涵洞过鱼通道典型挡板水力特性研究

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(三峡大学 a.水利与环境学院;b.三峡库区生态环境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

随着流域资源的开发，鱼类的上溯洄游常常受到如大坝、船闸和涵洞等人为障碍物的阻隔。鱼道可以沟通鱼类洄游路线、恢复鱼类正常繁殖的习性，对于保护水产资源、发展渔业生产有积极作用。对洄游性鱼类来说，不论是上溯还是下行，过鱼通道的畅通是非常重要的，因为这些鱼类在产卵繁殖和幼鱼生长的过程中需要在淡水和海水水域之间穿梭洄游。

涵洞作为路桥建设中一种特有的河流修复手段，其基本功能除了为公路和桥梁系统提供输水通道，还必须为所在流域的鱼类和其它水生动物提供一条能顺利通过路桥障碍的通道。遗憾的是，工程师们在设计新涵洞时，关注的重点仍是涵洞结构的水力效率最大化和最大程度地降低工程造价，而忽视了鱼类及无脊椎动物对栖息地和自由迁徙的需求[1-2]。

涵洞是否会成为鱼类迁徙的障碍，取决于众多因素，包括洞内的水流流速和鱼类的游动能力。与此同时，在高速水流环境中，是否存在供鱼类休息的低流速区也是涵洞设计中需要考虑的一个重要因素。因此，要设计帮助鱼类在河流障碍物附近顺利上溯洄游的方案，必须根据当地环境和可能通过的鱼种或种群的实际情况来进行优化。在鱼类的生态习性、主要过鱼季节、游动能力、游动行为等指标或参数的基础上，结合涵洞所在流域的地形地质和水文资料，对涵洞的外形尺寸和内部结构进行设计，确保涵洞式鱼道建成后，其内部的水力条件能够达到鱼类通过的要求。在加拿大，涵洞式鱼道设计准则是获得设计条件下涵洞内特定的平均流速，且要求该流速值不得超过当地鱼种的游泳能力[3]。如果涵洞设计的坡度过陡或者涵洞内的水流流速过大、水深过浅都将影响鱼类的成功上溯。

研究发现，影响鲑鱼成功上溯的关键水力因素包括：池室水深、流速(流量)、鱼道底部坡度和粗糙度以及鱼道总长等参数。而这些影响鱼类通过的水力因素都与涵洞内部挡板的结构尺寸和安装形式密切相关，国内外学者针对涵洞式鱼道的挡板形式及其水力特性开展了大量的试验和监测，包括低挡板、交替挡板、各种扰流挡板的设计和改造[4-6]，大马哈鱼在不同直径、不同坡度和速度下通过涵洞的游泳能力试验，鱼道的测试和评价等[7-8]。湍动能和湍流强度也是影响鱼类上溯的重要因素，有研究发现[9]，如果涵洞内部的水流湍流强度过大，鱼类将会迷失方向，同时会消耗过多的体能，最终导致鱼类无法成功上溯。Smith等[10]通过试验证实，幼年虹鳟鱼会避开湍流强度较高的低流速区域，聚集在低湍流区域。

从上述可以看出，适宜的水深、流速和湍流条件是辅助鱼类顺利通过鱼道成功上溯的必要条件。而这些条件都与涵洞式鱼道内部的挡板形式密切相关，因此，要设计适于鱼类成功通过的涵洞式鱼道，必须对各种不同结构形式挡板的水力特性深入分析和研究。

本文在总结国内外涵洞式鱼道相关试验数据和工程案例的基础上，对涵洞式鱼道内部的3种典型挡板(偏移式挡板、堰式挡板和槽堰式挡板)的流量、流速和水深的关系式进行了总结归纳，以期为涵洞式鱼道的设计改造及相关研究工作提供参考和理论依据。

2 涵洞鱼道模型水力特性试验

2.1 挡板类型

涵洞式鱼道常见的挡板类型有6种，如图1所示。图1中(a)—(f)所对应的挡板类型依次为: ①偏移式挡板；②槽堰式挡板；③堰式挡板；④扰流式挡板；⑤阿尔伯达堰式挡板；⑥阿尔伯达鱼式挡板[11]。

