豎縫式魚道結(jié)構(gòu)及水力特性研究

羅小鳳，李 嘉

（四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065）

豎縫式魚道結(jié)構(gòu)及水力特性研究

羅小鳳，李 嘉

（四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065）

隨著越來越多大壩堤堰的修建，魚類的洄游和繁殖受到了嚴(yán)重的影響。為了保持魚類的生存繁衍，許多水利樞紐工程中都建有魚道。研究利用fluent軟件模擬了豎縫式魚道的流場(chǎng)，并用模型試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬進(jìn)行了驗(yàn)證，分析了豎縫式魚道導(dǎo)板的長(zhǎng)度及導(dǎo)角大小對(duì)魚道內(nèi)流場(chǎng)的影響。研究結(jié)果表明：在魚道流量及水池長(zhǎng)寬比一定的情況下，若不考慮邊壁的阻礙作用，導(dǎo)角越大，豎縫射流的衰減速度越快，主流軌跡的彎曲程度也越大，也越容易沖撞到邊壁；導(dǎo)板的長(zhǎng)度基本上對(duì)主流的擴(kuò)散及衰減沒有影響，但能通過改變主流在魚道內(nèi)的位置來改變邊壁對(duì)流態(tài)影響程度。關(guān) 鍵 詞：魚道；數(shù)值模擬；導(dǎo)板；導(dǎo)角

1 概 述

魚道是為了讓魚類能克服水利工程的阻礙，順利遷移和產(chǎn)卵而修建的過魚建筑物。魚道形式主要有兩類：池式魚道（由一系列水池和堰、豎縫或潛孔組成）和槽式魚道（由水槽和布置在底部或邊壁上用以加糙的隔板組成）。豎縫式魚道是池式魚道中一種應(yīng)用比較廣泛、過魚效率較高的布置形式。最早的豎縫式魚道是位于加拿大弗雷塞（Fraser）河上的鬼門峽（Hell＇s Gate）［1］。這種魚道是由有一定底坡的矩形水渠加上一系列的豎導(dǎo)式隔板組成的，整個(gè)魚道被隔板分割成一個(gè)一個(gè)魚道池，上游來水通過豎縫從一個(gè)水池進(jìn)入下一個(gè)水池。水流經(jīng)過豎縫后形成射流，并通過在水池中的摻混作用將能量耗散，而魚道豎縫處的流速必須小于所過魚類的最大游泳速度。國(guó)外，加拿大阿爾伯特（Albert）大學(xué)的Nallamuthu Rajaratnam［2］曾對(duì)7種設(shè)計(jì)形式的豎縫式魚道進(jìn)行流場(chǎng)分析，得到魚道的尾水深度對(duì)魚道內(nèi)水流流態(tài)的影響；S．Wu［3］通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)魚道的坡降在5%時(shí)，流態(tài)有明顯的二維特征，當(dāng)坡降在10%和20%時(shí)，上下層流態(tài)出現(xiàn)差異而表現(xiàn)為三維特征；美國(guó)土木工程協(xié)會(huì)（ASCE）的J．Puertas［4］對(duì)比分析了有無墩頭對(duì)三維水流流態(tài)及水力特性的研究；西班牙的L．J．Alvarez［5］對(duì)豎縫式魚道最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（擋板和導(dǎo)板的最佳設(shè)計(jì)位置）提出了數(shù)學(xué)運(yùn)算法則。國(guó)內(nèi)老龍口水利樞紐，三灣水利樞紐，以及長(zhǎng)洲魚道也都采用豎縫式魚道設(shè)計(jì)；水利水電科學(xué)研究院的徐體兵和孫雙科［6］研究了魚道池的長(zhǎng)寬比及墩頭長(zhǎng)短對(duì)魚道內(nèi)的流態(tài)影響。綜合上述研究，可以看出，影響魚道內(nèi)水流流態(tài)的因素，除流量外，主要有魚道的長(zhǎng)寬比、豎縫寬度、導(dǎo)板隔板位置以及導(dǎo)向角度等。本文以西藏獅泉河魚道為原型，按1∶8的比例建立模型，通過數(shù)值模擬計(jì)算，系統(tǒng)地研究了魚道導(dǎo)角及導(dǎo)板長(zhǎng)度對(duì)魚道內(nèi)水流流態(tài)的影響。

