豎縫式魚(yú)道水力特性研究進(jìn)展

宋文定 王烈梅 宋文虎 宋雄飛

摘 ?要：文章介紹豎縫式魚(yú)道池室長(zhǎng)寬、豎縫寬度、導(dǎo)板長(zhǎng)度、墩頭、導(dǎo)角、魚(yú)道坡度以及轉(zhuǎn)彎段的結(jié)構(gòu)形式對(duì)魚(yú)道水力特性的影響，同時(shí)總結(jié)分析了同側(cè)豎縫式魚(yú)道和異側(cè)豎縫式魚(yú)道的水力特性，最后總結(jié)了未來(lái)魚(yú)道研究的發(fā)展趨勢(shì)及熱點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：豎縫式魚(yú)道;流態(tài);水力特性;轉(zhuǎn)彎段

河流上修建的閘壩等水工建筑物在為人類帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的同時(shí)，也破壞了河流原有的連通性，阻斷了魚(yú)類洄游通道，對(duì)魚(yú)類資源、河流生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。因此魚(yú)道作為幫助魚(yú)類洄游的生態(tài)水利措施應(yīng)運(yùn)而生。魚(yú)道內(nèi)適宜的水流流態(tài)、流速、水深和紊動(dòng)條件等水力特性是魚(yú)類順利通過(guò)魚(yú)道完成洄游的必要條件[1]。文章著重對(duì)國(guó)內(nèi)外使用最多的豎縫式魚(yú)道的水力特性研究工作作出綜述。

1 池室長(zhǎng)寬及縫寬對(duì)流態(tài)的影響

加拿大阿爾伯特大學(xué)的徐體兵、Rajaratnam、S.Wu等通過(guò)對(duì)豎縫式魚(yú)道的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在魚(yú)道的池室的長(zhǎng)寬比為L(zhǎng)/B = 10：8時(shí)，池室的流態(tài)穩(wěn)定，具有較好的消能效果，存在較大、低速的回流區(qū)供魚(yú)類休息[2]。

我國(guó)已建魚(yú)道的孔縫尺寸與水池尺寸的比率通常比國(guó)外大。在國(guó)外，同側(cè)豎縫式魚(yú)道的豎縫寬度一般是池室寬度的1/6～1/8，是水池長(zhǎng)度的1/8～1/10，但是在國(guó)內(nèi)，同側(cè)豎縫的寬度一般分別是池室寬度、水池長(zhǎng)度的1/5、1/5～1/6[3]。這個(gè)比例與隔板型式的消能效果有關(guān)，比例大些消能充分，因而兩側(cè)豎縫可比同側(cè)豎縫大;此外，這個(gè)比例還與每塊隔板間水位差有關(guān)，隔板水位差小時(shí)這個(gè)比例可以大些。我國(guó)的魚(yú)道以過(guò)鯉科中小型魚(yú)類為主，每塊隔板水位差一般僅為4cm左右，孔口流速也較國(guó)外的要小，因此可以適當(dāng)加大孔縫寬度。

張國(guó)強(qiáng)，孫雙科等研究[4]顯示當(dāng)豎縫寬度b/B=0.1～0.25時(shí)，主流區(qū)最大流速軌跡線偏轉(zhuǎn)適中，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)合理且主流區(qū)流速沿程衰減顯著。從控制徑向流速不均勻程度與橫向流速大小兩方面考慮，豎縫寬度宜取b/B=0.15～0.20。

2 導(dǎo)板長(zhǎng)度及墩頭對(duì)流態(tài)的影響

羅小鳳，李嘉[5]就導(dǎo)板長(zhǎng)度對(duì)魚(yú)道水流流態(tài)的影響做了研究得出圖1，由圖1可知，當(dāng)導(dǎo)板長(zhǎng)度為10cm和30cm時(shí)，主流上最大流速值均較大;當(dāng)導(dǎo)板長(zhǎng)度達(dá)到50cm以后，最大流速曲線基本趨于一致。沿程最大流速曲線在導(dǎo)板長(zhǎng)度0.05～0.1m的范圍內(nèi)基本一致，導(dǎo)板長(zhǎng)度對(duì)主流流態(tài)影響微弱，但對(duì)其兩側(cè)回流位置及流速分布的影響不可忽略。

徐體兵[2]通過(guò)對(duì)設(shè)墩頭和未設(shè)墩頭的情況進(jìn)行研究分析，得出對(duì)豎縫式魚(yú)道而言，隔板設(shè)置墩頭與否對(duì)水流流態(tài)的影響主要是在鄰近豎縫的部分范圍，但是對(duì)整個(gè)池室的水流結(jié)構(gòu)并沒(méi)有特別明顯的影響，當(dāng)改變墩頭的長(zhǎng)度時(shí)，對(duì)豎縫附近的區(qū)域內(nèi)的水流流態(tài)也沒(méi)有特別明顯的影響。所以，在實(shí)際的魚(yú)道工程中，可以不設(shè)墩頭，使魚(yú)道的體型布置更簡(jiǎn)潔，便于施工，而且也可以避免漂浮物滯留在魚(yú)道內(nèi)。

3 導(dǎo)角對(duì)流態(tài)的影響

豎縫的射流方向是由導(dǎo)角的大小決定的，同時(shí)也決定了池室內(nèi)水流的摻混強(qiáng)度。導(dǎo)角越大主流彎曲程度也越大，由于受邊壁的制約，當(dāng)導(dǎo)角增大到主流沿邊壁流動(dòng)時(shí)將無(wú)法摻混。在設(shè)計(jì)豎縫隔板時(shí)，為了避免主流沖向邊壁導(dǎo)致大面積區(qū)域得不到有效利用，可以通過(guò)改變水池長(zhǎng)寬比來(lái)調(diào)節(jié)因角度過(guò)大導(dǎo)致消能效果不佳的問(wèn)題，以此利用大角度衰減效率高的優(yōu)勢(shì)來(lái)消能[6]。

