異側(cè)豎縫式魚道水力特性數(shù)值模擬優(yōu)化研究

倪仕杰，李沐春

(1.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌 330029；2.中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330029；3.江西省水工結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330026)

0 引言

水利樞紐在攔洪筑壩的同時(shí)不可避免地會將自然連續(xù)的江河湖泊分隔阻斷，對于魚類而言，不連續(xù)的環(huán)境單元以及經(jīng)歷改變的水位、徑流流速等嚴(yán)重影響其完成上溯產(chǎn)卵[1-2]。因此，為保護(hù)魚類資源、恢復(fù)河流生物多樣性，綜合考慮樞紐工程特點(diǎn)、所處水域特征以及對魚類資源具有針對性考量的魚道水力特性研究已經(jīng)成為水利工程領(lǐng)域一項(xiàng)重要的研究課題[3-4]。

魚道水力學(xué)特性諸如主流軌跡，主流、回流區(qū)分布，流速場等與魚道結(jié)構(gòu)如池室長寬比、豎縫相對寬度、導(dǎo)板布置等均存在聯(lián)系[5-7]，探明這些內(nèi)在規(guī)律對于魚道優(yōu)化流態(tài)至關(guān)重要。曹慶磊等[8-9]證明標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型能夠較好模擬同側(cè)豎縫式魚道池室流態(tài)。Marriner等[10-11]利用ANSYS CFX對加拿大魁北克省黎塞留河上的Vianney Legendre垂直豎縫式魚道水力特性進(jìn)行研究，通過現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)合，驗(yàn)證了三維魚道水力模型的可行可靠性。Ji等[12]對長洲水利樞紐魚道進(jìn)行優(yōu)化研究，采用異側(cè)布置能形成均勻的回流區(qū)與穩(wěn)定的主流區(qū)以更好地滿足消能與過魚要求。目前在我國南方平原地區(qū)對低水頭閘壩工程的魚道研究較少，且在改善魚道休息池室水力特性方面的研究也相對薄弱，導(dǎo)致許多已建成的魚道運(yùn)行效果并不理想[13]。

峽江水利樞紐位于贛江中下游，是鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)的重點(diǎn)水利工程之一，本文以峽江水利樞紐豎縫式魚道為研究對象，通過現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)合魚道水力特性數(shù)值模擬的方法，在分析魚道主要過魚對象的基礎(chǔ)上，針對魚道過魚現(xiàn)狀進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，研究不同豎縫尺寸與橫隔板、導(dǎo)板布置形式下的魚道標(biāo)準(zhǔn)池室、魚道休息池室的水力特性，優(yōu)化池室結(jié)構(gòu)，提高過魚效率，以期為未來擬建的攔河樞紐修建魚類洄游通道提供參考。

1 魚道概況

1.1 魚道設(shè)計(jì)流速

根據(jù)贛江峽江段魚類資源的調(diào)查結(jié)果顯示[14]，峽江魚道主要過魚對象包括：青、草、鰱、鳙，體長主要分布在50cm范圍之內(nèi)。根據(jù)已有關(guān)于峽江典型洄游性魚類游泳能力的研究[15-16]，匯總數(shù)據(jù)見表1。魚道的設(shè)計(jì)流速應(yīng)不小于主要過魚對象的感應(yīng)流速0.2m/s，同時(shí)也不應(yīng)大于魚類的突進(jìn)速度，取峽江魚道設(shè)計(jì)流速為0.2～1.2m/s，其中主流區(qū)與豎縫處流速控制在0.8～1.2m/s，池室回流區(qū)速度控制在0.2～0.6m/s。

表1 峽江魚道主要過魚對象臨界游泳速度

1.2 魚道細(xì)部尺寸

峽江魚道為設(shè)置有橫隔板豎縫的異側(cè)豎縫式魚道，豎縫寬度直接關(guān)系到魚道的過魚效果，魚道池室及剖面尺寸示意圖如圖1所示。依據(jù)NB/T 35054—2015《水電工程過魚設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》導(dǎo)則規(guī)定，魚道豎縫寬度要大于過魚對象體長的0.5倍；我國設(shè)置的魚道豎縫相對寬度(魚道豎縫寬度與魚道池室寬度的比值)一般取值在0.15～0.3范圍內(nèi)[17]，考慮到峽江魚道主要過魚對象體長分布在0.5m之內(nèi)，魚道豎縫寬度需要大于0.25m，故本魚道選取豎縫寬度范圍為0.25～0.90m。

