劉本芹,黃 岳,宣國(guó)祥

(南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210029)

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小長(zhǎng)寬比魚(yú)道池室水力學(xué)試驗(yàn)研究

劉本芹,黃 岳,宣國(guó)祥

(南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210029)

魚(yú)道水流條件是影響其過(guò)魚(yú)效果的重要因素。在分析魚(yú)道類(lèi)型及其特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)應(yīng)用最為廣泛的豎縫隔板式魚(yú)道，通過(guò)1∶ 4的大比尺局部物理模型試驗(yàn)，研究了各級(jí)水池長(zhǎng)寬比小于1.0條件下的隔板布置及豎縫寬度，對(duì)比了3種布置方案，分析評(píng)價(jià)了豎縫流速指標(biāo)以及池室流速分布、流態(tài)和消能特性，提出了適合小長(zhǎng)寬比池室條件下的魚(yú)道隔板布置型式。通過(guò)1∶12.5的魚(yú)道整體水力學(xué)模型試驗(yàn)，對(duì)運(yùn)行水力指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證分析，確立了減小隔板前局部水位壅高及提高豎縫流速沿程均勻性的設(shè)計(jì)原則；為適應(yīng)魚(yú)道進(jìn)、出口水深的變化，從生態(tài)明渠引水補(bǔ)充魚(yú)道流量，最小補(bǔ)水流量為0.22 m3/s。試驗(yàn)結(jié)果表明，這種魚(yú)道布置型式可推廣應(yīng)用到其他類(lèi)似魚(yú)道工程中。

魚(yú)道； 隔板布置； 水力學(xué)； 物理模型試驗(yàn)

魚(yú)道按結(jié)構(gòu)型式可分為仿生態(tài)式、隔板式、槽式和特殊結(jié)構(gòu)型式[1-2]。仿生態(tài)式魚(yú)道接近天然河道，魚(yú)類(lèi)休息條件良好，但因適用水頭小、占地面積大、對(duì)地形要求高等因素，實(shí)用性受到一定限制；槽式魚(yú)道在槽壁和槽底設(shè)有間距較密的阻板和底坎，一般適用于游泳能力較強(qiáng)的魚(yú)類(lèi)和上下游水位差不大的工程；特殊結(jié)構(gòu)型式魚(yú)道適用于爬行、能黏附及善于穿越縫隙的魚(yú)類(lèi)；隔板式魚(yú)道利用橫隔板將總水頭分成許多梯級(jí)，并利用水墊、沿程摩阻及水流對(duì)沖、擴(kuò)散消能，以獲取適合魚(yú)類(lèi)上溯的流態(tài)，其水流條件易于控制、適應(yīng)水頭大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便，且可通過(guò)調(diào)整過(guò)魚(yú)孔型式、位置、大小來(lái)滿(mǎn)足多種洄游性魚(yú)類(lèi)的上溯要求，目前應(yīng)用最多。

隔板式魚(yú)道根據(jù)橫隔板過(guò)魚(yú)孔的形狀、位置及消能機(jī)理的不同，又分為溢流堰式、淹沒(méi)孔口式、豎縫式和組合式等，其中豎縫隔板式魚(yú)道在近代魚(yú)道工程中應(yīng)用最廣[1-3]。為滿(mǎn)足過(guò)魚(yú)對(duì)象的上溯要求，隔板式魚(yú)道池室凈寬不宜小于主要過(guò)魚(yú)對(duì)象體長(zhǎng)的2倍，同時(shí)池室長(zhǎng)寬比取1.25～1.50[1]。而實(shí)際工程中，有時(shí)受地形地質(zhì)條件、建設(shè)費(fèi)用及施工難度等因素限制，魚(yú)道水池長(zhǎng)寬比偏小，魚(yú)池長(zhǎng)度過(guò)短，將導(dǎo)致魚(yú)道內(nèi)主流軌跡線(xiàn)曲率半徑偏小，不利魚(yú)類(lèi)順主流上溯。為滿(mǎn)足此類(lèi)魚(yú)道水池流態(tài)及豎縫流速要求，本文以某豎縫隔板式魚(yú)道為例，通過(guò)物理模型對(duì)水池長(zhǎng)寬比小于1.0的魚(yú)道隔板型式、豎縫尺寸及水池水力特性進(jìn)行研究。

1 工程概況

某魚(yú)道工程所在流域內(nèi)植被良好，河源區(qū)有大片草地和森林，人類(lèi)活動(dòng)影響甚微，魚(yú)類(lèi)資源豐富。為了解決該河段洄游魚(yú)類(lèi)上溯要求，建設(shè)水電樞紐同時(shí)，在右岸導(dǎo)流明渠內(nèi)布置生態(tài)流量泄放壩段和魚(yú)道。

