一種改進的橫隔板豎縫式魚道研究

張立仁，喬 娟，王 杰，肖 濱，陳地偉，劉建明

（三峽大學 科技學院，湖北 宜昌 443002）

魚道是在水利工程中的閘、壩或河道天然障礙處為方便魚類洄游而設置的一種過魚建筑物，是水生態(tài)保護與修復的重要工程措施，其按結構布置可分為池堰式、潛孔式、垂直豎縫式、仿自然通道及特殊結構型式等。國外關于魚道的立法和建設已有數百年歷史，如1883年，蘇格蘭胡里壩建成了世界上第一座魚道。我國自20世紀20年代開始魚道的研究，1960年在黑龍江省興凱湖興建了第一座魚道，1963年水利電力部和水產部聯(lián)合頒發(fā)“在水利建設和管理上注意保護增殖水產資源的通知”是我國有關魚道方面的最早文件［1-2］。

21世紀以來，隨著水利工程建設步伐的加快，我國又迎來了一個過魚設施研究和建設的新興階段，近期有21座魚道工程興建，如廣西的長洲魚道、廣東連江西牛魚道、吉林老龍口魚道等，這些魚道以垂直豎縫式為主，占總數的75%，即在我國，橫隔板豎縫式魚道因其過魚效率較高而被廣泛應用。

橫隔板豎縫式魚道的經典結構一般由槽身邊墻、豎直平面隔板、休息室及進出口建筑物組成，但其也存在不足［1-5］。

本研究對傳統(tǒng)的橫隔板豎縫式魚道進行了結構的優(yōu)化改進，提出了一種新型的流線形橫隔板豎縫式魚道結構。

1 流線形結構的優(yōu)越性

1.1 結構組成

本流線形橫隔板豎縫式魚道主要由進口裝置、橢圓弧—圓弧連拱式槽身邊墻結構、圓弧形隔板結構、半圓形休息室、出口裝置等組成，整體結構示意圖如圖1所示，橫隔板與槽身連接的細部結構圖如圖2所示。

圖1 流線形橫隔板豎縫式魚道整體結構模型

圖2 流線形橫隔板豎縫式魚道局部示意圖

本研究中設計了一魚道結構，尺寸參考了國內外已建和在建工程，如圖3所示。

1.2 設計思路

魚類通過魚道洄游時，需要依靠自身力量通過魚道全程而到達上游，因此在設計魚道時要考慮水流流態(tài)、水流紊動能剪切力以及水流流速對魚類洄游的影響。水流流態(tài)好、主流方向明確、紊動能小、流速穩(wěn)定是對魚類洄游有利的水力條件。流線形橫隔板豎縫式魚道結構設計的出發(fā)點來源于現(xiàn)實水利工程中過水結構多為流線形的經驗特點，對于傳統(tǒng)結構做了創(chuàng)新改進。

（1）將傳統(tǒng)的與邊墻垂直的豎直平面式橫隔板改進成圓弧形。思路為圓弧形的橫隔板有較好的引導水流作用，使魚道內水流流態(tài)平緩，主流明確，漩渦減小，有利于魚類導向明確地、安全地通過魚道，提高魚道的運行效果。

（2）將傳統(tǒng)的豎直魚道邊墻改進成橢圓弧-圓弧連拱式結構，并將邊墻與圓弧隔板的水平連接夾角增大，隔板出水邊切線方向與槽身切線方向平行，尺寸如圖3所示。思路為考慮到傳統(tǒng)橫隔板豎縫式魚道的槽身邊墻和豎直隔板的連接形式在平面上為垂直形式，這就對隔板的受力性能和結構耐久性有較高的要求，且連接處水流邊界條件突變也將對水流流態(tài)有較大的影響，改進設計后，圓弧形橫隔板與連拱式邊墻的連接與布置使過流水流邊界條件平順，減少折沖水流對橫隔板的沖擊以改善其受力性能和提高結構耐久性，優(yōu)化了水流流態(tài)。

（3）以上流線形的橫隔板與邊墻結構也有利于魚道排沙，降低運行及維護成本。

1.3 結構優(yōu)越性的論證

本研究將分別通過FLUENT軟件建模計算及室內模型試驗綜合對比分析來對其優(yōu)越性進行驗證。

為使數值計算與模型試驗結果有良好的可比性，數值建模尺寸與試驗模型尺寸均采用了相同的縮放比例，水流流速邊界條件的設定主要考慮到模型中重力相對粘性力起主導作用。本研究中原型與模型的長度量綱比例設定為10∶1，即LY/LM=10。另外因試驗環(huán)境與原形運行環(huán)境的重力加速度保持相同，則有gY=gM。魚道原型上游水流入口設計速度vY=1.2m/s，則由量綱分析法相似理論及弗汝德準則，魚道原形與模型的相似關系有：

即可推出魚道模型的流速表達式為：

式中 Fr為弗汝德數，無量綱；LY、LM為分別為原型及模型的池室長度（m）；vY、vM分別為原型及模型魚道內的流速（m/s）；gY、gM為分別為魚道原型及模型的重力加速度值（m/s2）。

