魏炳乾，黃 磊，袁海石，李林博，荊海曉

(1. 西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048；2. 國(guó)電電力青海萬(wàn)立水電開(kāi)發(fā)有限公司，青海 西寧 810007；3. 陜西水環(huán)境工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710018)

魚(yú)道是幫助洄游性魚(yú)類(lèi)越過(guò)閘、壩或天然障礙物的一種過(guò)魚(yú)設(shè)施[1]。設(shè)計(jì)合理的魚(yú)道能讓魚(yú)類(lèi)快速發(fā)現(xiàn)并迅速通過(guò)，避免魚(yú)類(lèi)在進(jìn)口或魚(yú)道內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間滯留而延誤洄游[2- 4]。目前修建的魚(yú)道主要有結(jié)構(gòu)型魚(yú)道和仿自然魚(yú)道兩類(lèi)。結(jié)構(gòu)型魚(yú)道主要采用混凝土等硬性材料制作，結(jié)構(gòu)單一，針對(duì)特定種類(lèi)的洄游魚(yú)類(lèi)，過(guò)魚(yú)效果較為理想；仿自然魚(yú)道利用自然地形、卵石等模擬天然河流，與結(jié)構(gòu)型魚(yú)道相比，其水流形態(tài)更為魚(yú)類(lèi)熟悉，具有更廣的過(guò)魚(yú)范圍和更高的過(guò)魚(yú)效率[5- 6]。

關(guān)于兩種類(lèi)型的魚(yú)道，國(guó)內(nèi)外研究者都做了較多探索，Komura等[7]研究了障礙物位置的改變對(duì)魚(yú)道水流流態(tài)的影響；Bombac等[8]借助PCFLOW 2D模型探討了垂直豎縫魚(yú)道內(nèi)水位、流量、縫寬等不同因素對(duì)水流流態(tài)的影響；Tran等[9]利用二維淺水方程計(jì)算了具有各種淹沒(méi)阻水設(shè)施的仿自然通道內(nèi)的水力學(xué)特性，認(rèn)為二維計(jì)算可以為仿自然魚(yú)道的建設(shè)提供更加精細(xì)的計(jì)算結(jié)果，可用于魚(yú)道的設(shè)計(jì)；劉志雄等[10]分析討論了不同豎縫寬度及池室長(zhǎng)度下的流速分布及流速衰減情況，對(duì)不同工況下水流流態(tài)進(jìn)行了分析；劉本芹等[11]研究了豎縫式魚(yú)道池室長(zhǎng)寬比小于1.0時(shí)的隔板布置及水力特性，提出了減小隔板前局部水位壅高及提高豎縫流速沿程均勻性的設(shè)計(jì)原則；何雨艨等[12]對(duì)比研究了對(duì)縫排列和錯(cuò)縫排列兩種類(lèi)型的蠻石斜坡型仿自然魚(yú)道，結(jié)果表明對(duì)縫排列比錯(cuò)縫排列具有更加合理的魚(yú)道水力學(xué)特性；林寧亞等[13]結(jié)合工程實(shí)際研究了交錯(cuò)蠻石墻式仿自然魚(yú)道的水力特性，為仿自然魚(yú)道實(shí)際工程應(yīng)用提供了參考。

受地形條件限制，常需要將仿自然魚(yú)道和結(jié)構(gòu)型魚(yú)道相結(jié)合來(lái)布置過(guò)魚(yú)設(shè)施。但是目前關(guān)于魚(yú)道的研究主要集中在對(duì)單一底坡條件下魚(yú)道池室水流結(jié)構(gòu)的研究上，對(duì)于底坡發(fā)生變化且斷面存在突變的不同型式魚(yú)道相銜接時(shí)魚(yú)道水流特性的研究相對(duì)缺乏，如何針對(duì)不同形式魚(yú)道的銜接段進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以改善魚(yú)道內(nèi)水流在該段的流態(tài)、流速及池室消能率等，尚未見(jiàn)有相關(guān)研究報(bào)道，也未形成針對(duì)相應(yīng)實(shí)際工程的指導(dǎo)意見(jiàn)。結(jié)合青海省地盤(pán)子魚(yú)道，本文采用整體物理模型試驗(yàn)對(duì)初步設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化方案中的水位、流速、流態(tài)等水流條件進(jìn)行研究，論證了設(shè)計(jì)方案的合理性及優(yōu)化方案的優(yōu)化效果，以期為類(lèi)似工程提供借鑒參考。