魚(yú)道采用豎縫隔板式結(jié)構(gòu)，上游運(yùn)行水位▽1 030 m～▽1 028 m，下游運(yùn)行水位▽1 016 m～▽1 017 m，魚(yú)道池室水深1.0～2.0 m；主要過(guò)魚(yú)對(duì)象為薩氏非洲脂鯉、中間錫伯鯰、阿氏歧須鮠和維多利亞歧須鮠等底層洄游性魚(yú)類(lèi)，體長(zhǎng)最大0.62 m；魚(yú)道每隔10級(jí)水池設(shè)一休息池，水池設(shè)計(jì)底坡5.5%，休息池設(shè)計(jì)底坡2.5%；魚(yú)道設(shè)計(jì)最大流速1.8 m/s；魚(yú)道總長(zhǎng)320 m，每級(jí)池室凈長(zhǎng)2.75 m，凈寬3.5 m，長(zhǎng)寬比0.79。

該魚(yú)道池室底坡較大，已超過(guò)我國(guó)絕大多數(shù)魚(yú)道的設(shè)計(jì)底坡，且根據(jù)樞紐總體布置及壩址處的地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)要求，其布置長(zhǎng)度無(wú)進(jìn)一步延長(zhǎng)的空間；此外，池室斷面形式為矩形，長(zhǎng)寬比偏小，對(duì)過(guò)魚(yú)孔流態(tài)和流速要求較高。因此，綜合考慮消能、流態(tài)和流速問(wèn)題，需要通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)研究。

2 豎縫布置分析

隔板過(guò)魚(yú)豎縫布置需根據(jù)最大過(guò)魚(yú)對(duì)象尺寸和池室尺度確定，對(duì)于池室長(zhǎng)度小于寬度的非標(biāo)準(zhǔn)池室，應(yīng)首先依據(jù)池室凈長(zhǎng)推算標(biāo)準(zhǔn)池室的凈寬，在此基礎(chǔ)上綜合考慮魚(yú)道水池凈寬、水深、過(guò)魚(yú)對(duì)象體長(zhǎng)等因素來(lái)確定過(guò)魚(yú)豎縫的寬度。需要說(shuō)明的是，過(guò)魚(yú)豎縫的寬度越大，魚(yú)道中流量也就越大，相應(yīng)的豎縫水流流速也將增大。根據(jù)該魚(yú)道基本設(shè)計(jì)參數(shù)，經(jīng)計(jì)算后選擇豎縫寬度為0.35～0.55 m。

豎縫布置形式主要有同側(cè)豎縫和異側(cè)豎縫兩種，同側(cè)豎縫的各級(jí)隔板豎縫均布置在水池同側(cè)，異側(cè)豎縫則是各級(jí)隔板豎縫左右交替布置。研究表明，池室采用小長(zhǎng)寬比布置的魚(yú)道，采用異側(cè)豎縫時(shí)因主流橫穿整個(gè)池室且在隔板豎縫處明顯扭曲，相鄰池室的主流方向變化劇烈，不利于魚(yú)類(lèi)上溯，而同側(cè)豎縫形式則可改善池室水流流態(tài)[4-5]，由此確定該魚(yú)道過(guò)魚(yú)采用同側(cè)豎縫布置。

為使豎縫出流充分?jǐn)U散消能，豎縫位置不宜設(shè)置在魚(yú)道水池邊墻處，通常需要加設(shè)橫向?qū)О逭{(diào)整主流方向和出流流態(tài)，而設(shè)置縱向?qū)О鍎t可進(jìn)一步改善池室水流流態(tài)和豎縫處的水面跌落現(xiàn)象，但同時(shí)會(huì)使豎縫流速稍有增大。根據(jù)研究結(jié)果，魚(yú)道水池的長(zhǎng)寬比值小于0.8時(shí)，設(shè)置縱向?qū)О鍖?duì)水流流態(tài)的改善作用不再明顯[4]。同時(shí)，該魚(yú)道水池凈長(zhǎng)僅2.75 m，設(shè)置縱向?qū)О鍖⒄加贸厥也糠挚v向空間，對(duì)主流也會(huì)產(chǎn)生分散作用，而其過(guò)魚(yú)對(duì)象主要為中下層魚(yú)類(lèi)，豎縫附近的局部水面跌落對(duì)魚(yú)類(lèi)影響不大。綜合分析各項(xiàng)因素后確定魚(yú)道隔板采用“橫隔板+橫向?qū)О濉钡慕Y(jié)構(gòu)型式。

