訾 娟，何曉萌，李桂青，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 300202）

1 工程概況

某工程壩下集魚系統(tǒng)布置在消力池擋墻末端河道束窄處，主要由誘魚進口段、魚道式進口段、集魚通道、集魚池、集魚斗等組成。集魚通道采用敞開式通道，通道中不設(shè)置擋板，長約10 m，寬2 m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，邊墻混凝土厚1.5 m，底高程為843.60 m。集魚系統(tǒng)進口采用一股流速較高的水流吸引魚類，魚類經(jīng)進魚口進入集魚通道后，通過拖拽格柵將魚類引導至集魚池中，集魚池底部的提升裝置提升魚類和水，將魚集中在集魚斗中，通過專用吊具將集魚斗提出集魚池。在進魚口后設(shè)置防逃裝置，防逃裝置和進魚口均采用不銹鋼網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以防止魚類逃脫。集魚系統(tǒng)體型，如圖1所示。

圖1 集魚系統(tǒng)剖面（單位：m）

2 研究方法和技術(shù)路線

研究通過采用數(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。建立集魚系統(tǒng)三維紊流數(shù)學模型，對集魚系統(tǒng)及下游河道流場進行分析，在此基礎(chǔ)上開展集魚系統(tǒng)整體物理模型試驗，對集魚系統(tǒng)內(nèi)水力特性進行研究。數(shù)值模擬計算和物理模型試驗工況一致，詳見表1。

表1 數(shù)值模擬計算和物理模型試驗工況

2.1 數(shù)學模型

本次數(shù)值模擬計算區(qū)域主要包括電站尾水、集魚系統(tǒng)以及下游河道。計算區(qū)域首先采用大小為0.2 m的網(wǎng)格進行劃分，在集魚系統(tǒng)位置對網(wǎng)格局部加密，網(wǎng)格大小為0.1 m，網(wǎng)格劃分采用笛卡兒正交結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，由于集魚流量較小，水位較低，因此網(wǎng)格最大高程設(shè)為846 m，有效網(wǎng)格總數(shù)約385萬個，計算模型與網(wǎng)格劃分如圖2所示。計算模型在電站及生態(tài)基流出口位置設(shè)置上游進口邊界，進口邊界條件設(shè)為流速進口邊界，進口流速大小根據(jù)相應(yīng)工況的流量計算得出，在壩后樁號0+280位置設(shè)置下游出口邊界，出口邊界條件設(shè)為壓力邊界，水位高程為對應(yīng)工況的下游水位，固體邊界采用無滑移條件，液面為自由表面。計算初始時刻在計算區(qū)域設(shè)置初始水體，水體表面高程與下游水位對應(yīng)，以加快水流的穩(wěn)定，流體設(shè)置為不可壓縮流體。

圖2 計算模型與網(wǎng)格劃分

2.2 物理模型

根據(jù)試驗研究內(nèi)容及模型相似性，綜合試驗場地及供水條件，確定模型為正態(tài)模型，幾何比尺為10。水流運動主要作用力是重力，因此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。鳳山集魚系統(tǒng)整體模型包括電站及生態(tài)放水管出口、集魚系統(tǒng)、消力池邊墻及下游河道（河道至壩下樁號0+250），上述模擬范圍足以消除模型邊界對庫區(qū)水流影響，保證模型的可靠性。下游水位控制點位于壩下樁號0+200。模型布置，如圖3所示。

圖3 模型布置示意

3 數(shù)值模擬計算結(jié)果

3.1 集魚通道流速分布

在集魚通道內(nèi)沿水流方向布置9個流速測量斷面，每個斷面布置3個流速測點，共布置27個流速測點，相鄰斷面間距2.0 m，同一斷面相鄰測點間距0.8 m。測點布置，如圖4所示。