1 工程概況

地盤(pán)子水電站是位于青海省祁連縣扎馬什鄉(xiāng)的一座引水式電站，庫(kù)區(qū)河道內(nèi)魚(yú)類(lèi)資源豐富，并分布有青海省省級(jí)保護(hù)魚(yú)類(lèi)祁連裸鯉。根據(jù)規(guī)劃，地盤(pán)子水電站下游擬建黃藏寺水利樞紐，考慮到該水利樞紐的建成將可能造成河道連通性的進(jìn)一步破壞，擬建魚(yú)道以保護(hù)地盤(pán)子電站庫(kù)區(qū)及黃藏寺庫(kù)區(qū)的漁業(yè)資源，滿足魚(yú)類(lèi)的越冬、育肥以及洄游繁殖要求。地盤(pán)子魚(yú)道整體示意見(jiàn)圖1。

圖1 地盤(pán)子魚(yú)道整體示意

初步設(shè)計(jì)的魚(yú)道上游為垂直豎縫式結(jié)構(gòu)段(以下簡(jiǎn)稱結(jié)構(gòu)段)，長(zhǎng)184.00 m，包含51個(gè)池室以及4個(gè)平底休息池，其平面布置如圖2(a)所示；池室底部鋪設(shè)0.2 m厚礫石，底坡1/53.57，相鄰池間落差0.056 m，總落差2.860 m；魚(yú)道下游為交錯(cuò)石塊式仿自然段，總長(zhǎng)644.81 m(中心線展開(kāi)長(zhǎng)度)，設(shè)置64個(gè)池室，池室采用如圖2(b)所示的梯形斷面；池室底部鋪設(shè)0.5 m厚礫石；池室底坡1/128.57，相鄰池間落差0.070 m，總落差4.410 m，仿自然通道內(nèi)水頭每提升1 m設(shè)一平底休息池，休息池長(zhǎng)12 m，寬10 m。垂直豎縫式魚(yú)道和仿自然通道由5#休息池連接，長(zhǎng)18 m，寬10 m。魚(yú)道上游出口水位2 682.00 m，設(shè)計(jì)運(yùn)行水深2.20 m，下游進(jìn)口水位2 673.50 m，設(shè)計(jì)水深1.00 m；魚(yú)道設(shè)計(jì)過(guò)流流量為0.67 m3/s。由于尚無(wú)魚(yú)道目標(biāo)魚(yú)種祁連裸鯉游泳能力的研究資料，其游泳能力參考與其生活在同一區(qū)域的、在生活習(xí)性和體型上都接近的拉薩裸裂尻魚(yú)的試驗(yàn)結(jié)果。由于設(shè)計(jì)水頭較低，過(guò)魚(yú)設(shè)施設(shè)計(jì)流速取1.00 m/s，祁連裸鯉突進(jìn)流速取1.20 m/s，考慮到鯉魚(yú)科魚(yú)類(lèi)的游泳能力[14- 15]，魚(yú)道整體流速控制在0.20～1.20 m/s。

圖2 魚(yú)道結(jié)構(gòu)段平面布置及仿自然段典型斷面(單位：mm)

2 物理模型試驗(yàn)

試驗(yàn)測(cè)定了57個(gè)結(jié)構(gòu)段豎縫和68個(gè)仿自然段隔板溢流槽的水流運(yùn)動(dòng)要素。魚(yú)道沿程各池室水深和水面線采用水位測(cè)針測(cè)定，測(cè)量精度為±0.1 mm，由于溢流槽實(shí)際寬度較大，故測(cè)定每個(gè)溢流槽水面線時(shí)，選取溢流槽進(jìn)、出口的左、中、右共計(jì)6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。魚(yú)道溢流槽中心處流速采用旋槳流速儀測(cè)量，測(cè)量時(shí)旋槳流速儀測(cè)針每提升15 mm測(cè)1次數(shù)據(jù)，每次測(cè)量3組數(shù)據(jù)，取平均值作為最終流速值。

3 設(shè)計(jì)方案中的魚(yú)道水流結(jié)構(gòu)

