涵洞過魚通道典型擋板水力特性研究

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(三峽大學(xué) a.水利與環(huán)境學(xué)院;b.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

隨著流域資源的開發(fā)，魚類的上溯洄游常常受到如大壩、船閘和涵洞等人為障礙物的阻隔。魚道可以溝通魚類洄游路線、恢復(fù)魚類正常繁殖的習(xí)性，對于保護(hù)水產(chǎn)資源、發(fā)展?jié)O業(yè)生產(chǎn)有積極作用。對洄游性魚類來說，不論是上溯還是下行，過魚通道的暢通是非常重要的，因為這些魚類在產(chǎn)卵繁殖和幼魚生長的過程中需要在淡水和海水水域之間穿梭洄游。

涵洞作為路橋建設(shè)中一種特有的河流修復(fù)手段，其基本功能除了為公路和橋梁系統(tǒng)提供輸水通道，還必須為所在流域的魚類和其它水生動物提供一條能順利通過路橋障礙的通道。遺憾的是，工程師們在設(shè)計新涵洞時，關(guān)注的重點仍是涵洞結(jié)構(gòu)的水力效率最大化和最大程度地降低工程造價，而忽視了魚類及無脊椎動物對棲息地和自由遷徙的需求[1-2]。

涵洞是否會成為魚類遷徙的障礙，取決于眾多因素，包括洞內(nèi)的水流流速和魚類的游動能力。與此同時，在高速水流環(huán)境中，是否存在供魚類休息的低流速區(qū)也是涵洞設(shè)計中需要考慮的一個重要因素。因此，要設(shè)計幫助魚類在河流障礙物附近順利上溯洄游的方案，必須根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境和可能通過的魚種或種群的實際情況來進(jìn)行優(yōu)化。在魚類的生態(tài)習(xí)性、主要過魚季節(jié)、游動能力、游動行為等指標(biāo)或參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合涵洞所在流域的地形地質(zhì)和水文資料，對涵洞的外形尺寸和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，確保涵洞式魚道建成后，其內(nèi)部的水力條件能夠達(dá)到魚類通過的要求。在加拿大，涵洞式魚道設(shè)計準(zhǔn)則是獲得設(shè)計條件下涵洞內(nèi)特定的平均流速，且要求該流速值不得超過當(dāng)?shù)佤~種的游泳能力[3]。如果涵洞設(shè)計的坡度過陡或者涵洞內(nèi)的水流流速過大、水深過淺都將影響魚類的成功上溯。

研究發(fā)現(xiàn)，影響鮭魚成功上溯的關(guān)鍵水力因素包括：池室水深、流速(流量)、魚道底部坡度和粗糙度以及魚道總長等參數(shù)。而這些影響魚類通過的水力因素都與涵洞內(nèi)部擋板的結(jié)構(gòu)尺寸和安裝形式密切相關(guān)，國內(nèi)外學(xué)者針對涵洞式魚道的擋板形式及其水力特性開展了大量的試驗和監(jiān)測，包括低擋板、交替擋板、各種擾流擋板的設(shè)計和改造[4-6]，大馬哈魚在不同直徑、不同坡度和速度下通過涵洞的游泳能力試驗，魚道的測試和評價等[7-8]。湍動能和湍流強度也是影響魚類上溯的重要因素，有研究發(fā)現(xiàn)[9]，如果涵洞內(nèi)部的水流湍流強度過大，魚類將會迷失方向，同時會消耗過多的體能，最終導(dǎo)致魚類無法成功上溯。Smith等[10]通過試驗證實，幼年虹鱒魚會避開湍流強度較高的低流速區(qū)域，聚集在低湍流區(qū)域。

從上述可以看出，適宜的水深、流速和湍流條件是輔助魚類順利通過魚道成功上溯的必要條件。而這些條件都與涵洞式魚道內(nèi)部的擋板形式密切相關(guān)，因此，要設(shè)計適于魚類成功通過的涵洞式魚道，必須對各種不同結(jié)構(gòu)形式擋板的水力特性深入分析和研究。

