果有雙,蘇 通,韓 超
(1.天津普澤工程咨詢有限責(zé)任公司,天津 300202;2.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,天津 300222;3.河北省水利水電勘測設(shè)計研究院,天津 300250)
某工程魚道緊臨左岸土石壩,布置于土石壩和溢流堰之間的擋墻上,由進(jìn)口水流調(diào)節(jié)池段、進(jìn)口閘室段、普通池室、休息池室和出口閘室段等組成。進(jìn)口水流調(diào)節(jié)池段長5.8 m,池寬由2.2 m漸變?yōu)?.0 m。進(jìn)口閘室段長2.6 m。魚道于土石壩右岸的重力式擋墻上部折返布置,共3 趟,長度分別為39.4、42 和53 m。出口閘室段長3 m,出口段魚道12 m。魚道全長157.8 m,槽身寬1.0 m,底坡1∶31,進(jìn)口底板高程1 062.30 m,出口高程1 066.4 m。
沿程設(shè)105 個普通池,池室長1.2 m、寬1.0 m。普通池之間設(shè)休息池,相鄰2 個休息池之間的普通池不超過15 個。共設(shè)6 個休息池,池室長2.4 m,轉(zhuǎn)彎段適當(dāng)加大,無底坡,寬度為1.0 m。魚道進(jìn)口設(shè)一梯形水流調(diào)節(jié)池,以改善進(jìn)口水流流速,池室長5.00 m、高2.70 m,底高程1 062.30 m,墻頂高程1 065.00 m。調(diào)節(jié)池后設(shè)閘門,以螺桿啟閉機(jī)啟閉。底部設(shè)有管徑70 cm 的生態(tài)放水管,出口設(shè)閥門和2 個支管。溢流堰位于魚道右側(cè),長13 m,垂直河道布置,堰面為WES 曲線。堰頂高程1 067.50 m,堰高6.8 m,下游坡度1∶1。采用底流消能方式,壩后接消力池,池室長10 m、深0.8 m,末端接海漫和防沖槽。海漫長20 m,末端設(shè)混凝土防沖齒墻,后接防沖槽。
河道魚類共2 種,為新疆重裸唇魚和斯氏高原鰍。前者為新疆自治區(qū)Ⅰ級保護(hù)魚類,體長0.10~0.15 m,克流速度0.8~1.2 m/s,主要過魚季節(jié)為4—7月,發(fā)生洪水時不考慮過魚。
根據(jù)魚類特性及樞紐總體布置,魚道型式采用豎縫式隔板型式。該型式適用于多種洄游性魚類,且消能較充分,能適應(yīng)上下游較大的水位變幅。魚道上、下游運(yùn)行水位與下泄流量有關(guān),考慮生態(tài)流量1.32 m3/s 和魚道流量0.185 m3/s,初步確定運(yùn)行水位如下:進(jìn)口運(yùn)行水位:過魚季節(jié)多年平均低水位1 063.30 m,變幅±0.3 m;出口運(yùn)行水位:閘前正常蓄水位1 067.4 m,變幅±0.2 m。
研究采用數(shù)值模擬計算分析與物理模型試驗相結(jié)合的綜合技術(shù)手段,建立魚道三維紊流數(shù)學(xué)模型,對魚道的坡度、隔板體型等進(jìn)行優(yōu)化,并開展魚道物理模型研究。
計算采用VOF(The Volume of Fluid)法,這是求解不可壓縮、黏性、瞬變和具有自由面流動的數(shù)值方法,適用于兩種或多種互不穿透流體間界面的跟蹤計算。對每一相引入體積分?jǐn)?shù)變量aq,通過求解每一控制單元內(nèi)體積分?jǐn)?shù)值確定相間界面。當(dāng)aq=0 時,控制單元內(nèi)無第q 相流體;aq=1 時,控制單元內(nèi)充滿第q 相流體;0<aq<1 時,控制單元包含相界面。在每個控制單元內(nèi)各相體積分?jǐn)?shù)之和等于1,即:
aq應(yīng)滿足以下方程:
計算中所有控制單元表面體積通量的計算采用隱式差分格式,即:
式中:n+1 為當(dāng)前時間步指示因子;n 為前一時間步指示因子;aq,f為單元表面第q 相體積分?jǐn)?shù)計算值;V為控制單元體積;Unf為控制單元表面體積通量。
模型求解采用有限差分法,離散格式采用二階迎風(fēng)格式,壓力—速度耦合采用壓力校正法,時間差分采用全隱格式。
魚道計算區(qū)域長度取20 m,含12 個池室,考慮到水深對流速、流態(tài)影響不大,計算水深取1.0 m。計算區(qū)域網(wǎng)格大小為0.04 m×0.04 m×0.04 m,網(wǎng)格劃分采用笛卡兒正交結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,有效網(wǎng)格總數(shù)約56.6萬,計算模型與網(wǎng)格劃分如圖1—2所示。
圖1 計算模型
圖2 網(wǎng)格劃分
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αl=αh=1。水流運(yùn)動主要作用力是重力,模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計,保持原型、模型佛汝德數(shù)相等。模型建筑物采用有機(jī)玻璃制作,便于安裝及觀測流態(tài),建筑物加工精度為±0.2 mm,滿足精度要求。局部模型選取魚道進(jìn)口10個池室,模型布置如圖3所示。
圖3 模型布置
通過魚道數(shù)值模擬計算分析,得出各測點的豎縫流速詳見表1。從表1可以看出,魚道豎縫處最大流速為1.08 m/s,平均流速為0.91 m/s。
表1 隔板過魚豎縫各測點流速m/s
池室內(nèi)流速流態(tài)矢量,如圖4—5所示。池室內(nèi)在主流區(qū)之外的池室兩側(cè),存在小范圍回流區(qū),無漩渦、水躍等產(chǎn)生,表底流態(tài)、流向基本一致。主流左側(cè)回流區(qū)明顯有利于魚類上溯過程中暫時休息,恢復(fù)體力。受邊壁影響,主流右側(cè)回流區(qū)不明顯,且范圍較小,伴有貼壁流產(chǎn)生,可能會對魚類上溯產(chǎn)生一定的影響。
圖4 池室內(nèi)流速流態(tài)矢量(表層)
圖5 池室內(nèi)流速流態(tài)矢量(底層)
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,對1#~9#隔板過魚豎縫的流速進(jìn)行了測量。在局部物理模型中,將測點布置在豎縫中線,從下到上設(shè)置5個測點,考慮到該處最大流速的重要性,采用旋漿流速儀對不同高程的最大流速進(jìn)行測量,測點平面和立面位置如圖6—7所示,結(jié)果詳見表2。
圖6 隔板過魚豎縫流速測點平面布置
圖7 隔板過魚縫流速測點立面布置(單位:cm)
魚道隔板豎縫最大流速0.99 m/s,沿水深平均流速0.88 m/s,小于設(shè)計方案中0.9 m/s的限制流速,滿足要求。2#~9#隔板豎縫沿程最大流速0.92~0.99 m/s,各隔板過魚豎縫流速平均值0.82~0.94 m/s,無明顯增大或減小現(xiàn)象,說明魚道底坡和過魚豎縫尺寸設(shè)計合理。
表2 隔板過魚豎縫各測點流速 m/s
為分析休息池室內(nèi)水流分布,測量了池室不同水深流場分布情況,測點位置如圖8所示。
圖8 池室流態(tài)測點布置(單位:cm)
