竖缝式鱼道结构及水力特性研究

罗小凤，李 嘉

（四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065）

竖缝式鱼道结构及水力特性研究

罗小凤，李 嘉

（四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065）

随着越来越多大坝堤堰的修建，鱼类的洄游和繁殖受到了严重的影响。为了保持鱼类的生存繁衍，许多水利枢纽工程中都建有鱼道。研究利用fluent软件模拟了竖缝式鱼道的流场，并用模型试验对数值模拟进行了验证，分析了竖缝式鱼道导板的长度及导角大小对鱼道内流场的影响。研究结果表明：在鱼道流量及水池长宽比一定的情况下，若不考虑边壁的阻碍作用，导角越大，竖缝射流的衰减速度越快，主流轨迹的弯曲程度也越大，也越容易冲撞到边壁；导板的长度基本上对主流的扩散及衰减没有影响，但能通过改变主流在鱼道内的位置来改变边壁对流态影响程度。关 键 词：鱼道；数值模拟；导板；导角

1 概 述

鱼道是为了让鱼类能克服水利工程的阻碍，顺利迁移和产卵而修建的过鱼建筑物。鱼道形式主要有两类：池式鱼道（由一系列水池和堰、竖缝或潜孔组成）和槽式鱼道（由水槽和布置在底部或边壁上用以加糙的隔板组成）。竖缝式鱼道是池式鱼道中一种应用比较广泛、过鱼效率较高的布置形式。最早的竖缝式鱼道是位于加拿大弗雷塞（Fraser）河上的鬼门峡（Hell＇s Gate）［1］。这种鱼道是由有一定底坡的矩形水渠加上一系列的竖导式隔板组成的，整个鱼道被隔板分割成一个一个鱼道池，上游来水通过竖缝从一个水池进入下一个水池。水流经过竖缝后形成射流，并通过在水池中的掺混作用将能量耗散，而鱼道竖缝处的流速必须小于所过鱼类的最大游泳速度。国外，加拿大阿尔伯特（Albert）大学的Nallamuthu Rajaratnam［2］曾对7种设计形式的竖缝式鱼道进行流场分析，得到鱼道的尾水深度对鱼道内水流流态的影响；S．Wu［3］通过实验研究发现鱼道的坡降在5%时，流态有明显的二维特征，当坡降在10%和20%时，上下层流态出现差异而表现为三维特征；美国土木工程协会（ASCE）的J．Puertas［4］对比分析了有无墩头对三维水流流态及水力特性的研究；西班牙的L．J．Alvarez［5］对竖缝式鱼道最优结构设计（挡板和导板的最佳设计位置）提出了数学运算法则。国内老龙口水利枢纽，三湾水利枢纽，以及长洲鱼道也都采用竖缝式鱼道设计；水利水电科学研究院的徐体兵和孙双科［6］研究了鱼道池的长宽比及墩头长短对鱼道内的流态影响。综合上述研究，可以看出，影响鱼道内水流流态的因素，除流量外，主要有鱼道的长宽比、竖缝宽度、导板隔板位置以及导向角度等。本文以西藏狮泉河鱼道为原型，按1∶8的比例建立模型，通过数值模拟计算，系统地研究了鱼道导角及导板长度对鱼道内水流流态的影响。

2 数学模型及试验验证

2．1 计算模型和计算方法

S．Wu［3］认为，当竖缝式鱼道坡度小于5%时，其流态具有典型二元特性，本文研究的鱼道坡降为3．57%，所以采用了二维流场来模拟鱼道水流。为降低进出口对水池内流态的影响，本文共模拟计算了5个水池的流场［6］，取第4个水池的成果进行分析。如图1，θ为导角，a为导板长度，θ与a即为本文所研究的变量。B为鱼道宽度，L为单个水池长度，B0为竖缝宽，在本文中，水池长宽及竖缝宽度为恒定值，B＝0．312 5 m，L＝0．465 m，B0＝0．05 m。

图1 鱼道平面布置图Fig．1 Layout p lan of the fishway

数值计算采用fluent流体计算软件，模型采用西藏狮泉河鱼道原型同比例缩小8倍后的尺寸，L＝0．465 m，B＝0．312 5 m。研究导角大小对流态的影响时，取导板长度为0．05 m，计算了导角分别为0°，30°，45°，60°，90°时的5种情况；研究导板长度的影响时，取导角为45°，计算了导板长分别为0．01，0．03，0．05，0．06，0．08，0．1，0．12 m共7种情况。2．1．1 控制方程

方程为不可压缩流体的连续方程和N-S方程，形式如下：

连续方程

运动方程

紊流模型采用标准的κ－ε方程模型：

式中：u，v分别为x，y方向的速度；ρ是水的密度；p是瞬时静水压力；v和vt分别表示水的运动粘滞系数和涡动粘滞系数，其中vt＝Cμ；fx，fy分别是x，y方向上的体积力加速度；κ是紊动能；ε是紊动能耗散率；σk，σε，C1ε，C2ε均为模型常数，在该模型中Cμ＝0．09，C1ε＝1．44，C2ε＝1．92，σk＝1．0，σε＝1．3。

