某工程豎縫式魚道體型優(yōu)化試驗(yàn)研究

鄭慧洋 劉春鋒 禹勝穎 李傳夫

1 工程概況及模型設(shè)計

某工程是一座以灌溉、供水為主，兼顧發(fā)電、生態(tài)等綜合利用的Ⅱ等大（2）型水利樞紐，大壩壩高51.0 m，水庫總庫容1.134 億m3，電站裝機(jī)容量40 MW，樞紐由大壩、溢洪道、泄洪洞、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房、魚道等組成。工程過魚對象主要為裂腹魚和鰍科魚類，為中下層和底棲魚類，平均感應(yīng)流速為0.07～0.12 m/s，平均臨界游速為0.74～0.98 m/s，平均突進(jìn)游速為1.14～1.27 m/s。魚道池室結(jié)構(gòu)采用豎縫式，魚道總長1 950 m，沿大壩右岸依地形采用繞彎方式布置，魚道標(biāo)準(zhǔn)池室縱坡為2.5%，休息室縱坡度為1.0%，魚道凈寬取2.0 m，每級標(biāo)準(zhǔn)池長4.0 m，每隔10 個標(biāo)準(zhǔn)池室設(shè)一個休息池，休息長度取5.0 m，魚道設(shè)計流量0.3 m3/s，魚道設(shè)計運(yùn)行水深1.2 m，設(shè)計控制流速1.0 m/s，豎縫寬度為0.3 m，豎縫挑流角為45°。

由于本工程魚道較長且魚道池室沿程布置規(guī)律一致，首先通過魚道局部模型試驗(yàn)研究確定池室參數(shù)，驗(yàn)證魚道體型設(shè)計的合理性并為后期的魚道整體模型提供依據(jù)。本文介紹魚道局部模型試驗(yàn)研究成果，主要研究目的為：優(yōu)化魚道內(nèi)導(dǎo)板、隔板等細(xì)部結(jié)構(gòu)；確定池室縱坡值；確定豎縫尺寸；評價池室水流流態(tài)。

根據(jù)試驗(yàn)研究內(nèi)容及模型相似性，選定1∶2的大比尺正態(tài)模型，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，保持原型、模型佛汝德數(shù)相等。局部模型選取魚道進(jìn)口轉(zhuǎn)折盤升段14 個池室，模擬范圍包括11 個標(biāo)準(zhǔn)池室、2 個過渡池室和一個180°轉(zhuǎn)彎段休息室，模型布置如圖1 所示。試驗(yàn)過程中通過控制供水池流量和下游水位，使各標(biāo)準(zhǔn)池水頭差一致，水流穩(wěn)定后開始進(jìn)行試驗(yàn)觀測工作。

圖1 模型平面布置圖（單位：m）

2 原設(shè)計方案成果

2.1 過魚豎縫流速

魚道池室隔板豎縫的流速直接關(guān)系到魚類能否順利由下一級池室洄游到上一級池室，試驗(yàn)對3#～13#隔板過魚豎縫的流速進(jìn)行了測量，每個隔板豎縫從下到上分別測量6 個測點(diǎn)位置。通過試驗(yàn)測試，魚道各級隔板豎縫處最大流速為1.24 m/s，隔板豎縫處沿水深流速平均值為1.02 m/s，均大于豎縫設(shè)計控制流速，不能滿足過魚要求。除8#和9#隔板外（處于非標(biāo)準(zhǔn)池和休息池之間），沿程各隔板處流速變化不大，垂向流速沿水深變化也不大，豎縫處水流流速呈現(xiàn)二維特性。

2.2 池室內(nèi)水力特性

標(biāo)準(zhǔn)池室內(nèi)流速分布及流態(tài)如圖2 所示，魚道標(biāo)準(zhǔn)池室內(nèi)水流流向明確，主流順暢，主流經(jīng)過過魚孔后流向魚池左側(cè)，沖擊左側(cè)邊壁，受左側(cè)邊墻與下一級隔板的影響產(chǎn)生回流，沿墩頭繞至下一道豎縫，隔板墩頭迎水面為直角，繞流現(xiàn)象明顯，豎縫左側(cè)流速低于右側(cè)，池室內(nèi)流速在0.11～0.96 m/s 之間。轉(zhuǎn)彎休息池室內(nèi)流速分布及流態(tài)如圖3 所示，經(jīng)試驗(yàn)觀測，魚道轉(zhuǎn)彎休息池室內(nèi)水流較標(biāo)準(zhǔn)池室平穩(wěn)，主流經(jīng)過過魚孔后沖擊左側(cè)邊壁，受休息池前側(cè)邊墻與隔板間回水區(qū)頂托主流線彎曲，沿墩頭繞至下一道豎縫，在隔板墩頭處繞流現(xiàn)象明顯，休息池兩側(cè)存在大范圍回流區(qū)，池室內(nèi)流速在0.11～0.76 m/s 之間。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)池室內(nèi)流速及流態(tài)圖（單位：m/s）

