蚌埠閘魚道池室水力特性數(shù)值模擬

陳瑩穎，祝 龍，喬鑫位，王曉剛

(1.南京水利科學(xué)研究院，通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；2.安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

蚌埠閘由新老泄洪閘、復(fù)線船閘和電站等組成，上游約150 km建有臨淮崗樞紐，下游至洪澤湖180 km河道沒有攔河建筑物。蚌埠閘上下游既有草魚、鰱、鳙等代表性產(chǎn)漂流性卵魚類分布，也有小規(guī)模產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵場分布(蚌埠閘以上淮河干流有鳳臺產(chǎn)卵場，下游有五河產(chǎn)卵場)。已建蚌埠閘利用閘壩泄流過魚，未設(shè)專門過魚設(shè)施，有必要新建蚌埠閘過魚設(shè)施，恢復(fù)淮河干流中游的連通性，促進(jìn)蚌埠閘上下游間的魚類資源交流。

豎縫式魚道因其過魚效率高、適應(yīng)水位變化能力強(qiáng)等技術(shù)優(yōu)勢在國內(nèi)外得到了廣泛的工程應(yīng)用[1]。上層魚類和下層魚類都可以適應(yīng)垂直豎縫式魚道，更利于上下游各種魚類的交流[2]。蚌埠閘魚道的設(shè)計(jì)水位變幅相對較大，綜合考慮工程特性和過魚對象的生態(tài)習(xí)性，蚌埠閘魚道采用垂直豎縫式魚道結(jié)構(gòu)形式。

研究發(fā)現(xiàn)，采用紊流數(shù)學(xué)模型能較好地模擬魚道水流結(jié)構(gòu)[3-4]，RNGk-ε紊流模型應(yīng)用于魚道水流模擬已較成熟[5]。本文通過建立蚌埠閘魚道池室三維RNGk-ε紊流模型，多測點(diǎn)精細(xì)化研究分析不同水層池室和休息池的水流流態(tài)、流速、豎縫最大流速以及池室坡度對池室水力特性的影響等，為蚌埠閘魚道的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)參考。

1 魚道設(shè)計(jì)

1.1 魚道設(shè)計(jì)流速

蚌埠閘魚道工程的設(shè)計(jì)流速指標(biāo)為0.6～1.0 m/s，結(jié)合工程實(shí)際，在魚道隔板設(shè)計(jì)時(shí)控制流速指標(biāo)在0.7 m/s左右，既能滿足大個(gè)體魚類上溯需求，又能兼顧游泳能力較弱的過魚對象。

1.2 魚道池室主要設(shè)計(jì)尺寸

根據(jù)蚌埠閘魚道的過魚對象體長、生活習(xí)性以及魚道的設(shè)計(jì)流速要求，蚌埠閘魚道選用單側(cè)豎縫式魚道，魚道池室尺度為池室寬2.5 m、池室長3 m、休息池取2倍池長(休息池宜為平底[6])、豎縫寬度0.4 m、設(shè)計(jì)水深1.5 m。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，提出一種隔板布置形式，細(xì)部尺寸見圖1。采用該垂直豎縫無翼板式隔板布置形式，蚌埠閘魚道水流條件容易控制，消能效果較佳；當(dāng)上下游水位同步變化時(shí)，較能適應(yīng)水位的變幅[7]；結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便。

圖1 蚌埠閘魚道一種隔板布形式平面(單位：mm)

2 數(shù)學(xué)模型

魚道數(shù)值計(jì)算區(qū)域長度取73 m，含16級池室和1個(gè)休息池，共17塊隔板。建立了池室坡度為1:100的魚道池室數(shù)學(xué)模型，研究不同坡度對池室水流影響時(shí)還計(jì)算了坡度為1:120和1:140時(shí)池室水力特性。休息池為平底，休息池長度為6 m。考慮到魚道水深對池室流速、流態(tài)影響不大，數(shù)學(xué)模型中池室計(jì)算水深取魚道正常運(yùn)行水深1.5 m。

2.1 基本方程

考慮不可壓縮水流流動問題，池室三維紊流數(shù)學(xué)模型采用RNGk-ε雙方程紊流模型并耦合VOF(the volume of fluid)技術(shù)對水流自由表面進(jìn)行捕捉，三維水流模型的控制方程為：

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

k方程：

(3)

ε方程：

(4)

對自由表面的捕捉采用VOF方法，在空間上定義函數(shù)F，全含水為1，不含水為0，當(dāng)為自由表面時(shí)，0

DF/Dt=0

(5)

2.2 模型驗(yàn)證

利用某魚道大比尺物理模型(模型比尺1:2.5)實(shí)測池室流速數(shù)據(jù)對本文數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。魚道池室流速見圖2。采用本文數(shù)學(xué)模型模擬魚道水流條件，獲得的魚道池室流速見圖3。驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，兩者流態(tài)基本一致，主流明確，主流兩側(cè)各有一弱回流區(qū)，主流最大流速在1.0 m/s左右。另外，對魚道最重要的豎縫流速(流速控制斷面)進(jìn)行驗(yàn)證，數(shù)學(xué)模擬豎縫總平均流速為0.97 m/s，最大流速為1.01 m/s；物理模型豎縫總平均流速為0.95 m/s，最大流速為1.05 m/s。兩個(gè)重要參數(shù)分別僅差2%和4%，說明本文數(shù)學(xué)模型參數(shù)取值合理。

