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        某工程豎縫式魚道體型優(yōu)化試驗研究

        2020-03-09 07:19:20鄭慧洋劉春鋒禹勝穎李傳夫
        水利水電工程設(shè)計 2020年4期
        關(guān)鍵詞:豎縫魚道流態(tài)

        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,魚道標準池室縱坡為2.5%,休息室縱坡度為1.0%,魚道凈寬取2.0 m,每級標準池長4.0 m,每隔10 個標準池室設(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研究確定池室參數(shù),驗證魚道體型設(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口轉(zhuǎn)折盤升段14 個池室,模擬范圍包括11 個標準池室、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。試驗過程中通過控制供水池流量和下游水位,使各標準池水頭差一致,水流穩(wěn)定后開始進行試驗觀測工作。

        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,試驗對3#~13#隔板過魚豎縫的流速進行了測量,每個隔板豎縫從下到上分別測量6 個測點位置。通過試驗測試,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(處于非標準池和休息池之間),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

        標準池室內(nèi)流速分布及流態(tài)如圖2 所示,魚道標準池室內(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)試驗觀測,魚道轉(zhuǎn)彎休息池室內(nèi)水流較標準池室平穩(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 標準池室內(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)計方案魚道標準池室縱坡為2.5%,魚道凈寬為2.0 m,每級標準池長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等問題,容易造成目標魚類洄游困難和身體傷害。由于標準池室縱坡基本合理,在保證魚道水力指標不變的情況下,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準池(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)對兩個非標準池室做調(diào)整,體型尺寸與標準池室一致,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)休息池室外所有標準池室尺寸一致,標準池長修改為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

        標準池室內(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)象顯著改善標準池室內(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,又有利于目標魚類沿主流持續(xù)上溯洄游。

        圖6 標準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)計方案標準池室的長寬比偏大,池室內(nèi)主流貼壁且豎縫流速超過控制標準,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,標準池內(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。

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