蚌埠闸鱼道池室水力特性数值模拟

陈莹颖，祝 龙，乔鑫位，王晓刚

(1.南京水利科学研究院，通航建筑物建设技术交通行业重点实验室，江苏 南京 210029；2.安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230088)

蚌埠闸由新老泄洪闸、复线船闸和电站等组成，上游约150 km建有临淮岗枢纽，下游至洪泽湖180 km河道没有拦河建筑物。蚌埠闸上下游既有草鱼、鲢、鳙等代表性产漂流性卵鱼类分布，也有小规模产漂流性卵鱼类产卵场分布(蚌埠闸以上淮河干流有凤台产卵场，下游有五河产卵场)。已建蚌埠闸利用闸坝泄流过鱼，未设专门过鱼设施，有必要新建蚌埠闸过鱼设施，恢复淮河干流中游的连通性，促进蚌埠闸上下游间的鱼类资源交流。

竖缝式鱼道因其过鱼效率高、适应水位变化能力强等技术优势在国内外得到了广泛的工程应用[1]。上层鱼类和下层鱼类都可以适应垂直竖缝式鱼道，更利于上下游各种鱼类的交流[2]。蚌埠闸鱼道的设计水位变幅相对较大，综合考虑工程特性和过鱼对象的生态习性，蚌埠闸鱼道采用垂直竖缝式鱼道结构形式。

研究发现，采用紊流数学模型能较好地模拟鱼道水流结构[3-4]，RNGk-ε紊流模型应用于鱼道水流模拟已较成熟[5]。本文通过建立蚌埠闸鱼道池室三维RNGk-ε紊流模型，多测点精细化研究分析不同水层池室和休息池的水流流态、流速、竖缝最大流速以及池室坡度对池室水力特性的影响等，为蚌埠闸鱼道的设计和建设提供数据支撑和技术参考。

1 鱼道设计

1.1 鱼道设计流速

蚌埠闸鱼道工程的设计流速指标为0.6～1.0 m/s，结合工程实际，在鱼道隔板设计时控制流速指标在0.7 m/s左右，既能满足大个体鱼类上溯需求，又能兼顾游泳能力较弱的过鱼对象。

1.2 鱼道池室主要设计尺寸

根据蚌埠闸鱼道的过鱼对象体长、生活习性以及鱼道的设计流速要求，蚌埠闸鱼道选用单侧竖缝式鱼道，鱼道池室尺度为池室宽2.5 m、池室长3 m、休息池取2倍池长(休息池宜为平底[6])、竖缝宽度0.4 m、设计水深1.5 m。根据以往工程经验，提出一种隔板布置形式，细部尺寸见图1。采用该垂直竖缝无翼板式隔板布置形式，蚌埠闸鱼道水流条件容易控制，消能效果较佳；当上下游水位同步变化时，较能适应水位的变幅[7]；结构简单，维护方便。

图1 蚌埠闸鱼道一种隔板布形式平面(单位：mm)

2 数学模型

鱼道数值计算区域长度取73 m，含16级池室和1个休息池，共17块隔板。建立了池室坡度为1:100的鱼道池室数学模型，研究不同坡度对池室水流影响时还计算了坡度为1:120和1:140时池室水力特性。休息池为平底，休息池长度为6 m。考虑到鱼道水深对池室流速、流态影响不大，数学模型中池室计算水深取鱼道正常运行水深1.5 m。

2.1 基本方程

考虑不可压缩水流流动问题，池室三维紊流数学模型采用RNGk-ε双方程紊流模型并耦合VOF(the volume of fluid)技术对水流自由表面进行捕捉，三维水流模型的控制方程为：

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

k方程：

(3)

ε方程：

(4)

对自由表面的捕捉采用VOF方法，在空间上定义函数F，全含水为1，不含水为0，当为自由表面时，0

DF/Dt=0

(5)

