異側(cè)豎縫式魚(yú)道在某工程的數(shù)值模擬與分析

李 洋，韓 雷，李樹(shù)航，田振華，狄高健，蘇國(guó)青

(1.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080 )

在水利工程建設(shè)過(guò)程中，由于人為截?cái)嗨?，迫使具有洄游?xí)性的魚(yú)類無(wú)法繁衍，導(dǎo)致魚(yú)類的減少甚至是某種魚(yú)類的滅絕，因而建立一些過(guò)魚(yú)工程設(shè)施幫助魚(yú)類洄游繁衍非常有必要。目前應(yīng)用最廣的水利工程設(shè)施就是魚(yú)道，魚(yú)道按結(jié)構(gòu)形式可分為水池式、隔板式，隔板式又可分為溢流堰式、淹沒(méi)孔口式、豎縫式和組合式[1-2]，其中豎縫式魚(yú)道又包括同側(cè)豎縫式魚(yú)道和異側(cè)豎縫式魚(yú)道。豎縫式魚(yú)道可適應(yīng)較大的水位變幅[2-3]，有利于魚(yú)類的洄游，其在恢復(fù)水生物的多樣性方面發(fā)揮著重要的作用。與同側(cè)式豎縫魚(yú)道相比，異側(cè)豎縫式魚(yú)道其隔板相互交錯(cuò)，具有更好的消能效果，使得池室內(nèi)最大流速較小。此外，異側(cè)豎縫式魚(yú)道具有較好的主流區(qū)水流流態(tài)，更有利于魚(yú)類在上溯過(guò)程中的休息，便于洄游[3]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)同側(cè)式豎縫魚(yú)道研究較多，對(duì)異側(cè)式魚(yú)道研究較少。劉志雄等[1]以3種池室長(zhǎng)度和3種豎縫寬度分析池室結(jié)構(gòu)變化對(duì)異側(cè)豎縫式魚(yú)道的影響，結(jié)果表明池室內(nèi)水流為二維水流，并確定了主流流速與豎逢平均流速的比值范圍。董志勇等[4]以異側(cè)豎縫式魚(yú)道為研究對(duì)象，通過(guò)研究2種流量3種水深下的水力特性，提出主流軌跡的經(jīng)驗(yàn)公式、主流速度沿程變化的關(guān)系式和橫向流速分布特征的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式。曹慶磊等[3]利用三維超聲波流速儀量測(cè)了異側(cè)豎縫式魚(yú)道中的流速，并對(duì)不同流量不同水深的流速場(chǎng)、穩(wěn)動(dòng)能以及應(yīng)力進(jìn)行了分析，結(jié)果表明魚(yú)道池室中流速沿著垂向的分量很小，幾乎為零。張羽等[5]利用數(shù)值模擬方法分析了不同豎縫寬度下池室水流結(jié)構(gòu)、流速分布和回流區(qū)分布的變化情況。對(duì)于池室底坡坡比對(duì)池室水力特性的影響僅有少數(shù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了研究，加拿大學(xué)者Wu等[6]首次通過(guò)以池室長(zhǎng)寬比、水池底坡坡度為變量對(duì)豎縫式魚(yú)道的水力特性進(jìn)行了比較系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，給出了魚(yú)道過(guò)流流量的經(jīng)驗(yàn)公式。Mao等[7]研究底孔和水池底坡坡度對(duì)魚(yú)道內(nèi)流速和流型等水力特性的影響。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于底坡坡比和池室長(zhǎng)寬比對(duì)池室水力特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，但沒(méi)有針對(duì)特定工程的具體魚(yú)類進(jìn)行分析，劉志雄只選取了三種池室長(zhǎng)度探究池室結(jié)構(gòu)變化對(duì)魚(yú)道水力特性的影響，參數(shù)變化范圍較小，借鑒前人的研究成果研究池室內(nèi)水流為二維流，池室中垂向流速進(jìn)分量較小，本文選取5種底坡坡比，7種不同池室長(zhǎng)寬比探究池室結(jié)構(gòu)變化對(duì)池室水力特性的影響，研究?jī)?nèi)容包括池室主流區(qū)平面水流形態(tài)、池室主流區(qū)最大流速沿程分布、回流區(qū)面積以及回流區(qū)流速分布，從而得到不同底坡坡比、不同池室長(zhǎng)寬比組合情況下的普遍規(guī)律，并提出適合研究區(qū)域魚(yú)類的底坡坡比和池室長(zhǎng)寬比，并為其它類似異側(cè)豎縫式魚(yú)道工程的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及魚(yú)道池室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