2 數(shù)學(xué)模型及試驗(yàn)驗(yàn)證

2．1 計(jì)算模型和計(jì)算方法

S．Wu［3］認(rèn)為，當(dāng)豎縫式魚道坡度小于5%時(shí)，其流態(tài)具有典型二元特性，本文研究的魚道坡降為3．57%，所以采用了二維流場(chǎng)來模擬魚道水流。為降低進(jìn)出口對(duì)水池內(nèi)流態(tài)的影響，本文共模擬計(jì)算了5個(gè)水池的流場(chǎng)［6］，取第4個(gè)水池的成果進(jìn)行分析。如圖1，θ為導(dǎo)角，a為導(dǎo)板長(zhǎng)度，θ與a即為本文所研究的變量。B為魚道寬度，L為單個(gè)水池長(zhǎng)度，B0為豎縫寬，在本文中，水池長(zhǎng)寬及豎縫寬度為恒定值，B＝0．312 5 m，L＝0．465 m，B0＝0．05 m。

圖1 魚道平面布置圖Fig．1 Layout p lan of the fishway

數(shù)值計(jì)算采用fluent流體計(jì)算軟件，模型采用西藏獅泉河魚道原型同比例縮小8倍后的尺寸，L＝0．465 m，B＝0．312 5 m。研究導(dǎo)角大小對(duì)流態(tài)的影響時(shí)，取導(dǎo)板長(zhǎng)度為0．05 m，計(jì)算了導(dǎo)角分別為0°，30°，45°，60°，90°時(shí)的5種情況；研究導(dǎo)板長(zhǎng)度的影響時(shí)，取導(dǎo)角為45°，計(jì)算了導(dǎo)板長(zhǎng)分別為0．01，0．03，0．05，0．06，0．08，0．1，0．12 m共7種情況。2．1．1 控制方程

方程為不可壓縮流體的連續(xù)方程和N-S方程，形式如下：

連續(xù)方程

運(yùn)動(dòng)方程

紊流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的κ－ε方程模型：

式中：u，v分別為x，y方向的速度；ρ是水的密度；p是瞬時(shí)靜水壓力；v和vt分別表示水的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)和渦動(dòng)粘滯系數(shù)，其中vt＝Cμ；fx，fy分別是x，y方向上的體積力加速度；κ是紊動(dòng)能；ε是紊動(dòng)能耗散率；σk，σε，C1ε，C2ε均為模型常數(shù)，在該模型中Cμ＝0．09，C1ε＝1．44，C2ε＝1．92，σk＝1．0，σε＝1．3。

2．1．2 計(jì)算方法

邊界條件中，進(jìn)口斷面給予恒定入流速度v＝0．072 9 m／s（在模型試驗(yàn)中，魚道入口段之前有一段流速緩慢的矩形明渠恒定流，所以入口流速由模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)的恒定流水深hf和進(jìn)口流量Q算得，Q＝4．42 m3／s，hf＝0．193 8 m；這與模型試驗(yàn)測(cè)得的行近流速v＝0．097 13也很一致）；出口斷面采用自由出流。流場(chǎng)計(jì)算采用協(xié)調(diào)一致的壓力耦合方程組半隱式方法（SIMPLEC），為加快迭代過程解的收斂性，對(duì)壓力修正方程采用欠松弛技術(shù)，取壓力欠松弛因子為0．7；時(shí)間步長(zhǎng)取0．005 s；κ，σ采用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