圖1 3種隔板布置方案(單位： cm)Fig.1 Three types of baffle layout for a fishway (unit： cm)

橫隔板大多采用垂直于邊墻的直線(xiàn)結(jié)構(gòu)形式。近年來(lái)雖出現(xiàn)過(guò)針對(duì)流線(xiàn)型隔板結(jié)構(gòu)的研究，但流線(xiàn)型隔板結(jié)構(gòu)在使主流更為明確的同時(shí)，也增加了豎縫流速[6]；其魚(yú)道的設(shè)計(jì)底坡較大，需研究如何減小豎縫流速以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)，不宜采用流線(xiàn)型隔板。為此，提出直線(xiàn)型橫隔板頭部、下游側(cè)采用修圓布置，與橫向?qū)О宓男泵鏄?gòu)成過(guò)魚(yú)孔，使過(guò)魚(yú)孔最小寬度僅存在于一個(gè)斷面上，有利于魚(yú)類(lèi)快速通過(guò)高流速區(qū)。而文獻(xiàn)[4]的研究表明，在池室長(zhǎng)寬比值小于1.0的條件下，魚(yú)道寬度對(duì)主流影響已不明顯，故文中針對(duì)較為不利的同一種長(zhǎng)寬比布置方案，重點(diǎn)從豎縫寬度、橫向?qū)О彘L(zhǎng)度及導(dǎo)流角度等方面進(jìn)行比選，提出了圖1中的3種豎縫式隔板布置方案，豎縫寬度分別為0.35，0.40和0.55 m，通過(guò)隔板局部模型試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比研究。

3 魚(yú)道隔板局部模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康募胺椒?/p>

魚(yú)類(lèi)進(jìn)入魚(yú)道后，過(guò)魚(yú)效果主要取決于隔板過(guò)魚(yú)豎縫的流速及相鄰兩隔板間的水流流態(tài)。豎縫流速需小于過(guò)魚(yú)對(duì)象的極限流速，各級(jí)水池內(nèi)應(yīng)主流明確，且存在一定回流以達(dá)到消能效果，但回流強(qiáng)度及范圍不能過(guò)大，以免小型魚(yú)類(lèi)迷失方向，延誤上溯時(shí)間。局部模型試驗(yàn)的目的是比較分析3種隔板布置方案的水池水力特性，確定小長(zhǎng)寬比水池內(nèi)流速及流態(tài)滿(mǎn)足要求的豎縫式隔板布置。

局部模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，模型幾何比尺1∶4，模擬10級(jí)魚(yú)道水池，其中包含一級(jí)休息池。模型控制邊界條件為水深，通過(guò)調(diào)整上下游水位使各級(jí)水池水深為2.0 m，自下游至上游隔板編號(hào)依次為1～11號(hào)，在沿程典型隔板(3～9號(hào)隔板)豎縫處沿水深布置5個(gè)流速測(cè)點(diǎn)(自底部至頂部編號(hào)1#～5#)，采用無(wú)線(xiàn)旋漿流速儀測(cè)量豎縫流速及其分布特性。

3.2 過(guò)魚(yú)豎縫流速及分布特性

由表1中的大比尺局部模型試驗(yàn)測(cè)得的流速分布可知：在流速指標(biāo)方面，方案1豎縫寬度較小，故沿程各隔板的豎縫最大流速僅為1.43 m/s，尚有較大富余；方案2豎縫最大流速為1.59 m/s，小于設(shè)計(jì)流速，豎縫寬度較為適宜；方案3豎縫最大流速為1.74 m/s，已接近設(shè)計(jì)流速1.80 m/s，說(shuō)明豎縫寬度偏大。在流速分布方面，方案1和2豎縫平均流速沿程分布基本均勻，流速最大差值分別為2.2%和2.8%，而方案3的流速均勻性略差，豎縫流速均值沿程最大相差9.3%；除最頂部的測(cè)點(diǎn)因距離水面較近受局部水位跌路及波動(dòng)影響略有差別外，各隔板豎縫平均流速沿水下垂向分布基本均勻，3種方案的垂向差值分別為2.94%，1.37%和2.56%。

綜合考慮豎縫流速指標(biāo)及流速分布的均勻性，認(rèn)為方案2的隔板及豎縫布置優(yōu)于方案1和3。

表1 各方案的豎縫流速

3.3 池室流態(tài)

