同侧竖缝式鱼道直角转弯休息池段体型研究

蒲 云 娟， 何 艳， 吕 海 艳， 魏 鹏 程

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072;2.西华大学，四川 成都 610039)

1 问题的提出

鱼道作为梯级水电站建设的生态补偿工程成为洄游鱼类上溯的关键通道。其中竖缝式鱼道能更好地适应上下游水位的变化，表层鱼类和底层鱼类都可以通过其上溯，从而更有利于上下游各种鱼类的交流，是当今鱼道工程建设最广泛的应用型式。时至今日，许多国内外学者对竖缝式鱼道典型池室的水力特性进行了研究，取得了一系列成果。戚印鑫和孙娟等[1]结合新疆某拦河枢纽鱼道工程的物理模型试验研究，分析了鱼道流量系数的变化规律，推导出流量系数计算公式，得出鱼道流量系数与常规堰的流量系数变化规律正好相反的结论。徐体兵和孙双科[2]采用数值模拟计算的方法，研究了典型池室的长宽比和隔板墩头体型对池室内水流流态的影响，得到池室的长宽比是影响水流结构的主要控制因素，而隔板是否设置墩头对水流结构影响有限的结论。罗小凤和李嘉[3]研究了竖缝式鱼道导板的长度和导角的大小对池室内流场的影响，认为在鱼道流量及池室长宽比一定的情况下，若不考虑边壁阻碍作用，其导角越大，竖缝射流衰减速度越快, 主流轨迹的弯曲程度也越大、越容易冲撞到边壁；而导板的长度对主流的扩散和衰减基本没有影响, 但能改变主流在鱼道内的位置进而改变边壁对流态的影响程度；张国强和孙双科[4]在选取池室的长宽比、导板长度和导向角度等参数后，研究了竖缝宽度对水池内水流结构的影响，给出了竖缝宽度的合理取值范围。

在实际工程中，鱼道设计需根据河道岸边的实测地形地质条件布置，多存在直角转弯段。通常将直角转弯段与休息池结合布置，其底部为平坡。在直角转弯段内，水流方向在有限的空间内发生改变，主流容易集中于一侧边壁，而另一侧则会伴随较大范围的回流，导致鱼类无法较好地感应到主流的水流方向，较容易在回流区内迷失方向而导致其无法成功上溯。但截止到目前，针对鱼道直角转弯段取得的研究成果较少，缺乏可供借鉴和参考的资料。因此，对直角转弯段的水力特性进行研究十分必要。结合国内某水电站鱼道工程的设计，采用物理模型试验和数值模拟计算相结合的方法进行了竖缝式鱼道同侧缝的直角转弯段体型研究，提出了改善水流流态的有效措施，旨在为鱼道的设计与施工提供参考。

2 研究方法

2.1 体型研究

文中鱼道典型池室段的底板坡度为2.6%，典型池室长3 m、宽2.4 m，竖缝宽度为0.35 m，插板采用“L”型，长插板长1.65 m，短插板长0.56 m。共研究了3种同侧缝直角转弯段体型：(1)体型一：转弯段上游竖缝距转弯段内侧端头2.4 m，下游竖缝距内侧端头1.3 m；(2)体型二：转弯段上游竖缝布置于转弯段内侧端头处，转弯段外侧设置半径为1 m的1/4圆弧，下游竖缝距内侧端头1.3 m；(3)体型三：转弯段上游竖缝距转弯段内侧端头的距离为1 m，转弯段外侧设置半径为1 m的1/4圆弧，下游外侧设置整流板(距外侧端头的距离为3.4 m)，下游竖缝距内侧端头的距离为4.3 m。三种同侧缝直角转弯段体型见图1。

(a)体型一 (b)体型二 (c)体型三

2.2 物理模型

物理模型按重力相似准则设计，采用比尺为1∶5的正态模型，采用有机玻璃模拟制作直角转弯段以及其上下游典型池室段。试验中的流量采用电磁流量计测读；流速分布采用微型流速旋桨流速仪量测；流态观测采用目测、照相及录像的方式进行记录。

2.3 数值模拟

数值模拟工具选用FLUENT软件，计算模型选用Standardk-ε紊流模型，自由水面处理采用VOF法，固壁边界处理采用壁面函数法，偏微分方程离散采用有限体积法，动量、紊动能和紊动耗散率插值采用二阶迎风格式。计算区域包含直角转弯段以及其上下游典型池室段。鉴于池室体型比较规则，故其网格划分全部采用结构化六面体网格。计算区域与网格划分示意图见图2。

图2 计算区域与网格划分示意图

3 试验成果与分析

3.1 物理模型试验成果与数值模拟计算结果

采用物理模型和数值模拟分别对三种体型进行了测试与计算。其基础工况为：鱼道的引用流量为0.79 m3/s、鱼道内运行水深为2 m。由于竖缝式鱼道内水流总体呈现二维性质[5]，且其表层、中层和底层流场分布基本相似，故物理模型的试验成果与数值模拟的计算结果均取水面下1 m的中层流场进行分析。三种体型的试验成果与计算结果见图3～5。