图1 涵洞式鱼道的挡板类型Fig.1 Baffle types of culvert fish way

上述6种挡板系统中，偏移式挡板系统(OB)被广泛应用于美国西部和加拿大的涵洞式鱼道，McKinley[5]等通过箱式涵洞的试验证实，该类型挡板系统能够为鱼类的成功上溯提供良好的水流条件，在挡板竖缝处和挡板底部会形成高速射流和环流，且沿着涵洞边界存在呈螺旋状的水流，能够较好地对涵洞鱼道进行自身清洁，从而避免了由于泥沙和杂物堆积造成的鱼道拥堵和过鱼效率下降。在槽堰式挡板系统中，位于挡板中间位置的竖缝关于涵洞的中心线对称，堰式挡板系统与槽堰式挡板类似，但堰式挡板上并没有开槽或设置竖缝，整个涵洞内部的流场结构与传统的池堰式鱼道更为接近；流量较大的情况下，堰式挡板系统所形成的水流与未安装挡板涵洞内部的水流结构基本一致，Ead等[12]通过试验证实，槽堰式挡板和堰式挡板系统为涵洞式鱼道内水深的增加和流速降低提供了最优解决方案，这无疑为鱼类的成功上溯提供了更为有效的通道。

在大多数的挡板系统中，涵洞被分成了数个相互连通的池室[13-14]，在这些池室中有供鱼类休息的区域，当然也可能存在由于挡板开槽所形成的流速障碍区和流速控制区。因此，在某些涵洞式鱼道中，鱼类通过休息区后需要依靠爆发速度才能通过流速障碍区，而在有些涵洞中，鱼类则可以一直以某一速度持续游动直至通过整个鱼道[15-19]。

2.2 试验装置描述

在涵洞式鱼道的6种挡板系统中，偏移式挡板一般被认为是最好的选择，该类型挡板设计比较复杂，多用于水流很浅、流速非常大的涵洞，而槽堰式挡板、堰式挡板的设计则相对简单，这2种挡板系统的设计与非涵洞式鱼道挡板的设计比较接近。

本节主要对涵洞式鱼道内偏移式、槽堰式和堰式3种较为典型挡板系统的水力特性试验条件及工作情况作了详细介绍，试验中涉及到的挡板类型、涵洞尺寸以及试验工况等见表1。可以看出，涵洞的坡度变化范围：0.50%～5.0%；挡板高度h的变化范围：(0.10～0.20)D,D为函洞直径；挡板间距L的变化范围：(0.30～2.40)D;流量Q的变动范围相对较大。

偏移式挡板系统的试验结果显示，当水流深度大约是挡板高度2倍时，平滑涵洞(涵洞内部没有安装挡板)的试验结果和直径4.27 m、表面粗糙的涵洞试验结果几乎没有差别，其中涵洞的粗糙度系数n=0.035；当水流深度大约是挡板高度的4倍时，水流深度会发生变化，但变化幅度仅为10%～15%。所以，用光滑塑料管道做试验非常方便，而且有利于得出试验结果。

堰式和槽堰式挡板试验是将挡板安装在光滑的塑料管中，塑料管直径0.305 m，长度6.30 m，挡板用6 mm厚的铝板制作而成。管道安置在一个矩形水槽里，沟槽长6.30 m，宽0.45 m，深0.44 m。水槽的坡度可以依据试验的实际需要任意改变，但最大不得超过5%，水槽的水由高水头压力水池提供。水流流量通过安装在管道内的电磁流量计测得；流量较小时将流量体积化后进行测量。

表1 涵洞式鱼道设计参数(阿尔伯达大学)Table 1 Design parameters of culvert fishway project (at University of Alberta)

为便于测量水深，试验过程中会切掉靠近管道顶部的部分，然后插入测针对水流深度进行测量。其中水流速度采用内径为3 mm的商业普兰特尔皮托静压管测得，利用探针和注射染料可以实现流量可视化。图2给出了偏移式挡板、槽堰式挡板和堰式挡板的细部结构。

