某工程鱼道局部模型试验研究

果有双，苏 通，韩 超

（1.天津普泽工程咨询有限责任公司，天津 300202；2.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；3.河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

1 工程概况

某工程鱼道紧临左岸土石坝，布置于土石坝和溢流堰之间的挡墙上，由进口水流调节池段、进口闸室段、普通池室、休息池室和出口闸室段等组成。进口水流调节池段长5.8 m，池宽由2.2 m渐变为1.0 m。进口闸室段长2.6 m。鱼道于土石坝右岸的重力式挡墙上部折返布置，共3 趟，长度分别为39.4、42 和53 m。出口闸室段长3 m，出口段鱼道12 m。鱼道全长157.8 m，槽身宽1.0 m，底坡1∶31，进口底板高程1 062.30 m，出口高程1 066.4 m。

沿程设105 个普通池，池室长1.2 m、宽1.0 m。普通池之间设休息池，相邻2 个休息池之间的普通池不超过15 个。共设6 个休息池，池室长2.4 m，转弯段适当加大，无底坡，宽度为1.0 m。鱼道进口设一梯形水流调节池，以改善进口水流流速，池室长5.00 m、高2.70 m，底高程1 062.30 m，墙顶高程1 065.00 m。调节池后设闸门，以螺杆启闭机启闭。底部设有管径70 cm 的生态放水管，出口设阀门和2 个支管。溢流堰位于鱼道右侧，长13 m，垂直河道布置，堰面为WES 曲线。堰顶高程1 067.50 m，堰高6.8 m，下游坡度1∶1。采用底流消能方式，坝后接消力池，池室长10 m、深0.8 m，末端接海漫和防冲槽。海漫长20 m，末端设混凝土防冲齿墙，后接防冲槽。

河道鱼类共2 种，为新疆重裸唇鱼和斯氏高原鳅。前者为新疆自治区Ⅰ级保护鱼类，体长0.10～0.15 m，克流速度0.8～1.2 m/s，主要过鱼季节为4—7月，发生洪水时不考虑过鱼。

根据鱼类特性及枢纽总体布置，鱼道型式采用竖缝式隔板型式。该型式适用于多种洄游性鱼类，且消能较充分，能适应上下游较大的水位变幅。鱼道上、下游运行水位与下泄流量有关，考虑生态流量1.32 m³/s 和鱼道流量0.185 m³/s，初步确定运行水位如下：进口运行水位：过鱼季节多年平均低水位1 063.30 m，变幅±0.3 m；出口运行水位：闸前正常蓄水位1 067.4 m，变幅±0.2 m。

2 研究方法和技术线路

研究采用数值模拟计算分析与物理模型试验相结合的综合技术手段，建立鱼道三维紊流数学模型，对鱼道的坡度、隔板体型等进行优化，并开展鱼道物理模型研究。

2.1 数学模型

计算采用VOF（The Volume of Fluid）法，这是求解不可压缩、黏性、瞬变和具有自由面流动的数值方法，适用于两种或多种互不穿透流体间界面的跟踪计算。对每一相引入体积分数变量aq，通过求解每一控制单元内体积分数值确定相间界面。当aq=0 时，控制单元内无第q 相流体；aq=1 时，控制单元内充满第q 相流体；0＜aq＜1 时，控制单元包含相界面。在每个控制单元内各相体积分数之和等于1，即：

aq应满足以下方程：

计算中所有控制单元表面体积通量的计算采用隐式差分格式，即：

式中：n+1 为当前时间步指示因子；n 为前一时间步指示因子；aq,f为单元表面第q 相体积分数计算值；V为控制单元体积；Unf为控制单元表面体积通量。

模型求解采用有限差分法，离散格式采用二阶迎风格式，压力—速度耦合采用压力校正法，时间差分采用全隐格式。

鱼道计算区域长度取20 m，含12 个池室，考虑到水深对流速、流态影响不大，计算水深取1.0 m。计算区域网格大小为0.04 m×0.04 m×0.04 m，网格划分采用笛卡儿正交结构网格，有效网格总数约56.6万，计算模型与网格划分如图1—2所示。

图1 计算模型

图2 网格划分

2.2 物理模型试验

综合试验场地及供水条件，确定模型为正态模型，几何比尺为αl=αh=1。水流运动主要作用力是重力，模型按重力相似准则设计，保持原型、模型佛汝德数相等。模型建筑物采用有机玻璃制作，便于安装及观测流态，建筑物加工精度为±0.2 mm，满足精度要求。局部模型选取鱼道进口10个池室，模型布置如图3所示。

图3 模型布置

3 数模成果分析

通过鱼道数值模拟计算分析，得出各测点的竖缝流速详见表1。从表1可以看出，鱼道竖缝处最大流速为1.08 m/s，平均流速为0.91 m/s。

表1 隔板过鱼竖缝各测点流速m/s

池室内流速流态矢量，如图4—5所示。池室内在主流区之外的池室两侧，存在小范围回流区，无漩涡、水跃等产生，表底流态、流向基本一致。主流左侧回流区明显有利于鱼类上溯过程中暂时休息，恢复体力。受边壁影响，主流右侧回流区不明显，且范围较小，伴有贴壁流产生，可能会对鱼类上溯产生一定的影响。