式中：v為入口流速；h為測(cè)量水深。計(jì)算得

2．2 模型驗(yàn)證

模型全長(zhǎng)6．475 m，寬為0．312 5 m，深2．5 m，整個(gè)水槽包括10級(jí)水池，單個(gè)水池長(zhǎng)l為0．462 5 m，導(dǎo)板長(zhǎng)0．05 m，導(dǎo)角為45°，魚道底部坡降為1∶28即3．57%。水槽使用有機(jī)玻璃制成，進(jìn)口流量的測(cè)量采用三角堰，流速采用旋漿測(cè)速儀測(cè)量，模型布置如圖2所示。

圖2 模型布置Fig．2 Arrangement of themodel

圖3、圖4分別對(duì)比了導(dǎo)板長(zhǎng)0．05 m，導(dǎo)角為45°時(shí)，距離豎縫0．1 m和0．2 m處橫斷面上流速的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值，v為流速，d為橫向距離。圖上顯示，計(jì)算值和測(cè)量值整體吻合較好，由于實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)邊壁的影響及計(jì)算模型未考慮壁函數(shù)等原因，在靠近邊壁的地方差別稍大。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3．1 導(dǎo)角對(duì)魚道水流結(jié)構(gòu)的影響

不同的導(dǎo)角使從豎縫進(jìn)入水池的射流形態(tài)有根本差別，從而導(dǎo)致水池中水流流態(tài)也有很大差異。本文針對(duì)導(dǎo)板長(zhǎng)度為0．05 m的情況進(jìn)行了計(jì)算。如圖5所示，水池中存在著2種不同流態(tài)，即連通兩級(jí)豎縫的主流區(qū)和形成封閉流線的回流區(qū)。當(dāng)導(dǎo)角為0°時(shí)，主流平順，豎縫射流與水池中其他區(qū)域摻混非常少，長(zhǎng)擋板之間的回流區(qū)很大，導(dǎo)板之間回流區(qū)很??；30°時(shí)，主流微向上彎曲，摻混較0°充分，導(dǎo)板之間的回流較小，長(zhǎng)擋板之間的回流較大；45°時(shí)，主流呈現(xiàn)顯著的S形流線，主流在充分摻混后向下轉(zhuǎn)入另一個(gè)豎縫，兩個(gè)回流區(qū)較對(duì)稱；60°時(shí)，豎縫處出射角度增大，主流有部分貼近邊壁行進(jìn)，導(dǎo)板兩側(cè)回流區(qū)增大，長(zhǎng)擋板兩側(cè)回流區(qū)縮??；90°時(shí)，流態(tài)與60°較相像，導(dǎo)板兩側(cè)回流區(qū)占了整個(gè)回流區(qū)的大部分，長(zhǎng)擋板兩側(cè)回流區(qū)非常小，主流呈“Ω”形，且大部分貼壁行走，沒有得到充分摻混。

圖3 距離豎縫x＝0．1 m處流速與橫向距離關(guān)系曲線Fig．3 Com parison of calculated results w ith field data in the relation curve between velocity and transverse distance while the distance to vertical seam x＝0．1 m

圖4 距離豎縫x＝0．2 m處流速與橫向距離關(guān)系曲線Fig．4 Comparison of calculated resultsw ith field data in the relation curve between relocity and transverse distance while the distance to vertical seam x＝0．2 m

圖5 不同導(dǎo)角下的流線圖Fig．5 Stream lines for different lead angles

速度的耗散程度可以用vm／vs表示（vm為主流上的最大流速；vs為各橫斷面上的最大流速），如圖6所示，當(dāng)導(dǎo)角變化時(shí)，不同角度下的速度大小及速度耗散程度是不同的。在導(dǎo)角為0°和30°時(shí)，主流的整體耗散程度較低；在導(dǎo)角為45°～90°的時(shí)候，主流耗散程度隨角度增大而增大，豎縫射流也在水池中得到較充分的摻混。但是在水池后半段，導(dǎo)角為45°，60°及90°時(shí)，出現(xiàn)了流速突然增大，耗散程度減小的現(xiàn)象。從圖6可以分析其原因：導(dǎo)角為0°和30°時(shí)，主流平順且回流范圍很大，這表明豎縫射流與周圍的摻混較弱，無法充分消能，所以主流耗散程度低；導(dǎo)角在45°～90°時(shí)，豎縫射流的出射角度大，主流在轉(zhuǎn)入下一道豎縫前，受到墩頭的阻檔，流線發(fā)生彎曲并開始密集，使墩頭附近流速增大；當(dāng)導(dǎo)角為90°時(shí)，豎縫附近主流的耗散速度很快，但是由于豎縫出流角度太大導(dǎo)致主流很快貼近邊壁，且沿邊壁進(jìn)行，此時(shí)主流受到束縛而使流速略有增大。

