西藏扎拉水电站竖缝式鱼道池室水力特性研究

贾召文 黄子叶 王猛 刘志雄

收稿日期：2023-08-08

基金项目：

江西省水利厅科技项目（202124ZDKT18）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目（CKSF2021482SL）

作者简介：

贾召文，男，工程师，主要从事水利水电工程技术与合同管理工作。E-mail：jiazhaowen@126.com

通信作者：

黄子叶，女，工程师，硕士，主要从事鱼道水力学与鱼类洄游通道修复研究工作。E-mail：1658174923@qq.com

引用格式：

贾召文，黄子叶，王猛，等.

西藏扎拉水电站竖缝式鱼道池室水力特性研究

［J］.水利水电快报，2024，45（6）：69-75，115.

摘要：

为进一步优化西藏扎拉水电站鱼道池室流场结构，提出了调整导板和隔板长度后的优化方案，并结合鱼道局部池室1∶5水力学模型试验，对优化方案的鱼道池室水力特性进行了验证研究。采用三维数值模拟技术分析了扎拉水电站鱼道原设计方案不同底坡条件下池室流场结构、流速分布、紊动能等水力特性。研究结果表明：池室水深1.5～2.5 m时，鱼道相应下泄流量0.44～0.73 m3/s；池室内主流形态呈“S”形，主流两侧回流或静水区域尺寸基本相当；池室主流流速0.40～0.80 m/s，竖缝处最大流速约1.10 m/s，池室回流区流速均在0.30 m/s以下。研究成果可供类似鱼道工程设计、研究参考。

关键词：

鱼道； 竖缝式； 流态； 流速； 水力特征； 扎拉水电站

中图法分类号：S956.3

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.012

文章编号：1006-0081（2024）06-0069-07

0  引  言

闸坝等水工建筑物的修建破坏了鱼类栖息地的连通性，鱼道是恢复鱼类洄游通道和连接破碎栖息地的有效工程措施［1］。竖缝式鱼道是一种池式鱼道，因其流态稳定、对水位变化的适应能力强、过鱼效率高等技术优势，在国内外得到了广泛的应用，中国近期建设的鱼道工程大都采用了这种布置形式［2］。从水力学角度看，鱼道内部的水力特性包括过流流量、池室内流态、主流流线及流速衰减情况、竖缝最大流速等，这些是影响过鱼效率的重要因素，也是竖缝式鱼道体型优化研究的主要内容［3］。竖缝式鱼道在池室结构布置和水力特性方面取得了相对成熟的研究成果，多数基于数学模型和物理模型等手段开展竖缝式鱼道断面型式［4-5］、坡度［6-7］、池室长宽比［8-9］、竖缝宽度［10］、竖缝位置［11］、导角［12］、隔板形状［13］以及转弯段结构［14］对池室流速、流态、紊动能等水力特性影响研究［15-18］。例如，Rajaratnam，徐体兵，Wu等［19-21］对竖缝式鱼道开展了试验研究，研究了池室长宽比、底坡坡度与水流流态的关系。Ahmadi等［22］运用数值模拟方法探究了不同竖缝式鱼道底坡以及池室布置圆柱体等附加物等对流速和紊动能的影响。Li等［13］研究了两种隔板形式下不同坡度的鱼道内流场分布，结果表明，只要相邻池室水位差相等，即使坡度完全不同，竖缝处的流速也几乎相等。

本文以扎拉水电站鱼道为研究对象，采用三维数值模拟技术分析了不同底坡条件下池室流场结构、流速分布、紊动能等水力特性，并提出了调整导板和隔板长度后的优化方案，结合鱼道局部池室 1∶5 水力学模型试验，对优化方案的鱼道池室的水力特性进行了研究。

1  研究概况

1.1  工程概况

扎拉水电站坝址位于左贡县碧土乡扎郎村附近，距左贡县城约136 km，距昌都约290 km，距河口约83 km，距上游规划碧土坝址约17 km，与下游规划轰东坝址相距约63 km。扎拉水电站主要建筑物由挡泄水建筑物、引水隧洞、电站厂房、鱼道组成。

