基于數(shù)模與物模的某工程短魚道水流條件研究

李桂青，桑林瀚，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 300017）

1 工程概況

本工程過魚設(shè)施采用短魚道與機械提升轉(zhuǎn)運相結(jié)合的形式，過魚設(shè)施通過電站發(fā)電尾水以及補水管流量誘魚。短魚道及集魚池布置于廠房右側(cè)，總長64.90 m。集魚池分為消能池、集魚箱池和趕魚柵池，趕魚柵將進入魚道內(nèi)的魚趕入集魚箱內(nèi)，再利用機械設(shè)備將魚類提升、轉(zhuǎn)運過壩至上游水庫。短魚道沿水流方向分為標準池室、休息池室和魚道進口，樁號魚0+000.00—0+039.00段與樁號魚0+039.00—0+64.90段夾角為123°，標準池室長2.0 m，休息池室長4.0 m，池室寬均為1.5 m，并采用帶有導(dǎo)板的豎縫式隔板結(jié)構(gòu)，豎縫寬度0.3 m，魚道坡度1/40。魚道進口設(shè)為漸變形式，長3.0 m，寬1.5～3.0 m，以改善水流流態(tài)，魚道進口通過引渠與河道相銜接，引渠渠底寬度為3.0 m。為避免魚群上溯至電站尾水渠內(nèi)，需在魚道進口上游側(cè)河道布置攔魚電柵。

為兼顧多種過魚對象，魚道進口設(shè)計流速應(yīng)介于0.11～0.60 m/s，且流速越大，誘魚效果越好。根據(jù)本工程過魚對象的游泳能力，確定魚道豎縫斷面處設(shè)計流速控制范圍為0.93～1.02 m/s，池室平均流速范圍為0.50～0.64 m/s。

2 研究方法和技術(shù)路線

研究通過數(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，建立魚道三維紊流數(shù)學(xué)模型和整體物理模型，對魚道內(nèi)流場分布和水力特性進行研究。

2.1 數(shù)學(xué)模型

本次數(shù)值模擬[1]針對工程短魚道建立局部計算模型，網(wǎng)格劃分采用笛卡兒正交結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格大小取0.05 m，有效網(wǎng)格總數(shù)約267萬。

模型在集魚池上游設(shè)置進口邊界，進口邊界條件根據(jù)補水管流量設(shè)置為流量邊界，在進魚口位置設(shè)置出口邊界，出口邊界條件根據(jù)下游河道水位設(shè)為壓力邊界，固體邊界采用無滑移條件，液面為自由表面，流體設(shè)置為不可壓縮流體。

2.2 物理模型

物理模型[2]針對短魚道、補水管、電站尾水以及進魚口上下游一定范圍的河道地形建立整體模型，進魚口上游河道地形長90 m、下游河道地形長60 m，從而消除模型邊界對進魚口水流的影響。模型按重力相似準則設(shè)計，采用正態(tài)模型，幾何比尺Lr=10。上游來流流量通過流量計控制，下游進魚口水位通過固定測針控制。

3 研究結(jié)果

本文主要針對電站運行典型工況進行分析研究，電站下泄流量63.90 m3/s，魚道補水流量0.42 m3/s，魚道進口水位968.72 m。

3.1 魚道豎縫

魚道豎縫自上游向下游依次編號1#～21#，流速測點布置于豎縫中間，分別測量豎縫測點表、中、底層的流速，實測結(jié)果如圖1所示。豎縫流速大小基本分布在0.80～1.20 m/s，平均流速分布為0.89～1.08 m/s，滿足設(shè)計流速要求，自上游向下游豎縫流速總體呈逐漸增大的趨勢，但變化較小。

圖1 魚道豎縫沿程流速分布

3.2 標準池

考慮到123°轉(zhuǎn)彎段[3，4]可能對標準池水流流態(tài)的影響，取轉(zhuǎn)彎段上游第2個標準池和轉(zhuǎn)彎段下游第3個標準池作為研究對象，標準池內(nèi)沿水流方向布置6個測流斷面，相鄰斷面間距0.36 m，每個測流斷面布置5個流速測點，相鄰測點間距0.30 m。

由于表、中、底層流速分布基本相同，計算相同測點表、中、底層流速的平均值，流速分布如圖2所示。轉(zhuǎn)彎段上下游標準池水流流態(tài)相近，主流基本位于池室中間，彎曲程度較小，呈倒“S”形分布，利于魚類上溯，在主流兩側(cè)存在兩個范圍大小相差不大的低流速回流區(qū)，可以為魚類提供良好的休息空間。

圖2 模型實測標準池流速分布

數(shù)值模擬得到的標準池流速分布云圖，其結(jié)果與物理模型實測結(jié)果相近，主流流速大小主要分布在0.5～1.0 m/s，主流兩側(cè)回流區(qū)流速基本在0.3 m/s以下，從邊緣向中心流速逐漸減小，中心流速基本趨近0。