2.2 模型验证

利用某鱼道大比尺物理模型(模型比尺1:2.5)实测池室流速数据对本文数学模型进行验证。鱼道池室流速见图2。采用本文数学模型模拟鱼道水流条件，获得的鱼道池室流速见图3。验证发现，两者流态基本一致，主流明确，主流两侧各有一弱回流区，主流最大流速在1.0 m/s左右。另外，对鱼道最重要的竖缝流速(流速控制断面)进行验证，数学模拟竖缝总平均流速为0.97 m/s，最大流速为1.01 m/s；物理模型竖缝总平均流速为0.95 m/s，最大流速为1.05 m/s。两个重要参数分别仅差2%和4%，说明本文数学模型参数取值合理。

图2 某鱼道池室物理模型流速(单位：m/s)

图3 某鱼道池室数学模型流速

3 水力特性

3.1 池室水力特性

池室上层(距底1.3 m)、中层(距底0.8 m)和下层(距底0.3 m)水流流速见图4，池室主流流线见图5。池室内主流呈现S形弯曲，主流宽度与竖缝宽度接近，约0.4 m；主流流向明确、平顺，池室左、右侧各形成了一个漩涡，池室右侧漩涡范围较大，但两侧漩涡强度都很弱，流速大小在0.1～0.2 m/s，适合鱼类休息。

图4 坡度1:100时池室流速

图5 坡度1:100时池室主流流线

为了定量了解鱼道池室内水流流速大小，在池室内布设7个测流断面(断面间距0.5 m)，见图6。每个测流断面的每个水层均匀布设13个测点，上、中、下水层共设置273个测点，其中中层各测点流速见表1。根据各测点流速数据，池室上、中、下水层主流最大流速分别为0.64、0.68、0.69 m/s(纵向流速、横向流速、垂向流速的合速度)，水层越低主流流速值越高；计算得池室内主流最大流速平均值为0.67 m/s；273个测点中，流速大于0.6 m/s的测点仅7个，占总数的2.6%，且均在竖缝附近；流速不大于0.2 m/s的测点有188个，池室内存在大范围小流速区。

图6 池室布设7个测流断面(单位：mm)

表1 坡度1:100时池室中层流速v

另在距池底0.8 m水层上，在该池室7个测流断面，每个断面均匀布设20个测点，共计140个测点。该池室不同断面最大流速见图7，典型断面上各测点在X、Y方向上的流速见图8。由图7可知，Z向流速最大值仅为0.02 m/s，说明在池室内可忽略垂向水流影响，水流呈现二维特征；在X、Y向流速分布来看，池室主流在竖缝区前后X或Y向流速均较大，且Y方向发生了变化，说明主流流经竖缝时发生一定转向；主流在池室内流速超过0.6 m/s的区域主要位于隔板竖缝附近区域，池室内大部分区域主流流速在0.4～0.6 m/s；池室主流右侧大部分区域流速较低，为0.1～0.2 m/s，适合鱼类上溯过程短暂休息；池室主流左侧区域有流速小于0.3 m/s的回流区，范围较小且位于池室左侧边壁，不会对鱼类上溯产生较不利的影响。

图7 坡度1:100时池室中层不同断面最大流速分布

图8 坡度1:100时池室典型断面流速分布

3.2 休息池水力特性

休息池上、中、下水层水流流速见图9，休息池主流流线见图10。休息池内主流也略呈S形弯曲，主流宽度与竖缝宽度接近，约0.4 m；主流流向明确、平顺，受休息池右侧边壁影响，主流贴右侧壁流动；由于休息池长度较长，主流由上一级池室流入休息池后，在左侧形成了一个较大范围的漩涡，但漩涡强度很弱，流速值大小基本在0.1～0.2 m/s，适合鱼类在此充分休息。

