（水利水电工程专业论文）迷宫堰水力特性的模型试验研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得沈阳农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 导师黏： 孙玄林 夸之界 时间： 知寸问； 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意沈阳农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 列膨林 导师签名： 李乏浆 时间： 一7年月，日 时间：口) 年月胆日 日日 x ” 吖日 f 、o 年年 9 叩 沈阳农业大学硕士学位论文 摘要 迷宫堰是一种新型溢流堰形式，因为其特殊的平面布置，具有很大的泄流优势，它 的泄流能力可以是普通直线堰的几倍乃至几十倍。本文丰富和发展前人对迷宫堰的研究 成果，完善补充了有关迷宫堰水力特性方面的内容。 本文采用模型试验的方法，并结合理论，对在不同体形参数和水力参数下的 迷宫堰的泄流能力及泄流效率等方面的影响规律，进行了分析研究。首先分析了迷宫堰 的典型流态，并绘制了宽高比为2 和3 的泄流系数曲线，分析了不同口角，不同宽高比 尸的迷宫堰的泄流系数和泄流效率与水头比彬尸之间的关系；三角形和梯形迷宫堰的 泄流系数以及泄流效率的不同；并对采用通气设施与否对泄流系数和泄流效率的影响进 行了分析。通过试验研究发现：在任一宽高比下，迷宫堰的泄流系数均随着，角的增 大而减小，泄流效率随着角的增大而增大对同一迷宫堰来说，泄流系数随着水头比 的增大而减小，而泄流效率则是在鼻角较小时遵循同样的规律， 3 0 时泄流效率的规 律则很差。展宽比相同的三角形和梯形迷宫堰，无论泄流能力还是泄流效率，均是三 角形略大于梯形布置迷宫堰的泄流能力和泄流效率随着宽高比的增大而增大。通气 设施对小，角的迷宫堰的泄流能力和泄流效率影响不大，而在，较大时，对泄流能力的 影响显著。 本论文的研究成果对于实际工程具有很好的参考价值，对于解决迷宫堰的水力设计 和计算问题，具有一定的借鉴作用。 关键词：迷宫堰；泄流系数；泄流效率；水头比 摘要 a b s t ra ( 了r t 1 坨l a b y r i n t hw e i r i sai i i ：ww e i r p a t t e r n ，t h a th a st h ea d v a n t a g e i nh y d r a u l i c p e r f o r m a n c er a l a t i v et ot h es t r a i g h tc r e s tw e i r t h i sp a p e rd e v e l o pt h er e s e a r c hr e s u l t sa n d c o n s u m m a t et h ec o n t e n t so ft h eh y d r a u l i cp e r f o r m a n c e b yt h em e t h o do fm o d e l t e s ta n dt h e o r ya n a l y s e ，t h ep a p e rs t u d i e st h ed i s c h a r g ec a p a c i t y a n dd i s e h a r g ee f f i c i e n c yf o rl a b y r i n t l aw e i ri nt h ed i f f e r e n te h a p ea n dl a y d r a u l i ep a r e m e t e l r a t f i r s t , t h i sp a p e ra n a l y s et h et y p i c a lf l o wp a t t e r na n dg i v et h ec u l v eo fd i s c h a r g ec o e f f i c i e n tf o r t h ew i d t ha n d h e i g h tr a t i ow pi s2 a n d3 a n dt h e n , t h i ss t u d yp r e s e n tt h ec o n n e c t i o nb e t w e e n t h ed i s c h a r g ec o e f f i c i e n ta n dw e i rh e i g h tr a t i oh pf o rl a b y r i n t hw e i rw i t hd i f f e r e n ta n g l ea n d w e i d t h a n da n a l y s i n go nt h ed i f f e r e n c e so fd i s e h a n g ec