圖1 峽江魚道池室及剖面示意圖

2 數(shù)值模擬方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

截取魚道過壩防洪閘后0+600至0+645處部分標(biāo)準(zhǔn)池室段，按照1∶1比例建立魚道模型；基于有限體積法離散化控制方程，采用SIMPLERC算法對離散方程進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解運(yùn)算，利用補(bǔ)丁適形法劃分魚道模型網(wǎng)格。如圖2所示，魚道水力模型采用速度入口邊界條件，下游采用壓力出口邊界條件，兩側(cè)邊墻均設(shè)置為無滑移墻體，采用VOF法建立函數(shù)F表示流體在單位體積內(nèi)的量，通過求解水氣兩項(xiàng)分?jǐn)?shù)連續(xù)方程追蹤自由液面。

圖2 魚道水力模型示意圖

2.2 控制方程

采用RNGk-ε湍流模型并結(jié)合Reynolds時(shí)均法(RANS)建立魚道水力特性數(shù)值模擬的控制方程[18]：

湍流基本方程：

(1)

(2)

采用RNGk-ε模型的湍動能和湍動能耗散率基本方程分別為：

(3)

(4)

2.3 模型驗(yàn)證

采用現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對魚道水力模型進(jìn)行驗(yàn)證，在橫隔板豎縫處布置A系流速測點(diǎn)，距魚道底部高程2.7m，在魚道豎縫處分別布置B系、C系、D系流速測點(diǎn)(距魚道底部高程2.7、1.8、0.9m)，每相隔一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)池室長度3.6m進(jìn)行一次流速沿程值測量，每相距0.9m進(jìn)行一次流速縱向值測量；在魚道相鄰池室間的橫隔板前后布置沿程水位測點(diǎn)，魚道測點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 魚道實(shí)測測點(diǎn)布置示意圖

擬合在主流經(jīng)過處的測點(diǎn)位置與數(shù)值模擬計(jì)算點(diǎn)主流坐標(biāo)，魚道主流軌跡擬合分布圖如圖4所示，魚道主流呈現(xiàn)雙S形曲線，距離約為2.0m，基本在水力模型數(shù)值模擬計(jì)算范圍內(nèi)，魚道主流軌跡線基本與實(shí)測點(diǎn)吻合。對比魚道實(shí)測流速值與水力模型數(shù)值模擬計(jì)算值，如圖5所示，魚道流速最大誤差0.22m/s，總體流速誤差均在15%以內(nèi)。對比魚道沿程水位分布情況，如圖6所示，魚道沿程水位總體大致與魚道深泓線相平行，模擬計(jì)算數(shù)值均在多次實(shí)測數(shù)值平均值的誤差范圍之內(nèi)，水位誤差小于10%。因此推斷本文所構(gòu)建的魚道水力模型能夠較合理地模擬出魚道實(shí)際流動情況。

圖4 魚道主流軌跡擬合分布圖

圖5 魚道流速實(shí)測值與數(shù)值模擬計(jì)算值對比誤差分布圖

圖6 魚道水位實(shí)測值與數(shù)值模擬計(jì)算值對比分布圖

3 魚道標(biāo)準(zhǔn)池室段優(yōu)化方案

3.1 魚道流態(tài)分析

魚道標(biāo)準(zhǔn)池室段流態(tài)分布如圖7所示，在魚道上層的水流自第一道橫隔板始分為兩條主流，主流分別在相鄰池室間的魚道豎縫與橫隔板豎縫之間相互承接，豎縫處主流的影響主要作用于魚道中、上層，并在豎縫下方形成相應(yīng)的渦流，渦流作用隨著魚道深度的增加逐漸減弱，因此，魚道橫隔板豎縫以及魚道豎縫尺寸的選擇對魚道整體流態(tài)分布有著決定性影響。選取橫隔板豎縫尺寸為0.6m對比原魚道流速表現(xiàn)進(jìn)行比選擇優(yōu)，魚道豎縫不同尺寸布置示意圖如圖8所示。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)池室段流態(tài)分布圖

圖8 魚道豎縫不同尺寸布置示意圖

3.2 魚道流速分析

異側(cè)布置豎縫式魚道主流表現(xiàn)為在相鄰池室間的魚道豎縫與魚道橫隔板豎縫之間相互承接的雙S型曲線，如圖9所示。對魚道流速進(jìn)行定量分析，魚道橫隔板異側(cè)布置的主流具有先增大后減小的特征，增大豎縫尺寸不會改變原有主流運(yùn)動軌跡，優(yōu)化后魚道流速相較于原魚道有明顯降低，如圖10所示，原魚道主流流速集中分布在1.05～1.25m/s，其中主流最大流速出現(xiàn)在四號橫隔板豎縫位置處，達(dá)到1.35m/s，優(yōu)化后魚道主流流速則集中分布在0.95～1.15m/s，豎縫斷面最大流速出現(xiàn)在四號橫隔板附近，數(shù)值為1.18m/s，沒有超過1.20m/s最大設(shè)計(jì)流速。綜合分析流態(tài)表現(xiàn)、流速場分布，考慮選擇豎縫尺寸為0.6m，豎縫相對寬度為0.20的異側(cè)橫隔板布置形式作為標(biāo)準(zhǔn)池室段優(yōu)化方案。