1.2  鱼道概况

1.2.1  鱼类生态学基本资料

根据相关文献资料记载，综合以往调查研究和调查现状，扎拉水电站主要过鱼对象是具有一定洄游迁移需求的4种裂腹鱼，即：怒江裂腹鱼、贡山裂腹鱼、裸腹叶须鱼与温泉裸裂尻鱼，区域的其他鱼类如高原鳅类及鮡科鱼类作为兼顾过鱼对象，虽没有特殊的洄游需求，但需要自由通过，以促进鱼类种群交流。

根据过鱼种类的繁殖季节及习性分析，研究的主要过鱼季节为4～7月。测试结果表明，当过鱼对象为怒江裂腹鱼、贡山裂腹鱼、温泉裸裂尻和裸腹叶须鱼时，为保证95%的鱼类在过鱼设施内有趋流反应，过鱼设施内部整体平均流速设计范围为0.10～1.03 m/s，鱼道竖缝处的流速应不超过1.11 m/s。

1.2.2  鱼道工作水位及工程布置

鱼道上游工作水位为2 811.50～2 815.00 m，下游工作水位为2 761.02～2 766.80 m，最大水头约54.00 m。鱼道布置在大坝坝下右岸进口紧邻生态机组厂房尾水口，进口底板高程为2 759.0 m，3个出鱼口底板高程分别为2 809.5，2 811.25 m和2 813.0 m。鱼道全长约2.97 km。鱼道单个标准池室长度3.0 m，宽度2.5 m，竖缝宽度0.3 m，池室间落差Δh=0.06 m，鱼道底坡为1∶50，高程每提升1.0 m设一个休息池，休息池无底坡，长度为5.0 m（图1）。

1.3  研究内容

建立数学模型，分析鱼道底坡、池室结构和相关设计参数与池室水流条件的关系，得出推荐结构型式，并明确其细部尺寸。根据三维数值模拟确定鱼道池室结构，开展鱼道局部物理模型试验，量测不同水深下鱼道流量、池室流态、池室间水头落差、流速等水力特性，结合鱼类习性分析池室水流条件适宜性，推荐满足鱼类上溯要求的池室布置型式。

2  数值计算

2.1  数学模型建立

2.1.1  控制方程

采用N-S方程，建立三维k-ε紊流数学模型。控制方程包括连续性方程、动量方程、紊动能k方程、紊动能耗散率ε方程。

（1） 连续性方程为

ρt+ρuixi=0（1）

式中：ρ为密度；

t为时间；

ui为i方向的时均流速分量；

xi为i方向的坐标分量。

（2） 动量方程为

ρuit+xjρuiuj=-pxi+

xjμ+μtuixj+ujxi-gi（2）

式中：p为压力；

μ为黏性系数；

μt为紊动黏性系数；

gi为i方向的重力加速度分量。

（3） 紊动能k方程为

ρkt+ρuikxi=xiμ+μtσkkxi+G-ρε（3）

式中：k为紊动能；

ε为紊动能耗散率；

G为紊动能产生项；

σk为紊流常数，取值1.0。

（4） 紊动能耗散率ε方程为

ρεt+ρuiεxi=xiμ+μtσεεxi+Cε1εkG-Cε2ρε2k（4）

式中：各项紊流常数取值为Cμ=0.09，σε=1.3，Cε1=1.44，Cε2=1.92。

采用VOF方法处理自由水面，用流体容积分数αq（水相αw，气相αa）描述水和气自由表面的各种变化，水气界面的跟踪即通过求解该连续方程来完成，第q相流体输运控制方程为

αqt+uiαqxi=0（5）

2.1.2  计算方法及模型构建

采用控制体积法对方程组进行离散，采用SIMPLE算法耦合速度压力。

模拟范围取30倍过鱼池室长，其中包括中间1个休息池室、休息池上游8个池室、休息池下游16个池室以及上下游进出口各设置5.0 m长的延长水平段，长度范围91.0 m，模拟范围及三维效果见图2。构建1∶35，1∶40，1∶45，1∶50等4种池室底坡的三维数学模型，计算工况取鱼道平均水深2.0 m。