o e f f i c i e n ta n dd i s c h a g ee f f i c i e n c y b e t w e e nt r a p e z i f o r ma n dt r i a n g u l a rp l a n - f o r m a tl a s t ，d i s c u s s i n gt h ee f f e c to nt h ed i s c h a n g e c o e f f i c i e n ta n dd i s c h a r g ee f f i c i e n c yw c t l a c rt h el a b y r i n t hw e i r w i t hv e n t i l a t i n gd e v i c eo rn o t c o n c l u s i o 璐c a nb ed r o w na sf o l l o w s ：1 t h ed i s c h a r g ec o e f f i c i e n ti n c r e a s e sa n dt h e d i s c h a r g ee f f i c i e n c yd i s m i n i s h e sw h i l et h ea n g l eb e c o m el a r g e ri nas p e c i a lw e i rw i d t ha n d h e i g h tr a t i o 2 皿ed i s c l m r g ec o e f f i c i e n td i s m i n i s h e sw h i l et h ew e i rh e i g h tr a t i ob e c o m e l a r g e ra n ds od o e st h ed i s c h a r g ee f f i c i e n c yw h e nt h ea n g l ei ss m a l l ，b u tw h e nt h ea n g l ei s i n o l l et h a n3 0 t h ed i s c h a r g ee f f i c i e n c yc a l l ts h o wac l e a rr u l e 3 t h ed i s c h a r g ec a p a c i t yo f t r i a n g u l a rl a b y r i n t hw e i ri ss l i g h t l yl a r g e rt h a nt r a p e z i f o r m l a b y r i n t hw e i rw h e nt h e ya r ei n t l a es a l n ew e i rw i d t ha n dh e i g h tr a t i o ，a n dt h i sr u l ei sv e r yt h es a l n ew i t ht h ed i s c h a r g e e f f i c i e n c y 4 1 1 l ed i s c h a r g ec a p a c i t ya n de f f i c i e n c yi sb o t hb e c o m el a r g e rw h i l et h ew e i r w i d t ha n dh e i g h tr a t i ob e c o m el a r g e r 5 w h e nt h ew e i rw i t has m a l la n g l e ，t h ev e n t i l a t i n g d e v i c eh a so n l yal i t t l ee f f e c tt ot h ed i s c h a r g ec a p a c i t ya n de f f i c i e n c y , b u ti ft h ea n g l ei sg r e a t t h ee f f e c tw o u l db em a r k e d n e s s t h i ss t u d yc a np r o v i d es o m l or e f e r e n c ef o r t h es i m i l a rp r o j e c t s k e yw o l d s ：l a b y r i n t hw e | r ；d i s c h a r g ee o e t t l e i e n t ；d l i s e l a a g ee t t i e i e n e y ；w e i rl a e i g l a tr a t i o 2 沈阳农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 l - 1 1 问题的提出 在1 9 8 5 年的瑞士洛桑召开的国际大坝会议上，一种新堰型得到了与会专家的肯定， 并建议推广应用，那就是迷宫堰。