图2 偏移式挡板、槽堰式挡板和堰式挡板的细部结构Fig.2 Structure of offset baffle, slotted-weir baffle and weir baffle system

3 流量方程

基于简单的流体模型试验结果，可以推导出无量纲流量Q*、坡度S0和涵洞直径D关系式为

(1)

式中：Q为体积流量；g为重力加速度。

研究发现，随着挡板相对高度h/D值的变化，在无量纲流量与水流相对深度y0/D之间存在着广义相关性。试验结果显示，在实际使用过程中，无量纲流量Q*和相对深度y0/D之间的关系可以近似地由幂指数方程表示,即

Q*=C(y0/D)a。

(2)

式中:C为系数;a为指数。

3.1 偏移式挡板

在上述3种挡板系统中，偏移式挡板系统在美国西部和加拿大应用最为广泛。针对偏移式挡板系统的试验结果，得出了无量纲流量与相对深度之间的关系。试验研究表明，Q*是关于y0/D的因变量，且与挡板相对高度h/D和挡板间距L有关。当L

需要注意的是，偏移式挡板建造较困难而且造价昂贵，其主要原因是每一组偏移式挡板都是由横向挡板和倾斜挡板2部分组成，而且倾斜挡板上设有许多波纹，因此会提高挡板的工程造价。

3.2 槽堰式挡板

针对槽堰式挡板系统共设计了6组试验，对2种挡板高度和3种挡板间距进行测试，其中挡板高度分别为0.10D和0.15D，挡板间距分别为0.60D，1.20D，2.40D，得出了在一定流量Q、涵洞直径D和坡度S0下的水深y0计算公式。

表2 偏移式挡板流量方程Table 2 Flow equations of offset baffle

试验结果表明，槽堰式挡板系统的过鱼性能可以与偏移式挡板系统相匹配，且槽堰式挡板在已经投入使用或者正在建造的涵洞中更容易安装，原因是槽堰式挡板的安装是在一个平面，挡板的结构就像是在堰的中间位置对称开了一个槽，挡板的制作材料可以是金属也可以是混凝土，为了保持挡板的稳定性和耐久性，挡板厚度可以设置为0.30 m。

表3 槽堰式挡板流量方程Table 3 Flow equations of slotted-weir baffle

3.3 堰式挡板

针对涵洞鱼道的堰式挡板系统，共设计了4组试验进行测试，并对主要试验参数，如挡板高度h/D和挡板间距L进行了设计。当h/D在0.10～0.15之间变化时，挡板间距L取值应控制在涵洞直径D以内。

试验证实，堰式挡板的工作效果和槽堰式一样好，堰式挡板系统流量方程的4组试验结果见表4。若将流量的计算公式Q*=c(y0/D)a的两端进行交换，可以得到相对水深y0/D关于无量纲流量S0的表达式：对于试验1，当y0/D≥0.25时，流量方程可以变为y0/D=0.50Q*0.41；当y0/D≤0.25时，流量方程为y0/D=0.34Q00.17，其他3组试验的水深计算公式也可以依次类推。

表4 堰式挡板流量方程Table 4 Flow equations of weir baffle

研究表明，当h/D=0.10，L/D=0.60,L/D=1.20时，不同坡度和流量下的堰式挡板系统试验结果可以用一条曲线来描述，而且这个试验结果与h/D=0.15,L/D=0.60,L/D=1.20时得到的结论非常相似。

试验显示，用堰式挡板(即去掉槽堰中间的槽沟)代替槽堰式挡板是一个不错的选择，此时的涵洞式鱼道和池堰式鱼道的结构一样，由于槽堰式挡板的中间部位开了一个槽，因此相比于堰式挡板系统，建造槽堰式挡板系统更昂贵。

试验发现，堰式挡板在水流和涵洞管道之间所产生的切应力，比竖缝式鱼道和池堰式鱼道所产生的切应力要大很多。挡板过鱼功能的研究结果显示，当流量较小时，堰式挡板会影响水流；当流量变大时，挡板仅仅是涵洞边壁上的粗糙单元，而不会影响水流结构。因此，当涵洞内流量较大时，鱼道的作用不大，此时鱼道内是否设置挡板对过鱼效果基本没有影响。

