一种改进的横隔板竖缝式鱼道研究

张立仁，乔 娟，王 杰，肖 滨，陈地伟，刘建明

（三峡大学 科技学院，湖北 宜昌 443002）

鱼道是在水利工程中的闸、坝或河道天然障碍处为方便鱼类洄游而设置的一种过鱼建筑物，是水生态保护与修复的重要工程措施，其按结构布置可分为池堰式、潜孔式、垂直竖缝式、仿自然通道及特殊结构型式等。国外关于鱼道的立法和建设已有数百年历史，如1883年，苏格兰胡里坝建成了世界上第一座鱼道。我国自20世纪20年代开始鱼道的研究，1960年在黑龙江省兴凯湖兴建了第一座鱼道，1963年水利电力部和水产部联合颁发“在水利建设和管理上注意保护增殖水产资源的通知”是我国有关鱼道方面的最早文件［1-2］。

21世纪以来，随着水利工程建设步伐的加快，我国又迎来了一个过鱼设施研究和建设的新兴阶段，近期有21座鱼道工程兴建，如广西的长洲鱼道、广东连江西牛鱼道、吉林老龙口鱼道等，这些鱼道以垂直竖缝式为主，占总数的75%，即在我国，横隔板竖缝式鱼道因其过鱼效率较高而被广泛应用。

横隔板竖缝式鱼道的经典结构一般由槽身边墙、竖直平面隔板、休息室及进出口建筑物组成，但其也存在不足［1-5］。

本研究对传统的横隔板竖缝式鱼道进行了结构的优化改进，提出了一种新型的流线形横隔板竖缝式鱼道结构。

1 流线形结构的优越性

1.1 结构组成

本流线形横隔板竖缝式鱼道主要由进口装置、椭圆弧—圆弧连拱式槽身边墙结构、圆弧形隔板结构、半圆形休息室、出口装置等组成，整体结构示意图如图1所示，横隔板与槽身连接的细部结构图如图2所示。

图1 流线形横隔板竖缝式鱼道整体结构模型

图2 流线形横隔板竖缝式鱼道局部示意图

本研究中设计了一鱼道结构，尺寸参考了国内外已建和在建工程，如图3所示。

1.2 设计思路

鱼类通过鱼道洄游时，需要依靠自身力量通过鱼道全程而到达上游，因此在设计鱼道时要考虑水流流态、水流紊动能剪切力以及水流流速对鱼类洄游的影响。水流流态好、主流方向明确、紊动能小、流速稳定是对鱼类洄游有利的水力条件。流线形横隔板竖缝式鱼道结构设计的出发点来源于现实水利工程中过水结构多为流线形的经验特点，对于传统结构做了创新改进。

（1）将传统的与边墙垂直的竖直平面式横隔板改进成圆弧形。思路为圆弧形的横隔板有较好的引导水流作用，使鱼道内水流流态平缓，主流明确，漩涡减小，有利于鱼类导向明确地、安全地通过鱼道，提高鱼道的运行效果。

（2）将传统的竖直鱼道边墙改进成椭圆弧-圆弧连拱式结构，并将边墙与圆弧隔板的水平连接夹角增大，隔板出水边切线方向与槽身切线方向平行，尺寸如图3所示。思路为考虑到传统横隔板竖缝式鱼道的槽身边墙和竖直隔板的连接形式在平面上为垂直形式，这就对隔板的受力性能和结构耐久性有较高的要求，且连接处水流边界条件突变也将对水流流态有较大的影响，改进设计后，圆弧形横隔板与连拱式边墙的连接与布置使过流水流边界条件平顺，减少折冲水流对横隔板的冲击以改善其受力性能和提高结构耐久性，优化了水流流态。

（3）以上流线形的横隔板与边墙结构也有利于鱼道排沙，降低运行及维护成本。

1.3 结构优越性的论证

本研究将分别通过FLUENT软件建模计算及室内模型试验综合对比分析来对其优越性进行验证。

为使数值计算与模型试验结果有良好的可比性，数值建模尺寸与试验模型尺寸均采用了相同的缩放比例，水流流速边界条件的设定主要考虑到模型中重力相对粘性力起主导作用。本研究中原型与模型的长度量纲比例设定为10∶1，即LY/LM=10。另外因试验环境与原形运行环境的重力加速度保持相同，则有gY=gM。鱼道原型上游水流入口设计速度vY=1.2m/s，则由量纲分析法相似理论及弗汝德准则，鱼道原形与模型的相似关系有：

即可推出鱼道模型的流速表达式为：

式中 Fr为弗汝德数，无量纲；LY、LM为分别为原型及模型的池室长度（m）；vY、vM分别为原型及模型鱼道内的流速（m/s）；gY、gM为分别为鱼道原型及模型的重力加速度值（m/s2）。