图3 体型一的试验成果与计算结果示意图

3.2 成果分析

首先对物理模型的试验成果和数值模拟的计算结果进行相互验证。从平面流场可以看出：数值模拟计算的直角转弯段水流流态与物理模型试验的观测结果基本相同。转弯段水流流向明确，经过竖缝后主流扩散、流速减小，在受到直角转弯的影响后主流存在一定程度的偏转，池室左右两侧分布一定范围的回流。研究随机选取了三种体型中任意一断面，对其相同位置处的物理模型实测流速值和数值模拟计算流速值进行了比较，数值模拟计算成果与物理模型试验成果的对比情况见图6。由对比结果可以看出：数值模拟计算值和模型试验实测值基本吻合。

图4 体型二的试验成果与计算结果示意图

图5 体型三的试验成果与计算结果示意图

(a)体型一 (b)体型二 (c)体型三

各体型流场分布比较情况见表1。

表1 各体型流场分布比较表

体型一：水流流经转弯段上游竖缝后受插板墩头导角的影响，主流朝池室左侧移动，由于上游竖缝距转弯段端头较远，水流在进入弯道前即在池室左侧发生碰壁，主流集中于左侧侧壁下行。

随后，水流到达转弯处，由于弯道效应，主流集中于转弯段外侧。水流流出弯道后，受下游竖缝的影响，主流渐渐往池室右侧移动。该体型中，主流集中于外侧壁面，中部与内侧存在较大范围的回流区，鱼类上溯时可能会因回流区的存在而迷失方向。

体型二：转弯段上游竖缝位于转弯段内侧端头处，下游竖缝位于转弯段内侧端头下游1.3 m处，转弯段的空间较为局促。由于受到上下游两组插板的约束，水流在流出上游竖缝后主流未能充分扩散便转弯进入到下游竖缝中。整个转弯段内的水流主流过于集中、流向偏转变化较快，水流较紊乱、流态较差。该体型中，主流集中于转弯段内侧，外侧存在较大范围的回流区且回流区的强度较大，同样不利于鱼类上溯。

体型三：上游竖缝距转弯段内侧端头的距离为1 m，介于体型一(2.4 m)与体型二(0 m)之间，水流流出上游竖缝后其主流有较充分的扩散空间，在流速降低后其主流仍位于池室中部时再转弯。水流转弯后其主流虽然较靠近外侧壁面，但由于下游竖缝充分下移(距转弯段内侧端头达4.3 m)，转弯段的空间较大，水流有充分的空间调整主流流向。同时，转弯段下游左侧增设的整流板将主流往右侧偏移并有效地阻隔了外侧壁面回流区的发展。该体型中，水流主流明确、基本位于池室中部，回流区范围较小、强度较低，适宜鱼类休息和继续上溯。

根据对三种体型的试验结果进行分析后可以看出：转弯段上游竖缝的布置位置对转弯段内的水流流态有较明显的影响，上游竖缝距转弯段端头较远会导致水流主流贴近外侧壁面，导致其内侧分布大范围回流，距离转弯段端头太近会导致水流主流过于集中、顶冲外侧壁面，水流流态较差。根据试验结果可以得出以下结论：上游竖缝距转弯段内侧端头1～1.5 m较为适宜。将转弯段外侧设置为1/4圆弧顺接后，水流转弯时能更顺畅、更平稳地衔接过渡，从而进一步减小了转弯段外侧的回流范围。考虑到直角转弯段内水流的弯道效应较为明显，转弯段下游需要给予充分的空间让水流进行调整，故将转弯段下游竖缝与内侧端头之间的距离设置为大于一个典型池室的长度较为适宜。由于水流直角转弯后其主流较多地集中于外侧，为了进一步调整水流主流的位置使其大致位于池室中部、同时阻隔外侧壁面回流区的发展，需要在直角转弯段外侧下游设置整流板。

4 结 语

采用物理模型试验和数值模拟计算相结合的方法、依托国内某水电站鱼道工程的实际情况，对竖缝式鱼道同侧缝直角转弯休息池段的水流流态和流场分布进行了研究并得到以下结论：

(1)转弯段上游竖缝的位置对转弯段内的水流流态有较明显的影响，上游竖缝距转弯段端头太远或太近都会导致水流主流集中、回流区范围较大，均不利于鱼类上溯。研究结果表明：上游竖缝距转弯段内侧端头1～1.5 m可以获得较好的水流流态。

(2)直角转弯段内水流的弯道效应较为明显，下游需要较充分的空间让水流进行调整。研究结果表明：转弯段下游竖缝与转弯段内侧端头之间的距离大于一个典型池室的长度较为适宜。

(3)在直角转弯段下游外侧增设整流板后，主流基本位于池室中部，回流区的分布范围减小、流速降低，形成了有利于鱼类上溯的流态特征。研究结果表明：增设整流板的辅助措施效果良好，在实际工程的设计和施工时可以考虑采用。