本文在總結(jié)國內(nèi)外涵洞式魚道相關(guān)試驗數(shù)據(jù)和工程案例的基礎(chǔ)上，對涵洞式魚道內(nèi)部的3種典型擋板(偏移式擋板、堰式擋板和槽堰式擋板)的流量、流速和水深的關(guān)系式進(jìn)行了總結(jié)歸納，以期為涵洞式魚道的設(shè)計改造及相關(guān)研究工作提供參考和理論依據(jù)。

2 涵洞魚道模型水力特性試驗

2.1 擋板類型

涵洞式魚道常見的擋板類型有6種，如圖1所示。圖1中(a)—(f)所對應(yīng)的擋板類型依次為: ①偏移式擋板；②槽堰式擋板；③堰式擋板；④擾流式擋板；⑤阿爾伯達(dá)堰式擋板；⑥阿爾伯達(dá)魚式擋板[11]。

圖1 涵洞式魚道的擋板類型Fig.1 Baffle types of culvert fish way

上述6種擋板系統(tǒng)中，偏移式擋板系統(tǒng)(OB)被廣泛應(yīng)用于美國西部和加拿大的涵洞式魚道，McKinley[5]等通過箱式涵洞的試驗證實，該類型擋板系統(tǒng)能夠為魚類的成功上溯提供良好的水流條件，在擋板豎縫處和擋板底部會形成高速射流和環(huán)流，且沿著涵洞邊界存在呈螺旋狀的水流，能夠較好地對涵洞魚道進(jìn)行自身清潔，從而避免了由于泥沙和雜物堆積造成的魚道擁堵和過魚效率下降。在槽堰式擋板系統(tǒng)中，位于擋板中間位置的豎縫關(guān)于涵洞的中心線對稱，堰式擋板系統(tǒng)與槽堰式擋板類似，但堰式擋板上并沒有開槽或設(shè)置豎縫，整個涵洞內(nèi)部的流場結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的池堰式魚道更為接近；流量較大的情況下，堰式擋板系統(tǒng)所形成的水流與未安裝擋板涵洞內(nèi)部的水流結(jié)構(gòu)基本一致，Ead等[12]通過試驗證實，槽堰式擋板和堰式擋板系統(tǒng)為涵洞式魚道內(nèi)水深的增加和流速降低提供了最優(yōu)解決方案，這無疑為魚類的成功上溯提供了更為有效的通道。

在大多數(shù)的擋板系統(tǒng)中，涵洞被分成了數(shù)個相互連通的池室[13-14]，在這些池室中有供魚類休息的區(qū)域，當(dāng)然也可能存在由于擋板開槽所形成的流速障礙區(qū)和流速控制區(qū)。因此，在某些涵洞式魚道中，魚類通過休息區(qū)后需要依靠爆發(fā)速度才能通過流速障礙區(qū)，而在有些涵洞中，魚類則可以一直以某一速度持續(xù)游動直至通過整個魚道[15-19]。

2.2 試驗裝置描述

在涵洞式魚道的6種擋板系統(tǒng)中，偏移式擋板一般被認(rèn)為是最好的選擇，該類型擋板設(shè)計比較復(fù)雜，多用于水流很淺、流速非常大的涵洞，而槽堰式擋板、堰式擋板的設(shè)計則相對簡單，這2種擋板系統(tǒng)的設(shè)計與非涵洞式魚道擋板的設(shè)計比較接近。

本節(jié)主要對涵洞式魚道內(nèi)偏移式、槽堰式和堰式3種較為典型擋板系統(tǒng)的水力特性試驗條件及工作情況作了詳細(xì)介紹，試驗中涉及到的擋板類型、涵洞尺寸以及試驗工況等見表1?？梢钥闯?，涵洞的坡度變化范圍：0.50%～5.0%；擋板高度h的變化范圍：(0.10～0.20)D,D為函洞直徑；擋板間距L的變化范圍：(0.30～2.40)D;流量Q的變動范圍相對較大。

