李桂青,桑林瀚,何霞
(1.中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司,天津 300222;2.天津市排水管理事務(wù)中心,天津 300017)
本工程過魚設(shè)施采用短魚道與機械提升轉(zhuǎn)運相結(jié)合的形式,過魚設(shè)施通過電站發(fā)電尾水以及補水管流量誘魚。短魚道及集魚池布置于廠房右側(cè),總長64.90 m。集魚池分為消能池、集魚箱池和趕魚柵池,趕魚柵將進入魚道內(nèi)的魚趕入集魚箱內(nèi),再利用機械設(shè)備將魚類提升、轉(zhuǎn)運過壩至上游水庫。短魚道沿水流方向分為標準池室、休息池室和魚道進口,樁號魚0+000.00—0+039.00段與樁號魚0+039.00—0+64.90段夾角為123°,標準池室長2.0 m,休息池室長4.0 m,池室寬均為1.5 m,并采用帶有導(dǎo)板的豎縫式隔板結(jié)構(gòu),豎縫寬度0.3 m,魚道坡度1/40。魚道進口設(shè)為漸變形式,長3.0 m,寬1.5~3.0 m,以改善水流流態(tài),魚道進口通過引渠與河道相銜接,引渠渠底寬度為3.0 m。為避免魚群上溯至電站尾水渠內(nèi),需在魚道進口上游側(cè)河道布置攔魚電柵。
為兼顧多種過魚對象,魚道進口設(shè)計流速應(yīng)介于0.11~0.60 m/s,且流速越大,誘魚效果越好。根據(jù)本工程過魚對象的游泳能力,確定魚道豎縫斷面處設(shè)計流速控制范圍為0.93~1.02 m/s,池室平均流速范圍為0.50~0.64 m/s。
研究通過數(shù)值模擬計算和物理模型試驗相結(jié)合的綜合技術(shù)手段開展,建立魚道三維紊流數(shù)學(xué)模型和整體物理模型,對魚道內(nèi)流場分布和水力特性進行研究。
本次數(shù)值模擬[1]針對工程短魚道建立局部計算模型,網(wǎng)格劃分采用笛卡兒正交結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,網(wǎng)格大小取0.05 m,有效網(wǎng)格總數(shù)約267萬。
模型在集魚池上游設(shè)置進口邊界,進口邊界條件根據(jù)補水管流量設(shè)置為流量邊界,在進魚口位置設(shè)置出口邊界,出口邊界條件根據(jù)下游河道水位設(shè)為壓力邊界,固體邊界采用無滑移條件,液面為自由表面,流體設(shè)置為不可壓縮流體。
物理模型[2]針對短魚道、補水管、電站尾水以及進魚口上下游一定范圍的河道地形建立整體模型,進魚口上游河道地形長90 m、下游河道地形長60 m,從而消除模型邊界對進魚口水流的影響。模型按重力相似準則設(shè)計,采用正態(tài)模型,幾何比尺Lr=10。上游來流流量通過流量計控制,下游進魚口水位通過固定測針控制。
本文主要針對電站運行典型工況進行分析研究,電站下泄流量63.90 m3/s,魚道補水流量0.42 m3/s,魚道進口水位968.72 m。
魚道豎縫自上游向下游依次編號1#~21#,流速測點布置于豎縫中間,分別測量豎縫測點表、中、底層的流速,實測結(jié)果如圖1所示。豎縫流速大小基本分布在0.80~1.20 m/s,平均流速分布為0.89~1.08 m/s,滿足設(shè)計流速要求,自上游向下游豎縫流速總體呈逐漸增大的趨勢,但變化較小。
圖1 魚道豎縫沿程流速分布
考慮到123°轉(zhuǎn)彎段[3,4]可能對標準池水流流態(tài)的影響,取轉(zhuǎn)彎段上游第2個標準池和轉(zhuǎn)彎段下游第3個標準池作為研究對象,標準池內(nèi)沿水流方向布置6個測流斷面,相鄰斷面間距0.36 m,每個測流斷面布置5個流速測點,相鄰測點間距0.30 m。
由于表、中、底層流速分布基本相同,計算相同測點表、中、底層流速的平均值,流速分布如圖2所示。轉(zhuǎn)彎段上下游標準池水流流態(tài)相近,主流基本位于池室中間,彎曲程度較小,呈倒“S”形分布,利于魚類上溯,在主流兩側(cè)存在兩個范圍大小相差不大的低流速回流區(qū),可以為魚類提供良好的休息空間。
圖2 模型實測標準池流速分布
數(shù)值模擬得到的標準池流速分布云圖,其結(jié)果與物理模型實測結(jié)果相近,主流流速大小主要分布在0.5~1.0 m/s,主流兩側(cè)回流區(qū)流速基本在0.3 m/s以下,從邊緣向中心流速逐漸減小,中心流速基本趨近0。