樞紐工程由混凝土溢流壩、沖沙閘、城市供水閘、隔板式魚(yú)道組成。魚(yú)道布置在樞紐右岸，魚(yú)道緊貼溢流壩，邊墻兼做溢流壩導(dǎo)墻，魚(yú)道采用U型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。樞紐工程魚(yú)道過(guò)魚(yú)保護(hù)對(duì)象主要是哲羅鮭及四大家魚(yú)。國(guó)內(nèi)部分單位進(jìn)行了四大家魚(yú)的克流能力測(cè)試試驗(yàn)，積累了一些相關(guān)結(jié)論和資料，根據(jù)過(guò)魚(yú)種類及其克流能力，研究區(qū)域內(nèi)魚(yú)類的感應(yīng)流速取0.2 m/s，極限流速為1.2 m/s，極限流速是魚(yú)類克服困難上溯成功的最大流速，魚(yú)道內(nèi)的最大流速不能超過(guò)魚(yú)類的極限流速[8]，魚(yú)道設(shè)計(jì)流速建議為1.2 m/s。

魚(yú)道總長(zhǎng)42 m，池室寬度B=3 m，長(zhǎng)隔板長(zhǎng)2 m，橫向?qū)О錚=1 m，豎縫寬度b=0.46 m。由文獻(xiàn)可知，當(dāng)豎縫位置距離池室邊壁在25%～35%之間(橫向?qū)О彘L(zhǎng)度P與池室寬度B之比)[9]、豎縫寬度與池室寬度之比(b/B)在0.10～0.25之間[6]、魚(yú)道各級(jí)水池的池室長(zhǎng)寬比(L/B)在1.2～1.5之間[8,10-13]時(shí)，魚(yú)道池室內(nèi)可獲得較為理想的水流流態(tài)，本次設(shè)計(jì)P/B=0.33、b/B=0.153，通過(guò)更改池室長(zhǎng)度調(diào)節(jié)變量池室長(zhǎng)寬比。池室長(zhǎng)度L分別選取2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m、4.5 m、5.0 m，對(duì)應(yīng)池室長(zhǎng)寬比(L/B)分別為0.67、0.83、1.00、1.17、1.33、1.50、1.67，其中池室長(zhǎng)寬比為1.17、1.33、1.50、1.67時(shí)滿足設(shè)計(jì)要求，但有時(shí)實(shí)際工程受地形條件、建設(shè)費(fèi)用、施工難度的影響，池室長(zhǎng)寬比偏小，主流區(qū)最大流速軌跡線曲率半徑較小，不利于魚(yú)類洄游[14]，因而選取池室長(zhǎng)寬比為0.67、0.83、1.00進(jìn)行水力特性的研究，為受地形等因素影響較大，采用池室小長(zhǎng)寬比的工程應(yīng)用提供參考。大底坡坡比魚(yú)道池室內(nèi)最大流速一般較大，需要不斷優(yōu)化池室內(nèi)部尺寸來(lái)降低流速，使其低至魚(yú)類的極限流速。國(guó)內(nèi)外大部分魚(yú)道的應(yīng)用的底坡坡比設(shè)計(jì)均為小底坡坡比，本文選取的坡比(i)分別為1∶50、1∶60、1∶70、1∶80、1∶90。魚(yú)道池室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 魚(yú)道尺寸布置(單位：m)

2 基本控制方程

魚(yú)道采用專業(yè)軟件Fluent中標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型并耦合VOF模塊對(duì)水流自由表面進(jìn)行捕捉[13,15-16]；其中三維水流模型的控制方程如下：

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2a)

(2b)

(2c)

標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型方程：

(3)

(4)

其中紊動(dòng)能：

(5)

紊動(dòng)黏性系數(shù)：

(6)

式中：ρ為密度；u、v和w是速度矢量在x、y和z方向的分量；t為時(shí)間；μ為動(dòng)力黏度；p為流體微元體上的壓力；Su、Sv和Sw是動(dòng)量守恒方程的廣義源項(xiàng)；k為紊動(dòng)能；ui為時(shí)均速度；μt為紊動(dòng)黏度；模型常數(shù)Cμ= 0.0845，C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.0，σε=1.3；Gk為平均速度梯度引起的紊動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；ε為紊動(dòng)能耗散率。迭代計(jì)算的各項(xiàng)殘差值均為10-5，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置0.01 s[5]，在模型驗(yàn)證時(shí)，在時(shí)間步數(shù)15 000內(nèi)，計(jì)算結(jié)果就已經(jīng)收斂，因而在后面各工況計(jì)算時(shí)，時(shí)間步數(shù)設(shè)置較長(zhǎng)為20 000。

