塘堰迷宮堰工程設(shè)計(jì)探索與實(shí)踐

謝德君，楊修林，程 俊，楊麗琴

(蒼溪縣水務(wù)局，四川蒼溪628400)

迷宮堰的軸線在平面上呈折線形，狀似鋸齒或迷宮，故也稱鋸齒堰。在溢洪道泄槽寬度相同的情況下，迷宮堰寬度一般是直線堰寬度的幾倍甚至十幾倍，故其溢流能力也比直線堰大得多，特別是在低水頭溢流的情況下，迷宮堰的過流能力往往是開敞式溢洪道的幾倍［1］。蒼溪縣利用迷宮堰的這一特點(diǎn)創(chuàng)造性地改造了小型水利水保工程——塘堰，將溢洪道進(jìn)口前沿伸入塘堰中，采取“深挖槽、高作堰”的方法，按迷宮堰的原理進(jìn)行改造，改造后的塘堰迷宮堰(又稱塘中堰)不但有利于泄洪、提高正常蓄水位、增大有效庫容，而且工程結(jié)構(gòu)簡單、投資省、見效快、便于管理，是一項(xiàng)具有很高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的工程。以云峰鎮(zhèn)銅鼓山塘堰溢洪道改造為例，探討塘堰迷宮堰的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程效益(圖1)。

圖1 銅鼓山塘堰迷宮堰

1 問題的提出

蒼溪縣地處盆周丘陵山區(qū)，地形復(fù)雜，水旱災(zāi)害頻繁。全縣有塘堰近9000座，總庫容約6860萬m3，塘堰控灌面積占全縣灌溉面積的35%，尤其是在一些不具備水庫建設(shè)條件的地方，塘堰一直是水利設(shè)施的重要組成部分。蒼溪縣的大部分塘堰修建于20世紀(jì)50、60年代，塘堰溢洪道多采用開敞式，排泄能力有限，加之施工條件差，技術(shù)力量薄弱，設(shè)計(jì)跟不上，不能充分發(fā)揮其功能。從運(yùn)行情況看，全縣30%以上的塘堰不同程度地存在著調(diào)節(jié)能力差、用水保證率低、溢洪道進(jìn)口及泄流槽不規(guī)范、漸變段側(cè)墻收縮角小、底坡平緩、堰后淹沒出流導(dǎo)致排水不暢、泄洪能力減弱、滯洪庫容太大而有效庫容小、灌溉面積大而有效蓄水少等問題，迫切需要解決蓄水與防洪的矛盾，以提高工程效益。

2 塘堰迷宮堰工程設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 銅鼓山塘堰迷宮堰工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(單位:cm)

迷宮堰是由若干梯形或三角形組成的。蒼溪縣多數(shù)塘堰來水面積小，蓄水容積在10萬m3以下，溢洪道寬1～2 m。以銅鼓山塘堰為例，塘堰迷宮堰工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖2。塘堰迷宮堰工程主要結(jié)構(gòu):一是在原溢洪道進(jìn)口處設(shè)置一長3.6 m、寬2.4 m、高0.5～1.5 m 的平臺;二是將迷宮堰進(jìn)口前沿伸入塘堰中，設(shè)置3個(gè)邊長1 m的等邊三角形，呈三星狀(即3個(gè)單宮)，3個(gè)單宮的總長度為6 m，加上兩邊邊墻總展開長度為8 m，較原堰寬多7 m;三是堰體采用C20砼現(xiàn)澆面板，面板厚15 cm、高1 m，形如折疊的薄壁堰;四是溢洪道泄流槽挖深0.3 m，形成陡坡泄洪。在堰體與溢洪道邊墻連接處可不設(shè)置溫度應(yīng)力縫。堰體亦可采取預(yù)制板嵌入底板的預(yù)留齒槽內(nèi)，以滿足防滲及水壓力作用下的穩(wěn)定性。溢洪時(shí)側(cè)墻水舌下能滿足水流的補(bǔ)氣問題，故不考慮水流對堰體的氣蝕作用。

2.2 水力設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)《迷宮堰水力特性的試驗(yàn)研究》、《迷宮堰水力特性綜合研究及其應(yīng)用》理論及國內(nèi)迷宮堰設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合銅鼓山塘堰的集雨面積和庫容，確定塘堰迷宮堰的具體設(shè)計(jì)參數(shù):①溢洪道寬度1.0 m保持不變，堰高(P)1.0 m;②按《水工設(shè)計(jì)手冊》，塘堰建筑物等級低于五級，按五級建筑物20年一遇洪水設(shè)計(jì)、200年一遇洪水校核，經(jīng)調(diào)洪演算校核洪水為堰上水深0.18 m，得到最高水頭(H)為0.18 m，堰上水頭與堰高之比(H/P)為0.2;③宮數(shù)3 個(gè)，單宮寬 1.0 m，單宮展開長度 2.0 m，加上兩邊邊墻總展開長度(L)8.0 m，宮頂寬(a)0，宮側(cè)墻長度(b)1.0 m，宮夾角(α)60°。采用流量公式［2］——QL= σmLL(2g)1/2(H0)3/2，式中σ為淹沒系數(shù)，mL為與展開長度有關(guān)的綜合流量系數(shù)，L為總展開長度，g為重力加速度，H0為堰上水頭。當(dāng)塘堰達(dá)到校核洪水位0.18 m時(shí)，通過堰頂?shù)南滦沽髁縌L=1.14 m3/s，而采用原寬頂堰，水深H=0.18 m時(shí)，下泄流量僅為0.23 m3/s，因此可以得出結(jié)論，銅鼓山塘堰溢洪道改造為新型迷宮堰后排洪能力是原溢洪道的4.96倍。