偏移式擋板系統(tǒng)的試驗結(jié)果顯示，當(dāng)水流深度大約是擋板高度2倍時，平滑涵洞(涵洞內(nèi)部沒有安裝擋板)的試驗結(jié)果和直徑4.27 m、表面粗糙的涵洞試驗結(jié)果幾乎沒有差別，其中涵洞的粗糙度系數(shù)n=0.035；當(dāng)水流深度大約是擋板高度的4倍時，水流深度會發(fā)生變化，但變化幅度僅為10%～15%。所以，用光滑塑料管道做試驗非常方便，而且有利于得出試驗結(jié)果。

堰式和槽堰式擋板試驗是將擋板安裝在光滑的塑料管中，塑料管直徑0.305 m，長度6.30 m，擋板用6 mm厚的鋁板制作而成。管道安置在一個矩形水槽里，溝槽長6.30 m，寬0.45 m，深0.44 m。水槽的坡度可以依據(jù)試驗的實際需要任意改變，但最大不得超過5%，水槽的水由高水頭壓力水池提供。水流流量通過安裝在管道內(nèi)的電磁流量計測得；流量較小時將流量體積化后進(jìn)行測量。

表1 涵洞式魚道設(shè)計參數(shù)(阿爾伯達(dá)大學(xué))Table 1 Design parameters of culvert fishway project (at University of Alberta)

為便于測量水深，試驗過程中會切掉靠近管道頂部的部分，然后插入測針對水流深度進(jìn)行測量。其中水流速度采用內(nèi)徑為3 mm的商業(yè)普蘭特爾皮托靜壓管測得，利用探針和注射染料可以實現(xiàn)流量可視化。圖2給出了偏移式擋板、槽堰式擋板和堰式擋板的細(xì)部結(jié)構(gòu)。

圖2 偏移式擋板、槽堰式擋板和堰式擋板的細(xì)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of offset baffle, slotted-weir baffle and weir baffle system

3 流量方程

基于簡單的流體模型試驗結(jié)果，可以推導(dǎo)出無量綱流量Q*、坡度S0和涵洞直徑D關(guān)系式為

(1)

式中：Q為體積流量；g為重力加速度。

研究發(fā)現(xiàn)，隨著擋板相對高度h/D值的變化，在無量綱流量與水流相對深度y0/D之間存在著廣義相關(guān)性。試驗結(jié)果顯示，在實際使用過程中，無量綱流量Q*和相對深度y0/D之間的關(guān)系可以近似地由冪指數(shù)方程表示,即

Q*=C(y0/D)a。

(2)

式中:C為系數(shù);a為指數(shù)。

3.1 偏移式擋板

在上述3種擋板系統(tǒng)中，偏移式擋板系統(tǒng)在美國西部和加拿大應(yīng)用最為廣泛。針對偏移式擋板系統(tǒng)的試驗結(jié)果，得出了無量綱流量與相對深度之間的關(guān)系。試驗研究表明，Q*是關(guān)于y0/D的因變量，且與擋板相對高度h/D和擋板間距L有關(guān)。當(dāng)L

需要注意的是，偏移式擋板建造較困難而且造價昂貴，其主要原因是每一組偏移式擋板都是由橫向擋板和傾斜擋板2部分組成，而且傾斜擋板上設(shè)有許多波紋，因此會提高擋板的工程造價。

3.2 槽堰式擋板

針對槽堰式擋板系統(tǒng)共設(shè)計了6組試驗，對2種擋板高度和3種擋板間距進(jìn)行測試，其中擋板高度分別為0.10D和0.15D，擋板間距分別為0.60D，1.20D，2.40D，得出了在一定流量Q、涵洞直徑D和坡度S0下的水深y0計算公式。

表2 偏移式擋板流量方程Table 2 Flow equations of offset baffle

試驗結(jié)果表明，槽堰式擋板系統(tǒng)的過魚性能可以與偏移式擋板系統(tǒng)相匹配，且槽堰式擋板在已經(jīng)投入使用或者正在建造的涵洞中更容易安裝，原因是槽堰式擋板的安裝是在一個平面，擋板的結(jié)構(gòu)就像是在堰的中間位置對稱開了一個槽，擋板的制作材料可以是金屬也可以是混凝土，為了保持擋板的穩(wěn)定性和耐久性，擋板厚度可以設(shè)置為0.30 m。

