某工程魚(yú)道局部模型試驗(yàn)研究

果有雙，蘇 通，韓 超

（1.天津普澤工程咨詢有限責(zé)任公司，天津 300202；2.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222；3.河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

1 工程概況

某工程魚(yú)道緊臨左岸土石壩，布置于土石壩和溢流堰之間的擋墻上，由進(jìn)口水流調(diào)節(jié)池段、進(jìn)口閘室段、普通池室、休息池室和出口閘室段等組成。進(jìn)口水流調(diào)節(jié)池段長(zhǎng)5.8 m，池寬由2.2 m漸變?yōu)?.0 m。進(jìn)口閘室段長(zhǎng)2.6 m。魚(yú)道于土石壩右岸的重力式擋墻上部折返布置，共3 趟，長(zhǎng)度分別為39.4、42 和53 m。出口閘室段長(zhǎng)3 m，出口段魚(yú)道12 m。魚(yú)道全長(zhǎng)157.8 m，槽身寬1.0 m，底坡1∶31，進(jìn)口底板高程1 062.30 m，出口高程1 066.4 m。

沿程設(shè)105 個(gè)普通池，池室長(zhǎng)1.2 m、寬1.0 m。普通池之間設(shè)休息池，相鄰2 個(gè)休息池之間的普通池不超過(guò)15 個(gè)。共設(shè)6 個(gè)休息池，池室長(zhǎng)2.4 m，轉(zhuǎn)彎段適當(dāng)加大，無(wú)底坡，寬度為1.0 m。魚(yú)道進(jìn)口設(shè)一梯形水流調(diào)節(jié)池，以改善進(jìn)口水流流速，池室長(zhǎng)5.00 m、高2.70 m，底高程1 062.30 m，墻頂高程1 065.00 m。調(diào)節(jié)池后設(shè)閘門(mén)，以螺桿啟閉機(jī)啟閉。底部設(shè)有管徑70 cm 的生態(tài)放水管，出口設(shè)閥門(mén)和2 個(gè)支管。溢流堰位于魚(yú)道右側(cè)，長(zhǎng)13 m，垂直河道布置，堰面為WES 曲線。堰頂高程1 067.50 m，堰高6.8 m，下游坡度1∶1。采用底流消能方式，壩后接消力池，池室長(zhǎng)10 m、深0.8 m，末端接海漫和防沖槽。海漫長(zhǎng)20 m，末端設(shè)混凝土防沖齒墻，后接防沖槽。

河道魚(yú)類(lèi)共2 種，為新疆重裸唇魚(yú)和斯氏高原鰍。前者為新疆自治區(qū)Ⅰ級(jí)保護(hù)魚(yú)類(lèi)，體長(zhǎng)0.10～0.15 m，克流速度0.8～1.2 m/s，主要過(guò)魚(yú)季節(jié)為4—7月，發(fā)生洪水時(shí)不考慮過(guò)魚(yú)。

根據(jù)魚(yú)類(lèi)特性及樞紐總體布置，魚(yú)道型式采用豎縫式隔板型式。該型式適用于多種洄游性魚(yú)類(lèi)，且消能較充分，能適應(yīng)上下游較大的水位變幅。魚(yú)道上、下游運(yùn)行水位與下泄流量有關(guān)，考慮生態(tài)流量1.32 m3/s 和魚(yú)道流量0.185 m3/s，初步確定運(yùn)行水位如下：進(jìn)口運(yùn)行水位：過(guò)魚(yú)季節(jié)多年平均低水位1 063.30 m，變幅±0.3 m；出口運(yùn)行水位：閘前正常蓄水位1 067.4 m，變幅±0.2 m。

2 研究方法和技術(shù)線路

研究采用數(shù)值模擬計(jì)算分析與物理模型試驗(yàn)相結(jié)合的綜合技術(shù)手段，建立魚(yú)道三維紊流數(shù)學(xué)模型，對(duì)魚(yú)道的坡度、隔板體型等進(jìn)行優(yōu)化，并開(kāi)展魚(yú)道物理模型研究。

2.1 數(shù)學(xué)模型

計(jì)算采用VOF（The Volume of Fluid）法，這是求解不可壓縮、黏性、瞬變和具有自由面流動(dòng)的數(shù)值方法，適用于兩種或多種互不穿透流體間界面的跟蹤計(jì)算。對(duì)每一相引入體積分?jǐn)?shù)變量aq，通過(guò)求解每一控制單元內(nèi)體積分?jǐn)?shù)值確定相間界面。當(dāng)aq=0 時(shí)，控制單元內(nèi)無(wú)第q 相流體；aq=1 時(shí)，控制單元內(nèi)充滿第q 相流體；0＜aq＜1 時(shí)，控制單元包含相界面。在每個(gè)控制單元內(nèi)各相體積分?jǐn)?shù)之和等于1，即：

aq應(yīng)滿足以下方程：

計(jì)算中所有控制單元表面體積通量的計(jì)算采用隱式差分格式，即：

式中：n+1 為當(dāng)前時(shí)間步指示因子；n 為前一時(shí)間步指示因子；aq,f為單元表面第q 相體積分?jǐn)?shù)計(jì)算值；V為控制單元體積；Unf為控制單元表面體積通量。

