塘堰迷宫堰工程设计探索与实践

谢德君，杨修林，程 俊，杨丽琴

(苍溪县水务局，四川苍溪628400)

迷宫堰的轴线在平面上呈折线形，状似锯齿或迷宫，故也称锯齿堰。在溢洪道泄槽宽度相同的情况下，迷宫堰宽度一般是直线堰宽度的几倍甚至十几倍，故其溢流能力也比直线堰大得多，特别是在低水头溢流的情况下，迷宫堰的过流能力往往是开敞式溢洪道的几倍［1］。苍溪县利用迷宫堰的这一特点创造性地改造了小型水利水保工程——塘堰，将溢洪道进口前沿伸入塘堰中，采取“深挖槽、高作堰”的方法，按迷宫堰的原理进行改造，改造后的塘堰迷宫堰(又称塘中堰)不但有利于泄洪、提高正常蓄水位、增大有效库容，而且工程结构简单、投资省、见效快、便于管理，是一项具有很高经济价值的工程。以云峰镇铜鼓山塘堰溢洪道改造为例，探讨塘堰迷宫堰的结构设计和工程效益(图1)。

图1 铜鼓山塘堰迷宫堰

1 问题的提出

苍溪县地处盆周丘陵山区，地形复杂，水旱灾害频繁。全县有塘堰近9000座，总库容约6860万m3，塘堰控灌面积占全县灌溉面积的35%，尤其是在一些不具备水库建设条件的地方，塘堰一直是水利设施的重要组成部分。苍溪县的大部分塘堰修建于20世纪50、60年代，塘堰溢洪道多采用开敞式，排泄能力有限，加之施工条件差，技术力量薄弱，设计跟不上，不能充分发挥其功能。从运行情况看，全县30%以上的塘堰不同程度地存在着调节能力差、用水保证率低、溢洪道进口及泄流槽不规范、渐变段侧墙收缩角小、底坡平缓、堰后淹没出流导致排水不畅、泄洪能力减弱、滞洪库容太大而有效库容小、灌溉面积大而有效蓄水少等问题，迫切需要解决蓄水与防洪的矛盾，以提高工程效益。

2 塘堰迷宫堰工程设计

2.1 结构设计

图2 铜鼓山塘堰迷宫堰工程结构设计(单位:cm)

迷宫堰是由若干梯形或三角形组成的。苍溪县多数塘堰来水面积小，蓄水容积在10万m3以下，溢洪道宽1～2 m。以铜鼓山塘堰为例，塘堰迷宫堰工程的结构设计见图2。塘堰迷宫堰工程主要结构:一是在原溢洪道进口处设置一长3.6 m、宽2.4 m、高0.5～1.5 m 的平台;二是将迷宫堰进口前沿伸入塘堰中，设置3个边长1 m的等边三角形，呈三星状(即3个单宫)，3个单宫的总长度为6 m，加上两边边墙总展开长度为8 m，较原堰宽多7 m;三是堰体采用C20砼现浇面板，面板厚15 cm、高1 m，形如折叠的薄壁堰;四是溢洪道泄流槽挖深0.3 m，形成陡坡泄洪。在堰体与溢洪道边墙连接处可不设置温度应力缝。堰体亦可采取预制板嵌入底板的预留齿槽内，以满足防渗及水压力作用下的稳定性。溢洪时侧墙水舌下能满足水流的补气问题，故不考虑水流对堰体的气蚀作用。

