同側豎縫式魚道直角轉彎休息池段體型研究

蒲 云 娟， 何 艷， 呂 海 艷， 魏 鵬 程

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072;2.西華大學，四川 成都 610039)

1 問題的提出

魚道作為梯級水電站建設的生態(tài)補償工程成為洄游魚類上溯的關鍵通道。其中豎縫式魚道能更好地適應上下游水位的變化，表層魚類和底層魚類都可以通過其上溯，從而更有利于上下游各種魚類的交流，是當今魚道工程建設最廣泛的應用型式。時至今日，許多國內外學者對豎縫式魚道典型池室的水力特性進行了研究，取得了一系列成果。戚印鑫和孫娟等[1]結合新疆某攔河樞紐魚道工程的物理模型試驗研究，分析了魚道流量系數的變化規(guī)律，推導出流量系數計算公式，得出魚道流量系數與常規(guī)堰的流量系數變化規(guī)律正好相反的結論。徐體兵和孫雙科[2]采用數值模擬計算的方法，研究了典型池室的長寬比和隔板墩頭體型對池室內水流流態(tài)的影響，得到池室的長寬比是影響水流結構的主要控制因素，而隔板是否設置墩頭對水流結構影響有限的結論。羅小鳳和李嘉[3]研究了豎縫式魚道導板的長度和導角的大小對池室內流場的影響，認為在魚道流量及池室長寬比一定的情況下，若不考慮邊壁阻礙作用，其導角越大，豎縫射流衰減速度越快, 主流軌跡的彎曲程度也越大、越容易沖撞到邊壁；而導板的長度對主流的擴散和衰減基本沒有影響, 但能改變主流在魚道內的位置進而改變邊壁對流態(tài)的影響程度；張國強和孫雙科[4]在選取池室的長寬比、導板長度和導向角度等參數后，研究了豎縫寬度對水池內水流結構的影響，給出了豎縫寬度的合理取值范圍。

在實際工程中，魚道設計需根據河道岸邊的實測地形地質條件布置，多存在直角轉彎段。通常將直角轉彎段與休息池結合布置，其底部為平坡。在直角轉彎段內，水流方向在有限的空間內發(fā)生改變，主流容易集中于一側邊壁，而另一側則會伴隨較大范圍的回流，導致魚類無法較好地感應到主流的水流方向，較容易在回流區(qū)內迷失方向而導致其無法成功上溯。但截止到目前，針對魚道直角轉彎段取得的研究成果較少，缺乏可供借鑒和參考的資料。因此，對直角轉彎段的水力特性進行研究十分必要。結合國內某水電站魚道工程的設計，采用物理模型試驗和數值模擬計算相結合的方法進行了豎縫式魚道同側縫的直角轉彎段體型研究，提出了改善水流流態(tài)的有效措施，旨在為魚道的設計與施工提供參考。

2 研究方法

2.1 體型研究

文中魚道典型池室段的底板坡度為2.6%，典型池室長3 m、寬2.4 m，豎縫寬度為0.35 m，插板采用“L”型，長插板長1.65 m，短插板長0.56 m。共研究了3種同側縫直角轉彎段體型：(1)體型一：轉彎段上游豎縫距轉彎段內側端頭2.4 m，下游豎縫距內側端頭1.3 m；(2)體型二：轉彎段上游豎縫布置于轉彎段內側端頭處，轉彎段外側設置半徑為1 m的1/4圓弧，下游豎縫距內側端頭1.3 m；(3)體型三：轉彎段上游豎縫距轉彎段內側端頭的距離為1 m，轉彎段外側設置半徑為1 m的1/4圓弧，下游外側設置整流板(距外側端頭的距離為3.4 m)，下游豎縫距內側端頭的距離為4.3 m。三種同側縫直角轉彎段體型見圖1。

(a)體型一 (b)體型二 (c)體型三

2.2 物理模型

物理模型按重力相似準則設計，采用比尺為1∶5的正態(tài)模型，采用有機玻璃模擬制作直角轉彎段以及其上下游典型池室段。試驗中的流量采用電磁流量計測讀；流速分布采用微型流速旋槳流速儀量測；流態(tài)觀測采用目測、照相及錄像的方式進行記錄。

2.3 數值模擬

數值模擬工具選用FLUENT軟件，計算模型選用Standardk-ε紊流模型，自由水面處理采用VOF法，固壁邊界處理采用壁面函數法，偏微分方程離散采用有限體積法，動量、紊動能和紊動耗散率插值采用二階迎風格式。計算區(qū)域包含直角轉彎段以及其上下游典型池室段。鑒于池室體型比較規(guī)則，故其網格劃分全部采用結構化六面體網格。計算區(qū)域與網格劃分示意圖見圖2。

圖2 計算區(qū)域與網格劃分示意圖

3 試驗成果與分析

3.1 物理模型試驗成果與數值模擬計算結果

采用物理模型和數值模擬分別對三種體型進行了測試與計算。其基礎工況為：魚道的引用流量為0.79 m3/s、魚道內運行水深為2 m。由于豎縫式魚道內水流總體呈現二維性質[5]，且其表層、中層和底層流場分布基本相似，故物理模型的試驗成果與數值模擬的計算結果均取水面下1 m的中層流場進行分析。三種體型的試驗成果與計算結果見圖3～5。