表3 槽堰式擋板流量方程Table 3 Flow equations of slotted-weir baffle

3.3 堰式擋板

針對涵洞魚道的堰式擋板系統(tǒng)，共設(shè)計了4組試驗進(jìn)行測試，并對主要試驗參數(shù)，如擋板高度h/D和擋板間距L進(jìn)行了設(shè)計。當(dāng)h/D在0.10～0.15之間變化時，擋板間距L取值應(yīng)控制在涵洞直徑D以內(nèi)。

試驗證實，堰式擋板的工作效果和槽堰式一樣好，堰式擋板系統(tǒng)流量方程的4組試驗結(jié)果見表4。若將流量的計算公式Q*=c(y0/D)a的兩端進(jìn)行交換，可以得到相對水深y0/D關(guān)于無量綱流量S0的表達(dá)式：對于試驗1，當(dāng)y0/D≥0.25時，流量方程可以變?yōu)閥0/D=0.50Q*0.41；當(dāng)y0/D≤0.25時，流量方程為y0/D=0.34Q00.17，其他3組試驗的水深計算公式也可以依次類推。

表4 堰式擋板流量方程Table 4 Flow equations of weir baffle

研究表明，當(dāng)h/D=0.10，L/D=0.60,L/D=1.20時，不同坡度和流量下的堰式擋板系統(tǒng)試驗結(jié)果可以用一條曲線來描述，而且這個試驗結(jié)果與h/D=0.15,L/D=0.60,L/D=1.20時得到的結(jié)論非常相似。

試驗顯示，用堰式擋板(即去掉槽堰中間的槽溝)代替槽堰式擋板是一個不錯的選擇，此時的涵洞式魚道和池堰式魚道的結(jié)構(gòu)一樣，由于槽堰式擋板的中間部位開了一個槽，因此相比于堰式擋板系統(tǒng)，建造槽堰式擋板系統(tǒng)更昂貴。

試驗發(fā)現(xiàn)，堰式擋板在水流和涵洞管道之間所產(chǎn)生的切應(yīng)力，比豎縫式魚道和池堰式魚道所產(chǎn)生的切應(yīng)力要大很多。擋板過魚功能的研究結(jié)果顯示，當(dāng)流量較小時，堰式擋板會影響水流；當(dāng)流量變大時，擋板僅僅是涵洞邊壁上的粗糙單元，而不會影響水流結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)涵洞內(nèi)流量較大時，魚道的作用不大，此時魚道內(nèi)是否設(shè)置擋板對過魚效果基本沒有影響。

在幾乎所有的流量條件下對堰式擋板進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過擋板的水流并沒有逆向流動，而下游擋板的大量區(qū)域存在逆向水流，有明顯的水躍現(xiàn)象。此外，早期的研究發(fā)現(xiàn)，垂直于試驗裝置如溝槽，水槽的堰式擋板與試驗裝置之間產(chǎn)生的剪切力遠(yuǎn)大于水流和管壁表面之間的摩擦力。

總之，試驗研究發(fā)現(xiàn)，幾乎對于所有的涵洞式魚道，當(dāng)h/D的值在0.07～0.20范圍內(nèi)變動、且擋板間距L小于涵洞直徑D時，不同涵洞坡度下的流量可依據(jù)試驗數(shù)據(jù)點繪出一條變化均勻的曲線。如果擋板間距L>D，水深減少，會導(dǎo)致池室內(nèi)的水流平均速度上升；若通過涵洞的流量較小，則不會出現(xiàn)這種情況。

一個有趣的發(fā)現(xiàn)是，當(dāng)h/D=0.15時，所有的試驗結(jié)果都集中在一個較小的區(qū)域內(nèi)(見圖3)；當(dāng)h/D=0.10時，試驗結(jié)果仍然相同，但集中區(qū)域的范圍略有增加，相對深度也隨之增加。堰式擋板可以產(chǎn)生較大的水深，偏移式擋板產(chǎn)生的水深則相對較小?？偟膩碚f，對于所有的擋板系統(tǒng)，只要L