3.1 設(shè)計(jì)方案的流速與水面線

模型試驗(yàn)結(jié)果表明，由于設(shè)計(jì)方案中結(jié)構(gòu)段魚(yú)道和仿自然段魚(yú)道底坡差異較大，魚(yú)道各豎縫和溢流槽平均流速以5#休息池為界呈現(xiàn)明顯的分段特點(diǎn)，如圖3(a)所示。由于5#休息池上游結(jié)構(gòu)段斷面形態(tài)規(guī)則，故從魚(yú)道進(jìn)水口開(kāi)始，斷面平均流速沿程緩慢增大。S52斷面以上各斷面，豎縫平均流速為0.83～0.93 m/s；S52斷面以下各斷面，豎縫處平均流速均大于1.00 m/s，且沿程增長(zhǎng)較快，直至結(jié)構(gòu)段最末端斷面，其平均流速達(dá)到了1.25 m/s，超過(guò)了目標(biāo)魚(yú)種的突進(jìn)流速。

圖3 設(shè)計(jì)方案魚(yú)道流速及水面線沿程變化

仿自然段上游部分?jǐn)嗝嫫骄魉俪^(guò)1.00 m/s。這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)段水流進(jìn)入5#休息池時(shí)流速偏大，進(jìn)而對(duì)與5#休息池相連接的下游溢流槽的斷面平均流速產(chǎn)生了一定影響，導(dǎo)致斷面平均流速超過(guò)設(shè)計(jì)值，但均小于1.20 m/s的突進(jìn)流速。隨著流態(tài)的沿程調(diào)整，仿自然魚(yú)道內(nèi)流速分布趨于平穩(wěn)，F(xiàn)48斷面上游各溢流槽的斷面平均流速均小于設(shè)計(jì)流速。從F48斷面開(kāi)始，仿自然段內(nèi)各溢流槽平均流速開(kāi)始超過(guò)設(shè)計(jì)值并緩慢增加，至1#休息池下游，各溢流槽斷面平均流速增速加快，這是由于在魚(yú)道進(jìn)口附近，水深迅速趨近進(jìn)口水深，而1#休息池和魚(yú)道進(jìn)口水位相差較大，導(dǎo)致槽內(nèi)水深沿程減少較快，以致魚(yú)道進(jìn)口斷面的平均流速達(dá)到了1.41 m/s。

設(shè)計(jì)方案中魚(yú)道的水面線沿程變化如圖3(b)所示。由于仿自然段溢流槽具有一定寬度且水面在槽內(nèi)存在比降和波動(dòng)，故溢流槽中心處的水面高程取溢流槽前后測(cè)點(diǎn)水面高程的平均值。由圖3(b)可知，水面線整體呈下降趨勢(shì)，在結(jié)構(gòu)段末端和仿自然段魚(yú)道進(jìn)口處，水面線出現(xiàn)明顯跌落，這與該區(qū)域流速增長(zhǎng)較快是對(duì)應(yīng)的。

3.2 設(shè)計(jì)方案的池室消能率

池室消能率反映魚(yú)道池室內(nèi)單位水體平均消耗的水流功率，通常將之作為考察豎縫式魚(yú)道過(guò)魚(yú)能力的指標(biāo)。池室消能率過(guò)大或過(guò)小都不利于過(guò)魚(yú)。Larinier等[16]的研究指出，豎縫式魚(yú)道各級(jí)池室的消能率不宜超過(guò)150 W/m3，文獻(xiàn)[17]要求鯉科魚(yú)類(lèi)的最大允許消能率為80 W/m3。池室消能率[E]按下式計(jì)算：

式中：V為池室水體體積(m3)；Q為流量(m3/s)；ρ為水密度(kg/m3)；g為重力加速度(m/s2)，Δh為相鄰池室水位差(m)。

圖4為魚(yú)道結(jié)構(gòu)段各級(jí)池室消能率沿程變化。由圖4可知，S53斷面的上游各池室的消能率小于80 W/m3；S53斷面下游各池室消能率均超過(guò)了設(shè)計(jì)允許值，且增長(zhǎng)較快，至結(jié)構(gòu)段最末端斷面，消能率增大至155.6 W/m3，不能滿足過(guò)魚(yú)要求。S53斷面下游各池室消能率變化規(guī)律與圖3(a)中豎縫平均流速沿程變化規(guī)律相似，這是因?yàn)樵摱纬厥腋舭迩昂笏幌嗖钶^大，且在結(jié)構(gòu)段末端水位迅速趨近于5#休息池進(jìn)口水位過(guò)程中，該差值亦沿程迅速增大，從而導(dǎo)致S53斷面下游豎縫平均流速以及池室消能率均迅速超過(guò)了設(shè)計(jì)允許值。

