基于数模与物模的某工程短鱼道水流条件研究

李桂青，桑林瀚，何霞

（1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；2.天津市排水管理事务中心，天津 300017）

1 工程概况

本工程过鱼设施采用短鱼道与机械提升转运相结合的形式，过鱼设施通过电站发电尾水以及补水管流量诱鱼。短鱼道及集鱼池布置于厂房右侧，总长64.90 m。集鱼池分为消能池、集鱼箱池和赶鱼栅池，赶鱼栅将进入鱼道内的鱼赶入集鱼箱内，再利用机械设备将鱼类提升、转运过坝至上游水库。短鱼道沿水流方向分为标准池室、休息池室和鱼道进口，桩号鱼0+000.00—0+039.00段与桩号鱼0+039.00—0+64.90段夹角为123°，标准池室长2.0 m，休息池室长4.0 m，池室宽均为1.5 m，并采用带有导板的竖缝式隔板结构，竖缝宽度0.3 m，鱼道坡度1/40。鱼道进口设为渐变形式，长3.0 m，宽1.5～3.0 m，以改善水流流态，鱼道进口通过引渠与河道相衔接，引渠渠底宽度为3.0 m。为避免鱼群上溯至电站尾水渠内，需在鱼道进口上游侧河道布置拦鱼电栅。

为兼顾多种过鱼对象，鱼道进口设计流速应介于0.11～0.60 m/s，且流速越大，诱鱼效果越好。根据本工程过鱼对象的游泳能力，确定鱼道竖缝断面处设计流速控制范围为0.93～1.02 m/s，池室平均流速范围为0.50～0.64 m/s。

2 研究方法和技术路线

研究通过数值模拟计算和物理模型试验相结合的综合技术手段开展，建立鱼道三维紊流数学模型和整体物理模型，对鱼道内流场分布和水力特性进行研究。

2.1 数学模型

本次数值模拟[1]针对工程短鱼道建立局部计算模型，网格划分采用笛卡儿正交结构网格，网格大小取0.05 m，有效网格总数约267万。

模型在集鱼池上游设置进口边界，进口边界条件根据补水管流量设置为流量边界，在进鱼口位置设置出口边界，出口边界条件根据下游河道水位设为压力边界，固体边界采用无滑移条件，液面为自由表面，流体设置为不可压缩流体。

2.2 物理模型

物理模型[2]针对短鱼道、补水管、电站尾水以及进鱼口上下游一定范围的河道地形建立整体模型，进鱼口上游河道地形长90 m、下游河道地形长60 m，从而消除模型边界对进鱼口水流的影响。模型按重力相似准则设计，采用正态模型，几何比尺Lr=10。上游来流流量通过流量计控制，下游进鱼口水位通过固定测针控制。

3 研究结果

本文主要针对电站运行典型工况进行分析研究，电站下泄流量63.90 m3/s，鱼道补水流量0.42 m3/s，鱼道进口水位968.72 m。

3.1 鱼道竖缝

鱼道竖缝自上游向下游依次编号1#～21#，流速测点布置于竖缝中间，分别测量竖缝测点表、中、底层的流速，实测结果如图1所示。竖缝流速大小基本分布在0.80～1.20 m/s，平均流速分布为0.89～1.08 m/s，满足设计流速要求，自上游向下游竖缝流速总体呈逐渐增大的趋势，但变化较小。

图1 鱼道竖缝沿程流速分布

3.2 标准池

考虑到123°转弯段[3，4]可能对标准池水流流态的影响，取转弯段上游第2个标准池和转弯段下游第3个标准池作为研究对象，标准池内沿水流方向布置6个测流断面，相邻断面间距0.36 m，每个测流断面布置5个流速测点，相邻测点间距0.30 m。

由于表、中、底层流速分布基本相同，计算相同测点表、中、底层流速的平均值，流速分布如图2所示。转弯段上下游标准池水流流态相近，主流基本位于池室中间，弯曲程度较小，呈倒“S”形分布，利于鱼类上溯，在主流两侧存在两个范围大小相差不大的低流速回流区，可以为鱼类提供良好的休息空间。