在几乎所有的流量条件下对堰式挡板进行测试，发现经过挡板的水流并没有逆向流动，而下游挡板的大量区域存在逆向水流，有明显的水跃现象。此外，早期的研究发现，垂直于试验装置如沟槽，水槽的堰式挡板与试验装置之间产生的剪切力远大于水流和管壁表面之间的摩擦力。

总之，试验研究发现，几乎对于所有的涵洞式鱼道，当h/D的值在0.07～0.20范围内变动、且挡板间距L小于涵洞直径D时，不同涵洞坡度下的流量可依据试验数据点绘出一条变化均匀的曲线。如果挡板间距L>D，水深减少，会导致池室内的水流平均速度上升；若通过涵洞的流量较小，则不会出现这种情况。

一个有趣的发现是，当h/D=0.15时，所有的试验结果都集中在一个较小的区域内(见图3)；当h/D=0.10时，试验结果仍然相同，但集中区域的范围略有增加，相对深度也随之增加。堰式挡板可以产生较大的水深，偏移式挡板产生的水深则相对较小。总的来说，对于所有的挡板系统，只要L

图3的曲线显示，在给定流量下，水流相对深度的增加会对挡板性能产生影响，为方便设计，可以用式(3)来描述这些曲线。

Q*=α(y0/D)2+β(y0/D) 。

(3)

式中：α和β是系数，当α取值为15.19,8.90,9.39,7.14,5.05，h/D=0,0.07,0.10,0.15，0.20时，相应的β=0.02,-0.16,-1.18,-1.44，-0.91。

图3 涵洞式鱼道挡板的设计曲线Fig.3 Collection of design curves for culvert shways

4 流速方程

通过对涵洞式鱼道中心面处的速度场分析发现，各种挡板系统的速度场是相似的。即使在参数允许的变动范围内，大部分挡板系统的工作比较可靠，但堰式和槽堰式挡板系统的结构更简单且工作性能同样有效。试验得到的正常速度规模主要随无量纲流量Q*而变化，对于任何一种挡板系统，式(4)都适用。

U*=10(y0/D) 。

(4)

4.1 偏移式挡板

偏移式档板系统的挡板高度越大，其性能越好。对于偏移式挡板系统，速度场的试验研究在涵洞中心面上进行，所有的速度测量都在同一个水槽内进行，水槽位置设置在(1/4～1/2)L处，垂直于河床沿水面方向，水流速度连续不断增加。试验发现，长度尺度b与水深y0的减少有关，y0从1.0开始减少，此时无量纲流量Q*近似为0.0～0.50，直到Q*=3.75时，停止减少直至0，偏移式挡板的流速方程结果见表5。

4.2 槽堰式挡板

对于挡板槽中的阻碍流速，可采用一个普遍的规律来进行预测，该规律之前多用于偏移式挡板，后来发现更适合于槽堰式挡板系统。对于槽堰式挡板，速度场在鱼道中心面和紧邻上游的水池中部处测得，而断面的最大速度则位于1/3水深处。

表5 偏移式挡板流速方程Table 5 Dimensionless velocity equations of offset baffle

试验发现，当池室长宽比L/D=1.20和2.40时，挡板产生的水深会显著降低，特别是当y0/D>0.35时，此时平均速度会增加20%～32.5%。此外，当h/D=0.10，L/D=1.20时，也发现了同样的试验结果，如表6所示。h=0.10D，L=1.20D时产生的速度比试验1—5中的任何一个都要大很多；挡板高宽比h/D=0.15和挡板间距L=0.60D时的速度下降幅度最大，挡板高度h=0.15D和0.10D和池室长度L=2.40D和1.20D时，水流流速下降最少。相比于标准的偏移式挡板系统，试验1和试验5的水深出现了较大增长，这些差异也很大程度上影响了流量Q*,其值降幅达到1.0。