2.2 水力设计参数

根据《迷宫堰水力特性的试验研究》、《迷宫堰水力特性综合研究及其应用》理论及国内迷宫堰设计经验，结合铜鼓山塘堰的集雨面积和库容，确定塘堰迷宫堰的具体设计参数:①溢洪道宽度1.0 m保持不变，堰高(P)1.0 m;②按《水工设计手册》，塘堰建筑物等级低于五级，按五级建筑物20年一遇洪水设计、200年一遇洪水校核，经调洪演算校核洪水为堰上水深0.18 m，得到最高水头(H)为0.18 m，堰上水头与堰高之比(H/P)为0.2;③宫数3 个，单宫宽 1.0 m，单宫展开长度 2.0 m，加上两边边墙总展开长度(L)8.0 m，宫顶宽(a)0，宫侧墙长度(b)1.0 m，宫夹角(α)60°。采用流量公式［2］——QL= σmLL(2g)1/2(H0)3/2，式中σ为淹没系数，mL为与展开长度有关的综合流量系数，L为总展开长度，g为重力加速度，H0为堰上水头。当塘堰达到校核洪水位0.18 m时，通过堰顶的下泄流量QL=1.14 m3/s，而采用原宽顶堰，水深H=0.18 m时，下泄流量仅为0.23 m3/s，因此可以得出结论，铜鼓山塘堰溢洪道改造为新型迷宫堰后排洪能力是原溢洪道的4.96倍。

2.3 调洪演算

调洪演算采用简化三角形法(高切林法)，计算公式为

式中:Va为调节洪水的库容，即滞洪库容;W为设计洪水总量，由推理公式求出;q为下泄流量;Qp为设计洪峰流量，由推理公式求出。

经调洪演算试算知:①起调水位500 m(在正常蓄水位基础上增加1.0 m水深的迷宫堰堰顶高程)，库容21000 m3。②按200年一遇洪水计算，入库洪峰流量1.23 m3/s，洪水总量4500 m3，相应滞洪库容600 m3，校核洪水位500.18 m，总库容21600 m3。③改造成迷宫堰后最大泄洪水深0.18 m，下泄流量为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，有效库容(有效蓄水)增加了3330 m3。④塘堰安全超高取0.3 m，经计算波浪爬高为0.2 m，安全超高加波浪爬高为0.5 m，现有坝高满足要求。上述计算结果表明:通过塘堰迷宫堰改造，可在不增加坝高的情况下减少滞洪库容、增加有效库容，从而提高工程效益。

2.4 土坝稳定性分析

苍溪县塘堰多为均质土坝，坝高一般为5～10 m，经过多年的运行坝体沉陷已趋于稳定，除个别坝坡较陡、筑坝材料存在质量问题外，一般滑坡较少。铜鼓山塘堰属于均质土坝，坝高为9.0 m，正常蓄水位抬高1 m后并没有抬高校核洪水位，即在非常运行情况下对大坝上、下游坡面的稳定安全系数影响较小，因此改造塘堰迷宫堰并不会降低坝体的稳定安全系数，反而增加了塘堰的防洪安全。需要注意的是，对于坝高超过10 m、坝坡较陡的土坝，需要进行稳定性复核。

2.5 造价分析

塘堰迷宫堰工程主要由基础平台及堰体两部分组成，基础平台可用浆砌条石或浆砌人头石砌筑，只要能满足防渗抗冲强度即可;堰体采用现浇C20砼面板，面板厚15 cm、高1.0 m。溢洪道边墙和底板砼用量小，按当地建筑材料价格，迷宫堰造价不超过2000元/个。

3 塘堰迷宫堰工程效益分析

(1)经济效益。铜鼓山塘堰改造成塘堰迷宫堰以后，仅1座水面面积0.33 hm2的塘堰就可增加蓄水3330 m3，相当于新修33口100 m3的蓄水池;1座水面面积1.33 hm2的塘堰可增加蓄水13320 m3，相当于新修133口100 m3的蓄水池，按当地蓄水池造价1.5万元/口计算，可节省投资50万～200万元。

(2)蓄水保水效益。资料显示，苍溪县80%的塘堰水面面积为0.33～1.33 hm2。进行塘堰迷宫堰改造后，按水面面积0.33 hm2计，蓄水位提高1 m可增加蓄水库容3330 m3;按水面面积1.33 hm2计，蓄水位提高1 m可增加蓄水库容13320 m3。同时，改造塘堰迷宫堰可使塘堰的复蓄能力相应提高，按全县3000座塘堰迷宫堰计算，全部建成后可增加蓄水库容999万～3996万m3。2011年四川省省委、省政府关于贯彻《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》的实施意见中提出“到2015年，基本完成‘再造一个都江堰灌区’建设任务，新增和恢复蓄引提水能力70亿m3”的要求，按50%县市实施塘堰迷宫堰计算，全省可新增蓄水8.9亿～35.0亿m3。