模型求解采用有限差分法，離散格式采用二階迎風(fēng)格式，壓力—速度耦合采用壓力校正法，時(shí)間差分采用全隱格式。

魚(yú)道計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)度取20 m，含12 個(gè)池室，考慮到水深對(duì)流速、流態(tài)影響不大，計(jì)算水深取1.0 m。計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格大小為0.04 m×0.04 m×0.04 m，網(wǎng)格劃分采用笛卡兒正交結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，有效網(wǎng)格總數(shù)約56.6萬(wàn)，計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分如圖1—2所示。

圖1 計(jì)算模型

圖2 網(wǎng)格劃分

2.2 物理模型試驗(yàn)

綜合試驗(yàn)場(chǎng)地及供水條件，確定模型為正態(tài)模型，幾何比尺為αl=αh=1。水流運(yùn)動(dòng)主要作用力是重力，模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，保持原型、模型佛汝德數(shù)相等。模型建筑物采用有機(jī)玻璃制作，便于安裝及觀測(cè)流態(tài)，建筑物加工精度為±0.2 mm，滿足精度要求。局部模型選取魚(yú)道進(jìn)口10個(gè)池室，模型布置如圖3所示。

圖3 模型布置

3 數(shù)模成果分析

通過(guò)魚(yú)道數(shù)值模擬計(jì)算分析，得出各測(cè)點(diǎn)的豎縫流速詳見(jiàn)表1。從表1可以看出，魚(yú)道豎縫處最大流速為1.08 m/s，平均流速為0.91 m/s。

表1 隔板過(guò)魚(yú)豎縫各測(cè)點(diǎn)流速m/s

池室內(nèi)流速流態(tài)矢量，如圖4—5所示。池室內(nèi)在主流區(qū)之外的池室兩側(cè)，存在小范圍回流區(qū)，無(wú)漩渦、水躍等產(chǎn)生，表底流態(tài)、流向基本一致。主流左側(cè)回流區(qū)明顯有利于魚(yú)類(lèi)上溯過(guò)程中暫時(shí)休息，恢復(fù)體力。受邊壁影響，主流右側(cè)回流區(qū)不明顯，且范圍較小，伴有貼壁流產(chǎn)生，可能會(huì)對(duì)魚(yú)類(lèi)上溯產(chǎn)生一定的影響。

圖4 池室內(nèi)流速流態(tài)矢量（表層）

圖5 池室內(nèi)流速流態(tài)矢量（底層）

4 物理模型成果分析

池室隔板豎縫的流速直接關(guān)系到魚(yú)類(lèi)能否順利由下一級(jí)池室洄游到上一級(jí)池室，對(duì)1#～9#隔板過(guò)魚(yú)豎縫的流速進(jìn)行了測(cè)量。在局部物理模型中，將測(cè)點(diǎn)布置在豎縫中線，從下到上設(shè)置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，考慮到該處最大流速的重要性，采用旋漿流速儀對(duì)不同高程的最大流速進(jìn)行測(cè)量，測(cè)點(diǎn)平面和立面位置如圖6—7所示，結(jié)果詳見(jiàn)表2。

圖6 隔板過(guò)魚(yú)豎縫流速測(cè)點(diǎn)平面布置

圖7 隔板過(guò)魚(yú)縫流速測(cè)點(diǎn)立面布置（單位：cm）

魚(yú)道隔板豎縫最大流速0.99 m/s，沿水深平均流速0.88 m/s，小于設(shè)計(jì)方案中0.9 m/s的限制流速，滿足要求。2#～9#隔板豎縫沿程最大流速0.92～0.99 m/s，各隔板過(guò)魚(yú)豎縫流速平均值0.82～0.94 m/s，無(wú)明顯增大或減小現(xiàn)象，說(shuō)明魚(yú)道底坡和過(guò)魚(yú)豎縫尺寸設(shè)計(jì)合理。

表2 隔板過(guò)魚(yú)豎縫各測(cè)點(diǎn)流速 m/s

為分析休息池室內(nèi)水流分布，測(cè)量了池室不同水深流場(chǎng)分布情況，測(cè)點(diǎn)位置如圖8所示。

圖8 池室流態(tài)測(cè)點(diǎn)布置（單位：cm）

池室流態(tài)分布，如圖9 所示?？梢钥闯?，池室內(nèi)水流流向明確，主流順暢，無(wú)明顯扭曲，主流呈相對(duì)較緩“S”形流線，有利于目標(biāo)魚(yú)類(lèi)上溯洄游。豎縫表面水流流向較為明確，無(wú)明顯水位跌落，出口附近流速約為0.67 m/s。主流經(jīng)過(guò)過(guò)魚(yú)孔后流向池室左側(cè)，受下一隔板和導(dǎo)板影響，沿墩頭繞至過(guò)魚(yú)豎縫。在主流區(qū)外的池室兩側(cè)，存在小范圍回流區(qū)，無(wú)漩渦、水躍等流態(tài)產(chǎn)生，表底流態(tài)、流向基本一致。主流左側(cè)回流區(qū)明顯，流速在0.15～0.22 m/s，有利于魚(yú)類(lèi)上溯過(guò)程中暫時(shí)休息，恢復(fù)體力。由于受邊壁影響，主流右側(cè)回流區(qū)不明顯，且范圍較小，伴有貼壁流產(chǎn)生，可能會(huì)對(duì)魚(yú)類(lèi)上溯產(chǎn)生一定影響。