由于该堰型的经济、高效的泄流特性，特殊的水力特 性，自此得到了水利界专家得认可和推崇，也引起了广大学者极大得关注。 迷宫堰的平面是由一连串首尾相接的三角形、梯形或矩形等几何结构组成，状如锯 齿，因此迷宫堰又成锯齿堰，迷宫堰的立体图如图l 所示。迷宫堰用连续的折线代替传 统的直线堰布置形式，因此泄流前沿是直线堰的几倍，因此在泄流能力方面，迷宫堰具 有非常大的优越性，在相同堰上水头情况下的迷宫堰的单宽泄流能力明显高于直线堰， 泄流系数可以达到直线堰的三到四倍，尤其是在低水头时，优越性更为明显。而在相同 泄流量时，迷宫堰能更快降低堰上水头，因此，泄流能力满足的情况下时，采用迷宫堰 可以减小泄流前沿的宽度，而对泄流前沿受限，又要提高泄流能力的无闸溢洪道来说， 选择迷宫堰则可以满足要求。在水库中，对于防洪达标的工程，如若采用迷宫堰，则可 有效提高堰顶高程，增大兴利库容。但是如果要达到相同的防洪兴利的效果，传统的方 法一般要建闸，除去建闸的费用高外，无论维护还是检修，无闸溢洪道都比有闸溢洪道 优越的多。 因此，迷宫堰是一种具有很好推广价值的堰型，不仅适用于新建工程，一些由于泄 洪能力不足，或是想提高防洪库容的改建工程，尤其是在泄流前沿受限的情况，改用迷 宫堰作为无闸溢洪道的溢流堰型式，无疑是一种费省效尤的选择( 张绍芳，1 9 9 3 ；马法 三，1 9 9 7 ) 。 所以，要搞清迷宫堰的水力特性，抓住其泄流能力的规律性是及其重要的，这是本 课题的出发点和精髓，也是笔者对这一课题进行试验研究和理论探索的源泉。 田1 1 迷宫堰示意图 嗣毓j j 办啦睹西瞳肭甲o f 缸酚嘲雠w d r 1 1 2 研究的目的 本项研究是在已有的迷宫堰研究工作的基础上进行深入的试验研究和理论探讨，研 3 第一章绪论 究目的是：( 1 ) 丰富和发展前人对迷宫堰的研究成果，完善补充其有关水力特性方面的 内容。( 2 ) 通过对迷宫堰的试验研究，找出在不同水力参数下的泄流系数以及泄流效率 的规律，包括过堰水流水面线特点，在不同体型，不同平面布置形式以及不同堰高、水 头比在流量变化时泄流系数的变化特点。( 3 ) 通过比较研究，找出水流通气对泄流能力 的影响规律。( 4 ) 分析迷宫堰体型参数的最优范围，为实际生产需要提供理论依据。 1 1 3 研究的意义 1 1 3 1 现实意义 我国存在大量病险水库，其中大型病险水库1 4 5 座，中型1 1 8 座，小型2 9 1 5 0 座， 分别占各类水库总数的4 2 、4 2 和3 6 ；从溃坝原因看，1 4 7 座是因发生超标准洪水 导致水库漫坝失事，占6 3 ，7 1 座是因工程质量差，抢险不当造成的垮坝失事，占3 0 ；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2 3 3 座，占9 9 ，中型水库2 座。在2 0 世纪5 0 8 0 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( 牛运光，2 0 0 2 ) 。 在经过“1 9 9 1 江淮洪水”、“1 9 9 6 海河洪水”、“1 9 9 8 三江洪水”和“2 0 0 3 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( 王恕诚，2 0 0 4 ) 。 为防止洪水灾害，在工程建造时一般考虑留有一定的防洪库容，汛前还需将库水位 降至汛限水位，从而保证大坝的安全度汛。从几十年的运行情况看，许多水库在汛末或 汛后由于没有较大洪水带来足够的水量进行补充，致使水库水位难以恢复到设计的正常 蓄水位，如遇连续干旱年份，这种恶性循环将导致对下游供水量的减小，造成用水紧张， 甚至出现严重缺水现象，在我国北方尤为突出，因此人们也在不断的探索和研究，一是 从水情调度方面出发，结合现代的计算机和预报手段，动态地控制汛限水位，及时准确 地发布水情信息，适时调度闸门的运行，在保证大坝汛期安全度汛的前提下适当提高水 库蓄水能力，以缓解水资源紧张局面，这在大型水利工程中比较容易实现。另一方面是 探索一种更加适合用于中小型工程的具有提高水库蓄水能力的、又可安全泄洪的有效的 工程措施。 针对水库防洪标准亟需提高和对水资源需求的增加，工程中多通过改造溢洪道来实 现，溢洪道的改造方式主要包括降低溢洪道高程、加宽溢洪道在溢洪道顶部增设控制建 4 沈阳农业大学硕士学位论文 筑物或多种措施结合使用等。 开敞式溢洪道结构简单，运行可靠，在我国绝大多数小型水库，半数以上的中型水 库中得到普遍应用。开敞式溢洪道几乎在所有情况下都是最安全和可靠的，它不需要机 电设备，技术简单，维修较少。其缺点是增加水库效益需要的改造工程中无法采用。 而迷宫堰这种堰型恰恰弥补了这方面的不足，它的堰长大大多于泄水槽宽度，堰顶 轴线呈折线型，形成多个首尾相接的侧堰，因此又称折线堰或锯齿堰，其泄水前沿可比 普通直线堰长数倍，因而适合于无闸溢洪道采用。