2.3 調(diào)洪演算

調(diào)洪演算采用簡化三角形法(高切林法)，計(jì)算公式為

式中:Va為調(diào)節(jié)洪水的庫容，即滯洪庫容;W為設(shè)計(jì)洪水總量，由推理公式求出;q為下泄流量;Qp為設(shè)計(jì)洪峰流量，由推理公式求出。

經(jīng)調(diào)洪演算試算知:①起調(diào)水位500 m(在正常蓄水位基礎(chǔ)上增加1.0 m水深的迷宮堰堰頂高程)，庫容21000 m3。②按200年一遇洪水計(jì)算，入庫洪峰流量1.23 m3/s，洪水總量4500 m3，相應(yīng)滯洪庫容600 m3，校核洪水位500.18 m，總庫容21600 m3。③改造成迷宮堰后最大泄洪水深0.18 m，下泄流量為1.14 m3/s，校核洪水水位未增高，而正常蓄水位增高了1.0 m，有效庫容(有效蓄水)增加了3330 m3。④塘堰安全超高取0.3 m，經(jīng)計(jì)算波浪爬高為0.2 m，安全超高加波浪爬高為0.5 m，現(xiàn)有壩高滿足要求。上述計(jì)算結(jié)果表明:通過塘堰迷宮堰改造，可在不增加壩高的情況下減少滯洪庫容、增加有效庫容，從而提高工程效益。

2.4 土壩穩(wěn)定性分析

蒼溪縣塘堰多為均質(zhì)土壩，壩高一般為5～10 m，經(jīng)過多年的運(yùn)行壩體沉陷已趨于穩(wěn)定，除個(gè)別壩坡較陡、筑壩材料存在質(zhì)量問題外，一般滑坡較少。銅鼓山塘堰屬于均質(zhì)土壩，壩高為9.0 m，正常蓄水位抬高1 m后并沒有抬高校核洪水位，即在非常運(yùn)行情況下對大壩上、下游坡面的穩(wěn)定安全系數(shù)影響較小，因此改造塘堰迷宮堰并不會降低壩體的穩(wěn)定安全系數(shù)，反而增加了塘堰的防洪安全。需要注意的是，對于壩高超過10 m、壩坡較陡的土壩，需要進(jìn)行穩(wěn)定性復(fù)核。

2.5 造價(jià)分析

塘堰迷宮堰工程主要由基礎(chǔ)平臺及堰體兩部分組成，基礎(chǔ)平臺可用漿砌條石或漿砌人頭石砌筑，只要能滿足防滲抗沖強(qiáng)度即可;堰體采用現(xiàn)澆C20砼面板，面板厚15 cm、高1.0 m。溢洪道邊墻和底板砼用量小，按當(dāng)?shù)亟ㄖ牧蟽r(jià)格，迷宮堰造價(jià)不超過2000元/個(gè)。

3 塘堰迷宮堰工程效益分析

(1)經(jīng)濟(jì)效益。銅鼓山塘堰改造成塘堰迷宮堰以后，僅1座水面面積0.33 hm2的塘堰就可增加蓄水3330 m3，相當(dāng)于新修33口100 m3的蓄水池;1座水面面積1.33 hm2的塘堰可增加蓄水13320 m3，相當(dāng)于新修133口100 m3的蓄水池，按當(dāng)?shù)匦钏卦靸r(jià)1.5萬元/口計(jì)算，可節(jié)省投資50萬～200萬元。

(2)蓄水保水效益。資料顯示，蒼溪縣80%的塘堰水面面積為0.33～1.33 hm2。進(jìn)行塘堰迷宮堰改造后，按水面面積0.33 hm2計(jì)，蓄水位提高1 m可增加蓄水庫容3330 m3;按水面面積1.33 hm2計(jì)，蓄水位提高1 m可增加蓄水庫容13320 m3。同時(shí)，改造塘堰迷宮堰可使塘堰的復(fù)蓄能力相應(yīng)提高，按全縣3000座塘堰迷宮堰計(jì)算，全部建成后可增加蓄水庫容999萬～3996萬m3。2011年四川省省委、省政府關(guān)于貫徹《中共中央國務(wù)院關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》的實(shí)施意見中提出“到2015年，基本完成‘再造一個(gè)都江堰灌區(qū)’建設(shè)任務(wù)，新增和恢復(fù)蓄引提水能力70億m3”的要求，按50%縣市實(shí)施塘堰迷宮堰計(jì)算，全省可新增蓄水8.9億～35.0億m3。