此外，通过试验发现，虽然槽堰式挡板系统增加了涵洞的过水深度，但也因此降低了水流的平均速度。总的来说，当挡板高度h和挡板间距L一样时，结构更简单的槽堰式挡板在性能上和比它更复杂的偏移式挡板一样好。在流量Q*相等的情况下，相比于没有安装挡板的涵洞，挡板高度和间距分别取值为h=0.15D，L=0.60D和h=0.10D，L=0.67D，可以更有效地在涵洞内形成更大的水深和更小的阻碍流速。

4.3 堰式挡板

堰式挡板系统的试验结果显示，除了紧邻近边界位置，其它流动区域的流速变化并不明显。在顺水流区域，挡板附近和池室中部位置处的速度场分布非常接近，最大的反向速度约为最大正向速度的1/3；当流速较小(深水条件)时，堰式挡板的工作效果会好些，堰式挡板流速方程的试验结果见表7。

表7 堰式挡板流速方程Table 7 Dimensionless velocity equations of weir baffle

根据试验2和试验4可以看出，挡板间距L的增加不仅产生更大流速而且减少了回流区域的范围。对比试验1和试验2可以发现，挡板间距的变化基本不会影响无量纲流速的分布，但会影响流速曲线。

试验发现，当无量纲流量Q*<0.40时，堰式挡板和槽堰式挡板的流速测量结果基本没有差别；但当Q*的值较大时，堰式挡板的曲线下降较为明显，对比堰式挡板和槽堰式挡板试验5，也可以得到同样的结论。对于试验1和试验2，当Q*>0.35时，试验结果几乎没有差别，但当0.20

当Q*在0.10～0.40范围内波动时，此时较小的挡板间距(试验1)下测得的流速要小于挡板间距较大时(试验2)所产生的水流速度；其他流量下，U*和Q*的试验结果差别不大，虽然这个范围很小(0.1～0.40)，但对过鱼效果的影响很重要。通过对比堰式挡板和槽堰式挡板的试验1可以发现，当Q*<0.40时，ΔU*的试验结果基本没什么差别，但是随着Q*增加，堰式挡板的曲线开始有明显下降。同样的结果在堰式挡板试验3和槽堰式挡板的试验5也有显示。

试验研究表明，堰式挡板和槽堰式挡板一样有效，因此可以优先考虑前者；挡板间距为0.60D时，挡板的工作是非常有效的，而挡板间距为1.20D时则太大了。数据显示，堰式挡板在低速水流中能为鱼类提供更为长久的休息区；另一方面，挡板较高时可以提供较深的水深，同时也降低了水流的平均速度，可能会导致沉积物在池室底部沉积，虽然沉积物可以被较大的流量侵蚀和运输，但是仍然需要定期维护。此外，速度场的观测结果表明，任意剖面上中心线处的最大流速，与所有剖面中心处的流速几乎相等，从而证实了挡板不是起到障碍物的作用，这意味着鱼类不得不在一段拉伸区内穿过涵洞。

5 结 论

通过对3种涵洞式鱼道的典型挡板系统：偏移式挡板、槽堰式挡板和堰式挡板的试验数据综合分析可以得出，挡板系统能提供更深的水深，对于所有的挡板系统，只要L

通过速度场的研究发现，涵洞式鱼道中心面上的速度场与各种挡板系统不同形状的标准化剖面的速度场很相似。速度场方面的研究成果对发掘不同种鱼类所适用的涵洞式鱼道类型是非常有用的，研究偏心区速度场有助于建立可供鱼类休息的缓冲区域。此外，在试验中获得的极限速度结果表明，在涵洞内任意区域中心的最大流速跟所有区域的中心流速近似相等，因此验证了前面提到的挡板不充当障碍物的观点。

鱼道对保护鱼类物种的多样性，维护生态系统的平衡有着重要的意义。目前我国涵洞式鱼道工程案例较少，我们可以借鉴国外涵洞鱼道的成功案例，将其运用到合适的工程建设中来。同时在路桥系统建设过程中，要注意鱼类的洄游问题，要考虑把鱼道的建设纳入规划中。