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。显而易见，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，特别对中低水头的泄水建筑物，其泄流能力增大尤为显著，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。 1 1 3 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。在国# - 4 0 年代就有人将堰顶轴线设 计成非直线的迷宫堰，使堰的溢流能力增大若干倍，我国虽有少数应用，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9 0 。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。 1 2 国内外研究现状 1 2 2 迷宫堰的应用与发展 1 9 8 4 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3 0 0 m m 和8 0 0 m m 的玻璃水槽中对1 8 种不同参数组合的迷宫堰模型 进行了近2 0 0 个组次的过水试验，给出了八幅迷宫堰流量系数曲线图，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。 正是因为迷宫堰在实际工程应用中经济、高效的泄流能力，使其得到了水利界专家 第一章绪论 的认可和推崇。在1 9 8 5 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。 河海大学、安徽水科所，浙江水利水电科研所等单位分别在1 9 8 4 年、1 9 8 6 年、1 9 8 7 1 9 8 9 年对迷宫堰进行了试验研究和工程实践。随后，在1 9 8 6 年，我国建成了第一座迷 宫堰，属于安徽省广德县的红卫兵坝，堰宽2 6 8 m ，展长1 0 7 2 m ，堰高2 5 m ，设计水头 1 5 m ，设计流量2 7 0 8 m 3 s ，是一座小型改建工程。至今，已在山东、江西、浙江、云南 等省建成几十座迷宫堰，见表1 1 。 国外最早的迷宫堰工程，当属1 9 1 0 年建于美国的东帕克( e a s tp a r k ) 工程，可能 是有文献记录的最早迷宫堰之一，其泄流量为2 8 3m 3 s 。对迷宫堰水力特性的研究始于 二十世纪四十年代，并逐步将迷宫堰应用于一些中低水头的工程中。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( n e s s i mh a y ) 、泰勒( g e o f r e y t a y l o r ) 和戴维斯( l o u i sa d a v a s ) 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了大量的研究。特别是美国垦务局 ( u s b r ) 和犹他卅| 水工实验室( u w r l ) 在己建迷宫堰工程的基础上，结合物理模型试验，对 迷宫堰的水力特性做了比较深入的探讨，同时也提出了相应的一些水力设计方法和原 则。在此期间，陆续有国外的水利工程采用了迷宫堰，特别是在七十年代末以后，在美 国、英国、葡萄牙及阿尔及利亚等国家陆续建成不少迷宫堰形式的水工建筑物，见表1 - - 2 。 目前。世界上最大的迷宫堰工程是位于美国新墨西哥川洛根的尤特坝( u t ed a m ) ，原 坝高3 7 m ，建于1 9 6 2 年，溢洪道上为双曲平顶堰，堰长2 5 6 m 。后在保持原溢洪道宽度不 变的情况下改建迷宫堰，并于1 9 8 3 年建成。当堰上水头为5 7 9 m 时，可通过1 5 6 0 0m 3 s 流量。 寰1 - 1 部分国内已建迷宫堰工程 t a b l e l - i s o m e k 6 ，嘲埔w 曲i t h a t h a v e 矗口珊如h o m e 沈阳农业大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ：= = = = = = = = = = = = = = = = = 名称及位置建造年份 苇池水库溢洪道 ( 山东省新太市) 狼猫山水库溢洪道 ( 山东省济南市历城区) 高格庄水库溢洪道 ( 山东省菜西市) 石嘴水库溢洪道 ( 江西省广昌县) 黄同水库溢洪道 ( 山东省平度市) 双港口水库溢洪道 ( 江西省宜丰县) 石路水库溢洪遭 流量口水头日眦pw王 宫数m ( m 3 s( m ) ( m )( m ) 7 6 2 1 2 0 9 n 9 0 1 4 3 0 5 5 0 9 0 0 8 0 0 1 6 2 8 1 9 6 2 8 9 2 舶 3 1 7 8 2 7 5 4 6 2 43 0 3 01 0 5 37 24 5 1 7 7 1 5 06 0 2 9 6 1 74 05 61 6 8 4 04 81 9 2 1 522 71 04 8 1 9 9 71 0 10 7 4 61 52 61 0 8 ( 江西省崇仁县) 表1 - 2 部分国外已建迷宫堰工程 t e b l e l 2 s 啪f l a b y r l n 捕w e b s c h a t h a v e b u i l t i n o t h e r c o u n t r y 名称及位置 流量口水头髓。