(3)防洪效益。塘堰迷宮堰工程建設(shè)不但增加了防洪庫容、增強(qiáng)了水資源調(diào)控能力，而且對減輕江河干支流及三峽水庫汛期防洪壓力有著重要的作用。

(4)灌溉效益。按水面面積0.33 hm2計(jì)，塘堰迷宮堰工程蓄水位提高1 m就可增加蓄水庫容3330 m3，可直接增加灌溉面積0.66 hm2以上，如果考慮復(fù)蓄能力則灌溉面積可達(dá)1.33 hm2;按水面面積1.33 hm2計(jì)則可直接增加灌溉面積5.33 hm2。按全縣建設(shè)3000座塘堰迷宮堰計(jì)算，建成后可直接增加灌溉面積0.4萬～1.6萬hm2，灌溉效益顯著。

(5)攔沙效益。作為小型水利水保工程，除蓄水保水、攔截洪水外，塘堰還具有攔截泥沙、減少泥沙入河、延緩河床抬高以及延長大型水利工程使用壽命等功能。

(6)糧食效益。資料顯示，目前蒼溪縣水稻單產(chǎn)為9300 kg/hm2，大面積水稻田平均產(chǎn)量為9000 kg/hm2。按9000 kg/hm2計(jì)算，0.67 hm2水稻田產(chǎn)量約為6000 kg，而一座水面面積0.33 hm2的塘堰改造為新型迷宮堰后能增產(chǎn)糧食6000 kg，相當(dāng)于解決了1個(gè)30人的生產(chǎn)作業(yè)組1年的口糧;若按水面面積1.33 hm2的塘堰計(jì)算能增加24000 kg糧食，相當(dāng)于解決了1個(gè)120人的生產(chǎn)作業(yè)組1年的口糧。塘堰迷宮堰工程對提高糧食產(chǎn)量、增加環(huán)境容量和保障國家糧食安全有著重要的作用。

(7)社會效益顯著。塘堰迷宮堰工程社會效益顯著，一是減少了管理成本和人力投入，增加了塘堰的安全系數(shù)，遇到惡劣天氣老百姓不用冒著風(fēng)雨去斷開引水渠以確保塘堰不翻壩;二是新建一座塘堰占用耕地會產(chǎn)生相應(yīng)的費(fèi)用，而改造塘堰迷宮堰工程節(jié)約了土地和資金，減輕了人地矛盾。

4 結(jié)語

塘堰迷宮堰與傳統(tǒng)迷宮堰存在很大區(qū)別:傳統(tǒng)迷宮堰通常建于溢洪道內(nèi)，狀似鋸齒，鋸齒方向一致朝上;塘堰迷宮堰則是將堰體伸入塘堰中，打破了建于溢洪道內(nèi)的局限，鋸齒朝向3個(gè)方向呈折疊狀，除增長進(jìn)口前沿外，折疊堰體面板三角形之間相互支撐，受力條件好。塘堰迷宮堰在運(yùn)行時(shí)會出現(xiàn)水流流向相互沖擊、泄水流態(tài)紊亂、相互干擾的現(xiàn)象，但與3個(gè)方向水流疊加形成的動能相比，干擾可忽略不計(jì)。同時(shí)，增加水槽的底板坡降又進(jìn)一步增強(qiáng)了泄水槽的泄流能力。因此，只要堰后不產(chǎn)生淹沒出流，塘堰迷宮堰運(yùn)行可以實(shí)現(xiàn)高效泄洪的目標(biāo)。

本文是以銅鼓山塘堰改造成迷宮堰，提高正常蓄水位1 m為例進(jìn)行分析的，而實(shí)際上更多的塘堰水位提高超過1 m或不足1 m，因此在塘堰迷宮堰設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行必要的洪水計(jì)算、調(diào)洪演算，根據(jù)塘堰迷宮堰上最大泄洪水深適宜控制在0.3 m以下的原則確定基本尺寸和堰高，同時(shí)視情況復(fù)核堰后溢洪道邊墻高度。保證堰體及平臺基礎(chǔ)質(zhì)量是確保塘堰迷宮堰運(yùn)行安全的關(guān)鍵，因此對于塘堰漏水或壩坡不穩(wěn)定的工程，應(yīng)先治漏并且排除安全隱患后再進(jìn)行改造。

［1］張紹芳，杜寶芝，劉云.迷宮堰水力特性的試驗(yàn)研究［J］.水利水電技術(shù)，1993(7):55－59.

［2］曾甑.迷宮堰水力特性綜合研究及其應(yīng)用［D］.南京:河海大學(xué)，2004:1－30.