图4 池室内流速流态矢量（表层）

图5 池室内流速流态矢量（底层）

4 物理模型成果分析

池室隔板竖缝的流速直接关系到鱼类能否顺利由下一级池室洄游到上一级池室，对1#～9#隔板过鱼竖缝的流速进行了测量。在局部物理模型中，将测点布置在竖缝中线，从下到上设置5个测点，考虑到该处最大流速的重要性，采用旋浆流速仪对不同高程的最大流速进行测量，测点平面和立面位置如图6—7所示，结果详见表2。

图6 隔板过鱼竖缝流速测点平面布置

图7 隔板过鱼缝流速测点立面布置（单位：cm）

鱼道隔板竖缝最大流速0.99 m/s，沿水深平均流速0.88 m/s，小于设计方案中0.9 m/s的限制流速，满足要求。2#～9#隔板竖缝沿程最大流速0.92～0.99 m/s，各隔板过鱼竖缝流速平均值0.82～0.94 m/s，无明显增大或减小现象，说明鱼道底坡和过鱼竖缝尺寸设计合理。

表2 隔板过鱼竖缝各测点流速 m/s

为分析休息池室内水流分布，测量了池室不同水深流场分布情况，测点位置如图8所示。

图8 池室流态测点布置（单位：cm）

池室流态分布，如图9 所示。可以看出，池室内水流流向明确，主流顺畅，无明显扭曲，主流呈相对较缓“S”形流线，有利于目标鱼类上溯洄游。竖缝表面水流流向较为明确，无明显水位跌落，出口附近流速约为0.67 m/s。主流经过过鱼孔后流向池室左侧，受下一隔板和导板影响，沿墩头绕至过鱼竖缝。在主流区外的池室两侧，存在小范围回流区，无漩涡、水跃等流态产生，表底流态、流向基本一致。主流左侧回流区明显，流速在0.15～0.22 m/s，有利于鱼类上溯过程中暂时休息，恢复体力。由于受边壁影响，主流右侧回流区不明显，且范围较小，伴有贴壁流产生，可能会对鱼类上溯产生一定影响。

图9 池室流态分布（单位：m/s）

5 优化方案试验成果

为避免贴壁流产生，在池宽一定条件下，对隔板体型、角度、缝宽等进行优化，最终确定基本维持原体型不变，导板加长至30 cm，隔板相应缩短，竖缝宽度不变，如图10所示。

图10 竖缝隔板优化后的尺寸（单位：cm）

对优化后数学模型计算结果分析发现，在主流区之外的池室两侧，存在小范围回流区，无漩涡、水跃等流态产生，表底流态、流向基本一致。主流左侧回流区明显，有利于鱼类上溯过程中暂时休息，恢复体力。主流右侧有一小回流区，贴壁现象较之前明显改善。

对优化后物理模型试验成果分析发现，优化方案鱼道池室内水流流向明确，主流顺畅，无明显扭曲，呈相对较缓“S”形流线，有利于目标鱼类上溯洄游。竖缝表面水流流向较为明确，无明显水位跌落，出口附近流速约0.85 m/s。主流经过过鱼孔后流向池室左侧，受下一隔板和导板影响，沿墩头绕至过鱼竖缝。在主流区之外的池室两侧，存在小范围回流区，无漩涡、水跃等流态产生，表底流态、流向基本一致。主流左侧回流区较大，流速0.19～0.23 m/s，有利于鱼类上溯过程中暂时休息，恢复体力。主流右侧回流区较小，流速0.21～0.29 m/s，同样给鱼类提供短暂的休息区。优化方案较原方案流态有较大改善，更有利于鱼类上溯。

6 结论

（1）某工程鱼道局部模型试验主要采用数学模型与物理模型试验相结合的技术手段。首先利用数模对隔板、导板等细部进行优化，再利用物模试验进一步优化确定鱼道的结构及参数。

（2）利用大比尺物模试验对隔板竖缝的流速进行了测量，隔板竖缝沿程最大流速0.92～0.99 m/s，各隔板竖缝平均流速0.82～0.94 m/s，无明显增大或减小现象。

（3）利用物模试验对池室的水力要素进行了观测，池室内水流流向明确，主流顺畅，无明显扭曲，主流在池室内呈相对较缓“S”形流线，有利于目标鱼类沿主流上溯洄游。

（4）通过物理模型和数模计算，均发现池室主流右侧回流区不明显且范围较小，伴有贴壁流产生，可能会对鱼类上溯产生一定影响。

（5）在池宽一定的条件下，对隔板的体型、角度、缝宽等进行优化，确定基本维持原体型，导板加长至30 cm，长隔板相应缩短，竖缝宽度不变。通过优化，池室内流态有所改善，右侧贴壁流消除，主流左右均有回流区，有利于鱼类上溯过程中暂时休息，恢复体力。