p 矿 建造年份宫数 ( m 3 s ) ( m ) ( m ) ( m )( m ) 海伦坝 ( 美国犹他州海伦) 沃罗诺拉坝 ( 澳大利亚新南威尔士) 巴特莱特斯费里坝 ( 美国佐治亚州哥伦布) 默塞尔坝 ( 美国俄勒冈州达拉斯) 昆西坝 ( 美国科罗拉多州奥罗拉) 于特坝 ( 美国新墨西哥川洛根) 1 9 4 1 1 9 8 3 23 6 61 8 5 0 6 1 l2 2 11 4 73 4 3 2 。1 92 0 52 4 33 7 51 4 4 1 1 9 7 22 3 91 、8 344 5 7 2 27 0 1 9 7 3 1 9 8 3 5 5 3 1 5 6 0 05 7 9 43 ，9 6 5 4 1 0 6 9 1 42 6 51 0 3 2 纳维特抽水蓄能电站1 9 7 44 8 11 6 81 03 0 55 5 1 2 8 7 | | ! 】 1 1 1 第一章绪论 1 2 3 迷宫堰的研究成果分析 1 2 3 1 迷宫堰的成果概况 1 9 8 7 年至1 9 9 1 年山东水科所张绍芳等人对迷宫堰的水力特性，结构设计及振动特性 进行了更深入的研究，得到一系列研究成果，包括迷宫堰几何尺寸无维参数以及溢流水 舌下缘通气对流量系数的影响，并且给出了迷宫堰的淹没系数，还提出了迷宫堰的水力 设计准则。 1 9 8 7 1 9 8 9 年江西水科所对迷宫堰的设计方法方面做了许多工作，王仕筠等人研究 了迷宫堰水力设计的修正方法，提出了行进流速对迷宫堰流量系数的影响，并给出了两 种修正方法，之前，张志军，何建京给出的流量系数曲线未考虑行进流速的影晌，后来， 在张绍芳等人对曲线进行了修正。2 0 0 0 年的时候王仕筠等人又对迷宫堰的计算曲线及计 算参数的控制范围提出了新的看法，并且通过水工模型试验成果，讨论了迷宫堰呈自由 沈阳农业大学硕士学位论文 流时，所需的最小下游堰高值。1 9 9 1 年胡玉棠等人对浙江省天台县桐柏电站溢洪道的迷 宫堰的改建工程进行了试验研究，比较了几种方案的泄流效率的不同。1 9 9 5 年王军旗用 有限元的方法对迷宫堰的结构进行了计算，并分析了网格的疏密及地基范围的选取对计 算精度的影响。1 9 9 7 年刘金贵通过对各种堰型流量公式的研究比较，对迷宫堰的流量公 式作出了新的探索，给出了不同堰型流量公式的普遍形式。彭新民等人在2 0 0 3 年也通 过模型试验，分析了影响迷宫堰泄流能力的诸多因素，又经过量纲分析，给出了迷宫堰 流量系数计算公式，并且对一些实际工程资料进行了验证，实际工程提供的资料与公式 十分接近。接着他们又通过水力学和结构动力学“合二为一”的水弹性模型，对迷宫堰 的抗震性能和流激振动进行了试验研究，为以后迷宫堰的规划设计提供很好的参考依 据。1 9 9 8 年，花立峰等人对三角形迷宫堰的宫室流态及阻力进行了分析研究，探讨了宫 室中各种水力要素的变化及阻力特性，能量损失与综合流量系数之间的相互关系。 山东省水科所与济南水利局研究了一种新的迷宫堰形式加劲迷宫堰，改善了悬 臂墙的受力条件，并应用于济南市园子台水库溢洪道工程，实际运行情况良好。 1 9 9 9 年，迷宫堰的一种新型式_ p k 堰，在法国进行了初步的模型试验，随后2 0 0 2 年在印度r o o r k e 大学和阿尔及利亚b i s k r a 大学也分别进行了试验研究。目前，在中国 水利水电科学研究院和印度的r o o r k e 大学正在做进一步的研究。与迷宫堰相比，p k 堰 的顶部轴线同样为折线，不同的是此种堰型的上下游堰墙倒悬，即顶部宽而底部窄，状似 钢琴键( p i a n ok e y s ) 。p k 堰一般建在混凝土重力坝顶部，底部一般不需要很大一块 平坦带，而且可应用在大型水利工程中，是迷宫堰在大型水利枢纽中的应用形式。 1 2 3 2 迷宫堰重要的参数 迷宫堰的几何参数及水力参数有： _ h - 单宫宽度；卜单宫长度，l = 2 b + 4 a ( 参见图1 一1 ) 口一正堰长之半( 或称梯形迷宫堰头部宽度) ；删堰墙边长；撑一宫数 p 堰高；m ，p 一宽高比；鼻侧墙与来流方向的夹角； w - - 总宽，w - - - - n ) ；正迷宫堰的展开长度，l = n l u 形展宽比( 堰宽放大系数) ，l w = i w ；月一堰顶静水头 吼堰顶总水头，h o = h + a v ，2 9 ：p o 为行进流速。