將以上魚道原型的相關數據代入式（2），可得出計算及試驗中魚道模型上游水流入口處的邊界流速vM為 0.38m/s。

本研究論證工作共采用了3組模型，①模型1為直線型槽身和橫隔板，即傳統(tǒng)的橫隔板豎縫式魚道模型；②模型2為直線型槽身和圓弧形橫隔板，即僅改造了橫隔板結構的魚道模型；③模型3為橢圓弧—圓弧連拱式槽身和圓弧形隔板，即本研究提出的流線形魚道模型。設計3種不同魚道模型的目的為擬通過逐步的分析計算及試驗，來驗證圓弧形橫隔板及橢圓弧—圓弧連拱式槽身較傳統(tǒng)結構的優(yōu)越性。3組模型的池室長度L為20cm，池室寬度B為15cm，底坡 i為 1∶10，豎縫寬度 S為 3cm。

1.3.1 FLUENT軟件數值模擬計算分析

本數值計算分析目的是對比豎直隔板和圓弧形隔板對魚道內水流流態(tài)的影響，為建模方便，魚道槽身邊墻均采用相同的直墻結構，即模型1與模型2。

圖4為傳統(tǒng)橫隔板和圓弧形橫隔板魚道模型的水流流態(tài)及流速比較圖，由圖4可以看出，此兩種魚道模型的主流路徑均比較明確，但圓弧形橫隔板魚道的主流相對更為明確且路徑較短，漩渦較小，流速分布均勻，流態(tài)較好，即通過數值計算可以說明，對于橫隔板豎縫式魚道而言，圓弧形橫隔板結構優(yōu)于傳統(tǒng)的與邊墻垂直的豎直平面式橫隔板。

1.3.2 室內模型試驗研究

在1FLUENT軟件數值模擬計算論證了圓弧形橫隔板是優(yōu)于傳統(tǒng)橫隔板結構的基礎上，本研究又對3組模型分別進行了室內模型試驗，用以對比研究不同槽身邊墻及橫隔板結構對魚道的水流流態(tài)的影響。

圖5為3組模型局部槽室的試驗過程照片。圖5及試驗過程觀察表明，對于模型1，即傳統(tǒng)的橫隔板豎縫式魚道，有明顯的水流紊動，漩渦較多，主流方向相對模糊；對于模型2，即圓弧形隔板豎直邊墻魚道，水流紊動較小，主流較明確，但在邊墻與隔橫板連接處較易產生折沖水流；對于模型3，即流線形魚道，流態(tài)平順，主流明確，無明顯漩渦產生，水流紊動現(xiàn)象較前兩種模型小，沒有折沖水流產生，這將更利于魚類通過。

圖5 3組魚道模型試驗過程的水流流態(tài)比較

2 結語

（1）當今應用于國內外水利工程中的魚道種類較多，但其過魚效果參差不齊，就魚道結構本身而言，能否主流明確且較短的、水流紊動性較少的讓魚類以較小的體能損耗及身體損傷成功地由河道下游回溯到上游，是評價魚道結構優(yōu)越性的重要因素［1-5］。

（2）提出的流線形橫隔板豎縫式魚道是對應用較多的傳統(tǒng)橫隔板豎縫式魚道的改進結構，數值計算及室內模型試驗結果表明，本結構可以使魚道內主流的方向更為明確且路徑變短，并能改善其內部水流流態(tài)，使過水水流更為平順，紊動現(xiàn)象及漩渦減少，這樣更有利于魚類導向明確地、安全地通過魚道，提高魚道的運行效果。

（3）提出的流線形橫隔板豎縫式魚道結構為參加第三屆全國大學生水利創(chuàng)新大賽作品，因時間及試驗條件的限制，還有許多需進一步研究及完善之處，如圓弧形橫隔板的形狀、尺寸的優(yōu)化，連拱式魚道邊墻的形狀、尺寸的優(yōu)化，橫隔板與邊墻連接布置等。另外試驗結果也表明，因過水水流平順，流線形橫隔板豎縫式魚道較傳統(tǒng)結構而言內部流速會稍有提高，若應用于極限流速較低的魚類洄游，應進一步采取消能措施。

［1］曹慶磊，楊文俊，周良景.國內外過魚設施研究綜述［J］.長江科學院院報，2010，27（5）:39-43.

［2］劉志雄，周赤，黃明海.魚道應用現(xiàn)狀和研究進展［J］.長江科學院院報，2010，27（4）：28-31.

［3］于廣年，王義安.依蘭航電樞紐過魚設施水流條件研究［J］.水道港口，2011，32（6）：423-426.

［4］曹慶磊，楊文俊，陳輝.異側豎縫式魚道水力特性試驗研究［J］.河海大學學報（自然科學版），2010，38（6）：698-703.

［5］董志平，馮玉平，Ervine.同側豎縫式魚道水力特性及放魚試驗研究［J］.水力發(fā)電學報，2008，27（6）：121-125.