3 模型建立以及模型驗(yàn)證

3.1 網(wǎng)格剖分以及邊界條件

數(shù)值模擬選取魚(yú)道長(zhǎng)度與物理模型試驗(yàn)原長(zhǎng)一致，為42 m。網(wǎng)格最大邊長(zhǎng)尺寸為0.05 m，最小邊長(zhǎng)尺寸為0.1 m，均為規(guī)則六面體，其中節(jié)點(diǎn)2 711 885個(gè)，網(wǎng)格2 580 822個(gè)，見(jiàn)圖2(a)。

圖2 魚(yú)道網(wǎng)格剖分

為便于看清具體網(wǎng)格分布情況，對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行放大處理，見(jiàn)圖2(b)。

將魚(yú)道數(shù)學(xué)模型上游邊界設(shè)置為流量進(jìn)口，流量為0.94 m3/s；將魚(yú)道數(shù)學(xué)模型下游邊界設(shè)置為水深和壓力出口，水深為2 m，壓強(qiáng)為1個(gè)大氣壓；頂部設(shè)置為氣體壓力進(jìn)口，壓強(qiáng)為1個(gè)大氣壓，邊墻以及底部設(shè)置為無(wú)滑移固壁邊界。

追蹤自由液體表面采用VOF方法，通過(guò)計(jì)算水和氣的體積分?jǐn)?shù)來(lái)表征物體的形態(tài)，其控制方程如下：

aw+aa=1

(7)

(8)

其中:aa表示氣體的體積分?jǐn)?shù)，aw表示水的體積分?jǐn)?shù)。

3.2 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型參數(shù)設(shè)定的合理性以及網(wǎng)格剖分的正確性，對(duì)魚(yú)道進(jìn)行物理模型驗(yàn)證試驗(yàn)[14]。驗(yàn)證內(nèi)容為4-5池室主流區(qū)沿程最大流速曲線及2號(hào)隔板到9號(hào)隔板豎縫附近最大流速(水流進(jìn)口的1號(hào)隔板處和10號(hào)隔板豎縫附近最大流速受到干擾嚴(yán)重，不對(duì)兩處最大流速進(jìn)行測(cè)量，流速通過(guò)無(wú)線旋漿流速儀測(cè)定)。試驗(yàn)采用有機(jī)玻璃以1∶5的比尺制作魚(yú)道模型，坡比為1∶70，池室長(zhǎng)度為0.74 m(對(duì)應(yīng)原型的池室長(zhǎng)度為3.7 m)，該模型全長(zhǎng)42 m，內(nèi)設(shè)10組隔板，具體見(jiàn)圖3。有機(jī)玻璃糙率為0.009，對(duì)應(yīng)原型的糙率為0.012，與實(shí)際工程中魚(yú)道混凝土糙率略有差別?？紤]到魚(yú)道中除了豎縫斷面處水流流速較大外，各級(jí)水池邊界處的水流流速通常都較小，邊壁的沿程摩阻不大，水頭損失主要集中在豎縫斷面附近的局部區(qū)域，因而原型與模型糙率不相似所導(dǎo)致的的比尺效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響可以忽略。模型測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖4，以左下角為測(cè)定原點(diǎn)，沿著水流方向?yàn)閄軸，垂直水流方向?yàn)閅軸，沿著水流方向每6 cm(對(duì)應(yīng)原型為0.3 m)布置一個(gè)測(cè)量斷面，斷面共計(jì)13個(gè)，每個(gè)斷面布置13個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距為5 cm(對(duì)應(yīng)原型距離為0.25 m)，流速測(cè)量點(diǎn)共計(jì)169個(gè)，測(cè)量模型水深為4 cm，對(duì)應(yīng)原型水深為0.2 m，選取每個(gè)斷面最大流速與數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)圖5(a)，2號(hào)～9號(hào)隔板豎縫附近最大流速實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬擬合情況見(jiàn)圖5(b)。

圖3 物理模型裝置

圖4 測(cè)點(diǎn)分布(單位：m/s)

