某工程魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口布置的水力學(xué)模型試驗(yàn)研究

李朋飛，孫慶豐

(中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021)

0 引 言

人類為了自身的生存和發(fā)展已修建了許多水利工程，水利工程雖能帶來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，但卻造成了江河阻隔，阻斷了魚(yú)類上溯的洄游通道，破壞了河流生態(tài)系統(tǒng)[1_2]。魚(yú)道，也稱為魚(yú)梯，是一種能使洄游性魚(yú)類在各種水利工程中(如水電站，水閘等)實(shí)現(xiàn)上溯洄游的設(shè)施[3]。魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口是魚(yú)類溯河游進(jìn)魚(yú)道的入口，進(jìn)魚(yú)口的布置直接決定過(guò)魚(yú)效果。一般而言，魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口宜布置在常有水流下泄、魚(yú)類經(jīng)常聚集的地方，并避免進(jìn)口附近出現(xiàn)泥沙淤積、漩渦、水躍和回流等現(xiàn)象[4_5]。魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口水流條件決定了一個(gè)魚(yú)道的設(shè)計(jì)是否成功。因此，在魚(yú)道修建前對(duì)魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口的水力特性進(jìn)行研究是很有必要的。

本文以珠江流域某工程魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口為例，通過(guò)采取水力學(xué)模型試驗(yàn)方式，對(duì)魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口水流條件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括進(jìn)魚(yú)口區(qū)域流速分布和流態(tài)等，再根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)評(píng)價(jià)進(jìn)魚(yú)口布置方案。本文對(duì)在距離大壩下游較遠(yuǎn)處的魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口布置有一定借鑒作用。

1 工程概況

2 魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口原布置方案及進(jìn)魚(yú)口流速要求

在壩下游魚(yú)道布置5個(gè)進(jìn)魚(yú)口，進(jìn)魚(yú)口從上游至下游依次編號(hào)為1～5號(hào)，進(jìn)魚(yú)口沿水流流向向右岸外擴(kuò)，擴(kuò)散角約14°。進(jìn)魚(yú)口軸線垂直于魚(yú)道軸線，1～5號(hào)進(jìn)魚(yú)口高程分別為21.66、23.41、25.16、26.91、28.66 m，1～5號(hào)進(jìn)魚(yú)口運(yùn)行水位分別為23.16、24.63、26.36、28.11、29.86 m，魚(yú)道及進(jìn)魚(yú)口布置如圖1所示。

圖1 魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口原布置方案

根據(jù)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口區(qū)域河道流速需大于等于過(guò)魚(yú)對(duì)象的感應(yīng)流速，且小于等于過(guò)魚(yú)對(duì)象的耐久游泳速度。對(duì)主要過(guò)魚(yú)對(duì)象的游泳能力進(jìn)行測(cè)試研究，確定感應(yīng)流速按0.20 m/s控制，耐久游泳速度按1.00 m/s控制。

3 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)河道特征、河床形態(tài)、地形特點(diǎn)，并結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)地和供水條件，將模型確定為定床正態(tài)模型，比尺為1∶80。模型按重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)。模型雷諾數(shù)Re≥1 000，保證模型水流處于紊流區(qū)；模型水深h>3.0 cm，模型表面波速v>23 cm/s，滿足表面張力限制條件。與試驗(yàn)有關(guān)的各參數(shù)比尺如表1所示。

表1 模型物理量比尺參數(shù)表

模型模擬從壩軸線上游3.0 km處至壩軸線下游2.8 km處共5.8 km長(zhǎng)的范圍。庫(kù)水位測(cè)點(diǎn)位于壩軸線上游0.1 km處主河槽深泓線位置，尾水控制斷面為壩下游2.649 km處。

為確保模型制作精度，平面放樣采用平面導(dǎo)線控制系統(tǒng)，平面誤差在±10 mm以內(nèi)；地形制作采用斷面法，地形高程誤差控制在±2 mm以內(nèi)；一些主要建筑物軸線角度誤差控制在±0.01°以內(nèi)。對(duì)河道局部復(fù)雜地形，如兩岸匯入的溪溝、灘島以及石梁等，為提高制作精度，采用加設(shè)局部斷面和查找局部地形的方法制作。模型中地形采用水泥砂漿抹制；水工建筑物按比尺縮制，溢流堰和縱向混凝土圍堰采用水泥砂漿刮制；泄水閘閘墩和電站導(dǎo)墻采用有機(jī)玻璃制作；左右岸電站廠房用塑料灰板制作；魚(yú)道邊墻采用苯板制作，詳見(jiàn)圖2。