池室流態(tài)分布,如圖9 所示??梢钥闯?,池室內(nèi)水流流向明確,主流順暢,無明顯扭曲,主流呈相對較緩“S”形流線,有利于目標(biāo)魚類上溯洄游。豎縫表面水流流向較為明確,無明顯水位跌落,出口附近流速約為0.67 m/s。主流經(jīng)過過魚孔后流向池室左側(cè),受下一隔板和導(dǎo)板影響,沿墩頭繞至過魚豎縫。在主流區(qū)外的池室兩側(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。主流左側(cè)回流區(qū)明顯,流速在0.15~0.22 m/s,有利于魚類上溯過程中暫時休息,恢復(fù)體力。由于受邊壁影響,主流右側(cè)回流區(qū)不明顯,且范圍較小,伴有貼壁流產(chǎn)生,可能會對魚類上溯產(chǎn)生一定影響。
圖9 池室流態(tài)分布(單位:m/s)
為避免貼壁流產(chǎn)生,在池寬一定條件下,對隔板體型、角度、縫寬等進(jìn)行優(yōu)化,最終確定基本維持原體型不變,導(dǎo)板加長至30 cm,隔板相應(yīng)縮短,豎縫寬度不變,如圖10所示。
圖10 豎縫隔板優(yōu)化后的尺寸(單位:cm)
對優(yōu)化后數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),在主流區(qū)之外的池室兩側(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。主流左側(cè)回流區(qū)明顯,有利于魚類上溯過程中暫時休息,恢復(fù)體力。主流右側(cè)有一小回流區(qū),貼壁現(xiàn)象較之前明顯改善。
對優(yōu)化后物理模型試驗成果分析發(fā)現(xiàn),優(yōu)化方案魚道池室內(nèi)水流流向明確,主流順暢,無明顯扭曲,呈相對較緩“S”形流線,有利于目標(biāo)魚類上溯洄游。豎縫表面水流流向較為明確,無明顯水位跌落,出口附近流速約0.85 m/s。主流經(jīng)過過魚孔后流向池室左側(cè),受下一隔板和導(dǎo)板影響,沿墩頭繞至過魚豎縫。在主流區(qū)之外的池室兩側(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。主流左側(cè)回流區(qū)較大,流速0.19~0.23 m/s,有利于魚類上溯過程中暫時休息,恢復(fù)體力。主流右側(cè)回流區(qū)較小,流速0.21~0.29 m/s,同樣給魚類提供短暫的休息區(qū)。優(yōu)化方案較原方案流態(tài)有較大改善,更有利于魚類上溯。
(1)某工程魚道局部模型試驗主要采用數(shù)學(xué)模型與物理模型試驗相結(jié)合的技術(shù)手段。首先利用數(shù)模對隔板、導(dǎo)板等細(xì)部進(jìn)行優(yōu)化,再利用物模試驗進(jìn)一步優(yōu)化確定魚道的結(jié)構(gòu)及參數(shù)。
(2)利用大比尺物模試驗對隔板豎縫的流速進(jìn)行了測量,隔板豎縫沿程最大流速0.92~0.99 m/s,各隔板豎縫平均流速0.82~0.94 m/s,無明顯增大或減小現(xiàn)象。
(3)利用物模試驗對池室的水力要素進(jìn)行了觀測,池室內(nèi)水流流向明確,主流順暢,無明顯扭曲,主流在池室內(nèi)呈相對較緩“S”形流線,有利于目標(biāo)魚類沿主流上溯洄游。
(4)通過物理模型和數(shù)模計算,均發(fā)現(xiàn)池室主流右側(cè)回流區(qū)不明顯且范圍較小,伴有貼壁流產(chǎn)生,可能會對魚類上溯產(chǎn)生一定影響。
(5)在池寬一定的條件下,對隔板的體型、角度、縫寬等進(jìn)行優(yōu)化,確定基本維持原體型,導(dǎo)板加長至30 cm,長隔板相應(yīng)縮短,豎縫寬度不變。通過優(yōu)化,池室內(nèi)流態(tài)有所改善,右側(cè)貼壁流消除,主流左右均有回流區(qū),有利于魚類上溯過程中暫時休息,恢復(fù)體力。