图9 坡度1:100时休息池流速

图10 坡度1:100时休息池主流流线

为了定量了解鱼道休息池内水流流速大小，在典型休息池内布设13个测流断面(断面间距0.5 m)，见图11。每个测流断面每个水层均匀布设13个测点，上、中、下水层共设置507个测点。根据各测点流速数据，休息池上、中、下水层主流最大流速值分别为0.63、0.65、0.66 m/s，同样是水层越低主流流速值越高；计算得休息池内主流最大流速平均值为0.65 m/s，与池室主流最大流速平均值0.67 m/s相当(仅低3.5%)；507个测点中，流速大于0.6 m/s的测点仅12个，占总数的2.4%，且均在竖缝附近；流速不大于0.2 m/s的测点有289个，休息池内存在大范围低流速回流区，流速值在0.1～0.2 m/s，适合鱼类上溯休息；对比可知，休息池低流速区面积相比池室显著增大，面积增大约54%，鱼类由此得到足够休息和轻松上溯的空间。

图11 休息池布设13个测流断面(单位：mm)

3.3 竖缝最大流速

为了确定鱼道在竖缝处最大流速值，在沿程13个隔板竖缝间布设了多个测点，分别取上、中、下水层上的最大流速，不同隔板竖缝最大流速见表2。

表2 坡度1:100时竖缝最大流速值 m/s

竖缝处最大流速为0.79 m/s，从竖缝最大流速沿水深分布看，竖缝沿水深最大流速平均值沿程为0.67～0.76 m/s，竖缝平均最大流速分布较为均匀，沿程无明显增大或减小现象。从竖缝垂向最大流速变化看，竖缝内最大流速值沿水深变化较小，竖缝垂向最大流速变化仅为0.08 m/s，且与池室和休息池不同水层主流最大流速一致，也基本是水层越低竖缝最大流速值越高。鱼道竖缝最大流速平均值为0.71 m/s，可满足鱼道设计流速指标要求。

4 不同坡度对池室水力特性影响

为更全面了解该隔板形式鱼道池室的水力特性，还针对池室坡度为1:120和1:140的情况建立三维数学模型，计算分析池室坡度对池室水力特性的影响。数值模拟结果分析中所取的3个水层、断面、测点等位置和分布均与第3节一致。

池室坡度为1:120和1:140时，整体水流流态均与池室坡度1:100时差别不大，主流总体平顺、流线呈S形弯曲，池室内主流两侧形成两个弱回流区，休息池内主流左侧形成一个较大范围的弱回流区，但鱼道内流速整体偏小。不同池室坡度的鱼道竖缝平均最大流速值与降低比例见表3。随着池室坡度由1:100变缓至1:140，竖缝平均最大流速呈递减趋势、降低了16.9%；池室坡度为1:100和1:120时，鱼道竖缝平均最大流速分别为0.71 m/s和0.65 m/s，满足鱼道设计流速要求；池室坡度为1:140时底坡较缓，鱼道竖缝平均最大流速为0.59 m/s，小于鱼道设计流速指标。

表3 鱼道竖缝平均最大流速特征值与降低比例

根据数模计算结果，综合考虑鱼道池室内部水流条件和工程量，建议蚌埠闸鱼道的池室坡度选为1:100～1:120，建设条件许可情况下可取相对较缓底坡，即1:120坡度，以营造良好的上溯水力条件。

5 结语

1)综合考虑工程特性和过鱼对象的生态习性，蚌埠闸鱼道采用垂直竖缝式鱼道结构形式，并根据以往工程经验提出了一种无翼板式隔板布置形式。

2)通过建立三维紊流数学模型，计算分析了鱼道池室和休息池水力特性。池室和休息池内水流流态均较佳，主流基本呈S形弯曲、明确且平顺，鱼类上溯过程中无需急速转弯，有利于节省体力；主流最大流速基本出现在竖缝附近，且水层越偏下主流流速相对越高；主流在池室左右两侧均存在较大范围流速低于0.2 m/s的低流速区、在休息池内存在大范围的流速在0.1～0.2 m/s的弱回流区，适合鱼类休息；隔板布置形式可满足鱼类在鱼道内轻松上溯和充分休息的要求。

3)池室坡度不同时，鱼道整体水流流态差别不大，鱼道内水流流速整体随坡度变缓而减小。池室坡度为1:100和1:120时，鱼道竖缝平均最大流速分别为0.71 m/s和0.65 m/s，满足鱼道设计流速要求，为营造良好的上溯水力条件，建议条件许可情况下取相对较缓的1:120坡度。