廣西老口樞紐U型魚道轉(zhuǎn)彎段水力特性研究

韓若冰 蔡德所

摘要：在魚道坡度的限制下，上下游水位差越大，魚道所需長(zhǎng)度越長(zhǎng)。因此，U型魚道因其在對(duì)長(zhǎng)度要求下場(chǎng)地的節(jié)約性，得到廣泛應(yīng)用。目前，對(duì)U型魚道轉(zhuǎn)彎段的研究較少，缺乏完整的設(shè)計(jì)方法。本文以廣西老口樞紐下游段的豎縫式U型魚道為研究對(duì)象，采用Flow-3D軟件對(duì)魚道轉(zhuǎn)彎段的水力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明：老口樞紐U型魚道轉(zhuǎn)彎段主流區(qū)明確，最大水平流速為1.27m/s，紊動(dòng)不劇烈，消能效果較好，左側(cè)轉(zhuǎn)彎段主流區(qū)水流貼邊墻流動(dòng)，出現(xiàn)較大的回流區(qū)，右側(cè)轉(zhuǎn)彎段主流區(qū)處于中部，回流區(qū)位于主流區(qū)兩側(cè)。廣西老口魚道可滿足魚類上溯的基本要求。

關(guān)鍵詞：豎縫式魚道；轉(zhuǎn)彎段；Flow-3D；數(shù)值模擬；水力特性

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（40971280）

中圖分類號(hào)： TV135 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A DOI編號(hào)： 10.14025/j.cnki.jlny.2018.22.086

魚道，作為維持魚類自由溯游的主要建筑物，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得到更多重視。豎縫式魚道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、過(guò)魚效率高、應(yīng)用廣泛。多數(shù)大壩上下游差較大，所需魚道長(zhǎng)度較長(zhǎng)，受場(chǎng)地限制難以布置成直線，往往需要布置成折返式，即U型魚道。魚道水力特性是影響過(guò)魚效果的主要因素[1]。U型魚道轉(zhuǎn)彎段內(nèi)，由于水流流行發(fā)生180°轉(zhuǎn)向，水流流態(tài)與紊動(dòng)能發(fā)生巨大變化，容易對(duì)魚類上溯產(chǎn)生不利影響。因此U型魚道轉(zhuǎn)角段水力特性具有很大的研究意義。目前，許多學(xué)者對(duì)豎縫式魚道池室及休息室水力特性進(jìn)行了很多研究[2]，對(duì)U型魚道轉(zhuǎn)彎段的研究較少，也未見U型魚道轉(zhuǎn)彎段相關(guān)的成熟設(shè)計(jì)方法。作者基于老口航運(yùn)樞紐豎縫式魚道下游段U型魚道，采用數(shù)值模擬方法，研究U型魚道轉(zhuǎn)彎段水力特性，為其他魚道設(shè)計(jì)作參考。

1 工程概況

廣西老口航運(yùn)樞紐位于邕江上游，左江、右江交匯處下游4.7km處[6]。老口樞紐距廣西首府南寧市市區(qū)約34km，是那凝視邕江綜合利用樞紐規(guī)劃梯級(jí)中的第七級(jí)，以防洪為主，兼顧改善南寧市水環(huán)境的綜合性樞紐。老口樞紐建成后，阻礙了魚類洄游通道，因此修建了豎縫式魚道作為主要過(guò)魚建筑物。老口樞紐魚道總長(zhǎng)約719m，布置圖如下，主要由三段構(gòu)成：一是大壩下游U型段總長(zhǎng)約397m，由于布置空間有限，布置成3個(gè)U型段以減少開挖；二是大壩下游L型段總長(zhǎng)約124m，沿安裝間右側(cè)及下游側(cè)外圍布置；三是過(guò)壩段及上游段總長(zhǎng)約198m，沿廠房右岸護(hù)岸岸坡布置。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型

數(shù)值模擬采用（RNG）模型。（RNG）模型通過(guò)大尺度的運(yùn)動(dòng)和修正后的粘度項(xiàng)的方法來(lái)體現(xiàn)小尺度的影響，從而在控制方程中去除小尺度的運(yùn)動(dòng)。