綜合以上分析，我們可以得出以下結(jié)論：導(dǎo)角越大，豎縫射流的流速耗散越快，但是由于邊壁對(duì)主流有約束作用，所以并不是導(dǎo)角越大越好；當(dāng)導(dǎo)角為90°時(shí)，雖然主流剛從豎縫射出時(shí)流速耗散很快，但是在撞到邊壁后不能充分摻混，導(dǎo)致耗散減小而使vm＞0．55，而其他工況下vm＜0．55（可見圖6（b）），所以本文研究的魚道設(shè)計(jì)中，90°的導(dǎo)角并不是最優(yōu)選擇；另外從圖6（a）也可以看出，導(dǎo)角越大，流線的彎曲程度越大，從而導(dǎo)致導(dǎo)角為60°和90°時(shí)，導(dǎo)板兩側(cè)回流區(qū)很大，沒有充分利用于主流的摻混消能。墩頭下方的水流由于主流彎曲程度過大而貼進(jìn)下邊壁，也無法充分?jǐn)U散。

3．2 導(dǎo)板長(zhǎng)度對(duì)魚道水流流態(tài)的影響

因?yàn)閷?dǎo)板的長(zhǎng)度可以改變豎縫在水池中的相對(duì)位置，所以本文將導(dǎo)角固定為45°，研究了豎縫的位置對(duì)魚道內(nèi)主流流態(tài)的影響。從而可以看到，在擋板長(zhǎng)度為0．01 m和0．03 m時(shí)，主流上最大流速值均較大；當(dāng)導(dǎo)板長(zhǎng)度達(dá)到0．05 m以后，最大流速曲線基本趨于一致；在導(dǎo)板長(zhǎng)度為0．12 m時(shí)，由于主流基本位于水池上部，受到上邊壁的阻礙而得不到充分摻混，流速開始增大（見圖7）。

圖6 不同導(dǎo)角對(duì)應(yīng)的縱向最大流速和流速耗散程度曲線Fig．6 Curves ofmaximum longitudinal velocity and velocity dissipation for different lead angles

圖7 不同導(dǎo)板長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的縱向最大流速沿程變化曲線Fig．7 Maximum longitudinal velocity curves for different guide lengths

由于沿程最大流速曲線在導(dǎo)板長(zhǎng)度在0．05～0．1 m的范圍內(nèi)，基本趨于一致，由此可見對(duì)于一定水池寬度及豎縫寬度的模型中，導(dǎo)板長(zhǎng)度在某范圍內(nèi)對(duì)主流流態(tài)影響是很微弱的，但是其對(duì)兩側(cè)回流的位置及流速分布影響是不可忽略的。

4 結(jié) 論

通過對(duì)豎縫式魚道的數(shù)值模擬計(jì)算，本文研究了豎縫寬度和導(dǎo)板長(zhǎng)度對(duì)魚道水池內(nèi)主流流態(tài)的影響。可得以下結(jié)論：

（1）導(dǎo)角的大小決定了豎縫射流的方向及其在水池內(nèi)的摻混強(qiáng)度，導(dǎo)角越大，主流衰減越迅速，但是由于受到邊壁的約束，導(dǎo)角大的情況下，主流很快就沿邊壁前進(jìn)而得不到摻混。