圖2 魚(yú)道模型試驗(yàn)照片

模型中流量采用三角形量水堰和矩形量水堰測(cè)量，水位和地形高程采用水位測(cè)針和NA2型水準(zhǔn)儀測(cè)量，流速和流向采用NKY02—1型旋槳式流速儀、VDMS流場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試。各設(shè)備和測(cè)量?jī)x器均經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)和率定，精度滿足要求。

4 模型試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)本工程運(yùn)行調(diào)度情況，選取幾個(gè)特征流量進(jìn)行模型試驗(yàn)，詳見(jiàn)表2。

表2 魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口原布置方案模型試驗(yàn)匯總表

當(dāng)流量在700～3 080 m3/s之間時(shí)，主河道流速隨著流量的增加而增大，流速值介于0.8～2.0 m/s之間，靠右岸邊60 m寬范圍內(nèi)流速都小于1.0 m/s。流量在700～1 590 m3/s之間時(shí)，1號(hào)和2號(hào)進(jìn)魚(yú)口處水流呈回流流態(tài)。流量在3 080 m3/s時(shí)，2～4號(hào)進(jìn)魚(yú)口處水流呈回流流態(tài)，回流區(qū)順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)250～350 m，垂直魚(yú)道軸線方向?qū)?0～100 m，回流流速值多在0.2～0.4 m/s范圍內(nèi)。因此，當(dāng)流量在700～3 080 m3/s之間時(shí)，河道岸邊流速雖小于1.0 m/s，但進(jìn)魚(yú)口處在回流區(qū)，水流條件不滿足過(guò)魚(yú)要求。

當(dāng)流量在4 500～6 000 m3/s之間時(shí)，主河道流速增大到2.16 m/s，5號(hào)進(jìn)魚(yú)口及下游側(cè)流速小于1.0 m/s，3號(hào)和4號(hào)進(jìn)魚(yú)口無(wú)回流，水流條件滿足過(guò)魚(yú)要求。

當(dāng)流量在7 330～10 100 m3/s之間時(shí)，主河道流速大于2.0 m/s的范圍增大，流速較大區(qū)域主要位于主河道中部，5號(hào)進(jìn)魚(yú)口及下游側(cè)流速小于1.0 m/s，水流條件滿足過(guò)魚(yú)要求。

以上部分試驗(yàn)結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 原布置方案魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口流速圖(流量700 m3/s)

圖4 原布置方案魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口流速圖(流量3 080 m3/s)

圖5 原布置方案魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口流速圖(流量4 500 m3/s)

圖6 原布置方案魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口流速圖(流量7 330 m3/s)

綜上，當(dāng)流量小于3 080 m3/s時(shí)，魚(yú)道1～4號(hào)進(jìn)魚(yú)口存在回流區(qū)，回流區(qū)長(zhǎng)度約300 m、寬度約90 m，水流條件不滿足過(guò)魚(yú)要求，需調(diào)整魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口布置。

5 魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口布置方案調(diào)整與試驗(yàn)驗(yàn)證

為改善魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口水流流態(tài)，對(duì)原方案的魚(yú)道軸線和進(jìn)魚(yú)口形式進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整魚(yú)道軸線線型，將3～5號(hào)進(jìn)魚(yú)口之間軸線改為以半徑1 277 m的圓弧連接；將1～2號(hào)進(jìn)魚(yú)口之間軸線改為順?biāo)鞣较虻幕【€。進(jìn)魚(yú)口軸線調(diào)整為與魚(yú)道軸線呈45°夾角。為消除回流，在2號(hào)進(jìn)魚(yú)口向下游至4號(hào)進(jìn)魚(yú)口的左側(cè)區(qū)域開(kāi)挖寬度約20 m的導(dǎo)水渠道。為限制流速，在1號(hào)進(jìn)魚(yú)口上游增設(shè)整流設(shè)施，此整流設(shè)施同時(shí)可以起到攔魚(yú)的作用，本文將之命名為整流攔魚(yú)坎，其頂高程27.50 m。調(diào)整后的魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口布置如圖7所示。