2.2 計(jì)算區(qū)域及物理模型

本文選取老口航運(yùn)樞紐U型魚道下游段進(jìn)口的40個(gè)池室作為模擬計(jì)算區(qū)域，模型凈長(zhǎng)69m，凈寬18.5m，凈高6.5m，沿魚道中心線全長(zhǎng)169.129m，魚道坡度1∶60，模擬模型圖、平面尺寸圖及局部尺寸詳見圖1。

2.3 邊界條件及算法

Flow-3D軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)魚道水力特性進(jìn)行較為精確的模擬[3]，因此，本文采用Flow-3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。數(shù)值模擬計(jì)算上下游邊界采用壓力邊界，工況選取老口樞紐上游水位75.5m，下游水位65m，即魚道水位H=2m，對(duì)應(yīng)模型上游水深5.53m，下游水深3m。模型頂部設(shè)置為壓力邊界，大氣壓強(qiáng)為101325Pa，邊墻與底部為固壁邊界。在計(jì)算區(qū)域內(nèi)，網(wǎng)格采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長(zhǎng)0.1m，初始時(shí)間步長(zhǎng)及最小時(shí)間步長(zhǎng)采用默認(rèn)值。

將青、草、鰱、鳙 “四大家魚”作為老口航運(yùn)樞紐魚道的主要過(guò)魚對(duì)象。其游泳能力對(duì)應(yīng)的極限流速為：體長(zhǎng)0.1～0.3m對(duì)應(yīng)極限流速0.7～0.9m/s，體長(zhǎng)0.3～0.9m對(duì)應(yīng)極限流速1.2～1.9m/s。

3 結(jié)果與分析

在魚道水位H=2m下進(jìn)行模擬計(jì)算后，主要對(duì)兩個(gè)180°轉(zhuǎn)彎段水力特性進(jìn)行研究。分別選取兩個(gè)轉(zhuǎn)彎段不同水深剖面進(jìn)行分析，剖面高度h與魚道水位H的比值，h/H分別取0.2，0.5，0.8。

3.1 轉(zhuǎn)彎段流態(tài)分析

流態(tài)是影響過(guò)魚效果的主要因素。對(duì)于魚類上溯，轉(zhuǎn)彎段主流區(qū)要明確，能讓魚類感知到主流方向；存在一定回流區(qū)以達(dá)到消能效果；轉(zhuǎn)彎段回流區(qū)流速不宜過(guò)大，否則影響魚類休息；最大流速應(yīng)小于極限流速。

3.1.1 左轉(zhuǎn)彎段流態(tài)分析 左轉(zhuǎn)彎段模擬結(jié)果如圖1。

由圖2模擬結(jié)果可知：一是三個(gè)典型剖面的流態(tài)分布基本相同，主流區(qū)貼向魚道轉(zhuǎn)彎段外壁，在轉(zhuǎn)彎段中心形成一個(gè)較大的回流區(qū)，在進(jìn)彎外壁處和出彎外壁處形成兩個(gè)較小的回流區(qū)；二是三個(gè)典型剖面的最大水平流速分別1.27m/s（底層，h/H=0.2）、1.11m/s（中層，h/H=0.5）、1.13m/s（頂層，h/H=0.8），均出現(xiàn)在上一池室豎縫主流區(qū)與進(jìn)彎段交界處，數(shù)值相差很小。三個(gè)典型剖面垂向流速數(shù)值均較?。蝗侵髁鲄^(qū)水平流速在0.5～1.3m/s之間，滿足大部分魚類上溯條件[4]，出現(xiàn)主流區(qū)貼壁的主要原因是進(jìn)彎處水平流速方向朝向外壁，加上在轉(zhuǎn)彎段流向發(fā)生180°轉(zhuǎn)向，使得出現(xiàn)主流區(qū)貼壁的現(xiàn)象；四是由于主流區(qū)貼向外壁，在左側(cè)轉(zhuǎn)彎段中部形成較大的回流區(qū)，回流區(qū)流速較小，在0.4m/s以下，中心點(diǎn)接近于0，適合魚類休息[5]；五是左側(cè)轉(zhuǎn)彎段能夠充分消能，降低流速。