（2）導(dǎo)角越大，主流的彎曲程度越大，這也使得導(dǎo)角過大的時(shí)候，主流沿邊壁前進(jìn)而形成很大的回流區(qū)，而使水池中很大一部分空間得不到充分地利用。可以考慮改變水池的長(zhǎng)寬比來利用大角度衰減快的優(yōu)勢(shì)，而避免使主流過早沖撞邊壁且大部分空間得不到利用。

（3）導(dǎo)板長(zhǎng)度在一定范圍內(nèi)對(duì)主流的流態(tài)基本無影響，超出這個(gè)范圍以后，由于邊壁的約束而使得主流無法摻混，流速整體增大。

另外，本文主要討論導(dǎo)板長(zhǎng)度和導(dǎo)角大小對(duì)水流流態(tài)的影響，為找到最優(yōu)的水池構(gòu)造，還需要結(jié)合水池長(zhǎng)寬比等影響因素進(jìn)一步進(jìn)行研究。

［1］ 董志勇，馮玉平，ERVINE A．異側(cè)豎縫式魚道水力特性及放魚實(shí)驗(yàn)研究［J］．水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2008，27（6）：126－130．（DONG Zhi-yong，F(xiàn)ENG Yu-ping，ERVINE A．An experimental study of hydraulic characteristics and fish test in vertical slot fishway from side to side［J］．Journal of Hydroelectric Engineering，2008，27（6）：126－130．（in Chinese））

［2］ RAJARATNAM N，Van der VINNE G，KATOPODISC．Hydraulics of vertical slot fishways［J］．Journal of Hy-draulic Engineering，1986，112（10）：909－207．

［3］ WU S，RAJARATNAM N，KATOPODISC．Structure of flow in vertical slot fishway［J］．Journal of Hydraulic En-gineering，1999，125（4）：351－360．

［4］ PUERTAS J，PENA L，TEIJEIRO T．Experimental Ap-proach to the Hydraulics of Vertical Slot Fishways［J］．Journal of Hydraulic Engineering，2004，130（1）：10－23．

［5］ ALVAREZ-VAZQUEZ L J，MARTINEZ A，RODRIGU-EZ C，et al．Optimal shape design for fishways in rivers［J］，Mathematics and Computers in Simulation，2007，76：218－222．

［6］ 徐體兵，孫雙科．豎縫式魚道水流結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬［J］．水利學(xué)報(bào)，2009，40（11）：1386－1391．（XU Ti-bing，SUN Shuang-ke．Numerical simulation of the flow structure in vertical slot fishway［J］．Journal of Hydraulic Engineering，2009，40（11）：1386－1391．（in Chi-nese））

（編輯：曾小漢）

Study on Structure and Hydraulic Characteristics of Vertical-Slot Fishway

LUO Xiao-feng，LIJia
（State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

Owing to the increase of dam construction，fishmigration and fish spawning have been severely affected．In order tomaintain the fish to survive and multiply，many fishways have been built．In this paper，a series of nu-mericalmodel testswere conducted to simulate the flow fields of vertical-slot fishways via the fluent software．And afterwards physicalmodel experiments were performed to verify the numerical simulation．The impacts of guide plate length and lead angle on the flow field were analyzed．The results show thatwhen the discharge and the length to breadth ratio of the fish-pond are constant，ignoring the influence of the side wall，the larger the lead angle is，the faster the vertical slot jet will decay，the more meandering the mainstream will be，and the easier the main-stream will collide the side wall．The results also show that the length of the guide has barely any direct effect on the spread and decay ofmainstream，but itwill impact on flow field through walls as it changes the location ofmain-stream in the fishway．

fishway；numerical simulation；guide length； lead angle

TV135．1

A

1001－5485（2010）10－0050－05

2010-08-19

羅小鳳（1986-），女，湖南衡陽人，碩士研究生，主要從事環(huán)境水力學(xué)方向研究，（電話）0716-8121896（電子信箱）boyluoxfstudent＠sina．com。