圖5 數(shù)據(jù)擬合模型驗(yàn)證

從圖5(a)中可以看出，物理模型測(cè)量的最大流速位置距離原點(diǎn)0.4 m，最大流速為1.29 m/s；數(shù)值模擬最大流速距離原點(diǎn)0.4 m，與物理模型測(cè)量的結(jié)果一致，最大流速為1.294 m/s，略大于實(shí)測(cè)值。數(shù)值模擬主流區(qū)沿程最大流速曲線分布規(guī)律與物理模型實(shí)測(cè)流速分布規(guī)律基本吻合，擬合誤差僅在0.1%～3.0%范圍內(nèi)；從圖5(b)中可以發(fā)現(xiàn)，隔板豎縫附近最大流速實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值誤差范圍在0.3%～5.0%范圍內(nèi)，說(shuō)明數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置正確，網(wǎng)格剖分合理。此時(shí)數(shù)值模擬所設(shè)的糙率為0.0136，在后面的數(shù)值模擬過(guò)程中糙率保持不變。

4 池室水力特性分析

4.1 主流區(qū)平面形態(tài)分析

主流區(qū)的彎曲程度影響著水流形態(tài)，進(jìn)而影響著魚(yú)類的洄游效果，主流區(qū)平面形態(tài)呈現(xiàn)S型是豎縫式魚(yú)道的特點(diǎn)，因而探討主流區(qū)平面形態(tài)是很有必要的。對(duì)驗(yàn)證后的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，選取35種不同組合型式的池室進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬結(jié)果較多，因而只列出2種底坡坡比和3種池室長(zhǎng)寬比的模擬結(jié)果，詳見(jiàn)圖6。

圖6 不同底坡坡比不同池室長(zhǎng)寬比流速分布

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，各底坡坡比各池室長(zhǎng)寬比相鄰池室主流區(qū)平面形態(tài)均呈現(xiàn)出S型，池室長(zhǎng)寬比越大S型越明顯，而同側(cè)豎縫式魚(yú)道單獨(dú)池室主流區(qū)平面形態(tài)便呈現(xiàn)S型[2,17]。但是在各底坡坡比、池室長(zhǎng)寬比為0.66、0.83時(shí)，相鄰兩級(jí)池室隔板間主流區(qū)平面形態(tài)彎曲較大，曲率半徑較小，主要是因?yàn)樾￠L(zhǎng)寬比下，相鄰兩隔板距離較近，經(jīng)過(guò)上一個(gè)豎縫的水體來(lái)不及與池室水體充分混合，便迅速進(jìn)入下一豎縫。同時(shí)可以看出主流區(qū)平面形態(tài)分布規(guī)律與底坡坡比無(wú)關(guān)，即池室長(zhǎng)寬比確定后，主流區(qū)平面形態(tài)不隨著底坡坡比的變化而發(fā)生改變。

當(dāng)池室長(zhǎng)寬比L/B>0.83，相鄰主流區(qū)平面形態(tài)銜接較平順，更有利于研究區(qū)域魚(yú)類發(fā)現(xiàn)洄游通道并上溯。

4.2 主流區(qū)最大流速沿程曲線

主流區(qū)最大流速沿程曲線為池室內(nèi)每一斷面流速最大值點(diǎn)所在的曲線[17-18]，根據(jù)數(shù)值模擬得到各底坡坡比各池室長(zhǎng)寬比的各橫斷面沿程最大流速曲線，詳見(jiàn)圖7。

圖7 不同底坡坡比不同池室長(zhǎng)寬比(池室長(zhǎng)度)最大流速分布

從沿程最大流速曲線可以得到如下結(jié)論：

(1) 各種組合下沿程最大流速曲線呈S型。在池室長(zhǎng)寬比確定后，底坡坡比的變化不改變沿程最大流速的分布，只影響各斷面的最大流速，主要是因?yàn)樨Q縫位置相同，豎縫射流效果相同，因而沿程最大流速曲線相同，但坡比越大，相同位置流速越大。