圖2 某魚道池室物理模型流速(單位：m/s)

圖3 某魚道池室數(shù)學(xué)模型流速

3 水力特性

3.1 池室水力特性

池室上層(距底1.3 m)、中層(距底0.8 m)和下層(距底0.3 m)水流流速見圖4，池室主流流線見圖5。池室內(nèi)主流呈現(xiàn)S形彎曲，主流寬度與豎縫寬度接近，約0.4 m；主流流向明確、平順，池室左、右側(cè)各形成了一個(gè)漩渦，池室右側(cè)漩渦范圍較大，但兩側(cè)漩渦強(qiáng)度都很弱，流速大小在0.1～0.2 m/s，適合魚類休息。

圖4 坡度1:100時(shí)池室流速

圖5 坡度1:100時(shí)池室主流流線

為了定量了解魚道池室內(nèi)水流流速大小，在池室內(nèi)布設(shè)7個(gè)測流斷面(斷面間距0.5 m)，見圖6。每個(gè)測流斷面的每個(gè)水層均勻布設(shè)13個(gè)測點(diǎn)，上、中、下水層共設(shè)置273個(gè)測點(diǎn)，其中中層各測點(diǎn)流速見表1。根據(jù)各測點(diǎn)流速數(shù)據(jù)，池室上、中、下水層主流最大流速分別為0.64、0.68、0.69 m/s(縱向流速、橫向流速、垂向流速的合速度)，水層越低主流流速值越高；計(jì)算得池室內(nèi)主流最大流速平均值為0.67 m/s；273個(gè)測點(diǎn)中，流速大于0.6 m/s的測點(diǎn)僅7個(gè)，占總數(shù)的2.6%，且均在豎縫附近；流速不大于0.2 m/s的測點(diǎn)有188個(gè)，池室內(nèi)存在大范圍小流速區(qū)。

圖6 池室布設(shè)7個(gè)測流斷面(單位：mm)

表1 坡度1:100時(shí)池室中層流速v

另在距池底0.8 m水層上，在該池室7個(gè)測流斷面，每個(gè)斷面均勻布設(shè)20個(gè)測點(diǎn)，共計(jì)140個(gè)測點(diǎn)。該池室不同斷面最大流速見圖7，典型斷面上各測點(diǎn)在X、Y方向上的流速見圖8。由圖7可知，Z向流速最大值僅為0.02 m/s，說明在池室內(nèi)可忽略垂向水流影響，水流呈現(xiàn)二維特征；在X、Y向流速分布來看，池室主流在豎縫區(qū)前后X或Y向流速均較大，且Y方向發(fā)生了變化，說明主流流經(jīng)豎縫時(shí)發(fā)生一定轉(zhuǎn)向；主流在池室內(nèi)流速超過0.6 m/s的區(qū)域主要位于隔板豎縫附近區(qū)域，池室內(nèi)大部分區(qū)域主流流速在0.4～0.6 m/s；池室主流右側(cè)大部分區(qū)域流速較低，為0.1～0.2 m/s，適合魚類上溯過程短暫休息；池室主流左側(cè)區(qū)域有流速小于0.3 m/s的回流區(qū)，范圍較小且位于池室左側(cè)邊壁，不會對魚類上溯產(chǎn)生較不利的影響。

圖7 坡度1:100時(shí)池室中層不同斷面最大流速分布

圖8 坡度1:100時(shí)池室典型斷面流速分布

3.2 休息池水力特性

休息池上、中、下水層水流流速見圖9，休息池主流流線見圖10。休息池內(nèi)主流也略呈S形彎曲，主流寬度與豎縫寬度接近，約0.4 m；主流流向明確、平順，受休息池右側(cè)邊壁影響，主流貼右側(cè)壁流動；由于休息池長度較長，主流由上一級池室流入休息池后，在左側(cè)形成了一個(gè)較大范圍的漩渦，但漩渦強(qiáng)度很弱，流速值大小基本在0.1～0.2 m/s，適合魚類在此充分休息。

