某工程魚道局部模型試驗研究

果有雙，蘇 通，韓 超

（1.天津普澤工程咨詢有限責(zé)任公司，天津 300202；2.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222；3.河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津 300250）

1 工程概況

某工程魚道緊臨左岸土石壩，布置于土石壩和溢流堰之間的擋墻上，由進口水流調(diào)節(jié)池段、進口閘室段、普通池室、休息池室和出口閘室段等組成。進口水流調(diào)節(jié)池段長5.8 m，池寬由2.2 m漸變?yōu)?.0 m。進口閘室段長2.6 m。魚道于土石壩右岸的重力式擋墻上部折返布置，共3 趟，長度分別為39.4、42 和53 m。出口閘室段長3 m，出口段魚道12 m。魚道全長157.8 m，槽身寬1.0 m，底坡1∶31，進口底板高程1 062.30 m，出口高程1 066.4 m。

沿程設(shè)105 個普通池，池室長1.2 m、寬1.0 m。普通池之間設(shè)休息池，相鄰2 個休息池之間的普通池不超過15 個。共設(shè)6 個休息池，池室長2.4 m，轉(zhuǎn)彎段適當(dāng)加大，無底坡，寬度為1.0 m。魚道進口設(shè)一梯形水流調(diào)節(jié)池，以改善進口水流流速，池室長5.00 m、高2.70 m，底高程1 062.30 m，墻頂高程1 065.00 m。調(diào)節(jié)池后設(shè)閘門，以螺桿啟閉機啟閉。底部設(shè)有管徑70 cm 的生態(tài)放水管，出口設(shè)閥門和2 個支管。溢流堰位于魚道右側(cè)，長13 m，垂直河道布置，堰面為WES 曲線。堰頂高程1 067.50 m，堰高6.8 m，下游坡度1∶1。采用底流消能方式，壩后接消力池，池室長10 m、深0.8 m，末端接海漫和防沖槽。海漫長20 m，末端設(shè)混凝土防沖齒墻，后接防沖槽。

河道魚類共2 種，為新疆重裸唇魚和斯氏高原鰍。前者為新疆自治區(qū)Ⅰ級保護魚類，體長0.10～0.15 m，克流速度0.8～1.2 m/s，主要過魚季節(jié)為4—7月，發(fā)生洪水時不考慮過魚。

根據(jù)魚類特性及樞紐總體布置，魚道型式采用豎縫式隔板型式。該型式適用于多種洄游性魚類，且消能較充分，能適應(yīng)上下游較大的水位變幅。魚道上、下游運行水位與下泄流量有關(guān)，考慮生態(tài)流量1.32 m3/s 和魚道流量0.185 m3/s，初步確定運行水位如下：進口運行水位：過魚季節(jié)多年平均低水位1 063.30 m，變幅±0.3 m；出口運行水位：閘前正常蓄水位1 067.4 m，變幅±0.2 m。

2 研究方法和技術(shù)線路

研究采用數(shù)值模擬計算分析與物理模型試驗相結(jié)合的綜合技術(shù)手段，建立魚道三維紊流數(shù)學(xué)模型，對魚道的坡度、隔板體型等進行優(yōu)化，并開展魚道物理模型研究。

2.1 數(shù)學(xué)模型

計算采用VOF（The Volume of Fluid）法，這是求解不可壓縮、黏性、瞬變和具有自由面流動的數(shù)值方法，適用于兩種或多種互不穿透流體間界面的跟蹤計算。對每一相引入體積分?jǐn)?shù)變量aq，通過求解每一控制單元內(nèi)體積分?jǐn)?shù)值確定相間界面。當(dāng)aq=0 時，控制單元內(nèi)無第q 相流體；aq=1 時，控制單元內(nèi)充滿第q 相流體；0＜aq＜1 時，控制單元包含相界面。在每個控制單元內(nèi)各相體積分?jǐn)?shù)之和等于1，即：

aq應(yīng)滿足以下方程：

計算中所有控制單元表面體積通量的計算采用隱式差分格式，即：

式中：n+1 為當(dāng)前時間步指示因子；n 為前一時間步指示因子；aq,f為單元表面第q 相體積分?jǐn)?shù)計算值；V為控制單元體積；Unf為控制單元表面體積通量。

