同側(cè)豎縫式魚道直角轉(zhuǎn)彎休息池段體型研究

蒲 云 娟， 何 艷， 呂 海 艷， 魏 鵬 程

(1.中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072;2.西華大學(xué)，四川 成都 610039)

1 問題的提出

魚道作為梯級(jí)水電站建設(shè)的生態(tài)補(bǔ)償工程成為洄游魚類上溯的關(guān)鍵通道。其中豎縫式魚道能更好地適應(yīng)上下游水位的變化，表層魚類和底層魚類都可以通過其上溯，從而更有利于上下游各種魚類的交流，是當(dāng)今魚道工程建設(shè)最廣泛的應(yīng)用型式。時(shí)至今日，許多國內(nèi)外學(xué)者對(duì)豎縫式魚道典型池室的水力特性進(jìn)行了研究，取得了一系列成果。戚印鑫和孫娟等[1]結(jié)合新疆某攔河樞紐魚道工程的物理模型試驗(yàn)研究，分析了魚道流量系數(shù)的變化規(guī)律，推導(dǎo)出流量系數(shù)計(jì)算公式，得出魚道流量系數(shù)與常規(guī)堰的流量系數(shù)變化規(guī)律正好相反的結(jié)論。徐體兵和孫雙科[2]采用數(shù)值模擬計(jì)算的方法，研究了典型池室的長寬比和隔板墩頭體型對(duì)池室內(nèi)水流流態(tài)的影響，得到池室的長寬比是影響水流結(jié)構(gòu)的主要控制因素，而隔板是否設(shè)置墩頭對(duì)水流結(jié)構(gòu)影響有限的結(jié)論。羅小鳳和李嘉[3]研究了豎縫式魚道導(dǎo)板的長度和導(dǎo)角的大小對(duì)池室內(nèi)流場(chǎng)的影響，認(rèn)為在魚道流量及池室長寬比一定的情況下，若不考慮邊壁阻礙作用，其導(dǎo)角越大，豎縫射流衰減速度越快, 主流軌跡的彎曲程度也越大、越容易沖撞到邊壁；而導(dǎo)板的長度對(duì)主流的擴(kuò)散和衰減基本沒有影響, 但能改變主流在魚道內(nèi)的位置進(jìn)而改變邊壁對(duì)流態(tài)的影響程度；張國強(qiáng)和孫雙科[4]在選取池室的長寬比、導(dǎo)板長度和導(dǎo)向角度等參數(shù)后，研究了豎縫寬度對(duì)水池內(nèi)水流結(jié)構(gòu)的影響，給出了豎縫寬度的合理取值范圍。

在實(shí)際工程中，魚道設(shè)計(jì)需根據(jù)河道岸邊的實(shí)測(cè)地形地質(zhì)條件布置，多存在直角轉(zhuǎn)彎段。通常將直角轉(zhuǎn)彎段與休息池結(jié)合布置，其底部為平坡。在直角轉(zhuǎn)彎段內(nèi)，水流方向在有限的空間內(nèi)發(fā)生改變，主流容易集中于一側(cè)邊壁，而另一側(cè)則會(huì)伴隨較大范圍的回流，導(dǎo)致魚類無法較好地感應(yīng)到主流的水流方向，較容易在回流區(qū)內(nèi)迷失方向而導(dǎo)致其無法成功上溯。但截止到目前，針對(duì)魚道直角轉(zhuǎn)彎段取得的研究成果較少，缺乏可供借鑒和參考的資料。因此，對(duì)直角轉(zhuǎn)彎段的水力特性進(jìn)行研究十分必要。結(jié)合國內(nèi)某水電站魚道工程的設(shè)計(jì)，采用物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算相結(jié)合的方法進(jìn)行了豎縫式魚道同側(cè)縫的直角轉(zhuǎn)彎段體型研究，提出了改善水流流態(tài)的有效措施，旨在為魚道的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

2 研究方法

2.1 體型研究

文中魚道典型池室段的底板坡度為2.6%，典型池室長3 m、寬2.4 m，豎縫寬度為0.35 m，插板采用“L”型，長插板長1.65 m，短插板長0.56 m。共研究了3種同側(cè)縫直角轉(zhuǎn)彎段體型：(1)體型一：轉(zhuǎn)彎段上游豎縫距轉(zhuǎn)彎段內(nèi)側(cè)端頭2.4 m，下游豎縫距內(nèi)側(cè)端頭1.3 m；(2)體型二：轉(zhuǎn)彎段上游豎縫布置于轉(zhuǎn)彎段內(nèi)側(cè)端頭處，轉(zhuǎn)彎段外側(cè)設(shè)置半徑為1 m的1/4圓弧，下游豎縫距內(nèi)側(cè)端頭1.3 m；(3)體型三：轉(zhuǎn)彎段上游豎縫距轉(zhuǎn)彎段內(nèi)側(cè)端頭的距離為1 m，轉(zhuǎn)彎段外側(cè)設(shè)置半徑為1 m的1/4圓弧，下游外側(cè)設(shè)置整流板(距外側(cè)端頭的距離為3.4 m)，下游豎縫距內(nèi)側(cè)端頭的距離為4.3 m。三種同側(cè)縫直角轉(zhuǎn)彎段體型見圖1。