圖9 坡度1:100時(shí)休息池流速

圖10 坡度1:100時(shí)休息池主流流線

為了定量了解魚道休息池內(nèi)水流流速大小，在典型休息池內(nèi)布設(shè)13個(gè)測流斷面(斷面間距0.5 m)，見圖11。每個(gè)測流斷面每個(gè)水層均勻布設(shè)13個(gè)測點(diǎn)，上、中、下水層共設(shè)置507個(gè)測點(diǎn)。根據(jù)各測點(diǎn)流速數(shù)據(jù)，休息池上、中、下水層主流最大流速值分別為0.63、0.65、0.66 m/s，同樣是水層越低主流流速值越高；計(jì)算得休息池內(nèi)主流最大流速平均值為0.65 m/s，與池室主流最大流速平均值0.67 m/s相當(dāng)(僅低3.5%)；507個(gè)測點(diǎn)中，流速大于0.6 m/s的測點(diǎn)僅12個(gè)，占總數(shù)的2.4%，且均在豎縫附近；流速不大于0.2 m/s的測點(diǎn)有289個(gè)，休息池內(nèi)存在大范圍低流速回流區(qū)，流速值在0.1～0.2 m/s，適合魚類上溯休息；對比可知，休息池低流速區(qū)面積相比池室顯著增大，面積增大約54%，魚類由此得到足夠休息和輕松上溯的空間。

圖11 休息池布設(shè)13個(gè)測流斷面(單位：mm)

3.3 豎縫最大流速

為了確定魚道在豎縫處最大流速值，在沿程13個(gè)隔板豎縫間布設(shè)了多個(gè)測點(diǎn)，分別取上、中、下水層上的最大流速，不同隔板豎縫最大流速見表2。

表2 坡度1:100時(shí)豎縫最大流速值 m/s

豎縫處最大流速為0.79 m/s，從豎縫最大流速沿水深分布看，豎縫沿水深最大流速平均值沿程為0.67～0.76 m/s，豎縫平均最大流速分布較為均勻，沿程無明顯增大或減小現(xiàn)象。從豎縫垂向最大流速變化看，豎縫內(nèi)最大流速值沿水深變化較小，豎縫垂向最大流速變化僅為0.08 m/s，且與池室和休息池不同水層主流最大流速一致，也基本是水層越低豎縫最大流速值越高。魚道豎縫最大流速平均值為0.71 m/s，可滿足魚道設(shè)計(jì)流速指標(biāo)要求。

4 不同坡度對池室水力特性影響

為更全面了解該隔板形式魚道池室的水力特性，還針對池室坡度為1:120和1:140的情況建立三維數(shù)學(xué)模型，計(jì)算分析池室坡度對池室水力特性的影響。數(shù)值模擬結(jié)果分析中所取的3個(gè)水層、斷面、測點(diǎn)等位置和分布均與第3節(jié)一致。

池室坡度為1:120和1:140時(shí)，整體水流流態(tài)均與池室坡度1:100時(shí)差別不大，主流總體平順、流線呈S形彎曲，池室內(nèi)主流兩側(cè)形成兩個(gè)弱回流區(qū)，休息池內(nèi)主流左側(cè)形成一個(gè)較大范圍的弱回流區(qū)，但魚道內(nèi)流速整體偏小。不同池室坡度的魚道豎縫平均最大流速值與降低比例見表3。隨著池室坡度由1:100變緩至1:140，豎縫平均最大流速呈遞減趨勢、降低了16.9%；池室坡度為1:100和1:120時(shí)，魚道豎縫平均最大流速分別為0.71 m/s和0.65 m/s，滿足魚道設(shè)計(jì)流速要求；池室坡度為1:140時(shí)底坡較緩，魚道豎縫平均最大流速為0.59 m/s，小于魚道設(shè)計(jì)流速指標(biāo)。

表3 魚道豎縫平均最大流速特征值與降低比例

根據(jù)數(shù)模計(jì)算結(jié)果，綜合考慮魚道池室內(nèi)部水流條件和工程量，建議蚌埠閘魚道的池室坡度選為1:100～1:120，建設(shè)條件許可情況下可取相對較緩底坡，即1:120坡度，以營造良好的上溯水力條件。

5 結(jié)語

1)綜合考慮工程特性和過魚對象的生態(tài)習(xí)性，蚌埠閘魚道采用垂直豎縫式魚道結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)提出了一種無翼板式隔板布置形式。

2)通過建立三維紊流數(shù)學(xué)模型，計(jì)算分析了魚道池室和休息池水力特性。池室和休息池內(nèi)水流流態(tài)均較佳，主流基本呈S形彎曲、明確且平順，魚類上溯過程中無需急速轉(zhuǎn)彎，有利于節(jié)省體力；主流最大流速基本出現(xiàn)在豎縫附近，且水層越偏下主流流速相對越高；主流在池室左右兩側(cè)均存在較大范圍流速低于0.2 m/s的低流速區(qū)、在休息池內(nèi)存在大范圍的流速在0.1～0.2 m/s的弱回流區(qū)，適合魚類休息；隔板布置形式可滿足魚類在魚道內(nèi)輕松上溯和充分休息的要求。

3)池室坡度不同時(shí)，魚道整體水流流態(tài)差別不大，魚道內(nèi)水流流速整體隨坡度變緩而減小。池室坡度為1:100和1:120時(shí)，魚道豎縫平均最大流速分別為0.71 m/s和0.65 m/s，滿足魚道設(shè)計(jì)流速要求，為營造良好的上溯水力條件，建議條件許可情況下取相對較緩的1:120坡度。