2．1．2 计算方法

边界条件中，进口断面给予恒定入流速度v＝0．072 9 m／s（在模型试验中，鱼道入口段之前有一段流速缓慢的矩形明渠恒定流，所以入口流速由模型试验实测的恒定流水深hf和进口流量Q算得，Q＝4．42 m3／s，hf＝0．193 8 m；这与模型试验测得的行近流速v＝0．097 13也很一致）；出口断面采用自由出流。流场计算采用协调一致的压力耦合方程组半隐式方法（SIMPLEC），为加快迭代过程解的收敛性，对压力修正方程采用欠松弛技术，取压力欠松弛因子为0．7；时间步长取0．005 s；κ，σ采用以下经验公式计算

式中：v为入口流速；h为测量水深。计算得

2．2 模型验证

模型全长6．475 m，宽为0．312 5 m，深2．5 m，整个水槽包括10级水池，单个水池长l为0．462 5 m，导板长0．05 m，导角为45°，鱼道底部坡降为1∶28即3．57%。水槽使用有机玻璃制成，进口流量的测量采用三角堰，流速采用旋浆测速仪测量，模型布置如图2所示。

图2 模型布置Fig．2 Arrangement of themodel

图3、图4分别对比了导板长0．05 m，导角为45°时，距离竖缝0．1 m和0．2 m处横断面上流速的实测值和计算值，v为流速，d为横向距离。图上显示，计算值和测量值整体吻合较好，由于实验仪器对边壁的影响及计算模型未考虑壁函数等原因，在靠近边壁的地方差别稍大。

3 计算结果与分析

3．1 导角对鱼道水流结构的影响

不同的导角使从竖缝进入水池的射流形态有根本差别，从而导致水池中水流流态也有很大差异。本文针对导板长度为0．05 m的情况进行了计算。如图5所示，水池中存在着2种不同流态，即连通两级竖缝的主流区和形成封闭流线的回流区。当导角为0°时，主流平顺，竖缝射流与水池中其他区域掺混非常少，长挡板之间的回流区很大，导板之间回流区很小；30°时，主流微向上弯曲，掺混较0°充分，导板之间的回流较小，长挡板之间的回流较大；45°时，主流呈现显著的S形流线，主流在充分掺混后向下转入另一个竖缝，两个回流区较对称；60°时，竖缝处出射角度增大，主流有部分贴近边壁行进，导板两侧回流区增大，长挡板两侧回流区缩小；90°时，流态与60°较相像，导板两侧回流区占了整个回流区的大部分，长挡板两侧回流区非常小，主流呈“Ω”形，且大部分贴壁行走，没有得到充分掺混。

图3 距离竖缝x＝0．1 m处流速与横向距离关系曲线Fig．3 Com parison of calculated results w ith field data in the relation curve between velocity and transverse distance while the distance to vertical seam x＝0．1 m

图4 距离竖缝x＝0．2 m处流速与横向距离关系曲线Fig．4 Comparison of calculated resultsw ith field data in the relation curve between relocity and transverse distance while the distance to vertical seam x＝0．2 m

图5 不同导角下的流线图Fig．5 Stream lines for different lead angles

速度的耗散程度可以用vm／vs表示（vm为主流上的最大流速；vs为各横断面上的最大流速），如图6所示，当导角变化时，不同角度下的速度大小及速度耗散程度是不同的。在导角为0°和30°时，主流的整体耗散程度较低；在导角为45°～90°的时候，主流耗散程度随角度增大而增大，竖缝射流也在水池中得到较充分的掺混。但是在水池后半段，导角为45°，60°及90°时，出现了流速突然增大，耗散程度减小的现象。从图6可以分析其原因：导角为0°和30°时，主流平顺且回流范围很大，这表明竖缝射流与周围的掺混较弱，无法充分消能，所以主流耗散程度低；导角在45°～90°时，竖缝射流的出射角度大，主流在转入下一道竖缝前，受到墩头的阻档，流线发生弯曲并开始密集，使墩头附近流速增大；当导角为90°时，竖缝附近主流的耗散速度很快，但是由于竖缝出流角度太大导致主流很快贴近边壁，且沿边壁进行，此时主流受到束缚而使流速略有增大。

综合以上分析，我们可以得出以下结论：导角越大，竖缝射流的流速耗散越快，但是由于边壁对主流有约束作用，所以并不是导角越大越好；当导角为90°时，虽然主流刚从竖缝射出时流速耗散很快，但是在撞到边壁后不能充分掺混，导致耗散减小而使vm＞0．55，而其他工况下vm＜0．55（可见图6（b）），所以本文研究的鱼道设计中，90°的导角并不是最优选择；另外从图6（a）也可以看出，导角越大，流线的弯曲程度越大，从而导致导角为60°和90°时，导板两侧回流区很大，没有充分利用于主流的掺混消能。墩头下方的水流由于主流弯曲程度过大而贴进下边壁，也无法充分扩散。

