小長寬比魚道池室水力學(xué)試驗研究

劉本芹,黃 岳,宣國祥

(南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇南京 210029)

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小長寬比魚道池室水力學(xué)試驗研究

劉本芹,黃 岳,宣國祥

(南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇南京 210029)

魚道水流條件是影響其過魚效果的重要因素。在分析魚道類型及其特點的基礎(chǔ)上，針對應(yīng)用最為廣泛的豎縫隔板式魚道，通過1∶ 4的大比尺局部物理模型試驗，研究了各級水池長寬比小于1.0條件下的隔板布置及豎縫寬度，對比了3種布置方案，分析評價了豎縫流速指標(biāo)以及池室流速分布、流態(tài)和消能特性，提出了適合小長寬比池室條件下的魚道隔板布置型式。通過1∶12.5的魚道整體水力學(xué)模型試驗，對運行水力指標(biāo)進行了驗證分析，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)計原則；為適應(yīng)魚道進、出口水深的變化，從生態(tài)明渠引水補充魚道流量，最小補水流量為0.22 m3/s。試驗結(jié)果表明，這種魚道布置型式可推廣應(yīng)用到其他類似魚道工程中。

魚道； 隔板布置； 水力學(xué)； 物理模型試驗

魚道按結(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)式魚道接近天然河道，魚類休息條件良好，但因適用水頭小、占地面積大、對地形要求高等因素，實用性受到一定限制；槽式魚道在槽壁和槽底設(shè)有間距較密的阻板和底坎，一般適用于游泳能力較強的魚類和上下游水位差不大的工程；特殊結(jié)構(gòu)型式魚道適用于爬行、能黏附及善于穿越縫隙的魚類；隔板式魚道利用橫隔板將總水頭分成許多梯級，并利用水墊、沿程摩阻及水流對沖、擴散消能，以獲取適合魚類上溯的流態(tài)，其水流條件易于控制、適應(yīng)水頭大，結(jié)構(gòu)簡單、維修方便，且可通過調(diào)整過魚孔型式、位置、大小來滿足多種洄游性魚類的上溯要求，目前應(yīng)用最多。

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

1 工程概況

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

魚道采用豎縫隔板式結(jié)構(gòu)，上游運行水位▽1 030 m～▽1 028 m，下游運行水位▽1 016 m～▽1 017 m，魚道池室水深1.0～2.0 m；主要過魚對象為薩氏非洲脂鯉、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類，體長最大0.62 m；魚道每隔10級水池設(shè)一休息池，水池設(shè)計底坡5.5%，休息池設(shè)計底坡2.5%；魚道設(shè)計最大流速1.8 m/s；魚道總長320 m，每級池室凈長2.75 m，凈寬3.5 m，長寬比0.79。

該魚道池室底坡較大，已超過我國絕大多數(shù)魚道的設(shè)計底坡，且根據(jù)樞紐總體布置及壩址處的地質(zhì)條件和設(shè)計要求，其布置長度無進一步延長的空間；此外，池室斷面形式為矩形，長寬比偏小，對過魚孔流態(tài)和流速要求較高。因此，綜合考慮消能、流態(tài)和流速問題，需要通過模型試驗進行詳細研究。

2 豎縫布置分析

隔板過魚豎縫布置需根據(jù)最大過魚對象尺寸和池室尺度確定，對于池室長度小于寬度的非標(biāo)準池室，應(yīng)首先依據(jù)池室凈長推算標(biāo)準池室的凈寬，在此基礎(chǔ)上綜合考慮魚道水池凈寬、水深、過魚對象體長等因素來確定過魚豎縫的寬度。需要說明的是，過魚豎縫的寬度越大，魚道中流量也就越大，相應(yīng)的豎縫水流流速也將增大。根據(jù)該魚道基本設(shè)計參數(shù)，經(jīng)計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)豎縫的各級隔板豎縫均布置在水池同側(cè)，異側(cè)豎縫則是各級隔板豎縫左右交替布置。研究表明，池室采用小長寬比布置的魚道，采用異側(cè)豎縫時因主流橫穿整個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，不利于魚類上溯，而同側(cè)豎縫形式則可改善池室水流流態(tài)[4-5]，由此確定該魚道過魚采用同側(cè)豎縫布置。

為使豎縫出流充分擴散消能，豎縫位置不宜設(shè)置在魚道水池邊墻處，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，但同時會使豎縫流速稍有增大。根據(jù)研究結(jié)果，魚道水池的長寬比值小于0.8時，設(shè)置縱向?qū)О鍖λ髁鲬B(tài)的改善作用不再明顯[4]。同時，該魚道水池凈長僅2.75 m，設(shè)置縱向?qū)О鍖⒄加贸厥也糠挚v向空間，對主流也會產(chǎn)生分散作用，而其過魚對象主要為中下層魚類，豎縫附近的局部水面跌落對魚類影響不大。綜合分析各項因素后確定魚道隔板采用“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結(jié)構(gòu)形式。近年來雖出現(xiàn)過針對流線型隔板結(jié)構(gòu)的研究，但流線型隔板結(jié)構(gòu)在使主流更為明確的同時，也增加了豎縫流速[6]；其魚道的設(shè)計底坡較大，需研究如何減小豎縫流速以滿足設(shè)計指標(biāo)，不宜采用流線型隔板。為此，提出直線型橫隔板頭部、下游側(cè)采用修圓布置，與橫向?qū)О宓男泵鏄?gòu)成過魚孔，使過魚孔最小寬度僅存在于一個斷面上，有利于魚類快速通過高流速區(qū)。而文獻[4]的研究表明，在池室長寬比值小于1.0的條件下，魚道寬度對主流影響已不明顯，故文中針對較為不利的同一種長寬比布置方案，重點從豎縫寬度、橫向?qū)О彘L度及導(dǎo)流角度等方面進行比選，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，通過隔板局部模型試驗進行對比研究。