圖7 調(diào)整后的魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口布置方案

根據(jù)本工程運(yùn)行調(diào)度情況，選取幾個(gè)特征流量進(jìn)行模型試驗(yàn)，詳見(jiàn)表3。

當(dāng)流量為1 590 m3/s時(shí)，整流攔魚(yú)坎附近幾乎為靜水，導(dǎo)水渠中流速為0.24～0.40 m/s，4號(hào)進(jìn)魚(yú)口斷面下游流速為0.22 m～0.35 m/s，水流條件滿足過(guò)魚(yú)要求。

當(dāng)流量為3 080 m3/s時(shí)，右岸水流經(jīng)過(guò)整流攔魚(yú)坎后，在1號(hào)進(jìn)魚(yú)口下游形成約70 m長(zhǎng)的回流，部分水流在3～4號(hào)進(jìn)魚(yú)口中部進(jìn)入導(dǎo)水渠，水流平順；3號(hào)進(jìn)魚(yú)口下游有約24 m長(zhǎng)的靜水區(qū)，其下游流速為0.13～0.90 m/s，水流條件滿足過(guò)魚(yú)要求。

當(dāng)流量為5 050 m3/s時(shí)，整流攔魚(yú)坎將水流挑向魚(yú)道左側(cè)，整流攔魚(yú)坎右側(cè)的水流流速相對(duì)未整流前減小了0.60～0.80 m/s，2號(hào)進(jìn)魚(yú)口附近流速為0.20～0.50 m/s，5號(hào)進(jìn)魚(yú)口與下游側(cè)之間的最大流速為0.90 m/s，水流條件滿足過(guò)魚(yú)要求。

當(dāng)流量為7 330 m3/s時(shí)，整流攔魚(yú)坎將水流挑離魚(yú)道，使此部分水流流線基本平行于魚(yú)道軸線；5號(hào)進(jìn)魚(yú)口附近最大流速為1.05 m/s，其余流速多為0.50～1.00 m/s；整流后的水流流速相對(duì)未整流前平均減小了0.6 m/s，水流條件滿足過(guò)魚(yú)要求。

當(dāng)流量為10 100 m3/s時(shí)，5號(hào)進(jìn)魚(yú)口附近最大流速為1.05 m/s，其余流速多為0.92～1.03 m/s；1號(hào)進(jìn)魚(yú)口附近最大流速為1.44 m/s，其余流速多為0.85～1.10 m/s，水流條件基本滿足過(guò)魚(yú)要求。

以上部分試驗(yàn)結(jié)果如圖8～圖10所示。

圖8 調(diào)整后的布置方案魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口流速圖(流量1 590 m3/s)

圖9 調(diào)整后的布置方案魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口流速圖(流量3 080 m3/s)

圖10 調(diào)整后的布置方案魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口流速圖(流量7 330 m3/s)

綜上，調(diào)整后的魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口水流條件滿足過(guò)魚(yú)要求。

6 結(jié) 論

本文通過(guò)水力學(xué)模型試驗(yàn)方式，以1∶80比尺建立魚(yú)道模型，并對(duì)魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口附近區(qū)域流場(chǎng)和流態(tài)進(jìn)行觀測(cè)研究。

通過(guò)對(duì)原布置方案各工況進(jìn)行試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，進(jìn)魚(yú)口左側(cè)有一定范圍的回流區(qū)，當(dāng)流量為700～3 080 m3/s時(shí)尤為明顯，水流條件不滿足過(guò)魚(yú)要求。

在經(jīng)過(guò)改變魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口段軸線和魚(yú)道上下游設(shè)整流建筑物等一系列措施后，發(fā)現(xiàn)將魚(yú)道軸線布置

為“S”形時(shí)，各進(jìn)魚(yú)口及附近區(qū)域流態(tài)較為理想，進(jìn)魚(yú)口區(qū)域無(wú)回流流態(tài)；在魚(yú)道1號(hào)進(jìn)魚(yú)口上游設(shè)立整流攔魚(yú)坎能夠有效控制大流量時(shí)1號(hào)和2號(hào)進(jìn)魚(yú)口流速；在魚(yú)道左側(cè)開(kāi)挖平臺(tái)和設(shè)導(dǎo)水渠能夠解決3～5號(hào)進(jìn)魚(yú)口流速較小的問(wèn)題。最終，調(diào)整后的魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口水流條件滿足過(guò)魚(yú)要求。