q i 迷宫堰的流量 其中： 见= m 。l 止2 - g h l 5 慨，= 小。w 4 - 瓦m 1 3 ) = 历扛以西。”娩。= 埘。形夏盈”) 9 第一章绪论 工 m w 。万胁 工 m 2 万m l o q o 一直线堰的流量，鳓= m w 压h 1 5 ( q ，= m 。形芝西。”) 田1 - - 2 迷宫堰平面圈 f i g 1 - 2 p l a n $ o r mo f l a b y r i n t hw e i r ( 1 ) 堰顶水头与堰高之比日0 ，p h o p 是对流量系数影响最显著的因素，当风俨一0 流量很小时，堰的效率接近1 0 0 ， 即泄流量的增加倍数几乎等于堰的展长比伍肋。原因是小流量时，由引渠进入堰处产 生的水面降落和因上、下游渠槽收缩、扩散在堰段上引起的水深变化以及流速水头均小 得可忽略不计，所以沿堰长度上的单宽流量可以认为大致相同，可以按标准的堰流公式 计算。g m i d p 的增加，流速水头和人堰处的水面落差也加大，大部分堰段上的水面高程 是低于引渠段水面高程的。此时再将堰流公式应用到堰段的每个单位长度上计算叠加， 显然所得到的泄流量小于风，p o 的理想情况。随着h o p 的继续加大，迷宫堰的效率下 降。 特别对于三缈大的迷宫堰。其下降的趋势更为明显。这是由于每个宫内由两侧堰下 泄水流的相互碰撞，水舌干扰所致。水舌之间产生干扰，会使堰段上局部出现“自淹现 象”，这也是一般折线形溢流堰具有的共同特性。有的研究认为，当两侧堰墙的间隔小 于运行水头的两倍时，就有水舌相互干扰现象，其严重程度随泄流量的加大而加剧。从 试验观测可知，当堰上水位超过溢流堰顶后，迷宫堰同样是由自由溢流变成淹没泄流， 此时效率大幅度下降在工程实践中我们得到的体会是：在工程设计中，一般应由经济 与效益的平衡来选定凰胆和三w 值。迷宫堰的过流能力要比直线堰大数倍，特别是在 低水头时，其泄流能力增大的优越性更加显著。迷宫堰只有在相对堰高较大的条件下， 如p 1 5 h 。时才有较好的效率。为了不明显地降低泄洪流量，迷宫堰应设计成自由 溢流为宣。 ( 2 ) 单宫宽与堰高之比w p w p d , ，从侧堰下泄的水舌相互撞击，使泄流效率减小，三角形迷宫堰的堰头处两 沈阳农业大学硕士学位论文 侧培靠近，比梯形迷宫堰的堰头处的水舌更易受到干扰，所以梯形迷宫堰的( w p ) 。 2 ，三角形迷宫堰的( w p ) ， 1 2 5 为宜，当p 大时可放宽此限制。低水头运行可采用 较小的m 吖p 值，一般地，w p = 1 2 6 0 。 ( 3 ) 斜交堰与来流夹角鼻 当h o l e 相同时，鼻与泄流效率有一定关系，夕愈大，流量亦大，泄流效率也较大。 三角形堰头最优，但因水头干扰大，同时由于结构布筋上的困难，故常取梯形布置， 增加，使2 彦减小，泄流量增大，要使效率最大，梯形迷宫堰的驯立取如下值： ，= ( 0 7 5 o 8 ) ，。，声。i _ s i n - 1 ( w 1 ) 目前，国内已建的迷富堰，= 4 0 ，4 5 0 。 一 ( 4 ) 宫数栉 在相同的一下，宫数以愈大，水舌干扰的范围增大，使迷宫堰的性能下降。椭选择， 应综合考虑水平干扰最小和工程造价来确定，也可取w p = 3 4 来确定。已建的工程中， 万= 1 2 0 不等，为便于施工，尼取整数或+ 1 犯。 ( 5 ) 上下游引渠及护坦的影响 当泄量相同时，迷宫堰上的水头小于直线堰上的水头，从而增加了淹没系数，使流 量减小。早期的研究都使上下游引渠有一高差d ( ；，目的是避免或减小对下游流态的 影响。但为施工方便。减小开挖量，取d = o ，虽然使泄流效率有所减小，但从经济上可 得到补偿，对此有过的系统研究包括：上游底板倒坡，下游底板正坡，但这种布置 水流条件不好，减小了过流能力。旆工也不方便。上下游底坡皆水平，但下游低于 上游，在水头h 大时，可增加溢流能力。但差别不大，而使基坑开挖及布筋不便，降低 了下游底板高程，可使过渡区水流横向流至h 。p 的高值区，使掺气区的流量系数加大， 亦可改善流态及降低下游尾水的影响。上下游底板平齐。这样可消除前两者基坑开 挖和布筋的不便。 上下游护坦末端的高差帅! p = o 5 o 7 5 ，在网p 相同时，泄流效率随m 嘴加而增加。 在设计水头下，上游倒坡，使迷宫堰的泄量减小约4 。 上下游底板平齐时，上下游均为缓流，为减小下游回水的影响，使下游底坡正向倾 斜或设计一段陡坡，使之出现急流。对于河道上作为拦河溢流坝的迷宫堰，设计时应使 玩衄p 保持在掺气区，而不能使水舌受抑制，避免i s $ - o p 的增大而损害其性能。 l - 2 3 3 迷宫堰的堰顶剖面形状 已建迷富堰的堰顶形状分为如下几种锐缘多见；半圆头；1 4 圆头前缘； i 2 顶厚的圆弧头，美国水道试验站的e l 型堰面或w e $ 堰面：对于小型工程采用方形 堰顶，其流量系数为圆形堰顶的9 4 ；对于厚壁圬工堰或预制构件的砌筑堰堰顶为1 4 圆弧前缘，下缘削去直角。 