(3)防洪效益。塘堰迷宫堰工程建设不但增加了防洪库容、增强了水资源调控能力，而且对减轻江河干支流及三峡水库汛期防洪压力有着重要的作用。

(4)灌溉效益。按水面面积0.33 hm2计，塘堰迷宫堰工程蓄水位提高1 m就可增加蓄水库容3330 m3，可直接增加灌溉面积0.66 hm2以上，如果考虑复蓄能力则灌溉面积可达1.33 hm2;按水面面积1.33 hm2计则可直接增加灌溉面积5.33 hm2。按全县建设3000座塘堰迷宫堰计算，建成后可直接增加灌溉面积0.4万～1.6万hm2，灌溉效益显著。

(5)拦沙效益。作为小型水利水保工程，除蓄水保水、拦截洪水外，塘堰还具有拦截泥沙、减少泥沙入河、延缓河床抬高以及延长大型水利工程使用寿命等功能。

(6)粮食效益。资料显示，目前苍溪县水稻单产为9300 kg/hm2，大面积水稻田平均产量为9000 kg/hm2。按9000 kg/hm2计算，0.67 hm2水稻田产量约为6000 kg，而一座水面面积0.33 hm2的塘堰改造为新型迷宫堰后能增产粮食6000 kg，相当于解决了1个30人的生产作业组1年的口粮;若按水面面积1.33 hm2的塘堰计算能增加24000 kg粮食，相当于解决了1个120人的生产作业组1年的口粮。塘堰迷宫堰工程对提高粮食产量、增加环境容量和保障国家粮食安全有着重要的作用。

(7)社会效益显著。塘堰迷宫堰工程社会效益显著，一是减少了管理成本和人力投入，增加了塘堰的安全系数，遇到恶劣天气老百姓不用冒着风雨去断开引水渠以确保塘堰不翻坝;二是新建一座塘堰占用耕地会产生相应的费用，而改造塘堰迷宫堰工程节约了土地和资金，减轻了人地矛盾。

4 结语

塘堰迷宫堰与传统迷宫堰存在很大区别:传统迷宫堰通常建于溢洪道内，状似锯齿，锯齿方向一致朝上;塘堰迷宫堰则是将堰体伸入塘堰中，打破了建于溢洪道内的局限，锯齿朝向3个方向呈折叠状，除增长进口前沿外，折叠堰体面板三角形之间相互支撑，受力条件好。塘堰迷宫堰在运行时会出现水流流向相互冲击、泄水流态紊乱、相互干扰的现象，但与3个方向水流叠加形成的动能相比，干扰可忽略不计。同时，增加水槽的底板坡降又进一步增强了泄水槽的泄流能力。因此，只要堰后不产生淹没出流，塘堰迷宫堰运行可以实现高效泄洪的目标。

本文是以铜鼓山塘堰改造成迷宫堰，提高正常蓄水位1 m为例进行分析的，而实际上更多的塘堰水位提高超过1 m或不足1 m，因此在塘堰迷宫堰设计时应进行必要的洪水计算、调洪演算，根据塘堰迷宫堰上最大泄洪水深适宜控制在0.3 m以下的原则确定基本尺寸和堰高，同时视情况复核堰后溢洪道边墙高度。保证堰体及平台基础质量是确保塘堰迷宫堰运行安全的关键，因此对于塘堰漏水或坝坡不稳定的工程，应先治漏并且排除安全隐患后再进行改造。

［1］张绍芳，杜宝芝，刘云.迷宫堰水力特性的试验研究［J］.水利水电技术，1993(7):55－59.

［2］曾甑.迷宫堰水力特性综合研究及其应用［D］.南京:河海大学，2004:1－30.