(2) 在各池室長(zhǎng)寬比確定下，沿程最大流速曲線分布規(guī)律相似，池室小長(zhǎng)寬比下，如圖7(a)，沿著水流方向出現(xiàn)兩次波峰和兩次波谷，主要是因?yàn)樾￠L(zhǎng)寬比下，主流區(qū)水體進(jìn)入豎縫時(shí)，還沒(méi)有充分消能，導(dǎo)致流速降低到第一次波谷，后經(jīng)過(guò)豎縫束窄，流速開(kāi)始增加，在距離豎縫0.6 m時(shí)沿程流速達(dá)到波峰，后主流區(qū)水體與池室水體充分混合擴(kuò)散，流速降低到第二次波谷，快到下一豎縫時(shí)，流速又增加到第二次波峰；而在較大池室長(zhǎng)寬比下，如圖7(d)，出現(xiàn)一次波峰和兩次波谷，主要是因?yàn)橹髁鲄^(qū)水體進(jìn)入豎縫時(shí)主流區(qū)水體已經(jīng)充分消能，進(jìn)入豎縫束窄時(shí)流速一直在增加，在距離豎縫0.4 m流速達(dá)到波峰，后又充分消能，在距離豎縫2 m時(shí)，出現(xiàn)第一次波谷，經(jīng)過(guò)擴(kuò)散出現(xiàn)第二次波谷，后經(jīng)過(guò)下一豎縫流速開(kāi)始增加。

(3) 同底坡坡比時(shí)，各橫斷面最大流速與池室最大流速(各橫斷面出現(xiàn)的最大流速的最大值)比值在0.55～1.00之間，各橫斷面最大流速均超過(guò)池室最大流速的1/2，因而測(cè)量出池室最大流速就可了解主流區(qū)流速沿程變化規(guī)律；池室長(zhǎng)寬比越大，池室最大流速越靠近豎縫處(圖7(a)、圖7(b)紅色線)，主要是池室長(zhǎng)寬比越大，在進(jìn)入豎縫前主流區(qū)水體已經(jīng)充分消能，束窄后流速快速增加到最大值。

對(duì)5種底坡坡比各池室長(zhǎng)寬比池室最大流速進(jìn)行整理，見(jiàn)表1。

表1 各底坡坡比不同池室長(zhǎng)寬比池室最大流速表

由表1可知，池室長(zhǎng)寬比與底坡坡比越大，池室最大流速越大，主要是因?yàn)槠卤仍酱螅亓?shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)力勢(shì)能越大，同時(shí)沿程水頭損失越小。本次魚(yú)道設(shè)計(jì)流速為1.2 m/s，在i=1∶50，L/B=0.67、0.83時(shí)；i=1∶60，L/B=0.67、0.83；i=1∶70，L/B=0.67、0.83、1.00時(shí)；i=1∶80，L/B=0.67、0.83、1.00、1.17、1.33時(shí);i=1∶90，L/B=0.67、0.83、1.00、1.17、1.33、1.50時(shí)，池室最大流速符合設(shè)計(jì)要求。

不同底坡坡比不同池室長(zhǎng)寬比的沿程最大流速曲線衰減進(jìn)行分析見(jiàn)表2，其中umin為各橫斷面上的最大流速的波谷值，umax為各橫斷面上的流速最大值的波峰值[12,19-20]。

表2 主流區(qū)最大流速沿程衰減

一般認(rèn)為最大流速曲線上流速沿程變化越大，衰減越明顯，反映出水池內(nèi)沿程水頭損失越大，消能效果越好，越有利于魚(yú)類上溯[21-22]。由表3可知，同一底坡坡比下，隨著池室長(zhǎng)寬比的增加，沿程最大流速曲線衰減逐漸增大，當(dāng)池室長(zhǎng)寬比L/B大于1后，衰減率趨于飽和，主要因?yàn)榇藭r(shí)主流區(qū)水體與池室邊壁發(fā)生碰撞，消能效果好，流速增加緩慢；同一池室長(zhǎng)寬比下，底坡坡比對(duì)最大流速沿程衰減程度幾乎無(wú)影響。單從衰減率來(lái)看，不用底坡坡比下，池室長(zhǎng)寬比L/B=1.0、1.17、1.33、1.50、1.67時(shí)衰減率達(dá)到最大且處于飽和狀態(tài)。

從工程過(guò)魚(yú)對(duì)象考慮，池室內(nèi)最大流速不應(yīng)超過(guò)設(shè)計(jì)流速1.2 m/s，同時(shí)主流區(qū)沿程衰減越明顯，消能效果越好，魚(yú)道推薦組合為：i=1∶70時(shí)，L/B=1.00；i=1∶80時(shí)，L/B=1.00、1.17、1.33；i=1∶90時(shí)，L/B=1.00、1.17、1.33、1.50。