2.1.3  边界条件

上游进口断面采用相应模型进口池室水深对应的总压力边界条件；紊动能k和紊动能耗散率ε由经验公式得出：k=0.003 75 u2，ε=Cμ3/4k3/2/l，其中紊流尺度l=0.07L（L为特征长度，单位为m）。下游出口边界采用相应模型出口池室水深对应的压力边界条件；假定流动为充分发展，顶面大气进口采用大气压力进口边界条件；固壁边界采用无滑移边界条件，对黏性底层采用壁函数法处理。

2.2  原方案数值模拟结果

2.2.1  下泄流量

鱼道水深2.0 m时，1∶50，1∶45，1∶40，1∶35底坡方案鱼道下泄流量分别为0.53，0.56，0.60，0.64 m3/s，表明相同水深下，底坡越陡，鱼道下泄流量越大。

2.2.2  流场结构

图3为鱼道平均水深2.0 m时，4种底坡方案池室中层平剖面流线图。计算结果表明：各底坡方案池室流场结构基本相同；池室表、中、底水深层流场结构基本相同，水流经竖缝以射流形式流入池室，主流断面沿程略有扩散，在接近下游竖缝时断面收缩；主流先向池室中部形成一定程度弯曲，后沿池室中部靠右侧壁流向下一级竖缝；主流区水流较平顺，流线较短。主流左右两侧回流区范围相差较大，隔板之间的回流区明显大于导板之间的回流区。

2.2.3  流速分布

图4为鱼道平均水深2.0 m时，4种底坡方案过鱼池室中层水深平剖面流速等值图。沿程各池室表、中、底层流速分布规律基本相同。底坡越陡，竖缝处的流速越大，1∶50，1∶45，1∶40，1∶35底坡方案竖缝处流速分别为0.8～1.0，0.9～1.0，0.9～1.1，1.0～1.2 m/s。底坡越陡，池室沿程主流流速越大，1∶50，1∶45，1∶40，1∶35底坡方案沿程主流流速分别为0.5～0.9，0.6～0.9，0.6～1.0，0.7～1.0 m/s。左侧壁大回流区和右侧壁小回流区最大回流流速为0.3 m/s。

2.2.4  紊动能分布

图5为4种底坡方案鱼道平均水深2.0 m时池室平剖面紊动能等值线图。各池室表、中、底层紊动能总体分布规律基本相同；池室内紊动能分布规律与流速分布规律大体一致，1∶50，1∶45，1∶40，1∶35底坡方案竖缝处紊动能为0.06～0.16，0.06～0.1，0.08～0.20，0.12～0.24 m2/s2，池室内紊动能逐渐衰减，不同底坡方案中，鱼道内最大紊动能不超过0.24 m2/s2。

2.2.5  结果分析

在鱼道底坡和水深相同情况下，池室表中底层流场结构、流速和紊动能分布规律基本相同，过鱼池室内主流弯曲程度较小，在池室内主流左侧的回流区比右侧回流区大。主流偏转程度太低，没有完整利用全部池室空间进行消能。相同水深条件下，鱼道底坡越陡，流量、竖缝处流速、主流流速与竖缝处紊动能越大。根据不同底坡方案的鱼道流速结果可知，底坡1∶50，1∶45和1∶40时鱼道池室内流速以及竖缝处流速均满足要求；底坡为1∶35时，鱼道池室内流速以及竖缝处流速超过设计范围。

综上，通过各底坡方案三维数值模拟结果的比较分析，鱼道最适宜的坡度是1∶40，此底坡方案池室内水流特性满足过鱼对象上溯要求。

2.3  优化方案数值模拟结果

2.3.1  优化方案设计

针对本工程鱼道原设计方案三维数值模拟结果，池室内主流偏转程度太低、主隔板之间的回流区明显大于导板之间的回流区、未充分利用完整池室消能的情况，需要对池室细部结构进行优化。本研究提出的优化方案，通过改变导板和隔板的长度，将竖缝位置向池室中间移动，导板长度由原设计方案的0.48 m增加至优化方案的0.70 m，其余结构尺寸保持不变，鱼道优化方案布置见图6。