圖3的曲線顯示，在給定流量下，水流相對深度的增加會對擋板性能產(chǎn)生影響，為方便設(shè)計，可以用式(3)來描述這些曲線。

Q*=α(y0/D)2+β(y0/D) 。

(3)

式中：α和β是系數(shù)，當(dāng)α取值為15.19,8.90,9.39,7.14,5.05，h/D=0,0.07,0.10,0.15，0.20時，相應(yīng)的β=0.02,-0.16,-1.18,-1.44，-0.91。

圖3 涵洞式魚道擋板的設(shè)計曲線Fig.3 Collection of design curves for culvert shways

4 流速方程

通過對涵洞式魚道中心面處的速度場分析發(fā)現(xiàn)，各種擋板系統(tǒng)的速度場是相似的。即使在參數(shù)允許的變動范圍內(nèi)，大部分擋板系統(tǒng)的工作比較可靠，但堰式和槽堰式擋板系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更簡單且工作性能同樣有效。試驗得到的正常速度規(guī)模主要隨無量綱流量Q*而變化，對于任何一種擋板系統(tǒng)，式(4)都適用。

U*=10(y0/D) 。

(4)

4.1 偏移式擋板

偏移式檔板系統(tǒng)的擋板高度越大，其性能越好。對于偏移式擋板系統(tǒng)，速度場的試驗研究在涵洞中心面上進(jìn)行，所有的速度測量都在同一個水槽內(nèi)進(jìn)行，水槽位置設(shè)置在(1/4～1/2)L處，垂直于河床沿水面方向，水流速度連續(xù)不斷增加。試驗發(fā)現(xiàn)，長度尺度b與水深y0的減少有關(guān)，y0從1.0開始減少，此時無量綱流量Q*近似為0.0～0.50，直到Q*=3.75時，停止減少直至0，偏移式擋板的流速方程結(jié)果見表5。

4.2 槽堰式擋板

對于擋板槽中的阻礙流速，可采用一個普遍的規(guī)律來進(jìn)行預(yù)測，該規(guī)律之前多用于偏移式擋板，后來發(fā)現(xiàn)更適合于槽堰式擋板系統(tǒng)。對于槽堰式擋板，速度場在魚道中心面和緊鄰上游的水池中部處測得，而斷面的最大速度則位于1/3水深處。

表5 偏移式擋板流速方程Table 5 Dimensionless velocity equations of offset baffle

試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)池室長寬比L/D=1.20和2.40時，擋板產(chǎn)生的水深會顯著降低，特別是當(dāng)y0/D>0.35時，此時平均速度會增加20%～32.5%。此外，當(dāng)h/D=0.10，L/D=1.20時，也發(fā)現(xiàn)了同樣的試驗結(jié)果，如表6所示。h=0.10D，L=1.20D時產(chǎn)生的速度比試驗1—5中的任何一個都要大很多；擋板高寬比h/D=0.15和擋板間距L=0.60D時的速度下降幅度最大，擋板高度h=0.15D和0.10D和池室長度L=2.40D和1.20D時，水流流速下降最少。相比于標(biāo)準(zhǔn)的偏移式擋板系統(tǒng)，試驗1和試驗5的水深出現(xiàn)了較大增長，這些差異也很大程度上影響了流量Q*,其值降幅達(dá)到1.0。

此外，通過試驗發(fā)現(xiàn)，雖然槽堰式擋板系統(tǒng)增加了涵洞的過水深度，但也因此降低了水流的平均速度?？偟膩碚f，當(dāng)擋板高度h和擋板間距L一樣時，結(jié)構(gòu)更簡單的槽堰式擋板在性能上和比它更復(fù)雜的偏移式擋板一樣好。在流量Q*相等的情況下，相比于沒有安裝擋板的涵洞，擋板高度和間距分別取值為h=0.15D，L=0.60D和h=0.10D，L=0.67D，可以更有效地在涵洞內(nèi)形成更大的水深和更小的阻礙流速。