圖9 優(yōu)化后魚道流速矢量與主流軌跡流線分布圖

圖10 魚道標(biāo)準(zhǔn)池室段流速分布對比圖

4 魚道休息池室段優(yōu)化方案

4.1 魚道流態(tài)分析

原魚道休息池室未設(shè)置阻流消能措施，休息池室流態(tài)分布如圖11所示，在魚道豎縫處局部存在測點(diǎn)流速過大，主流貼壁現(xiàn)象以及回流區(qū)分布不甚均勻的情況，考慮在休息池室段新增導(dǎo)板，分別從導(dǎo)板長度、導(dǎo)板布置位置以及導(dǎo)板布置形式3個(gè)方面設(shè)計(jì)共9種工況進(jìn)行比選，魚道休息池導(dǎo)板的布置比選見表2。各工況下魚道休息池室流態(tài)分布如圖12所示，導(dǎo)板所在的不同位置以及不同長寬比決定了低流速區(qū)域的面積、均勻程度以及主流軌跡線流向，導(dǎo)板導(dǎo)角主要影響經(jīng)過導(dǎo)板處流速場。

圖11 原魚道休息池室流態(tài)分布圖

圖12 各工況魚道休息池室流態(tài)分布圖

表2 不同工況下導(dǎo)板布置比選表

4.2 魚道流速分析

對魚道流速場在魚道底層、中層、表層進(jìn)行定量分析，取距魚道底部2.7、1.8、0.9m處豎縫流速分別為V2.7、V1.8、V0.9，各工況休息池室流速場分布圖如圖13所示，原魚道休息池室存在主流區(qū)流速過大現(xiàn)象，最大流速達(dá)到1.86m/s。通過增設(shè)導(dǎo)板對其進(jìn)行優(yōu)化，不同的導(dǎo)板設(shè)計(jì)方式對休息池室后續(xù)池室的流速場均具有影響，工況二、五、七能夠有效降低主流流速，其主流區(qū)最大流速分別為1.1740、1.1707、1.1846m/s，其中工況五、七兩種工況的導(dǎo)板布置型式能更好地實(shí)現(xiàn)池室流態(tài)由休息池到標(biāo)準(zhǔn)池室的平緩過渡，同時(shí)滿足流速不宜過高的要求，工況五主流區(qū)平均流速0.8849m/s，回流區(qū)平均流速0.3886m/s；工況七主流區(qū)平均流速0.8296m/s，回流區(qū)平均流速0.2964m/s。二者區(qū)別在于導(dǎo)角的設(shè)置，30°導(dǎo)角的設(shè)置能夠更好地降低橫隔板豎縫主流流速與魚道豎縫主流平均流速，更有利于魚類上溯，工況七魚道休息池室流速場分布圖如圖14所示。

圖13 魚道休息池室流速場分布圖

圖14 優(yōu)化后魚道休息池室流速矢量與主流軌跡流線分布圖

5 結(jié)論

本研究重點(diǎn)圍繞魚道結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其水力特性改善效果等內(nèi)容，其結(jié)果可為未來擬建魚道或改善魚道過魚效果提供參考，主要研究成果如下：

(1)采用RNGk-ε湍流模型耦合VOF自由液面追蹤法的魚道水力特性數(shù)值模擬方法能夠較好地模擬出魚道池室流態(tài)，經(jīng)過與魚道實(shí)測數(shù)據(jù)對比驗(yàn)證，二者主流軌跡線吻合，主流、回流區(qū)分布相近；在流速分布上總體誤差在15%以內(nèi)，沿程水位總體誤差小于10%。

(2)以峽江魚道為研究對象，橫隔板異側(cè)豎縫式魚道主流表現(xiàn)為在相鄰池室的魚道豎縫與橫隔板豎縫之間相互承接的雙S型曲線，當(dāng)采用豎縫相對寬度為0.20的橫隔板豎縫尺寸時(shí)，魚道主流最大流速降幅達(dá)到12.17%，滿足不超過魚道設(shè)計(jì)流速要求。

(3)在主流流速較高的休息池室，導(dǎo)板的增設(shè)有利于改善原休息池流態(tài)，當(dāng)導(dǎo)板位置位于1/2休息池室長度處，長寬比2.5，30°導(dǎo)角時(shí)，主流最大流速降幅達(dá)到36.44%，能夠在休息池室能形成3個(gè)大小適宜，速度適中的回流區(qū)供給魚類洄游休憩。