2.3.2  下泄流量

鱼道水深2.0 m时，鱼道优化方案1∶50，1∶40底坡下泄流量分别为0.53，0.60 m3/s，相同水深条件下，底坡越陡，鱼道下泄流量越大。

2.3.3  流场结构

图7给出了底坡1∶50和底坡1∶40条件下，优化方案鱼道平均水深2.0 m时池室水深层平剖面流线图。各过鱼池室表、中、底层流场结构基本相近；水流经竖缝出来后，主流向左侧偏转，在池室中部向右侧偏转流向下一级竖缝，主流区水流偏转适中，呈现“S”形流线；在池室内主流区左右两侧回流区大小相当；优化方案池室流场结构优于原设计方案。

2.3.4  流速分布

图8给出了底坡1∶50和底坡1∶40条件下，优化方案鱼道平均水深2.0 m时过鱼池室表、中、底层平剖面流速等值图。各池室表、中、底层总体流速分布规律基本相同；底坡1∶50方案竖缝处流速为0.8～1.0 m/s，主流流速为0.5～0.8 m/s；底坡 1∶40方案竖缝处流速为0.9～1.1 m/s，主流流速为0.6～0.9 m/s。相同底坡条件下，优化方案鱼道竖缝处流速大小与原设计方案基本相同，但优化方案竖缝处大流速区域变小；鱼道优化方案池室内最大流速衰减略快，优化方案消能比原设计方案略强，两侧回流区最大回流流速为0.3 m/s。

2.3.5  紊动能分布

图9给出了两种底坡优化方案鱼道平均水深2.0 m时池室平剖面紊动能等值线图。各单元池室表、中、底层池室内紊动能总体分布规律基本相同，竖缝处紊动能最大；竖缝断面紊动能为0.06～0.16 m2/s2，优化方案竖缝处紊动能比原设计方案略小。

2.3.6  优化方案结果分析

优化方案鱼道池室表、中、底层流场结构、流速和紊动能分布规律基本相同，过鱼池室内主流弯曲程度比原设计方案大，池室内主流左侧的回流区与右侧回流区尺寸相当，说明竖缝位置改变了主流区在池室内的位置，进而影响回流区的分布。

相同底坡条件下，优化方案鱼道竖缝处流速与原设计方案基本相同，但优化方案竖缝处大流速区域变小；鱼道优化方案池室内最大流速衰减略快，优化方案消能比原设计方案略强。

综上，1∶40底坡优化方案流场结构优于原设计方案，池室内水流流态更合理，且池室内流速和竖缝处流速、紊动能均满足过鱼对象上溯要求。

3  物理模型试验研究

3.1  模型布置方案选择

通过前期的池室三维数值计算结果可知，优化方案中底坡1∶40时，池室内水力学参数满足设计及目标鱼类上溯要求，可作为物理模型的研究对象。

3.2  模型设计及制作

模型根据重力相似准则设计，选定几何比尺为1∶5的正态局部模型。模型模拟范围包括上游水库、14个标准池室、1个标准休息室及下游水库等，鱼道边墙采用水泥制作，鱼道隔板采用有机玻璃制作，模型布置见图10。

3.3  测点布置

重点对池室进行流速测点布设，标准池室中布设9个断面，每个断面布设2～7个测点，共49个测点；此外在竖缝中心也布置了测点。

3.4  试验研究成果

3.4.1  下泄流量

当鱼道出口水深为1.5～2.5 m时，鱼道下泄流量为0.44～0.73 m3/s，两者基本呈线性关系。

3.4.2  流  态

试验工况下，上游水库水位平稳，无明显波动。水流进入第一级竖缝隔板时，由正向进流调整为板侧进流，水流在隔板前水位稍有壅高，并在竖缝处形成明显的跌落，经竖缝调整后，顺竖缝向左以45°角进入第一级池室。在进入池室后，由于惯性作用，主流继续流向左侧，沿程略有扩散，在到达池室中间断面部位后，受下一级竖缝的影响，主流又逐渐流向右侧，在水流进入到下一级竖缝前，已逐渐调整到正向进入竖缝。总体来看，池室内主流的形态呈“S”形，并在池室内的导板下游侧墙边、上宽隔板附近及下宽隔板附近等区域形成了较为明显的弱回流或静水区域，主流两侧回流或静水区域尺寸相当，鱼道池室流态见图11。