圖9 池室流態(tài)分布（單位：m/s）

5 優(yōu)化方案試驗(yàn)成果

為避免貼壁流產(chǎn)生，在池寬一定條件下，對(duì)隔板體型、角度、縫寬等進(jìn)行優(yōu)化，最終確定基本維持原體型不變，導(dǎo)板加長(zhǎng)至30 cm，隔板相應(yīng)縮短，豎縫寬度不變，如圖10所示。

圖10 豎縫隔板優(yōu)化后的尺寸（單位：cm）

對(duì)優(yōu)化后數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在主流區(qū)之外的池室兩側(cè)，存在小范圍回流區(qū)，無(wú)漩渦、水躍等流態(tài)產(chǎn)生，表底流態(tài)、流向基本一致。主流左側(cè)回流區(qū)明顯，有利于魚(yú)類(lèi)上溯過(guò)程中暫時(shí)休息，恢復(fù)體力。主流右側(cè)有一小回流區(qū)，貼壁現(xiàn)象較之前明顯改善。

對(duì)優(yōu)化后物理模型試驗(yàn)成果分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方案魚(yú)道池室內(nèi)水流流向明確，主流順暢，無(wú)明顯扭曲，呈相對(duì)較緩“S”形流線，有利于目標(biāo)魚(yú)類(lèi)上溯洄游。豎縫表面水流流向較為明確，無(wú)明顯水位跌落，出口附近流速約0.85 m/s。主流經(jīng)過(guò)過(guò)魚(yú)孔后流向池室左側(cè)，受下一隔板和導(dǎo)板影響，沿墩頭繞至過(guò)魚(yú)豎縫。在主流區(qū)之外的池室兩側(cè)，存在小范圍回流區(qū)，無(wú)漩渦、水躍等流態(tài)產(chǎn)生，表底流態(tài)、流向基本一致。主流左側(cè)回流區(qū)較大，流速0.19～0.23 m/s，有利于魚(yú)類(lèi)上溯過(guò)程中暫時(shí)休息，恢復(fù)體力。主流右側(cè)回流區(qū)較小，流速0.21～0.29 m/s，同樣給魚(yú)類(lèi)提供短暫的休息區(qū)。優(yōu)化方案較原方案流態(tài)有較大改善，更有利于魚(yú)類(lèi)上溯。

6 結(jié)論

（1）某工程魚(yú)道局部模型試驗(yàn)主要采用數(shù)學(xué)模型與物理模型試驗(yàn)相結(jié)合的技術(shù)手段。首先利用數(shù)模對(duì)隔板、導(dǎo)板等細(xì)部進(jìn)行優(yōu)化，再利用物模試驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化確定魚(yú)道的結(jié)構(gòu)及參數(shù)。

（2）利用大比尺物模試驗(yàn)對(duì)隔板豎縫的流速進(jìn)行了測(cè)量，隔板豎縫沿程最大流速0.92～0.99 m/s，各隔板豎縫平均流速0.82～0.94 m/s，無(wú)明顯增大或減小現(xiàn)象。

（3）利用物模試驗(yàn)對(duì)池室的水力要素進(jìn)行了觀測(cè)，池室內(nèi)水流流向明確，主流順暢，無(wú)明顯扭曲，主流在池室內(nèi)呈相對(duì)較緩“S”形流線，有利于目標(biāo)魚(yú)類(lèi)沿主流上溯洄游。

（4）通過(guò)物理模型和數(shù)模計(jì)算，均發(fā)現(xiàn)池室主流右側(cè)回流區(qū)不明顯且范圍較小，伴有貼壁流產(chǎn)生，可能會(huì)對(duì)魚(yú)類(lèi)上溯產(chǎn)生一定影響。

（5）在池寬一定的條件下，對(duì)隔板的體型、角度、縫寬等進(jìn)行優(yōu)化，確定基本維持原體型，導(dǎo)板加長(zhǎng)至30 cm，長(zhǎng)隔板相應(yīng)縮短，豎縫寬度不變。通過(guò)優(yōu)化，池室內(nèi)流態(tài)有所改善，右側(cè)貼壁流消除，主流左右均有回流區(qū)，有利于魚(yú)類(lèi)上溯過(guò)程中暫時(shí)休息，恢復(fù)體力。