从目前已有的试验结果得如下的认识：对于薄壁迷宫堰，堰顶形状对流量系数影 响不大，从经济上考虑，可不必做成特殊形状的堰顶堰顶的前缘形状影响最大。对 1 1 第一章绪论 于厚壁的迷宫堰，堰顶的形状，尤其是前后缘的形状影响都较大。 1 2 4 迷宫堰的适用范围 由于迷宫堰具有溢流能力大的特点，其在水利工程中有着广泛的用途。如用作水库、 湖泊、河道、水渠的泄水建筑物，特别是用在水库岸边溢洪道上，有如建闸类似的防洪、 兴利效果，而其工程投资只有建闸的l 4 1 2 ，且维修、管理经济简便，投资省，见效 快。 ( 1 ) 为增大泄洪能力而进行的保坝工程 随着时间的推移，水文系列的不断延长，气象学术领域的进展，人们发现有的已建 工程的可能最大洪水大于原设计计算值，假如原溢洪道不能渲泄这么大的洪水，就必须 加大防洪库容或增加溢洪道的泄洪能力，这就是保坝工，采取的措施一般是增加坝高或 扩建、新建溢洪道，投资往往较大。然而，在条件许可时，如将原溢洪道的直线堰适当 改成迷宫堰，则在投资增加不多的情况下就能大大提高溢洪道的泄洪能力，从而可收到 较好的经济效益。 ( 2 ) 为增加兴利库容进行的改建、扩建工程 随着城市供水及工业用水量的增加，农业灌溉面积的扩大，有的工程为增加兴利库 容也需要扩建，增加兴利库容往往是通过增加坝高来实现的，如能根据工程的实际情况， 采用迷宫堰方案或迷宫堰和增加坝高相结合的方案，则可收到很好的效果。 ( 3 ) 在城市美化和环保方面 迷宫堰堰顶轴线为曲线型，过堰水舌呈三元流交叉下泄，下泄水流曲线优美，具备 艺术观赏价值，可作为市区内的河道及公园美化工程。而且，由于迷宫堰过堰水舌对冲， 使得水流中的气体含量增加，这对于改善河渠水生态环境具有积极的意义。 ( 4 ) 涵养山区水源 在坡陡流急的山区，修迷宫堰比修建拦河闸，不但工程投资要减少至少1 2 ，而且 既能防洪又能最大限度地拦蓄地表水，是涵养山丘区资源的理想工程措施。 ( 5 ) 泄洪前沿受限的水利枢纽工程 对于泄洪前沿受限的水利枢纽，无论是新建还是改建工程，在条件满足时若采用迷 宫堰方案，同样可以帮助解决枢纽布置上的问题，达到既安全又经济的目的。 1 3 研究内容和方法 1 3 1 研究内容 本课题主要是分析迷宫堰的水流形态及其水力特性，为迷宫堰这一经济高效的溢流 堰形式的推广和应用提供有力证据。包括以下几个方面： ( 1 ) 观察并分析迷宫堰过堰水流的流态特征，绘制迷宫堰的泄流水面线。 ( 2 ) 分析比较不同平面布置形式即三角形、梯形的迷宫堰的过流形态的不同，在 相同堰高和展宽比的情况下，比较分析它们的泄流能力以及泄流效率。 沈阳农业大学硕士学位论文 ( 3 ) 以梯形迷宫堰为例，研究角( 迷宫堰侧堰与来流方向的夹角) 对迷宫堰泄 流能力的影响，并分析其泄流效率的规律。 ( 4 ) 研究水头比点v p 对迷宫堰泄流能力以及泄流效率的影响规律。 ( 5 ) 观察各种参数组合下的迷宫堰的过堰水流的负压情况，然后设置通气设施， 试验分析水舌通气对堰的泄流能力以及泄流效率是否有影响，如果有影响，影 响效果是怎样的。 ( 6 ) 仔细研究分析数据，并绘制泄流系数曲线，拟合计算公式。并通过试验成果， 讨论迷宫堰水力设计中的几个问题。 1 3 2 研究的方法和技术路线 以试验为主，拟定试验步骤，制作试验装置，然后进行试验，主要是对迷宫堰的泄 流能力和泄流效率的研究。在掌握大量试验数据的基础上，对试验资料进行加工，整理， 分析，找出迷宫堰水力特性的规律，根据试验数据用数学的方法求得泄流系数与各参数 的关系，使本研究上升到理论的高度上来。 本课题研究的技术路线如下： 收集国内外有关资料 上 上 上 迷宫堰工程实例 理论研究 0 方案选定及模型制作 上工 l 三种布置方案 ，的不同取值加设分流墩 j 7 分析泄流效率及泄流能力 上 l 数据测量i 上 数据处理及其分析 0 1 三种不同布置 不同，的取值设置分流墩 三种情况下的m 。及其e 曲线 上 l 得出结论l 第二章迷宫堰的试验研究 第二章迷宫堰的试验研究 2 1 迷宫堰的分类 2 1 1 堰的分类 堰流是指水流受突然升高的建筑物所阻挡而壅高并从其上溢流的水力现象，这种从 顶部溢流的壅水建筑物称为溢流堰或溢流坝。 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。( 图2 一 1 ) 顶宽在0 o 6 7 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。一般规定顶宽占大于0 6 7 h ，小于2 5 _ h 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。顶宽占在( 2 5 1 0 ) 日范围的堰，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。 