/P＞2。当给定w/P时，E随H0/P及L/W的增大而减小，当L/W＜3时，E值较高。新集水库L/W=2.383，处于效率较高的区间。

3.3.2 堰顶水头与堰高比H0/P

当迷宫堰下泄水舌还未相互影响时，迷宫堰流量系数随H0/P的增大而增大；当下泄水舌开始相互影响，随着H0/P的增大，下泄水舌之间相互干扰的范围和强度均增大，流量系数逐渐减小。H0/P是对流量系数影响最显著的因素。新集水库0.081≤H0/P≤0.896，校核洪水时，H0仍小于P，效率E仍较高。

3.3.3 宽高比w/P

迷宫堰w/P越小，从侧堰下泄的水舌越易相互影响，使效率E减小，梯形迷宫堰（w/P）min＞2，一般w/P=1.2～6.0。新集水库w/P=2.593，处于合理范围。