圖4 結(jié)構(gòu)段豎縫沿程各級(jí)池室消能率

3.3 設(shè)計(jì)方案的魚(yú)道水流流態(tài)

設(shè)計(jì)方案的過(guò)魚(yú)設(shè)施各段水流流態(tài)平順。試驗(yàn)繪制了魚(yú)道沿程池室水流動(dòng)力軸線，圖5僅給出部分典型池室的水動(dòng)力軸線。由圖5可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)段魚(yú)道水動(dòng)力軸線平順；仿自然段各池室盡管結(jié)構(gòu)不同，但主流明確。魚(yú)道沿程各池室和休息池內(nèi)均存在低流速回流區(qū)，為洄游魚(yú)類(lèi)提供了休憩場(chǎng)所。進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)魚(yú)道各斷面的弗勞德數(shù)均小于1，表明整個(gè)魚(yú)道內(nèi)部水流均為緩流。

圖5 典型池室水動(dòng)力軸線

模型試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方案的過(guò)魚(yú)設(shè)施各部分水流流態(tài)良好，各豎縫或溢流槽平均流速整體上滿足過(guò)魚(yú)要求。但在結(jié)構(gòu)段末端(S52—S57)豎縫和仿自然段末端(F63—F68)溢流槽的平均流速受其下游邊界影響而偏大；結(jié)構(gòu)段與5#休息池銜接處上游部分池室水面線存在較大跌落，池室消能率超過(guò)設(shè)計(jì)允許值，故需要對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，以滿足目標(biāo)魚(yú)類(lèi)的過(guò)魚(yú)要求。

4 優(yōu)化方案的魚(yú)道水流結(jié)構(gòu)

4.1 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

擬定優(yōu)化方案時(shí)采用對(duì)比試驗(yàn)對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)利用計(jì)算機(jī)仿真模擬分析了局部結(jié)構(gòu)改變對(duì)魚(yú)道整體水流結(jié)構(gòu)的影響。對(duì)比試驗(yàn)和模擬結(jié)果表明：① 結(jié)構(gòu)段末端S52—S57豎縫斷面平均流速、消能率等水力參數(shù)隨隔板導(dǎo)角的增大而增大，導(dǎo)角維持45°為宜；豎縫寬度增大至50 cm時(shí)(原為40 cm)，各水力參數(shù)明顯改善，繼續(xù)增大豎縫寬度會(huì)導(dǎo)致S47—S52斷面各水力參數(shù)增大；② 降低仿自然段溢流槽底鋪石厚度對(duì)減小槽內(nèi)流速有明顯作用，這是由于溢流槽底部鋪石厚度降低后，溢流槽前后水位幾乎無(wú)變化，但水流流經(jīng)溢流槽時(shí)過(guò)流面積相應(yīng)增大所致。

最終確定的優(yōu)化方案為：① 直道段底部鋪石厚度不變，其下游部分?jǐn)嗝娴呢Q縫寬度增至50 cm(模型上為50 mm)，去掉結(jié)構(gòu)段S57斷面的隔墩，同時(shí)直道段最末端增加1個(gè)簡(jiǎn)易隔板S57′，修改簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖6；② 仿自然段各池室底部鋪石厚度不變，1#至5#休息池之間，溢流槽底部鋪石厚度減小至10 cm((圖7(a)模型上為10 mm)；1#休息池進(jìn)口至魚(yú)道進(jìn)口斷面(含溢流槽)底部鋪石40 cm(圖7(b)模型上為40 mm)；1#休息池底部鋪石厚度維持50 cm不變(模型上為50 mm)，與進(jìn)出口溢流槽底部鋪石采用1∶1坡比進(jìn)行過(guò)渡；③ 魚(yú)道進(jìn)口水深調(diào)整為1.3 m(原為1.0 m)。

圖6 結(jié)構(gòu)段優(yōu)化方案(單位：mm)

圖7 優(yōu)化方案典型斷面橫剖面示意(單位：mm)