模型求解采用有限差分法，離散格式采用二階迎風(fēng)格式，壓力—速度耦合采用壓力校正法，時間差分采用全隱格式。

魚道計算區(qū)域長度取20 m，含12 個池室，考慮到水深對流速、流態(tài)影響不大，計算水深取1.0 m。計算區(qū)域網(wǎng)格大小為0.04 m×0.04 m×0.04 m，網(wǎng)格劃分采用笛卡兒正交結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，有效網(wǎng)格總數(shù)約56.6萬，計算模型與網(wǎng)格劃分如圖1—2所示。

圖1 計算模型

圖2 網(wǎng)格劃分

2.2 物理模型試驗

綜合試驗場地及供水條件，確定模型為正態(tài)模型，幾何比尺為αl=αh=1。水流運動主要作用力是重力，模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，保持原型、模型佛汝德數(shù)相等。模型建筑物采用有機玻璃制作，便于安裝及觀測流態(tài)，建筑物加工精度為±0.2 mm，滿足精度要求。局部模型選取魚道進口10個池室，模型布置如圖3所示。

圖3 模型布置

3 數(shù)模成果分析

通過魚道數(shù)值模擬計算分析，得出各測點的豎縫流速詳見表1。從表1可以看出，魚道豎縫處最大流速為1.08 m/s，平均流速為0.91 m/s。

表1 隔板過魚豎縫各測點流速m/s

池室內(nèi)流速流態(tài)矢量，如圖4—5所示。池室內(nèi)在主流區(qū)之外的池室兩側(cè)，存在小范圍回流區(qū)，無漩渦、水躍等產(chǎn)生，表底流態(tài)、流向基本一致。主流左側(cè)回流區(qū)明顯有利于魚類上溯過程中暫時休息，恢復(fù)體力。受邊壁影響，主流右側(cè)回流區(qū)不明顯，且范圍較小，伴有貼壁流產(chǎn)生，可能會對魚類上溯產(chǎn)生一定的影響。

圖4 池室內(nèi)流速流態(tài)矢量（表層）

圖5 池室內(nèi)流速流態(tài)矢量（底層）

4 物理模型成果分析

池室隔板豎縫的流速直接關(guān)系到魚類能否順利由下一級池室洄游到上一級池室，對1#～9#隔板過魚豎縫的流速進行了測量。在局部物理模型中，將測點布置在豎縫中線，從下到上設(shè)置5個測點，考慮到該處最大流速的重要性，采用旋漿流速儀對不同高程的最大流速進行測量，測點平面和立面位置如圖6—7所示，結(jié)果詳見表2。

圖6 隔板過魚豎縫流速測點平面布置

圖7 隔板過魚縫流速測點立面布置（單位：cm）

魚道隔板豎縫最大流速0.99 m/s，沿水深平均流速0.88 m/s，小于設(shè)計方案中0.9 m/s的限制流速，滿足要求。2#～9#隔板豎縫沿程最大流速0.92～0.99 m/s，各隔板過魚豎縫流速平均值0.82～0.94 m/s，無明顯增大或減小現(xiàn)象，說明魚道底坡和過魚豎縫尺寸設(shè)計合理。

表2 隔板過魚豎縫各測點流速 m/s

為分析休息池室內(nèi)水流分布，測量了池室不同水深流場分布情況，測點位置如圖8所示。

圖8 池室流態(tài)測點布置（單位：cm）

池室流態(tài)分布，如圖9 所示?？梢钥闯?，池室內(nèi)水流流向明確，主流順暢，無明顯扭曲，主流呈相對較緩“S”形流線，有利于目標(biāo)魚類上溯洄游。豎縫表面水流流向較為明確，無明顯水位跌落，出口附近流速約為0.67 m/s。主流經(jīng)過過魚孔后流向池室左側(cè)，受下一隔板和導(dǎo)板影響，沿墩頭繞至過魚豎縫。在主流區(qū)外的池室兩側(cè)，存在小范圍回流區(qū)，無漩渦、水躍等流態(tài)產(chǎn)生，表底流態(tài)、流向基本一致。主流左側(cè)回流區(qū)明顯，流速在0.15～0.22 m/s，有利于魚類上溯過程中暫時休息，恢復(fù)體力。由于受邊壁影響，主流右側(cè)回流區(qū)不明顯，且范圍較小，伴有貼壁流產(chǎn)生，可能會對魚類上溯產(chǎn)生一定影響。