休息池[5]內(nèi)沿水流方向每隔0.38 m布置1個測流斷面,每個測流斷面相鄰測點之間距離0.30 m。測點表、中、底層平均流速的分布情況如圖3(a)所示,主流進入休息池后受豎縫導(dǎo)板的影響偏向左側(cè),之后沿左側(cè)邊墻流動,并在下游隔板的作用下發(fā)生彎曲進入休息池下游豎縫,主流彎曲程度較大,并存在一定程度的貼壁現(xiàn)象。在主流區(qū)左側(cè)上游和下游分布有范圍較小的回流區(qū),主流右側(cè)的回流區(qū)范圍較大。
數(shù)值模擬得到的休息池流速分布如圖3(b)所示,其流場分布與模型實測結(jié)果相近,主流流速主要分布在0.3~0.9 m/s,回流區(qū)流速基本小于0.3 m/s,回流中心流速最小,基本趨近于0。篩選每個斷面的最大流速值得到最大流速沿程分布曲線如圖4所示,從圖4可以看出,休息池內(nèi)主流流速沿程先減小后增大,在下游豎縫位置附近達到最大。
圖3 休息池流速分布
圖4 休息池最大流速沿程分布曲線
數(shù)值模擬計算的流速分布與模型實測流速分布情況相近。轉(zhuǎn)彎段上游部分主流偏向左側(cè)邊墻,在左側(cè)邊墻的導(dǎo)向作用下,主流偏向轉(zhuǎn)彎段下游部分的右側(cè)邊墻,最后經(jīng)下游豎縫流出轉(zhuǎn)彎段,轉(zhuǎn)彎段內(nèi)主流較為明確,彎曲程度較小,但存在一定的貼壁現(xiàn)象。在主流區(qū)兩側(cè)分布著3個回流區(qū),回流區(qū)尺度相差較大,上游左側(cè)回流區(qū)尺度較小,而右側(cè)回流區(qū)以及下游左側(cè)回流區(qū)尺度較大。主流流速主要分布在0.4~0.8 m/s,轉(zhuǎn)彎上游部分主流流速較大,下游部分主流流速較小,至下游豎縫位置流速增至最大,主流兩側(cè)回流區(qū)流速基本不超過0.3 m/s,在回流中心位置流速趨近于0。
進魚口漸變段每隔1.50 m設(shè)置1個測流斷面,引渠內(nèi)每隔6.00 m設(shè)置1個測流斷面,共布置7個測流斷面,每個測流斷面在中間及兩側(cè)布置3個測點,分別測量表、中、底層的流速,實測結(jié)果如圖5所示,圖中僅列出測點的表層流速。
圖5 模型實測進魚口及引渠流速分布
根據(jù)測量結(jié)果,主流出標準池后受豎縫導(dǎo)板的作用偏向左側(cè),1#~5#斷面左側(cè)流速基本分布在0.1~0.6 m/s,滿足誘魚流速要求,且隨著水流向下游擴散,左側(cè)主流流速逐漸減小,在主流右側(cè)存在一個范圍較大的回流,因此中間及右側(cè)測點流速值較小。6#、7#斷面測點靠近河道,流速方向與河道主流一致且流速較大,6#斷面表層流速最大為1.61 m/s,7#斷面最大流速為2.57 m/s。
魚道沿程水深分布測量結(jié)果,如圖6所示。從魚道進口到集魚池,水深總體呈逐漸增大的趨勢,進口水深為1.60 m,趕魚柵池水深為1.78 m,水深增大0.18 m,但相鄰標準池室間水深相差不大,整體水位變化較小,銜接順暢。
圖6 魚道沿程水深分布
本文基于某工程過魚設(shè)施,采用模型試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對豎縫式短魚道的水流特性進行了研究,結(jié)論如下。
(1)短魚道豎縫平均流速分布在0.89~1.08 m/s,滿足設(shè)計流速要求。各標準池水流流態(tài)分布相近,主流基本位于池室中間,呈倒“S”形分布,主流兩側(cè)存在兩個范圍大小相差不大的低流速回流區(qū),主流流速大小主要分布在0.50~1.00 m/s,滿足魚類上溯需要。
(2)休息池與轉(zhuǎn)彎段主流流速分布在0.3~0.9 m/s,并存在一定的主流貼壁現(xiàn)象,且回流區(qū)尺度差別較大,今后需通過設(shè)置整流擋板等措施改善池室流態(tài)。
(3)從進魚口至集魚池,魚道內(nèi)水深總體呈逐漸增大趨勢,但相鄰池室間水深相差不大,銜接順暢。
(4)數(shù)值模擬計算成果與物理模型試驗成果在水流流態(tài)、流速分布等方面基本一致,二者相互驗證補充,成果可作為設(shè)計參考依據(jù)。