4.3 主流區(qū)最大流速沿程位置分布

主流區(qū)最大流速沿程軌跡線是魚(yú)類上溯的主要路徑，本節(jié)要對(duì)不同底坡坡比和不同池室長(zhǎng)寬比最大流速沿程軌跡進(jìn)行分析，具體最大流速沿程位置分布見(jiàn)圖8。

從圖6和圖8可知：

(1) 同一池室長(zhǎng)寬比，主流區(qū)最大流速沿程位置不隨著底坡坡比的變化而發(fā)生改變。同一底坡坡比下，隨著池室長(zhǎng)寬比增加，主流區(qū)最大流速分布位置隨之延長(zhǎng)，主流區(qū)最大流速沿程位置也越向池室邊壁靠攏，平行水流部分與池室邊壁最小距離為呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。各底坡坡比條件下，隨著池室長(zhǎng)寬比的增加，最小距離從池室長(zhǎng)寬比為0.67(L=2 m)時(shí)的0.825 m減小到池室長(zhǎng)寬比為1.67(L=5 m)時(shí)的0.225 m；平行水流部分的長(zhǎng)度隨著池室長(zhǎng)寬比的增加而增加，當(dāng)池室長(zhǎng)寬比從0.67增至1.67(L=2 m～5.0 m)時(shí)，平行水流長(zhǎng)度相應(yīng)地從0 m增至2.3 m，因?yàn)楫?dāng)池室長(zhǎng)寬比較小時(shí)，相鄰豎縫距離較小，通過(guò)上一豎縫的水體還沒(méi)得及和池室水體充分混合，便迅速進(jìn)入下一豎縫處；當(dāng)池室長(zhǎng)寬比越大，相鄰豎縫距離越大，豎縫射流作用相互影響越小，距離豎縫遠(yuǎn)處的主流區(qū)水體可以與池室水體相互充分混合。

圖8 不同底坡坡比不同池室長(zhǎng)寬比(池室長(zhǎng)度)最大流速沿程位置分布

(2) 各底坡坡比各池室長(zhǎng)寬比，在X軸方向距離坐標(biāo)原點(diǎn)0.8 m，在Y軸方向距離坐標(biāo)原點(diǎn)1.5 m范圍內(nèi)(圖8(a)、圖8(b)紅線范圍內(nèi))，不同斷面最大流速值沿著水流方向均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但最大流速的位置未有明顯變化，主要是因?yàn)榫嚯x豎縫較近處，射流效果相同，當(dāng)遠(yuǎn)離豎縫時(shí)，池室長(zhǎng)寬比越大，射流效果越弱。

4.4 回流區(qū)水力特性分析

回流區(qū)的面積大小和流速分布影響著魚(yú)類的上溯過(guò)程中的休息，本節(jié)主要回流區(qū)的水力特性進(jìn)行分析。回流區(qū)流速等值線圖和流速矢量圖見(jiàn)圖9(a)和圖9(b)，不同底坡坡比、不同池室長(zhǎng)寬比的回流區(qū)最大流速分布見(jiàn)圖9(c)和圖9(d)。

對(duì)回流區(qū)水力特性進(jìn)行分析可知：

(1) 池室內(nèi)部存在兩個(gè)回流區(qū)，即靠近上游隔板回流區(qū)和靠近下游隔板回流區(qū)。隨著池室長(zhǎng)寬比的增加，靠近上游隔板回流區(qū)面積逐漸變小，靠近下游隔板回流區(qū)面積逐漸增大。當(dāng)L/B=0.67、0.83時(shí)，靠近上游隔板回流區(qū)的面積大于靠近下游隔板回流的區(qū)面積；當(dāng)池室長(zhǎng)寬比為1時(shí)，兩側(cè)回流區(qū)面積大致相等；當(dāng)L/B=1.17、1.33、1.50、1.67時(shí)靠近上游隔板回流區(qū)的面積小于靠近下游隔板回流區(qū)的面積。

(2) 靠近上游隔板回流區(qū)和靠近下游隔板回流區(qū)均包括兩個(gè)較大流速區(qū)，靠近上游隔板回流區(qū)最大流速區(qū)出現(xiàn)在左側(cè)邊壁處(圖9(a)紅圈處)，較小流速區(qū)在水流進(jìn)口隔板處(圖9(a)黃圈處)；靠近下游隔板回流區(qū)最大流速區(qū)出現(xiàn)在隔板邊壁處(圖9(a)粉圈處)，較小流速區(qū)在右側(cè)邊壁處(圖9(a)綠圈處)。兩個(gè)回流區(qū)的中心流速都比較小。