将以上鱼道原型的相关数据代入式（2），可得出计算及试验中鱼道模型上游水流入口处的边界流速vM为 0.38m/s。

本研究论证工作共采用了3组模型，①模型1为直线型槽身和横隔板，即传统的横隔板竖缝式鱼道模型；②模型2为直线型槽身和圆弧形横隔板，即仅改造了横隔板结构的鱼道模型；③模型3为椭圆弧—圆弧连拱式槽身和圆弧形隔板，即本研究提出的流线形鱼道模型。设计3种不同鱼道模型的目的为拟通过逐步的分析计算及试验，来验证圆弧形横隔板及椭圆弧—圆弧连拱式槽身较传统结构的优越性。3组模型的池室长度L为20cm，池室宽度B为15cm，底坡 i为 1∶10，竖缝宽度 S为 3cm。

1.3.1 FLUENT软件数值模拟计算分析

本数值计算分析目的是对比竖直隔板和圆弧形隔板对鱼道内水流流态的影响，为建模方便，鱼道槽身边墙均采用相同的直墙结构，即模型1与模型2。

图4为传统横隔板和圆弧形横隔板鱼道模型的水流流态及流速比较图，由图4可以看出，此两种鱼道模型的主流路径均比较明确，但圆弧形横隔板鱼道的主流相对更为明确且路径较短，漩涡较小，流速分布均匀，流态较好，即通过数值计算可以说明，对于横隔板竖缝式鱼道而言，圆弧形横隔板结构优于传统的与边墙垂直的竖直平面式横隔板。

1.3.2 室内模型试验研究

在1FLUENT软件数值模拟计算论证了圆弧形横隔板是优于传统横隔板结构的基础上，本研究又对3组模型分别进行了室内模型试验，用以对比研究不同槽身边墙及横隔板结构对鱼道的水流流态的影响。

图5为3组模型局部槽室的试验过程照片。图5及试验过程观察表明，对于模型1，即传统的横隔板竖缝式鱼道，有明显的水流紊动，漩涡较多，主流方向相对模糊；对于模型2，即圆弧形隔板竖直边墙鱼道，水流紊动较小，主流较明确，但在边墙与隔横板连接处较易产生折冲水流；对于模型3，即流线形鱼道，流态平顺，主流明确，无明显漩涡产生，水流紊动现象较前两种模型小，没有折冲水流产生，这将更利于鱼类通过。

图5 3组鱼道模型试验过程的水流流态比较

2 结语

（1）当今应用于国内外水利工程中的鱼道种类较多，但其过鱼效果参差不齐，就鱼道结构本身而言，能否主流明确且较短的、水流紊动性较少的让鱼类以较小的体能损耗及身体损伤成功地由河道下游回溯到上游，是评价鱼道结构优越性的重要因素［1-5］。

（2）提出的流线形横隔板竖缝式鱼道是对应用较多的传统横隔板竖缝式鱼道的改进结构，数值计算及室内模型试验结果表明，本结构可以使鱼道内主流的方向更为明确且路径变短，并能改善其内部水流流态，使过水水流更为平顺，紊动现象及漩涡减少，这样更有利于鱼类导向明确地、安全地通过鱼道，提高鱼道的运行效果。

（3）提出的流线形横隔板竖缝式鱼道结构为参加第三届全国大学生水利创新大赛作品，因时间及试验条件的限制，还有许多需进一步研究及完善之处，如圆弧形横隔板的形状、尺寸的优化，连拱式鱼道边墙的形状、尺寸的优化，横隔板与边墙连接布置等。另外试验结果也表明，因过水水流平顺，流线形横隔板竖缝式鱼道较传统结构而言内部流速会稍有提高，若应用于极限流速较低的鱼类洄游，应进一步采取消能措施。

［1］曹庆磊，杨文俊，周良景.国内外过鱼设施研究综述［J］.长江科学院院报，2010，27（5）:39-43.

［2］刘志雄，周赤，黄明海.鱼道应用现状和研究进展［J］.长江科学院院报，2010，27（4）：28-31.

［3］于广年，王义安.依兰航电枢纽过鱼设施水流条件研究［J］.水道港口，2011，32（6）：423-426.

［4］曹庆磊，杨文俊，陈辉.异侧竖缝式鱼道水力特性试验研究［J］.河海大学学报（自然科学版），2010，38（6）：698-703.

［5］董志平，冯玉平，Ervine.同侧竖缝式鱼道水力特性及放鱼试验研究［J］.水力发电学报，2008，27（6）：121-125.