果有雙，蘇 通，韓 超

（1.天津普澤工程咨詢有限責任公司，天津 300202；2.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222；3.河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

1 工程概況

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，由進口水流調節(jié)池段、進口閘室段、普通池室、休息池室和出口閘室段等組成。進口水流調節(jié)池段長5.8 m，池寬由2.2 m漸變?yōu)?.0 m。進口閘室段長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，進口底板高程1 062.30 m，出口高程1 066.4 m。

沿程設105 個普通池，池室長1.2 m、寬1.0 m。普通池之間設休息池，相鄰2 個休息池之間的普通池不超過15 個。共設6 個休息池，池室長2.4 m，轉彎段適當加大，無底坡，寬度為1.0 m。魚道進口設一梯形水流調節(jié)池，以改善進口水流流速，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。調節(jié)池后設閘門，以螺桿啟閉機啟閉。底部設有管徑70 cm 的生態(tài)放水管，出口設閥門和2 個支管。溢流堰位于魚道右側，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，能適應上下游較大的水位變幅。魚道上、下游運行水位與下泄流量有關，考慮生態(tài)流量1.32 m3/s 和魚道流量0.185 m3/s，初步確定運行水位如下：進口運行水位：過魚季節(jié)多年平均低水位1 063.30 m，變幅±0.3 m；出口運行水位：閘前正常蓄水位1 067.4 m，變幅±0.2 m。

2 研究方法和技術線路

研究采用數(shù)值模擬計算分析與物理模型試驗相結合的綜合技術手段，建立魚道三維紊流數(shù)學模型，對魚道的坡度、隔板體型等進行優(yōu)化，并開展魚道物理模型研究。

2.1 數(shù)學模型

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數(shù)變量aq，通過求解每一控制單元內體積分數(shù)值確定相間界面。當aq=0 時，控制單元內無第q 相流體；aq=1 時，控制單元內充滿第q 相流體；0＜aq＜1 時，控制單元包含相界面。在每個控制單元內各相體積分數(shù)之和等于1，即：

aq應滿足以下方程：

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 相體積分數(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)域網格大小為0.04 m×0.04 m×0.04 m，網格劃分采用笛卡兒正交結構網格，有效網格總數(shù)約56.6萬，計算模型與網格劃分如圖1—2所示。

圖1 計算模型

圖2 網格劃分

2.2 物理模型試驗

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。水流運動主要作用力是重力，模型按重力相似準則設計，保持原型、模型佛汝德數(shù)相等。模型建筑物采用有機玻璃制作，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口10個池室，模型布置如圖3所示。

圖3 模型布置

3 數(shù)模成果分析

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

池室內流速流態(tài)矢量，如圖4—5所示。池室內在主流區(qū)之外的池室兩側，存在小范圍回流區(qū)，無漩渦、水躍等產生，表底流態(tài)、流向基本一致。主流左側回流區(qū)明顯有利于魚類上溯過程中暫時休息，恢復體力。受邊壁影響，主流右側回流區(qū)不明顯，且范圍較小，伴有貼壁流產生，可能會對魚類上溯產生一定的影響。

圖4 池室內流速流態(tài)矢量（表層）

圖5 池室內流速流態(tài)矢量（底層）

4 物理模型成果分析

池室隔板豎縫的流速直接關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行測量，測點平面和立面位置如圖6—7所示，結果詳見表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?？梢钥闯觯厥覂人髁飨蛎鞔_，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。主流經過過魚孔后流向池室左側，受下一隔板和導板影響，沿墩頭繞至過魚豎縫。在主流區(qū)外的池室兩側，存在小范圍回流區(qū)，無漩渦、水躍等流態(tài)產生，表底流態(tài)、流向基本一致。主流左側回流區(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，恢復體力。由于受邊壁影響，主流右側回流區(qū)不明顯，且范圍較小，伴有貼壁流產生，可能會對魚類上溯產生一定影響。

圖9 池室流態(tài)分布（單位：m/s）

5 優(yōu)化方案試驗成果

為避免貼壁流產生，在池寬一定條件下，對隔板體型、角度、縫寬等進行優(yōu)化，最終確定基本維持原體型不變，導板加長至30 cm，隔板相應縮短，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)學模型計算結果分析發(fā)現(xiàn)，在主流區(qū)之外的池室兩側，存在小范圍回流區(qū)，無漩渦、水躍等流態(tài)產生，表底流態(tài)、流向基本一致。主流左側回流區(qū)明顯，有利于魚類上溯過程中暫時休息，恢復體力。主流右側有一小回流區(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。主流經過過魚孔后流向池室左側，受下一隔板和導板影響，沿墩頭繞至過魚豎縫。在主流區(qū)之外的池室兩側，存在小范圍回流區(qū)，無漩渦、水躍等流態(tài)產生，表底流態(tài)、流向基本一致。主流左側回流區(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，恢復體力。主流右側回流區(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。

6 結論

（1）某工程魚道局部模型試驗主要采用數(shù)學模型與物理模型試驗相結合的技術手段。首先利用數(shù)模對隔板、導板等細部進行優(yōu)化，再利用物模試驗進一步優(yōu)化確定魚道的結構及參數(shù)。

（2）利用大比尺物模試驗對隔板豎縫的流速進行了測量，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行了觀測，池室內水流流向明確，主流順暢，無明顯扭曲，主流在池室內呈相對較緩“S”形流線，有利于目標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)池室主流右側回流區(qū)不明顯且范圍較小，伴有貼壁流產生，可能會對魚類上溯產生一定影響。

（5）在池寬一定的條件下，對隔板的體型、角度、縫寬等進行優(yōu)化，確定基本維持原體型，導板加長至30 cm，長隔板相應縮短，豎縫寬度不變。通過優(yōu)化，池室內流態(tài)有所改善，右側貼壁流消除，主流左右均有回流區(qū)，有利于魚類上溯過程中暫時休息，恢復體力。