(a)體型一 (b)體型二 (c)體型三

2.2 物理模型

物理模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，采用比尺為1∶5的正態(tài)模型，采用有機(jī)玻璃模擬制作直角轉(zhuǎn)彎段以及其上下游典型池室段。試驗(yàn)中的流量采用電磁流量計(jì)測(cè)讀；流速分布采用微型流速旋槳流速儀量測(cè)；流態(tài)觀測(cè)采用目測(cè)、照相及錄像的方式進(jìn)行記錄。

2.3 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬工具選用FLUENT軟件，計(jì)算模型選用Standardk-ε紊流模型，自由水面處理采用VOF法，固壁邊界處理采用壁面函數(shù)法，偏微分方程離散采用有限體積法，動(dòng)量、紊動(dòng)能和紊動(dòng)耗散率插值采用二階迎風(fēng)格式。計(jì)算區(qū)域包含直角轉(zhuǎn)彎段以及其上下游典型池室段。鑒于池室體型比較規(guī)則，故其網(wǎng)格劃分全部采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格。計(jì)算區(qū)域與網(wǎng)格劃分示意圖見圖2。

圖2 計(jì)算區(qū)域與網(wǎng)格劃分示意圖

3 試驗(yàn)成果與分析

3.1 物理模型試驗(yàn)成果與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

采用物理模型和數(shù)值模擬分別對(duì)三種體型進(jìn)行了測(cè)試與計(jì)算。其基礎(chǔ)工況為：魚道的引用流量為0.79 m3/s、魚道內(nèi)運(yùn)行水深為2 m。由于豎縫式魚道內(nèi)水流總體呈現(xiàn)二維性質(zhì)[5]，且其表層、中層和底層流場(chǎng)分布基本相似，故物理模型的試驗(yàn)成果與數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果均取水面下1 m的中層流場(chǎng)進(jìn)行分析。三種體型的試驗(yàn)成果與計(jì)算結(jié)果見圖3～5。

圖3 體型一的試驗(yàn)成果與計(jì)算結(jié)果示意圖

3.2 成果分析

首先對(duì)物理模型的試驗(yàn)成果和數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證。從平面流場(chǎng)可以看出：數(shù)值模擬計(jì)算的直角轉(zhuǎn)彎段水流流態(tài)與物理模型試驗(yàn)的觀測(cè)結(jié)果基本相同。轉(zhuǎn)彎段水流流向明確，經(jīng)過豎縫后主流擴(kuò)散、流速減小，在受到直角轉(zhuǎn)彎的影響后主流存在一定程度的偏轉(zhuǎn)，池室左右兩側(cè)分布一定范圍的回流。研究隨機(jī)選取了三種體型中任意一斷面，對(duì)其相同位置處的物理模型實(shí)測(cè)流速值和數(shù)值模擬計(jì)算流速值進(jìn)行了比較，數(shù)值模擬計(jì)算成果與物理模型試驗(yàn)成果的對(duì)比情況見圖6。由對(duì)比結(jié)果可以看出：數(shù)值模擬計(jì)算值和模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)值基本吻合。

圖4 體型二的試驗(yàn)成果與計(jì)算結(jié)果示意圖

圖5 體型三的試驗(yàn)成果與計(jì)算結(jié)果示意圖

(a)體型一 (b)體型二 (c)體型三

各體型流場(chǎng)分布比較情況見表1。

表1 各體型流場(chǎng)分布比較表

體型一：水流流經(jīng)轉(zhuǎn)彎段上游豎縫后受插板墩頭導(dǎo)角的影響，主流朝池室左側(cè)移動(dòng)，由于上游豎縫距轉(zhuǎn)彎段端頭較遠(yuǎn)，水流在進(jìn)入彎道前即在池室左側(cè)發(fā)生碰壁，主流集中于左側(cè)側(cè)壁下行。

隨后，水流到達(dá)轉(zhuǎn)彎處，由于彎道效應(yīng)，主流集中于轉(zhuǎn)彎段外側(cè)。水流流出彎道后，受下游豎縫的影響，主流漸漸往池室右側(cè)移動(dòng)。該體型中，主流集中于外側(cè)壁面，中部與內(nèi)側(cè)存在較大范圍的回流區(qū)，魚類上溯時(shí)可能會(huì)因回流區(qū)的存在而迷失方向。