图2 模型实测标准池流速分布

数值模拟得到的标准池流速分布云图，其结果与物理模型实测结果相近，主流流速大小主要分布在0.5～1.0 m/s，主流两侧回流区流速基本在0.3 m/s以下，从边缘向中心流速逐渐减小，中心流速基本趋近0。

3.3 休息池

休息池[5]内沿水流方向每隔0.38 m布置1个测流断面，每个测流断面相邻测点之间距离0.30 m。测点表、中、底层平均流速的分布情况如图3（a）所示，主流进入休息池后受竖缝导板的影响偏向左侧，之后沿左侧边墙流动，并在下游隔板的作用下发生弯曲进入休息池下游竖缝，主流弯曲程度较大，并存在一定程度的贴壁现象。在主流区左侧上游和下游分布有范围较小的回流区，主流右侧的回流区范围较大。

数值模拟得到的休息池流速分布如图3（b）所示，其流场分布与模型实测结果相近，主流流速主要分布在0.3～0.9 m/s，回流区流速基本小于0.3 m/s，回流中心流速最小，基本趋近于0。筛选每个断面的最大流速值得到最大流速沿程分布曲线如图4所示，从图4可以看出，休息池内主流流速沿程先减小后增大，在下游竖缝位置附近达到最大。

图3 休息池流速分布

图4 休息池最大流速沿程分布曲线

3.4 转弯段

数值模拟计算的流速分布与模型实测流速分布情况相近。转弯段上游部分主流偏向左侧边墙，在左侧边墙的导向作用下，主流偏向转弯段下游部分的右侧边墙，最后经下游竖缝流出转弯段，转弯段内主流较为明确，弯曲程度较小，但存在一定的贴壁现象。在主流区两侧分布着3个回流区，回流区尺度相差较大，上游左侧回流区尺度较小，而右侧回流区以及下游左侧回流区尺度较大。主流流速主要分布在0.4～0.8 m/s，转弯上游部分主流流速较大，下游部分主流流速较小，至下游竖缝位置流速增至最大，主流两侧回流区流速基本不超过0.3 m/s，在回流中心位置流速趋近于0。

3.5 进鱼口及引渠

进鱼口渐变段每隔1.50 m设置1个测流断面，引渠内每隔6.00 m设置1个测流断面，共布置7个测流断面，每个测流断面在中间及两侧布置3个测点，分别测量表、中、底层的流速，实测结果如图5所示，图中仅列出测点的表层流速。

图5 模型实测进鱼口及引渠流速分布

根据测量结果，主流出标准池后受竖缝导板的作用偏向左侧，1#～5#断面左侧流速基本分布在0.1～0.6 m/s，满足诱鱼流速要求，且随着水流向下游扩散，左侧主流流速逐渐减小，在主流右侧存在一个范围较大的回流，因此中间及右侧测点流速值较小。6#、7#断面测点靠近河道，流速方向与河道主流一致且流速较大，6#断面表层流速最大为1.61 m/s，7#断面最大流速为2.57 m/s。

3.6 池室水深

鱼道沿程水深分布测量结果，如图6所示。从鱼道进口到集鱼池，水深总体呈逐渐增大的趋势，进口水深为1.60 m，赶鱼栅池水深为1.78 m，水深增大0.18 m，但相邻标准池室间水深相差不大，整体水位变化较小，衔接顺畅。

图6 鱼道沿程水深分布

4 结论

本文基于某工程过鱼设施，采用模型试验和数值模拟相结合的方法，对竖缝式短鱼道的水流特性进行了研究，结论如下。

（1）短鱼道竖缝平均流速分布在0.89～1.08 m/s，满足设计流速要求。各标准池水流流态分布相近，主流基本位于池室中间，呈倒“S”形分布，主流两侧存在两个范围大小相差不大的低流速回流区，主流流速大小主要分布在0.50～1.00 m/s，满足鱼类上溯需要。

（2）休息池与转弯段主流流速分布在0.3～0.9 m/s，并存在一定的主流贴壁现象，且回流区尺度差别较大，今后需通过设置整流挡板等措施改善池室流态。

（3）从进鱼口至集鱼池，鱼道内水深总体呈逐渐增大趋势，但相邻池室间水深相差不大，衔接顺畅。

（4）数值模拟计算成果与物理模型试验成果在水流流态、流速分布等方面基本一致，二者相互验证补充，成果可作为设计参考依据。