3.1.2 右轉(zhuǎn)彎段流態(tài)分析 右轉(zhuǎn)彎段模擬結(jié)果如下。

由上述模擬結(jié)果可知：一是三個(gè)典型剖面的流態(tài)分布基本相同，主流區(qū)在轉(zhuǎn)彎段中心處，四個(gè)回流區(qū)分布在主流區(qū)兩側(cè)；二是三個(gè)典型剖面的最大水平流速分別1.19m/s（底層，h/H=0.2）、1.15m/s（中層，h/H=0.5）、1.07m/s（頂層，h/H=0.8），均出現(xiàn)在上一池室豎縫主流區(qū)與進(jìn)彎段交界處，數(shù)值相差很小。三個(gè)典型剖面垂向流速數(shù)值均較??；三是主流區(qū)水平流速在0.4～1.2m/s之間，滿足大部分魚類上溯條件，流態(tài)分布與左轉(zhuǎn)彎段不同的原因是進(jìn)彎處水平水流流場(chǎng)朝向轉(zhuǎn)彎段中心，與左轉(zhuǎn)彎段相比流向變化不劇烈；四是四個(gè)回流區(qū)流速較小，均在0.4m/s以下，中心點(diǎn)接近于0，適合魚類休息；五是右側(cè)轉(zhuǎn)彎段能夠充分消能，降低流速且流態(tài)分布較左轉(zhuǎn)彎段好。

3.2 轉(zhuǎn)彎段紊動(dòng)能

紊動(dòng)能是流體紊動(dòng)所具有的動(dòng)能，魚道內(nèi)紊動(dòng)能過(guò)大會(huì)使魚類迷失方向甚至失去平衡，嚴(yán)重的會(huì)有扭傷身體，損傷眼睛等嚴(yán)重后果[5]。因此，對(duì)紊動(dòng)能的研究是必要的[7][8]。

3.2.1 左轉(zhuǎn)彎段紊動(dòng)能 左側(cè)轉(zhuǎn)彎段紊動(dòng)能模擬結(jié)果如下。

由圖4可知：一是三個(gè)典型剖面紊動(dòng)能分布相似；二是左側(cè)彎道回流區(qū)紊動(dòng)能在0.06J/kg以下，方便魚類休息；三是主流區(qū)紊動(dòng)能在0.06～0.1J/kg之間，最大為0.101J/kg；四是底層（ h/H=0.2）、中層（h/H=0.5）和頂層（h/H=0.8）最大紊動(dòng)能分別為0.083J/kg、0.101J/kg、0.092J/kg，滿足魚類上溯基本要求。

3.2.2 右轉(zhuǎn)彎段紊動(dòng)能 右側(cè)轉(zhuǎn)彎段紊動(dòng)能模擬結(jié)果如下。

由圖5可知：一是三個(gè)典型剖面紊動(dòng)能分布相似；二是右側(cè)彎道回流區(qū)紊動(dòng)能在0.06J/kg以下，方便魚類休息；三是主流區(qū)紊動(dòng)能在0.06～0.107J/kg之間，最大為0.107J/kg；四是底層（ h/H=0.2）、中層（h/H=0.5）和頂層（h/H=0.8）最大紊動(dòng)能分別為0.106J/kg、0.105J/kg、0.093J/kg，滿足魚類上溯基本要求。

4 結(jié)論

基于Flow-3軟件對(duì)老口航運(yùn)樞紐U型魚道轉(zhuǎn)彎段水力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，主要研究了轉(zhuǎn)彎段流態(tài)分布及紊動(dòng)能分布。結(jié)果表明：

在不同水深下轉(zhuǎn)彎段流態(tài)分布相似，主流區(qū)明確，可為魚類上溯提供明顯路線，且均存在流速較?。?.4m/s以下）的回流區(qū)，最大流速值1.27m/s，滿足大部分魚類上溯要求。左側(cè)轉(zhuǎn)彎段出現(xiàn)主流區(qū)貼向魚道外壁現(xiàn)象且回流區(qū)較大，會(huì)對(duì)魚類上溯造成不利影響。在不同水深下紊動(dòng)能分布相似；回流區(qū)紊動(dòng)能較?。?.06J/kg以下），最大紊動(dòng)能不大。經(jīng)研究表明，老口航運(yùn)樞紐魚道轉(zhuǎn)彎段基本滿足魚類上溯條件，但實(shí)際過(guò)魚效果仍需在實(shí)際中檢驗(yàn)。

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作者簡(jiǎn)介：韓若冰，在讀碩士研究生，研究方向：魚道及其他過(guò)魚設(shè)施；水利工程。

通訊作者：蔡德所，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：河流健康診斷與修復(fù)。