3.3 休息池

休息池[5]內(nèi)沿水流方向每隔0.38 m布置1個測流斷面，每個測流斷面相鄰測點之間距離0.30 m。測點表、中、底層平均流速的分布情況如圖3（a）所示，主流進入休息池后受豎縫導(dǎo)板的影響偏向左側(cè)，之后沿左側(cè)邊墻流動，并在下游隔板的作用下發(fā)生彎曲進入休息池下游豎縫，主流彎曲程度較大，并存在一定程度的貼壁現(xiàn)象。在主流區(qū)左側(cè)上游和下游分布有范圍較小的回流區(qū)，主流右側(cè)的回流區(qū)范圍較大。

數(shù)值模擬得到的休息池流速分布如圖3（b）所示，其流場分布與模型實測結(jié)果相近，主流流速主要分布在0.3～0.9 m/s，回流區(qū)流速基本小于0.3 m/s，回流中心流速最小，基本趨近于0。篩選每個斷面的最大流速值得到最大流速沿程分布曲線如圖4所示，從圖4可以看出，休息池內(nèi)主流流速沿程先減小后增大，在下游豎縫位置附近達到最大。

圖3 休息池流速分布

圖4 休息池最大流速沿程分布曲線

3.4 轉(zhuǎn)彎段

數(shù)值模擬計算的流速分布與模型實測流速分布情況相近。轉(zhuǎn)彎段上游部分主流偏向左側(cè)邊墻，在左側(cè)邊墻的導(dǎo)向作用下，主流偏向轉(zhuǎn)彎段下游部分的右側(cè)邊墻，最后經(jīng)下游豎縫流出轉(zhuǎn)彎段，轉(zhuǎn)彎段內(nèi)主流較為明確，彎曲程度較小，但存在一定的貼壁現(xiàn)象。在主流區(qū)兩側(cè)分布著3個回流區(qū)，回流區(qū)尺度相差較大，上游左側(cè)回流區(qū)尺度較小，而右側(cè)回流區(qū)以及下游左側(cè)回流區(qū)尺度較大。主流流速主要分布在0.4～0.8 m/s，轉(zhuǎn)彎上游部分主流流速較大，下游部分主流流速較小，至下游豎縫位置流速增至最大，主流兩側(cè)回流區(qū)流速基本不超過0.3 m/s，在回流中心位置流速趨近于0。

3.5 進魚口及引渠

進魚口漸變段每隔1.50 m設(shè)置1個測流斷面，引渠內(nèi)每隔6.00 m設(shè)置1個測流斷面，共布置7個測流斷面，每個測流斷面在中間及兩側(cè)布置3個測點，分別測量表、中、底層的流速，實測結(jié)果如圖5所示，圖中僅列出測點的表層流速。

圖5 模型實測進魚口及引渠流速分布

根據(jù)測量結(jié)果，主流出標準池后受豎縫導(dǎo)板的作用偏向左側(cè)，1#～5#斷面左側(cè)流速基本分布在0.1～0.6 m/s，滿足誘魚流速要求，且隨著水流向下游擴散，左側(cè)主流流速逐漸減小，在主流右側(cè)存在一個范圍較大的回流，因此中間及右側(cè)測點流速值較小。6#、7#斷面測點靠近河道，流速方向與河道主流一致且流速較大，6#斷面表層流速最大為1.61 m/s，7#斷面最大流速為2.57 m/s。

3.6 池室水深

魚道沿程水深分布測量結(jié)果，如圖6所示。從魚道進口到集魚池，水深總體呈逐漸增大的趨勢，進口水深為1.60 m，趕魚柵池水深為1.78 m，水深增大0.18 m，但相鄰標準池室間水深相差不大，整體水位變化較小，銜接順暢。

圖6 魚道沿程水深分布

4 結(jié)論

本文基于某工程過魚設(shè)施，采用模型試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對豎縫式短魚道的水流特性進行了研究，結(jié)論如下。

（1）短魚道豎縫平均流速分布在0.89～1.08 m/s，滿足設(shè)計流速要求。各標準池水流流態(tài)分布相近，主流基本位于池室中間，呈倒“S”形分布，主流兩側(cè)存在兩個范圍大小相差不大的低流速回流區(qū)，主流流速大小主要分布在0.50～1.00 m/s，滿足魚類上溯需要。

（2）休息池與轉(zhuǎn)彎段主流流速分布在0.3～0.9 m/s，并存在一定的主流貼壁現(xiàn)象，且回流區(qū)尺度差別較大，今后需通過設(shè)置整流擋板等措施改善池室流態(tài)。

（3）從進魚口至集魚池，魚道內(nèi)水深總體呈逐漸增大趨勢，但相鄰池室間水深相差不大，銜接順暢。

（4）數(shù)值模擬計算成果與物理模型試驗成果在水流流態(tài)、流速分布等方面基本一致，二者相互驗證補充，成果可作為設(shè)計參考依據(jù)。