觀測(cè)魚(yú)道池室流態(tài)發(fā)現(xiàn)，水流通過(guò)豎縫進(jìn)入下級(jí)魚(yú)道水池時(shí)受橫向?qū)О宓膶?dǎo)向作用，主流先偏向池室左側(cè)，然后在池室長(zhǎng)度的1/2處開(kāi)始偏向池室右側(cè)，進(jìn)入下一級(jí)豎縫。其中，方案1橫向?qū)О宓膶?dǎo)流角為30°，主流在上下級(jí)池室內(nèi)呈典型“S”型流態(tài)，相鄰兩級(jí)隔板間主流軌跡的曲率半徑為1.85 m，主流右側(cè)回流強(qiáng)度較大；而方案3橫向?qū)О宓膶?dǎo)流角增大為45°后，主流軌跡的曲率半徑增大為2.92 m，主流雖較為平順，但池室消能效果明顯下降；方案2橫向?qū)О宓膶?dǎo)流角為40°，豎縫寬度適中，主流軌跡的曲率半徑為2.20 m，介于方案1和方案3之間，同時(shí)適當(dāng)增加了橫向?qū)О彘L(zhǎng)度以便增大主流右側(cè)回流區(qū)體積，兼顧了流速、流態(tài)及消能要求，基本達(dá)到了預(yù)期目的。

進(jìn)一步對(duì)比國(guó)內(nèi)外部分魚(yú)道工程資料及其他魚(yú)道工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[7-12]，考慮到該魚(yú)道設(shè)計(jì)過(guò)魚(yú)對(duì)象最大體長(zhǎng)僅0.62 m，在設(shè)計(jì)底坡較大的條件下，確定隔板布置型式采用方案2，即：豎縫最小寬度0.40 m，橫隔板長(zhǎng)度為2.62 m，隔板頭部下游側(cè)設(shè)置半徑為0.10 m的圓弧倒角，橫向?qū)О彘L(zhǎng)度為0.80 m，導(dǎo)板頭部設(shè)置向下游側(cè)傾斜的40°導(dǎo)流角，橫隔板與橫向?qū)О逖佤~(yú)道長(zhǎng)度方向的水平間距為0.25 m。圖2中的池室流速分布及流態(tài)表明，魚(yú)道各級(jí)水池內(nèi)主流明確，主流兩側(cè)的低流速區(qū)適合魚(yú)類(lèi)短暫休息。

圖2 魚(yú)道池室的流速分布及流態(tài)(單位：m/s)Fig.2 Flow field and flow pattern of the fishway pool (unit： m/s)

4 整體模型試驗(yàn)

通過(guò)開(kāi)展幾何比尺為1∶12.5的魚(yú)道整體模型試驗(yàn)，研究了魚(yú)道整體運(yùn)行特性。在測(cè)量豎縫流速的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步測(cè)定池室隔板前水深，計(jì)算魚(yú)道沿程水面線(xiàn)，測(cè)量魚(yú)道運(yùn)行時(shí)的流量。該魚(yú)道正常運(yùn)行水位組合為：上游1 030 m～下游1 017 m，魚(yú)道池室水深為2.0 m，整體模型中測(cè)量了自魚(yú)道入口至出口全程典型隔板豎縫的流速(魚(yú)道全程共79塊隔板，自下而上編號(hào)1#～79#)，沿豎縫水深方向布置了3個(gè)流速測(cè)點(diǎn),具體測(cè)量值見(jiàn)表2。

表2 整體模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)流速

圖3 沿程水面線(xiàn)Fig.3 Water surface profile

由表2可知，整體模型試驗(yàn)測(cè)得的豎縫最大流速為1.68 m/s，最小流速為1.41 m/s，各測(cè)點(diǎn)流速平均值為1.50 m/s，流速滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，流速平均值比局部模型試驗(yàn)測(cè)量值約大4.0%，基本吻合；從流速分布情況來(lái)看，頂部流速略大于底部流速，符合一般規(guī)律，且沿程無(wú)明顯能量累積現(xiàn)象，水流消能較好。試驗(yàn)測(cè)得的沿程各隔板前水深最大相差1.0%左右，基本均勻；圖3中的沿程水面線(xiàn)表明，魚(yú)道沿程水面線(xiàn)基本平順。魚(yú)道正常運(yùn)行時(shí)的流量為1.08 m3/s，槽身整體水力條件良好，滿(mǎn)足運(yùn)行要求。