(3) 上游隔板回流區(qū)附近最大流速區(qū)的最大流速一直小于靠近下游隔板回流區(qū)最大流速區(qū)流速。由于篇幅原因，只列出i=1∶70兩個(gè)回流區(qū)的最大流速分布如圖9(c)所示。對(duì)不同底坡坡比不同池室長(zhǎng)寬比的回流區(qū)最大流速進(jìn)行處理如圖9(d)。可以發(fā)現(xiàn)，相同底坡坡比條件下，回流區(qū)最大流速先是隨著池室長(zhǎng)寬比的增加而增加，當(dāng)池室長(zhǎng)寬比增加到1.17時(shí)出現(xiàn)貼壁流現(xiàn)象，回流區(qū)最大流速基本不再發(fā)生變化。以i=1∶70為例，L/B=0.67，回流區(qū)最大流速0.37 m/s；L/B=0.83，回流區(qū)最大流速0.5 m/s；L/B=1.00，最大流速0.56 m/s；L/B=1.17、1.33、1.50、1.67時(shí)回流區(qū)最大流速均在0.59 m/s左右。相同池室長(zhǎng)寬比時(shí)，底坡坡比越大，回流區(qū)流速越大。相同坡比下，各長(zhǎng)寬比池室的回流區(qū)最大流速與池室最大流速比值均在0.40～0.53之間。

圖9 回流區(qū)水力特性分布

(4) 當(dāng)L/B=0.67、0.83、1.00時(shí)，靠近上游隔板回流區(qū)面積大于靠近下游隔板回流區(qū)面積，但二者面積相差較小，在任意回流區(qū)內(nèi)魚(yú)類都可以很好的休息；當(dāng)L/B≥1.17時(shí)主流區(qū)出現(xiàn)貼壁流現(xiàn)象，會(huì)使上溯的魚(yú)類造成傷害，因而池室長(zhǎng)寬比宜在0.67～1.00之間，此工程池室長(zhǎng)寬比L/B可選為1.00。

5 結(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同底坡坡比、不同池室長(zhǎng)寬比下的魚(yú)道的水力特性進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：

(1) 當(dāng)池室長(zhǎng)寬比確定后，不同底坡坡比只影響沿程最大流速大小，不影響主流區(qū)最大流速沿程分布；當(dāng)?shù)灼缕卤却_定后，池室長(zhǎng)寬比變化對(duì)主流區(qū)最大流速沿程分布、位置分布、最大流速沿程衰減都有影響。

(2) 池室長(zhǎng)寬比不斷增加，池室最大流速位置越靠近豎縫處。由于豎縫射流的影響，即使是在不同底坡坡比不同池室長(zhǎng)寬比下，距離豎縫位置一定范圍內(nèi)，沿程最大流速位置并未改變。

(3) 對(duì)于研究區(qū)內(nèi)的魚(yú)道參數(shù)設(shè)計(jì)，從主流區(qū)平面形態(tài)分析，不同池室坡比下，當(dāng)L/B=1.00、1.17、1.33、1.50、1.67時(shí)，相鄰兩級(jí)池室隔板間主流區(qū)平面形態(tài)彎曲較小，研究區(qū)域內(nèi)魚(yú)類在上溯過(guò)程中更容易識(shí)別通道；當(dāng)L/B=0.67、0.83、1.00時(shí)，回流區(qū)兩側(cè)面積相差較小且池室主流區(qū)未出現(xiàn)貼壁流現(xiàn)象，研究區(qū)域內(nèi)魚(yú)類在上溯過(guò)程中不會(huì)受到傷害；當(dāng)L/B=1.00、1.17、1.33、1.50、1.67時(shí)，池室最大流速沿程衰減率基本一致，且都達(dá)到最大值，消能效果較好。

(4) 由于魚(yú)道設(shè)計(jì)流速為1.2 m/s，故池室內(nèi)最大流速不能超過(guò)1.2 m/s，考慮到相鄰兩級(jí)池室隔板間主流區(qū)平面形態(tài)以及主流區(qū)貼壁流現(xiàn)象，池室長(zhǎng)寬比L/B宜選為1.00(池室長(zhǎng)度L宜為3.0 m)，坡比i宜選為1∶70、1∶80、1∶90。