各工況下，集魚通道內(nèi)流速分布較為均勻，流向順直，水流自集魚系統(tǒng)上游進口流入，經(jīng)圓孔隔板進入集魚通道，再由防逃籠和進魚口網(wǎng)格流出。在流量14.45 m3/s工況下，集魚通道內(nèi)流速大小分布在0.552～0.821 m/s，最小流速 0.552 m/s，最大流速0.821 m/s，平均流速0.693 m/s。集魚通道內(nèi)左、中、右3列測點流速沿程變化曲線，如圖5所示。由圖5可知，流速沿程變化不大，集魚通道內(nèi)中間流速大于左側(cè)和右側(cè)流速。

圖4 集魚通道流速測點分布（單位：m）

圖5 流量14.45 m3/s工況下集魚通道流速沿程分布（高程844.70 m）

3.2 進魚口及下游河道流速分布

在進魚口及下游河道沿水流方向布置6個流速測量斷面，共布置39個流速測點。測點布置，如圖6所示。

由于樁號0+146.26處過流寬度最小，15～21#測點流速較大。受集魚通道水流和通道外水流沖撞匯合影響，樁號0+138.13處右+3.0測點流速較小。流量14.45 m3/s工況下，樁號0+138.13、0+141.13、0+146.26斷面最大流速分別為 0.735、0.738、0.754 m/s。

樁號0+150.00、0+175.00、0+200.00各測點位置流速沿高程變化不大，由于水流自集魚平臺及其兩側(cè)向下游擴散，靠近左岸位置流速明顯大于右岸，水流沿左岸邊墻擴散，并在下游形成回流。流量14.45 m3/s工況 下，樁號 0+150.00、0+175.00、0+200.00斷面最大流速分別出現(xiàn)在25、31、38#測點，最大流速分別為0.692、0.669、0.617 m/s。

圖6 進魚口及下游河道流速測點分布

3.3 集魚系統(tǒng)及上下游河道水深分布

集魚系統(tǒng)及上下游河道的水面高程變化較小，在集魚系統(tǒng)以及下游河道回流中心位置水面略有降低，流量14.45 m3/s工況下集魚平臺內(nèi)水深在2.13～2.15 m波動。

4 物理模型試驗成果

4.1 集魚通道流速分布

各工況下集魚系統(tǒng)上游進水口水面平穩(wěn)，水流流態(tài)較好，水流進入集魚系統(tǒng)后斷面流速均勻分布。集魚通道至下游進魚口水流流線順直、流態(tài)較好，水面平穩(wěn)，流速橫向分布對稱均勻，無漩渦、回流等不利流態(tài)產(chǎn)生。流量14.45 m3/s工況下，集魚系統(tǒng)沿程流速分布如圖7所示，集魚通道內(nèi)各測點平均流速為0.517～0.602 m/s，各測點沿垂向表、中流速變化不大，均略大于底流速。

4.2 進魚口及下游河道

各工況下水流經(jīng)過集魚系統(tǒng)后與左側(cè)過水通道水流交匯沖撞，在進魚口左側(cè)邊墻下游側(cè)流速略小。樁號0+146.26斷面后水面擴寬，主流偏向左岸，流速沿程逐步降低；右側(cè)水流摻混擴散較快，水流分層現(xiàn)象明顯，流速顯著降低，有一個大范圍的靜水區(qū)。流量14.45 m3/s工況下，進魚口及下游河道沿程流速分布如圖8所示。6個測流斷面（樁號0+138.13、0+141.13、0+146.26、0+150.00、0+175.00、0+200.00）的最大流速分別為 0.601、0.623、0.579、0.686、0.702、0.689 m/s。

圖7 流量14.45 m3/s工況下集魚通道沿程流速分布

圖8 流量14.45 m3/s工況下進魚口及下游河道沿程流速分布

5 結(jié)語

由數(shù)值模擬計算和物理模型試驗成果可知，各工況數(shù)模計算流速變化規(guī)律與物理模型實測值基本一致，但數(shù)值模擬計算流速值均略大于物理模型實測值，初步考慮存在差異的原因為數(shù)值計算邊界簡化模擬和物理模型試驗邊界控制不穩(wěn)定。數(shù)值模擬計算成果與整體物理模型試驗成果在水流流態(tài)、流速分布和集魚系統(tǒng)內(nèi)水流水位等方面基本一致，可作為設(shè)計參考依據(jù)。