仍需指出，對(duì)于此類(lèi)池室長(zhǎng)寬比明顯偏小的魚(yú)道，受池室長(zhǎng)度限制，豎縫主流在水池內(nèi)的轉(zhuǎn)換空間較小，受下級(jí)橫隔板阻擋后容易產(chǎn)生一定程度的局部壅高，建議在設(shè)計(jì)魚(yú)道底坡時(shí)予以考慮這一因素。此外，為了不影響沿程各項(xiàng)水力指標(biāo)的均勻性，魚(yú)道下游第一塊橫隔板處的底板高程應(yīng)與魚(yú)道入口底高程一致。對(duì)于該魚(yú)道入口水深大于出口水深的運(yùn)行工況，經(jīng)整體模型試驗(yàn)測(cè)試及驗(yàn)證，需在魚(yú)道下游端埋設(shè)補(bǔ)水管，從生態(tài)明渠引水補(bǔ)充入口水槽的流量，當(dāng)入口水深大于出口水深0.40 m時(shí)啟用補(bǔ)水設(shè)施，計(jì)算得出最小補(bǔ)水流量為0.22 m3/s。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)水利水電工程中應(yīng)用較為廣泛的豎縫隔板式魚(yú)道，采用大比尺局部物理模型試驗(yàn)，研究了魚(yú)道池室長(zhǎng)寬比小于1.0時(shí)的隔板布置及水力特性，從豎縫寬度、橫向?qū)О彘L(zhǎng)度、導(dǎo)流角大小等方面進(jìn)行了對(duì)比分析，提出了適合該類(lèi)型魚(yú)道特點(diǎn)的布置型式。橫向?qū)О宓膶?dǎo)流角確定為40°，導(dǎo)板長(zhǎng)度宜略小于魚(yú)道寬度的1/4，橫隔板頭部下游側(cè)修圓布置可適應(yīng)較大的魚(yú)道底坡。

通過(guò)魚(yú)道整體模型試驗(yàn)對(duì)運(yùn)行水力指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證分析，針對(duì)依托工程特點(diǎn)，提出了減小隔板前局部水位壅高及提高豎縫流速沿程均勻性的設(shè)計(jì)原則，以及適應(yīng)魚(yú)道進(jìn)、出口不同水深的運(yùn)行措施。研究得到的魚(yú)道隔板布置形式可推廣應(yīng)用到其他類(lèi)似魚(yú)道工程中。

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[12]王亞平, 潘贊文, 李樹(shù)東, 等. 廣西長(zhǎng)洲水利樞紐魚(yú)道水工水力學(xué)試驗(yàn)研究報(bào)告[R]. 南京： 南京水利科學(xué)研究院, 2005. (WANG Ya-ping, PAN Zan-wen, LI Shu-dong, et al. Physical model investigation for fishway of Changzhou hydropower project in Guangxi Province[R]. Nanjing: Nanjing Hydraulic Research Institute, 2005. (in Chinese))

Hydraulic model tests of fishway with small-sized pond

LIU Ben-qin， HUANG Yue， XUAN Guo-xiang

(StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China)

Fishway flow condition is an important factor affecting the fish passing effect. Based on the analyses of structural types and corresponding characteristics of the fishway, a partial hydraulic physical model with a large scale of 1∶ 4 is established for a vertical slot fishway, which is widely used in the water conservancy projects. The layout of the baffle and the vertical slot are studied under the conditions that a ratio of every pool’s length to width is less than 1.0. Three layout schemes are comparied in the experiments. Velocities of the vertical slot and velocity distribution, flow patterns and energy dissipation of the pool are tested and analysed. The baffle type is put forward suitable for the fishway with a small ratio of the pool’s length to width. Besides, the hydraulic characteristics are validated by an overall integral hydraulic physical model test which has a scale of 1∶12.5 when the fishway operates. The design rules are worked out to reduce local backwater of the baffles and enhance velocity uniformity of the vertical slots along the fishway. In order to suit the changes in water depth at the entrance and exit of the fishway, the studies of water supplement measures from an ecological open channel into the fishway are also carried out, showing that the minimum supplement discharge should be 0.22 m3/s. The test results show that the suggested baffle type can be applied to other similar fishway works.

fishway; baffle layout; hydraulics; physical model tests

10.16198/j.cnki.1009-640X.2015.06.015

劉本芹， 黃岳， 宣國(guó)祥. 小長(zhǎng)寬比魚(yú)道池室水力學(xué)試驗(yàn)研究[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào), 2015(6): 101-106. (LIU Ben-qin, HUANG Yue, XUAN Guo-xiang. Hydraulic model tests of fishway with small-sized pond[J]. Hydro-Science and Engineering, 2015(6): 101-106.)

2015-02-02

劉本芹(1977—)，女，山東蒙陰人, 高級(jí)工程師， 碩士，主要從事水工水力學(xué)研究。E-mail: bqliu@nhri.cn

S956.3；TV135

A

1009-640X(2015)06-0101-06