4.2 優(yōu)化方案實(shí)測(cè)流速與水面線結(jié)果分析

圖8為優(yōu)化方案魚(yú)道流速沿程變化?？梢钥闯?結(jié)構(gòu)段各豎縫斷面平均流速在1.00 m/s附近波動(dòng)，最大斷面平均流速為1.17 m/s，調(diào)整后結(jié)構(gòu)段末端S52—S57′斷面，由于豎縫寬度增大，豎縫平均流速明顯低于設(shè)計(jì)方案, S52上游部分豎縫斷面平均流速略有提高，這是由于S52斷面下游豎縫寬度增大，結(jié)構(gòu)段末端隔板壅水能力減弱，進(jìn)而引起S52上游部分豎縫水深減小所致,但均小于祁連裸鯉的突進(jìn)流速1.20 m/s。

圖8 優(yōu)化方案斷面平均流速Fig.8 Mean velocity of transverse cross- section of optimization scheme

仿自然段各溢流槽平均流速均小于魚(yú)道設(shè)計(jì)流速。1#休息池上游各溢流槽底部鋪石厚度減至10 mm，各溢流槽平均流速均有所降低；在1#休息池下游，魚(yú)道進(jìn)口水面抬高，使得進(jìn)口附近溢流槽斷面平均流速大幅減小，其中魚(yú)道進(jìn)口斷面(F68)流速由1.41 m/s降至0.742 m/s，降幅達(dá)52%。

優(yōu)化方案中結(jié)構(gòu)段末端S52至S57′豎縫及仿自然段1#休息池下游各溢流槽水面高程沿程變化如圖9所示。結(jié)構(gòu)段S52—S57′豎縫處水面高程(圖9(a))較設(shè)計(jì)方案有所降低且水面比降有所增大，這是由于優(yōu)化方案中流量不變而該段豎縫寬度增大所致；魚(yú)道進(jìn)口水位抬升后，仿自然段1#休息池下游各溢流槽水面高程明顯增加(圖9(b))。另外,魚(yú)道進(jìn)口水位抬升至1.3 m 時(shí)，其回水上溯至F48斷面附近，回水范圍內(nèi)各溢流槽平均流速均有降低，且相鄰溢流槽內(nèi)流速變化更小，這對(duì)過(guò)魚(yú)有利。

圖9 優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)段末端及仿自然段1#休息池下游水面線

4.3 優(yōu)化方案的池室消能率結(jié)果與分析

圖10 結(jié)構(gòu)段末端池室消能率Fig.10 Energy dissipation rate of adjacent fishway pool of structural section end

優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)段S47斷面下游各池室消能率沿程變化如圖10所示。由圖10可知，結(jié)構(gòu)段末端結(jié)構(gòu)調(diào)整后，S53—S57斷面之間的池室消能率較設(shè)計(jì)方案明顯減小，其中結(jié)構(gòu)段最末端斷面的池室消能率減小至設(shè)計(jì)方案的50%。

S47—S52斷面之間池室消能率略有提高，這是由于S52下游隔板豎縫寬度增大，導(dǎo)致S47—S52上游隔板前后水位差增大引起的，但均未超過(guò)消能率允許值，能滿足目標(biāo)魚(yú)種的洄游要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)地盤(pán)子魚(yú)道工程，基于設(shè)計(jì)方案與優(yōu)化方案分別建立了1∶10的整體物理模型，對(duì)兩種方案的魚(yú)道水流特性進(jìn)行了對(duì)比研究，得出了以下主要結(jié)論：

(1) 豎縫式和仿自然式相結(jié)合的魚(yú)道內(nèi)水流流態(tài)良好，結(jié)構(gòu)段和仿自然段分段采用較大底坡比(3∶1)進(jìn)行銜接對(duì)銜接段水流流態(tài)并無(wú)不利影響。

(2) 過(guò)魚(yú)設(shè)施內(nèi)各溢流槽和豎縫平均流速基本保持在0.70～1.20 m/s，大流速區(qū)主要分布在銜接段及魚(yú)道進(jìn)口附近。

(3) 相比于設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化方案中過(guò)魚(yú)設(shè)施結(jié)構(gòu)段末端部分豎縫寬度增大25%，池室消能率最大降低50%；仿自然魚(yú)道段進(jìn)口處水深由1.0 m增至1.3 m，F(xiàn)63—F68斷面流速最大降低52%，同時(shí)回水上溯至F48斷面附近，有效保障了過(guò)魚(yú)條件。