3．2 导板长度对鱼道水流流态的影响

因为导板的长度可以改变竖缝在水池中的相对位置，所以本文将导角固定为45°，研究了竖缝的位置对鱼道内主流流态的影响。从而可以看到，在挡板长度为0．01 m和0．03 m时，主流上最大流速值均较大；当导板长度达到0．05 m以后，最大流速曲线基本趋于一致；在导板长度为0．12 m时，由于主流基本位于水池上部，受到上边壁的阻碍而得不到充分掺混，流速开始增大（见图7）。

图6 不同导角对应的纵向最大流速和流速耗散程度曲线Fig．6 Curves ofmaximum longitudinal velocity and velocity dissipation for different lead angles

图7 不同导板长度对应的纵向最大流速沿程变化曲线Fig．7 Maximum longitudinal velocity curves for different guide lengths

由于沿程最大流速曲线在导板长度在0．05～0．1 m的范围内，基本趋于一致，由此可见对于一定水池宽度及竖缝宽度的模型中，导板长度在某范围内对主流流态影响是很微弱的，但是其对两侧回流的位置及流速分布影响是不可忽略的。

4 结 论

通过对竖缝式鱼道的数值模拟计算，本文研究了竖缝宽度和导板长度对鱼道水池内主流流态的影响。可得以下结论：

（1）导角的大小决定了竖缝射流的方向及其在水池内的掺混强度，导角越大，主流衰减越迅速，但是由于受到边壁的约束，导角大的情况下，主流很快就沿边壁前进而得不到掺混。

（2）导角越大，主流的弯曲程度越大，这也使得导角过大的时候，主流沿边壁前进而形成很大的回流区，而使水池中很大一部分空间得不到充分地利用。可以考虑改变水池的长宽比来利用大角度衰减快的优势，而避免使主流过早冲撞边壁且大部分空间得不到利用。

（3）导板长度在一定范围内对主流的流态基本无影响，超出这个范围以后，由于边壁的约束而使得主流无法掺混，流速整体增大。

另外，本文主要讨论导板长度和导角大小对水流流态的影响，为找到最优的水池构造，还需要结合水池长宽比等影响因素进一步进行研究。

［1］ 董志勇，冯玉平，ERVINE A．异侧竖缝式鱼道水力特性及放鱼实验研究［J］．水力发电学报，2008，27（6）：126－130．（DONG Zhi-yong，FENG Yu-ping，ERVINE A．An experimental study of hydraulic characteristics and fish test in vertical slot fishway from side to side［J］．Journal of Hydroelectric Engineering，2008，27（6）：126－130．（in Chinese））

［2］ RAJARATNAM N，Van der VINNE G，KATOPODISC．Hydraulics of vertical slot fishways［J］．Journal of Hy-draulic Engineering，1986，112（10）：909－207．

［3］ WU S，RAJARATNAM N，KATOPODISC．Structure of flow in vertical slot fishway［J］．Journal of Hydraulic En-gineering，1999，125（4）：351－360．

［4］ PUERTAS J，PENA L，TEIJEIRO T．Experimental Ap-proach to the Hydraulics of Vertical Slot Fishways［J］．Journal of Hydraulic Engineering，2004，130（1）：10－23．

［5］ ALVAREZ-VAZQUEZ L J，MARTINEZ A，RODRIGU-EZ C，et al．Optimal shape design for fishways in rivers［J］，Mathematics and Computers in Simulation，2007，76：218－222．

［6］ 徐体兵，孙双科．竖缝式鱼道水流结构的数值模拟［J］．水利学报，2009，40（11）：1386－1391．（XU Ti-bing，SUN Shuang-ke．Numerical simulation of the flow structure in vertical slot fishway［J］．Journal of Hydraulic Engineering，2009，40（11）：1386－1391．（in Chi-nese））

（编辑：曾小汉）

Study on Structure and Hydraulic Characteristics of Vertical-Slot Fishway

LUO Xiao-feng，LIJia
（State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

Owing to the increase of dam construction，fishmigration and fish spawning have been severely affected．In order tomaintain the fish to survive and multiply，many fishways have been built．In this paper，a series of nu-mericalmodel testswere conducted to simulate the flow fields of vertical-slot fishways via the fluent software．And afterwards physicalmodel experiments were performed to verify the numerical simulation．The impacts of guide plate length and lead angle on the flow field were analyzed．The results show thatwhen the discharge and the length to breadth ratio of the fish-pond are constant，ignoring the influence of the side wall，the larger the lead angle is，the faster the vertical slot jet will decay，the more meandering the mainstream will be，and the easier the main-stream will collide the side wall．The results also show that the length of the guide has barely any direct effect on the spread and decay ofmainstream，but itwill impact on flow field through walls as it changes the location ofmain-stream in the fishway．

fishway；numerical simulation；guide length； lead angle

TV135．1

A

1001－5485（2010）10－0050－05

2010-08-19

罗小凤（1986-），女，湖南衡阳人，硕士研究生，主要从事环境水力学方向研究，（电话）0716-8121896（电子信箱）boyluoxfstudent＠sina．com。