4 魚(yú)道底坡對(duì)流態(tài)的影響

統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)外已建知名魚(yú)道的底坡，發(fā)現(xiàn)國(guó)外魚(yú)道多布置在高壩上，坡度較陡，約為1/25～1/16，提升高度約為16～57.5m，而我國(guó)已經(jīng)建成的魚(yú)道多數(shù)布置在沿海沿江平原地區(qū)的低水頭閘壩上，魚(yú)道底坡較緩，一般約為1/332～1/25，而且提升的高度不大，一般都在10m左右[7]。當(dāng)?shù)灼滦∮?%時(shí)，水流流態(tài)呈現(xiàn)二維特性，底坡在10%～20%間時(shí)，流態(tài)上下層出現(xiàn)差異，水流表現(xiàn)為三維特性。

5 魚(yú)道轉(zhuǎn)彎段對(duì)流態(tài)的影響

包莉等[8]對(duì)轉(zhuǎn)彎段的研究得出：圓弧形結(jié)構(gòu)水流軌跡平順，流速整體偏大;而設(shè)置矩形結(jié)構(gòu)的彎道可以有效降低主流區(qū)和豎縫處的流速，可以提供更多的低流速區(qū)給魚(yú)類休息，更利于魚(yú)類洄游;而且，相關(guān)的物理模型試驗(yàn)結(jié)果[9]也證明了布置矩形彎道的好處。邊永歡等[10]采用數(shù)值模擬的方法，分別對(duì)豎縫式魚(yú)道180°轉(zhuǎn)彎段和90°轉(zhuǎn)彎段的水流流場(chǎng)進(jìn)行研究[11]，得出：180°和90°的轉(zhuǎn)彎段內(nèi)會(huì)出現(xiàn)主流區(qū)緊貼邊墻的水流結(jié)構(gòu)，而且主流區(qū)兩側(cè)回流區(qū)尺度過(guò)大，回流區(qū)的流速也大于常規(guī)池室水流流速;增設(shè)整流導(dǎo)板后，180°轉(zhuǎn)彎段內(nèi)主流流速衰減效果顯著，回流區(qū)數(shù)量增加，影響域減小;而90°轉(zhuǎn)彎段內(nèi)主流區(qū)大致居中，主流衰減效果顯著，回流區(qū)尺度合理，回流區(qū)內(nèi)流速甚小。

6 同側(cè)豎縫式魚(yú)道中水力特性研究進(jìn)展

加拿大學(xué)者Rajaratnam N等[12]1986年最早通過(guò)對(duì)7種不同設(shè)計(jì)形式的同側(cè)豎縫式魚(yú)道流場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了魚(yú)道的尾水深度會(huì)對(duì)魚(yú)道內(nèi)的水流流態(tài)有較大的影響，得出無(wú)量綱流量與相對(duì)水深的關(guān)系，1992年做了18種不同尺寸的豎縫式魚(yú)道設(shè)計(jì)[13]，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)為10b0、寬為8b0（b0為豎縫寬度）的魚(yú)道尺寸具有較好的消能效果，且存在較大、低速的回流區(qū)供魚(yú)類休息。

Sanagiotto D G（2006）[14]對(duì)同側(cè)豎縫式魚(yú)道內(nèi)的流場(chǎng)、紊動(dòng)能進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量分析，得出池室內(nèi)的流場(chǎng)主要取決于縫寬以及池室的長(zhǎng)寬比，而紊動(dòng)能則更多的與長(zhǎng)寬比及流速有關(guān)。

Laurent Tarrade L（2008）[15]對(duì)同側(cè)豎縫式魚(yú)道進(jìn)行模型試驗(yàn)，研究了3個(gè)底坡（I=5%，10%，15%）、3個(gè)流量（Q=576，736，864L/s）和4個(gè)池寬（B=1.7，2，2.3，2.7m）的魚(yú)道內(nèi)時(shí)均流速和紊流特征，分析得出池室中的紊流模型與流速取決于池室的長(zhǎng)寬比，體積散耗動(dòng)能與流速之間有密切的關(guān)系。

7 異側(cè)豎縫式魚(yú)道中水力特性研究進(jìn)展

董志勇等[16]通過(guò)對(duì)異側(cè)豎縫式魚(yú)道水力特性的研究，得出異側(cè)豎縫式魚(yú)道的最大速度軌跡線為S形曲線，可以用四次曲線來(lái)表示;最大速度的沿程變化為，前半池室的最大速度逐漸減小，后半池室的最大速度逐漸增加，而在池室中間則會(huì)有一個(gè)流速低于0.2m/s的低速區(qū)，最大速度的沿程變化可以用一條拋物線來(lái)表示;池室橫向流速分布在前半部分近似為壁面射流分布，在后半部分近似為高斯分布;而橫向流速分布特征基本上不隨著流量而變化。

8 結(jié)論與展望

總體來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在魚(yú)道的結(jié)構(gòu)布置形式以及魚(yú)道池室內(nèi)的水流流速、水深、消能率、紊動(dòng)能、紊流強(qiáng)度等水力特性，而且基本上考慮的是非轉(zhuǎn)彎段魚(yú)道的研究。今后的一段時(shí)間內(nèi)，魚(yú)道的研究重心會(huì)慢慢轉(zhuǎn)移到魚(yú)道轉(zhuǎn)彎段的研究，因?yàn)轸~(yú)道轉(zhuǎn)彎段的研究具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐意義。此外，魚(yú)道結(jié)構(gòu)布置形式的創(chuàng)新也會(huì)成為未來(lái)研究的熱點(diǎn)之一。

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