3 魚道隔板局部模型試驗

3.1 試驗?zāi)康募胺椒?/p>

魚類進入魚道后，過魚效果主要取決于隔板過魚豎縫的流速及相鄰兩隔板間的水流流態(tài)。豎縫流速需小于過魚對象的極限流速，各級水池內(nèi)應(yīng)主流明確，且存在一定回流以達到消能效果，但回流強度及范圍不能過大，以免小型魚類迷失方向，延誤上溯時間。局部模型試驗的目的是比較分析3種隔板布置方案的水池水力特性，確定小長寬比水池內(nèi)流速及流態(tài)滿足要求的豎縫式隔板布置。

局部模型按重力相似準則設(shè)計，模型幾何比尺1∶4，模擬10級魚道水池，其中包含一級休息池。模型控制邊界條件為水深，通過調(diào)整上下游水位使各級水池水深為2.0 m，自下游至上游隔板編號依次為1～11號，在沿程典型隔板(3～9號隔板)豎縫處沿水深布置5個流速測點(自底部至頂部編號1#～5#)，采用無線旋漿流速儀測量豎縫流速及其分布特性。

3.2 過魚豎縫流速及分布特性

由表1中的大比尺局部模型試驗測得的流速分布可知：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)計流速1.80 m/s，說明豎縫寬度偏大。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%；除最頂部的測點因距離水面較近受局部水位跌路及波動影響略有差別外，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)

觀測魚道池室流態(tài)發(fā)現(xiàn)，水流通過豎縫進入下級魚道水池時受橫向?qū)О宓膶?dǎo)向作用，主流先偏向池室左側(cè)，然后在池室長度的1/2處開始偏向池室右側(cè)，進入下一級豎縫。其中，方案1橫向?qū)О宓膶?dǎo)流角為30°，主流在上下級池室內(nèi)呈典型“S”型流態(tài)，相鄰兩級隔板間主流軌跡的曲率半徑為1.85 m，主流右側(cè)回流強度較大；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，同時適當(dāng)增加了橫向?qū)О彘L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，基本達到了預(yù)期目的。

進一步對比國內(nèi)外部分魚道工程資料及其他魚道工程運行經(jīng)驗[7-12]，考慮到該魚道設(shè)計過魚對象最大體長僅0.62 m，在設(shè)計底坡較大的條件下，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~道長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，魚道各級水池內(nèi)主流明確，主流兩側(cè)的低流速區(qū)適合魚類短暫休息。

圖2 魚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

通過開展幾何比尺為1∶12.5的魚道整體模型試驗，研究了魚道整體運行特性。在測量豎縫流速的基礎(chǔ)上，進一步測定池室隔板前水深，計算魚道沿程水面線，測量魚道運行時的流量。該魚道正常運行水位組合為：上游1 030 m～下游1 017 m，魚道池室水深為2.0 m，整體模型中測量了自魚道入口至出口全程典型隔板豎縫的流速(魚道全程共79塊隔板，自下而上編號1#～79#)，沿豎縫水深方向布置了3個流速測點,具體測量值見表2。

表2 整體模型試驗實測流速

圖3 沿程水面線Fig.3 Water surface profile

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

仍需指出，對于此類池室長寬比明顯偏小的魚道，受池室長度限制，豎縫主流在水池內(nèi)的轉(zhuǎn)換空間較小，受下級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)計魚道底坡時予以考慮這一因素。此外，為了不影響沿程各項水力指標(biāo)的均勻性，魚道下游第一塊橫隔板處的底板高程應(yīng)與魚道入口底高程一致。對于該魚道入口水深大于出口水深的運行工況，經(jīng)整體模型試驗測試及驗證，需在魚道下游端埋設(shè)補水管，從生態(tài)明渠引水補充入口水槽的流量，當(dāng)入口水深大于出口水深0.40 m時啟用補水設(shè)施，計算得出最小補水流量為0.22 m3/s。

5 結(jié) 語

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

通過魚道整體模型試驗對運行水力指標(biāo)進行了驗證分析，針對依托工程特點，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)計原則，以及適應(yīng)魚道進、出口不同水深的運行措施。研究得到的魚道隔板布置形式可推廣應(yīng)用到其他類似魚道工程中。

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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， 宣國祥. 小長寬比魚道池室水力學(xué)試驗研究[J]. 水利水運工程學(xué)報, 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