从以上流态上看，该隔板布置型式下的池室水流较为顺直，未见前一块隔板孔口的急流直冲下一块隔板的现象；未见主流从上一隔板过鱼孔冲入第二块隔板和槽壁的角隅、形成水流激烈翻滚的现象；也未见在孔口断面上侧出现横向水流、孔口水流左右摆动的现象。

3.4.3  流速分布

各工况下竖缝处流速约0.70～1.10 m/s。沿程池室水深2.5 m条件下，竖缝处表层最大流速约1.09 m/s，中、底层竖缝处流速略小，分别约为1.05 m/s和0.97 m/s；沿程池室水深2.0 m条件下，表层最大流速为1.10 m/s，中、底层流速分别为1.06 m/s和1.05 m/s；沿程池室水深1.5 m 条件下，表层流速为1.11 m/s，中、底层流速分别约为1.09 m/s和1.05 m/s。池室水深2.0 m时，鱼道池室中层流速分布如图12所示。

池室内除竖缝孔口部位表面流速较中底部流速略大外，其他部位不同水深层流速分布基本相同。池室主流流速为0.40～0.80 m/s，主流流速变化比较顺畅，两侧边墙及隔板下游附近回流区流速在0.30 m/s以下。

3.5  模型试验成果与数值模拟成果对比

对比物理模型试验成果与数值模拟成果可得：① 两者池室内流态相同；② 竖缝处流速基本一致，池室内主流流速相差不大。

4  结  论

本研究采用三维数值模拟技术，分析了坚缝式鱼道不同底坡条件下池室流场结构、流速分布、紊动能等水力特性，并提出了调整导板和隔板长度后的优化方案，结合鱼道局部池室1∶5水力学模型试验，对优化方案的鱼道池室的水力特性进行了验证研究，结论如下。

（1） 通过各底坡方案三维数值模拟结果的比较分析，本工程鱼道最适宜的坡度是1∶40，该底坡方案池室内水流特性满足过鱼对象上溯要求。

（2） 相同底坡条件下，优化方案鱼道竖缝处流速与原设计方案基本相同，但优化方案竖缝处大流速区域变小；鱼道优化方案池室内最大流速衰减略快，优化方案消能比原设计方案略强。

（3） 对比物理模型试验成果与数值模拟成果，两者池室内流态、竖缝处流速、池室内主流流速相差不大，说明数值计算的结果是可信的。

优化方案下，本工程优化方案鱼道水流条件满足要求，适合鱼类上溯，成果可供类似工程参考。

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（编辑：张  爽）

Research on hydraulic characteristics of vertical slot fishway pools of Xizang Zhala Hydropower Station

JIA Zhaowen1，HUANG Ziye2，WANG Meng3，LIU Zhixiong2

（1.Xizang Datang Zhala Hydropower Development Co.，Ltd.，Changdu 854000，China；

2.Institute of Hydraulics，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；

3.POWERCHINA Guiyang Survey，Design and Research Institute Co.，Ltd.，Guiyang 550081，China）

Abstract：

In order to further optimize the flow field structure of fishway tank of Xizang Zhala Hydropower Station，an optimization scheme was proposed to adjust the length of guide plate and partition plate. Combined with the 1∶5 hydraulic model test of the local fishway pools，the hydraulic characteristics of the fishway pools of the optimization scheme were verified. The research results showed that when the water depth of the pool was 1.5～2.5 m，the discharge of the fishway was 0.44～0.73 m3/s. The mainstream shape of the pool was similar to the letter "S"，and the size of the backflow or still water area on both sides of the mainstream was basically the same. The main flow velocity in the pool was 0.40～0.80 m/s，the maximum flow velocity at the vertical slot was about 1.10 m/s，and the flow velocity in the re-circulation zone of the pool was below 0.30 m/s. The research results could provide a reference for similar fishway engineering design and research.

Key words：

fishway； vertical slot； flow pattern； flow velocity； hydraulic characteristic； Zhala Hydropower Station