圖9 池室流態(tài)分布（單位：m/s）

5 優(yōu)化方案試驗成果

為避免貼壁流產(chǎn)生，在池寬一定條件下，對隔板體型、角度、縫寬等進行優(yōu)化，最終確定基本維持原體型不變，導(dǎo)板加長至30 cm，隔板相應(yīng)縮短，豎縫寬度不變，如圖10所示。

圖10 豎縫隔板優(yōu)化后的尺寸（單位：cm）

對優(yōu)化后數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在主流區(qū)之外的池室兩側(cè)，存在小范圍回流區(qū)，無漩渦、水躍等流態(tài)產(chǎn)生，表底流態(tài)、流向基本一致。主流左側(cè)回流區(qū)明顯，有利于魚類上溯過程中暫時休息，恢復(fù)體力。主流右側(cè)有一小回流區(qū)，貼壁現(xiàn)象較之前明顯改善。

對優(yōu)化后物理模型試驗成果分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方案魚道池室內(nèi)水流流向明確，主流順暢，無明顯扭曲，呈相對較緩“S”形流線，有利于目標(biāo)魚類上溯洄游。豎縫表面水流流向較為明確，無明顯水位跌落，出口附近流速約0.85 m/s。主流經(jīng)過過魚孔后流向池室左側(cè)，受下一隔板和導(dǎo)板影響，沿墩頭繞至過魚豎縫。在主流區(qū)之外的池室兩側(cè)，存在小范圍回流區(qū)，無漩渦、水躍等流態(tài)產(chǎn)生，表底流態(tài)、流向基本一致。主流左側(cè)回流區(qū)較大，流速0.19～0.23 m/s，有利于魚類上溯過程中暫時休息，恢復(fù)體力。主流右側(cè)回流區(qū)較小，流速0.21～0.29 m/s，同樣給魚類提供短暫的休息區(qū)。優(yōu)化方案較原方案流態(tài)有較大改善，更有利于魚類上溯。

6 結(jié)論

（1）某工程魚道局部模型試驗主要采用數(shù)學(xué)模型與物理模型試驗相結(jié)合的技術(shù)手段。首先利用數(shù)模對隔板、導(dǎo)板等細部進行優(yōu)化，再利用物模試驗進一步優(yōu)化確定魚道的結(jié)構(gòu)及參數(shù)。

（2）利用大比尺物模試驗對隔板豎縫的流速進行了測量，隔板豎縫沿程最大流速0.92～0.99 m/s，各隔板豎縫平均流速0.82～0.94 m/s，無明顯增大或減小現(xiàn)象。

（3）利用物模試驗對池室的水力要素進行了觀測，池室內(nèi)水流流向明確，主流順暢，無明顯扭曲，主流在池室內(nèi)呈相對較緩“S”形流線，有利于目標(biāo)魚類沿主流上溯洄游。

（4）通過物理模型和數(shù)模計算，均發(fā)現(xiàn)池室主流右側(cè)回流區(qū)不明顯且范圍較小，伴有貼壁流產(chǎn)生，可能會對魚類上溯產(chǎn)生一定影響。

（5）在池寬一定的條件下，對隔板的體型、角度、縫寬等進行優(yōu)化，確定基本維持原體型，導(dǎo)板加長至30 cm，長隔板相應(yīng)縮短，豎縫寬度不變。通過優(yōu)化，池室內(nèi)流態(tài)有所改善，右側(cè)貼壁流消除，主流左右均有回流區(qū)，有利于魚類上溯過程中暫時休息，恢復(fù)體力。