圖3 體型一的試驗成果與計算結果示意圖

3.2 成果分析

首先對物理模型的試驗成果和數值模擬的計算結果進行相互驗證。從平面流場可以看出：數值模擬計算的直角轉彎段水流流態(tài)與物理模型試驗的觀測結果基本相同。轉彎段水流流向明確，經過豎縫后主流擴散、流速減小，在受到直角轉彎的影響后主流存在一定程度的偏轉，池室左右兩側分布一定范圍的回流。研究隨機選取了三種體型中任意一斷面，對其相同位置處的物理模型實測流速值和數值模擬計算流速值進行了比較，數值模擬計算成果與物理模型試驗成果的對比情況見圖6。由對比結果可以看出：數值模擬計算值和模型試驗實測值基本吻合。

圖4 體型二的試驗成果與計算結果示意圖

圖5 體型三的試驗成果與計算結果示意圖

(a)體型一 (b)體型二 (c)體型三

各體型流場分布比較情況見表1。

表1 各體型流場分布比較表

體型一：水流流經轉彎段上游豎縫后受插板墩頭導角的影響，主流朝池室左側移動，由于上游豎縫距轉彎段端頭較遠，水流在進入彎道前即在池室左側發(fā)生碰壁，主流集中于左側側壁下行。

隨后，水流到達轉彎處，由于彎道效應，主流集中于轉彎段外側。水流流出彎道后，受下游豎縫的影響，主流漸漸往池室右側移動。該體型中，主流集中于外側壁面，中部與內側存在較大范圍的回流區(qū)，魚類上溯時可能會因回流區(qū)的存在而迷失方向。

體型二：轉彎段上游豎縫位于轉彎段內側端頭處，下游豎縫位于轉彎段內側端頭下游1.3 m處，轉彎段的空間較為局促。由于受到上下游兩組插板的約束，水流在流出上游豎縫后主流未能充分擴散便轉彎進入到下游豎縫中。整個轉彎段內的水流主流過于集中、流向偏轉變化較快，水流較紊亂、流態(tài)較差。該體型中，主流集中于轉彎段內側，外側存在較大范圍的回流區(qū)且回流區(qū)的強度較大，同樣不利于魚類上溯。

體型三：上游豎縫距轉彎段內側端頭的距離為1 m，介于體型一(2.4 m)與體型二(0 m)之間，水流流出上游豎縫后其主流有較充分的擴散空間，在流速降低后其主流仍位于池室中部時再轉彎。水流轉彎后其主流雖然較靠近外側壁面，但由于下游豎縫充分下移(距轉彎段內側端頭達4.3 m)，轉彎段的空間較大，水流有充分的空間調整主流流向。同時，轉彎段下游左側增設的整流板將主流往右側偏移并有效地阻隔了外側壁面回流區(qū)的發(fā)展。該體型中，水流主流明確、基本位于池室中部，回流區(qū)范圍較小、強度較低，適宜魚類休息和繼續(xù)上溯。

根據對三種體型的試驗結果進行分析后可以看出：轉彎段上游豎縫的布置位置對轉彎段內的水流流態(tài)有較明顯的影響，上游豎縫距轉彎段端頭較遠會導致水流主流貼近外側壁面，導致其內側分布大范圍回流，距離轉彎段端頭太近會導致水流主流過于集中、頂沖外側壁面，水流流態(tài)較差。根據試驗結果可以得出以下結論：上游豎縫距轉彎段內側端頭1～1.5 m較為適宜。將轉彎段外側設置為1/4圓弧順接后，水流轉彎時能更順暢、更平穩(wěn)地銜接過渡，從而進一步減小了轉彎段外側的回流范圍。考慮到直角轉彎段內水流的彎道效應較為明顯，轉彎段下游需要給予充分的空間讓水流進行調整，故將轉彎段下游豎縫與內側端頭之間的距離設置為大于一個典型池室的長度較為適宜。由于水流直角轉彎后其主流較多地集中于外側，為了進一步調整水流主流的位置使其大致位于池室中部、同時阻隔外側壁面回流區(qū)的發(fā)展，需要在直角轉彎段外側下游設置整流板。

4 結 語

采用物理模型試驗和數值模擬計算相結合的方法、依托國內某水電站魚道工程的實際情況，對豎縫式魚道同側縫直角轉彎休息池段的水流流態(tài)和流場分布進行了研究并得到以下結論：

(1)轉彎段上游豎縫的位置對轉彎段內的水流流態(tài)有較明顯的影響，上游豎縫距轉彎段端頭太遠或太近都會導致水流主流集中、回流區(qū)范圍較大，均不利于魚類上溯。研究結果表明：上游豎縫距轉彎段內側端頭1～1.5 m可以獲得較好的水流流態(tài)。

(2)直角轉彎段內水流的彎道效應較為明顯，下游需要較充分的空間讓水流進行調整。研究結果表明：轉彎段下游豎縫與轉彎段內側端頭之間的距離大于一個典型池室的長度較為適宜。

(3)在直角轉彎段下游外側增設整流板后，主流基本位于池室中部，回流區(qū)的分布范圍減小、流速降低，形成了有利于魚類上溯的流態(tài)特征。研究結果表明：增設整流板的輔助措施效果良好，在實際工程的設計和施工時可以考慮采用。