圖3 休息池室內(nèi)流速及流態(tài)圖（單位：m/s）

2.3 存在問題及原因分析

（1） 原設(shè)計方案魚道標(biāo)準(zhǔn)池室縱坡為2.5%，魚道凈寬為2.0 m，每級標(biāo)準(zhǔn)池長4.0 m，大于國內(nèi)已建工程豎縫式魚道長寬比1.1～1.3，池室內(nèi)出現(xiàn)主流貼壁和流速超標(biāo)等問題，容易造成目標(biāo)魚類洄游困難和身體傷害。由于標(biāo)準(zhǔn)池室縱坡基本合理，在保證魚道水力指標(biāo)不變的情況下，首先應(yīng)適當(dāng)考慮縮短池室長度。

（2）原設(shè)計方案休息池前后相鄰的兩個非標(biāo)準(zhǔn)池（7#～8#、9#～10#）池長差異較大，導(dǎo)致水流銜接不順暢，豎縫流速和水位在8#和9#隔板處有突變，流態(tài)不夠穩(wěn)定。應(yīng)對兩個非標(biāo)準(zhǔn)池室做調(diào)整，體型尺寸與標(biāo)準(zhǔn)池室一致，保證魚道沿程水流平穩(wěn)銜接。

（3）隔板墩頭迎水面為直角，主流進(jìn)入豎縫時繞流現(xiàn)象明顯，也易于觸傷魚類，應(yīng)對墩頭體型進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

3 優(yōu)化方案成果

3.1 設(shè)計方案修改優(yōu)化

針對原設(shè)計方案出現(xiàn)的問題，優(yōu)化修改如下：（1）休息池室外所有標(biāo)準(zhǔn)池室尺寸一致，標(biāo)準(zhǔn)池長修改為2.3 m，底坡仍為2.5%；把轉(zhuǎn)彎段全部布置成休息池，池長6 m，底坡仍為1%。（2）對導(dǎo)板和隔板墩頭體型進(jìn)行優(yōu)化，隔板迎水角和導(dǎo)板背水角均采用1∶1 的斜角，如圖4 所示。（3）休息池室內(nèi)增加3 個整流導(dǎo)板改善水流流態(tài)，避免主流貼壁現(xiàn)象，如圖5 所示。

圖4 優(yōu)化方案平面布置圖（單位：m）

圖5 優(yōu)化方案轉(zhuǎn)彎休息池室整流導(dǎo)板布置圖（單位：mm）

3.2 過魚豎縫流速

優(yōu)化方案5#～12#隔板豎縫沿程最大流速為0.92～1.08 m/s，隔板豎縫處沿水深方向流速平均值為0.75 m/s，滿足豎縫設(shè)計控制流速的要求，沿程各隔板流速變化不大，水流銜接平順。

3.3 池室內(nèi)水力特征

標(biāo)準(zhǔn)池室內(nèi)的流速分布及流態(tài)如圖6 所示，隔板墩頭迎水面改為斜角后，繞流現(xiàn)象顯著改善標(biāo)準(zhǔn)池室內(nèi)主流順暢，在池室內(nèi)呈相對較緩的“S”形流線，無明顯水位跌落，在主流區(qū)之外的魚池兩側(cè)，存在小范圍回流區(qū)，無漩渦、水躍等流態(tài)產(chǎn)生，表底流態(tài)、流向基本一致，豎縫出口附近的流速約為0.61 m/s，主流區(qū)域流速為0.45～0.79 m/s，利于魚類持續(xù)上溯洄游。轉(zhuǎn)彎休息池室內(nèi)流速分布及流態(tài)如圖7 所示，主流經(jīng)過豎縫后流向池室左側(cè)，受慣性力邊壁的影響折向下游，沿墩頭繞至過魚豎縫，隔板墩頭迎水面改為斜角后繞流現(xiàn)象改善，受到整流導(dǎo)板作用，休息池室內(nèi)水流流向明確，主流順暢，無明顯扭曲，水流主流在池室內(nèi)呈相對較緩曲線型流線，主流區(qū)域流速為0.27～0.60 m/s，其他大部分區(qū)域流速低于0.2 m/s，既利于魚類上溯過程中暫時休息，恢復(fù)體力，又有利于目標(biāo)魚類沿主流持續(xù)上溯洄游。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)池室流速分布及流態(tài)圖（單位：m/s）

圖7 轉(zhuǎn)彎休息池室流態(tài)分布圖（單位：m/s）

4 結(jié) 語

（1）本工程魚道較長且魚道池室沿程布置規(guī)律一致，采用1∶2 大比尺魚道局部模型試驗(yàn)研究確定池室參數(shù)，為魚道設(shè)計方案優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

（2）豎縫式魚道池室長寬比、縱坡和導(dǎo)板、隔板體型對魚道內(nèi)水流條件影響較大。原設(shè)計方案標(biāo)準(zhǔn)池室的長寬比偏大，池室內(nèi)主流貼壁且豎縫流速超過控制標(biāo)準(zhǔn)，隔板墩頭迎水面為直角繞流現(xiàn)象明顯。

（3）通過對魚道局部體型優(yōu)化，魚道隔板豎縫處流速小于豎縫設(shè)計控制流速，標(biāo)準(zhǔn)池內(nèi)流態(tài)改善明顯，主流明確回流區(qū)流速小，有利于目標(biāo)魚類沿主流上溯洄游，在休息池室內(nèi)設(shè)置整流導(dǎo)板，可以改善水流流態(tài)解決轉(zhuǎn)彎休息池室內(nèi)主流貼壁問題。