一 工 d 7 7 q _ ( a ) ( b ) 【c ) 圈2 1 堰的分类 f g 2 - 1 , s o r t d ，船w e i r ( a ) 尊壁堰，8 ( 0 6 7 h s ( b ) 实用堰，0 6 7 h 6d 点醌( c ) 宽顶堰，昂6 1 0 h # 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。( 图2 2 ) 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。 2 1 2 迷宫堰的分类 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。 1 4 沈阳农业大学硕士学位论文 i 乏 斜交堰侧堰 折线堰 圈2 - - 2 堰的平面几何分类 脚2 , - 2 胁 椭g c a m e t r y 州 非对称型迷宫堰 田2 - - 3 迷宫堰平面细分类示意图 p s 2 - 3 t h e g r 耐c h m a p o s t h e , r t o f t a b y , i n t h w e i r p l a n f o t m 2 2 试验设计 2 2 1 模型尺寸的确立 迷宫堰模型材料选为有机玻璃，厚度为5 m ，有机玻璃一般能够满足水工建筑物模 型对模型材料糙率和刚度的要求，在最大水头下不会发生弯曲变形，而加工起来也简单 方便。模型试验是在钢化玻璃水槽中进行的，水槽宽度为0 4 8 m ，采用两富进行试验， 因此单宫宽为0 2 4 m 。模型堰共有六个，五个为梯形迷宫堰，一个为三角形迷宫堰，展 长与其中一个梯形迷宫堰相同。具体尺寸见表2 1 。 模型堰壁厚为0 5 c m ，因为堰壁很薄，堰顶采用的是平顶，可当锐缘使用。模型堰 的堰高为1 3 c m ，通过在试验中调节石蜡在堰底板的浇注高度，达到调节堰高的目的，试 验中的堰高分别采用1 2 c m 和8 a m ，而石蜡的浇注高度相应为l c m 和5 a m 。堰高的选取主要 根据宽高比以及堰高与最大堰上水头之间的关系来确定的。 g 第二章迷宫堰的试验研究 单位l “ 梯形迷宫堰前端宽度，也就是正堰长2 口的选取，是根据减小水头损失和施工方面的 要求考虑的。因为迷宫堰的正堰部分，相当于水闸的墩柱，宽度小些，水头损失就小些， 但宽度太小，施工又不便，而且溢流水舌也易于交汇而影响泄流，折衷方案，参考已建 的迷宫堰资料，采用2 a = 3 7 r a m ( a w = o 0 7 6 5 ) 。 2 2 2 模型的制作与安装 模型的制作安装是否规范，精度是否符合要求，是试验的基础和关键，试验前，我 们根据有关规程，对沈阳农业大学水工大厅实验室的试验水槽、观测设备、供水系统等 进行了精心的检测和率定，使之符合测流规范的要求。 在模型安装位置的选取时，使迷宫堰上游有较长的过渡段，过渡段的长度大于3 倍 的水槽宽度。使水流处于缓流状态。在安装模型堰时，使堰壁尽量与水槽底部正交，还 注意了尽量使单宫的中心线与试验水槽的行进流向平行，使水流分布均匀，以保证试验 精度。这是由于按溢洪道宽度计算的单宽流量，迷宫堰比传统里直线布置的溢流堰大得 多，因此它对引渠内水流得流态更为敏感。有的试验显示，建筑物不良的连接形状，可 降低其泄流能力达1 0 以上。 因为本课题所研究的迷宫堰是属于上下游堰高相同的情况，所以在试验布置时，要 使上、下游底板同高，即，= p 2 ( d = o ) 。在采用水平底板时，上下游迷宫中的水流都 是亚临界流，为使来自下游泄槽的回水影响最小，并满足自由泄流的试验条件，应使流 出迷宫堰的水流成为超临界流。在试验布置时，使紧靠迷宫堰下游的泄槽做成坡度大于 临界坡，以满足这一要求。模型的安装图可见图片( 图2 4 ) 。 2 2 3 试验的设备和仪器 试验过程严格按照水工( 常规) 模型试验规程s l1 5 5 - 9 5 ，试验设备由水流循 环系统、流量控制系统、量测系统及辅助设备组成，其中流量由矩形薄壁堰进行施测， 行进流速用毕托管测量，水位采用测针( 精度为0 1 咖) 。 水流循环系统是由水泵机组给水塔供水，水塔溢流后，给整个试验装置供水，供水 1 6 沈阳农业大学硕士学位论文 管道末端有一个闸阀，调整闸阀的开放度可以调整试验流量的大小。放水以后，水就从 圈2 4 模星1 的试验安装圈 ，缘2 - 4 $ t , f 咖g 吐口一o ，m 础f 循。 水槽下游流到试验大厅的地下水库中，然后再通过水泵抽取到水塔，这样循环往复，就 完成了水流循环的过程。 2 2 3 1 流量量测设备 本实验主要是通过矩形薄壁量水堰来测得流量的，见( 图2 5 a 、图2 5 b ) 。 j 3 一 c a ) ( b ) 圈2 5 量水堰过流测量图 用毓2 - $ z k i 椰嘲g 埘哺n o ，d b m 4 目c v u r m , g w e b 1 7 第二章迷宫堰的试验研究 薄壁堰的流量公式为： ! q ；m o b x 2 9 h 2 式中为堰上水头；m 。为薄壁堰流量系数，需通过率定实验来确定，b 为堰宽，b =