體型二：轉(zhuǎn)彎段上游豎縫位于轉(zhuǎn)彎段內(nèi)側(cè)端頭處，下游豎縫位于轉(zhuǎn)彎段內(nèi)側(cè)端頭下游1.3 m處，轉(zhuǎn)彎段的空間較為局促。由于受到上下游兩組插板的約束，水流在流出上游豎縫后主流未能充分?jǐn)U散便轉(zhuǎn)彎進(jìn)入到下游豎縫中。整個(gè)轉(zhuǎn)彎段內(nèi)的水流主流過于集中、流向偏轉(zhuǎn)變化較快，水流較紊亂、流態(tài)較差。該體型中，主流集中于轉(zhuǎn)彎段內(nèi)側(cè)，外側(cè)存在較大范圍的回流區(qū)且回流區(qū)的強(qiáng)度較大，同樣不利于魚類上溯。

體型三：上游豎縫距轉(zhuǎn)彎段內(nèi)側(cè)端頭的距離為1 m，介于體型一(2.4 m)與體型二(0 m)之間，水流流出上游豎縫后其主流有較充分的擴(kuò)散空間，在流速降低后其主流仍位于池室中部時(shí)再轉(zhuǎn)彎。水流轉(zhuǎn)彎后其主流雖然較靠近外側(cè)壁面，但由于下游豎縫充分下移(距轉(zhuǎn)彎段內(nèi)側(cè)端頭達(dá)4.3 m)，轉(zhuǎn)彎段的空間較大，水流有充分的空間調(diào)整主流流向。同時(shí)，轉(zhuǎn)彎段下游左側(cè)增設(shè)的整流板將主流往右側(cè)偏移并有效地阻隔了外側(cè)壁面回流區(qū)的發(fā)展。該體型中，水流主流明確、基本位于池室中部，回流區(qū)范圍較小、強(qiáng)度較低，適宜魚類休息和繼續(xù)上溯。

根據(jù)對(duì)三種體型的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后可以看出：轉(zhuǎn)彎段上游豎縫的布置位置對(duì)轉(zhuǎn)彎段內(nèi)的水流流態(tài)有較明顯的影響，上游豎縫距轉(zhuǎn)彎段端頭較遠(yuǎn)會(huì)導(dǎo)致水流主流貼近外側(cè)壁面，導(dǎo)致其內(nèi)側(cè)分布大范圍回流，距離轉(zhuǎn)彎段端頭太近會(huì)導(dǎo)致水流主流過于集中、頂沖外側(cè)壁面，水流流態(tài)較差。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：上游豎縫距轉(zhuǎn)彎段內(nèi)側(cè)端頭1～1.5 m較為適宜。將轉(zhuǎn)彎段外側(cè)設(shè)置為1/4圓弧順接后，水流轉(zhuǎn)彎時(shí)能更順暢、更平穩(wěn)地銜接過渡，從而進(jìn)一步減小了轉(zhuǎn)彎段外側(cè)的回流范圍?？紤]到直角轉(zhuǎn)彎段內(nèi)水流的彎道效應(yīng)較為明顯，轉(zhuǎn)彎段下游需要給予充分的空間讓水流進(jìn)行調(diào)整，故將轉(zhuǎn)彎段下游豎縫與內(nèi)側(cè)端頭之間的距離設(shè)置為大于一個(gè)典型池室的長度較為適宜。由于水流直角轉(zhuǎn)彎后其主流較多地集中于外側(cè)，為了進(jìn)一步調(diào)整水流主流的位置使其大致位于池室中部、同時(shí)阻隔外側(cè)壁面回流區(qū)的發(fā)展，需要在直角轉(zhuǎn)彎段外側(cè)下游設(shè)置整流板。

4 結(jié) 語

采用物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算相結(jié)合的方法、依托國內(nèi)某水電站魚道工程的實(shí)際情況，對(duì)豎縫式魚道同側(cè)縫直角轉(zhuǎn)彎休息池段的水流流態(tài)和流場(chǎng)分布進(jìn)行了研究并得到以下結(jié)論：

(1)轉(zhuǎn)彎段上游豎縫的位置對(duì)轉(zhuǎn)彎段內(nèi)的水流流態(tài)有較明顯的影響，上游豎縫距轉(zhuǎn)彎段端頭太遠(yuǎn)或太近都會(huì)導(dǎo)致水流主流集中、回流區(qū)范圍較大，均不利于魚類上溯。研究結(jié)果表明：上游豎縫距轉(zhuǎn)彎段內(nèi)側(cè)端頭1～1.5 m可以獲得較好的水流流態(tài)。

(2)直角轉(zhuǎn)彎段內(nèi)水流的彎道效應(yīng)較為明顯，下游需要較充分的空間讓水流進(jìn)行調(diào)整。研究結(jié)果表明：轉(zhuǎn)彎段下游豎縫與轉(zhuǎn)彎段內(nèi)側(cè)端頭之間的距離大于一個(gè)典型池室的長度較為適宜。

(3)在直角轉(zhuǎn)彎段下游外側(cè)增設(shè)整流板后，主流基本位于池室中部，回流區(qū)的分布范圍減小、流速降低，形成了有利于魚類上溯的流態(tài)特征。研究結(jié)果表明：增設(shè)整流板的輔助措施效果良好，在實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和施工時(shí)可以考慮采用。