4.3 堰式擋板

堰式擋板系統(tǒng)的試驗結(jié)果顯示，除了緊鄰近邊界位置，其它流動區(qū)域的流速變化并不明顯。在順?biāo)鲄^(qū)域，擋板附近和池室中部位置處的速度場分布非常接近，最大的反向速度約為最大正向速度的1/3；當(dāng)流速較小(深水條件)時，堰式擋板的工作效果會好些，堰式擋板流速方程的試驗結(jié)果見表7。

表7 堰式擋板流速方程Table 7 Dimensionless velocity equations of weir baffle

根據(jù)試驗2和試驗4可以看出，擋板間距L的增加不僅產(chǎn)生更大流速而且減少了回流區(qū)域的范圍。對比試驗1和試驗2可以發(fā)現(xiàn)，擋板間距的變化基本不會影響無量綱流速的分布，但會影響流速曲線。

試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)無量綱流量Q*<0.40時，堰式擋板和槽堰式擋板的流速測量結(jié)果基本沒有差別；但當(dāng)Q*的值較大時，堰式擋板的曲線下降較為明顯，對比堰式擋板和槽堰式擋板試驗5，也可以得到同樣的結(jié)論。對于試驗1和試驗2，當(dāng)Q*>0.35時，試驗結(jié)果幾乎沒有差別，但當(dāng)0.20

當(dāng)Q*在0.10～0.40范圍內(nèi)波動時，此時較小的擋板間距(試驗1)下測得的流速要小于擋板間距較大時(試驗2)所產(chǎn)生的水流速度；其他流量下，U*和Q*的試驗結(jié)果差別不大，雖然這個范圍很小(0.1～0.40)，但對過魚效果的影響很重要。通過對比堰式擋板和槽堰式擋板的試驗1可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Q*<0.40時，ΔU*的試驗結(jié)果基本沒什么差別，但是隨著Q*增加，堰式擋板的曲線開始有明顯下降。同樣的結(jié)果在堰式擋板試驗3和槽堰式擋板的試驗5也有顯示。

試驗研究表明，堰式擋板和槽堰式擋板一樣有效，因此可以優(yōu)先考慮前者；擋板間距為0.60D時，擋板的工作是非常有效的，而擋板間距為1.20D時則太大了。數(shù)據(jù)顯示，堰式擋板在低速水流中能為魚類提供更為長久的休息區(qū)；另一方面，擋板較高時可以提供較深的水深，同時也降低了水流的平均速度，可能會導(dǎo)致沉積物在池室底部沉積，雖然沉積物可以被較大的流量侵蝕和運輸，但是仍然需要定期維護(hù)。此外，速度場的觀測結(jié)果表明，任意剖面上中心線處的最大流速，與所有剖面中心處的流速幾乎相等，從而證實了擋板不是起到障礙物的作用，這意味著魚類不得不在一段拉伸區(qū)內(nèi)穿過涵洞。

5 結(jié) 論

通過對3種涵洞式魚道的典型擋板系統(tǒng)：偏移式擋板、槽堰式擋板和堰式擋板的試驗數(shù)據(jù)綜合分析可以得出，擋板系統(tǒng)能提供更深的水深，對于所有的擋板系統(tǒng)，只要L

通過速度場的研究發(fā)現(xiàn)，涵洞式魚道中心面上的速度場與各種擋板系統(tǒng)不同形狀的標(biāo)準(zhǔn)化剖面的速度場很相似。速度場方面的研究成果對發(fā)掘不同種魚類所適用的涵洞式魚道類型是非常有用的，研究偏心區(qū)速度場有助于建立可供魚類休息的緩沖區(qū)域。此外，在試驗中獲得的極限速度結(jié)果表明，在涵洞內(nèi)任意區(qū)域中心的最大流速跟所有區(qū)域的中心流速近似相等，因此驗證了前面提到的擋板不充當(dāng)障礙物的觀點。

魚道對保護(hù)魚類物種的多樣性，維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的平衡有著重要的意義。目前我國涵洞式魚道工程案例較少，我們可以借鑒國外涵洞魚道的成功案例，將其運用到合適的工程建設(shè)中來。同時在路橋系統(tǒng)建設(shè)過程中，要注意魚類的洄游問題，要考慮把魚道的建設(shè)納入規(guī)劃中。