仿自然通道及鱼道池室结构布置研究

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(1.长江勘测规划设计研究院 枢纽设计处，武汉 430010；2.长江科学院 水力学研究所, 武汉 430010)

仿自然通道及鱼道池室结构布置研究

朱世洪1，王智娟2，黎贤访1，王改会1

(1.长江勘测规划设计研究院 枢纽设计处，武汉 430010；2.长江科学院 水力学研究所, 武汉 430010)

2017,34(12):48-52

为了提高仿自然通道及鱼道设计水平，以某水电站仿自然通道工程为案例，根据其过鱼需求，提出了池室结构布置方案，并通过数值模拟及物理模型试验对其平面及三维池室流态进行了分析。结果表明:通过在仿自然通道或鱼道内部采用收缩段、侧壁设置消能墩、底部辅以条形消能墩的新型结构可使池室内部流场实现纵向分层和横向分区，可供不同游泳能力的鱼类通过。该池室结构在流速流态控制等方面较普通仿自然通道和技术型鱼道均具有优势，适合多种鱼类通过，具有推广价值。

仿自然通道；鱼道；过鱼对象；收缩段； 消能墩

1 研究背景

河流的连通性是河流生态系统的最基本特点，是河流生态系统保持其生态结构和执行其生态功能的重要前提条件和基础[1]。在河流上修筑拦河工程，改变了河段原有的连通条件，阻隔了鱼类及水生生物的上、下交流。为保护鱼类资源，恢复河流生物多样性，国内外一般修建过鱼设施来减缓工程的阻隔影响。过鱼设施主要分为鱼道、仿自然过鱼通道、鱼闸、升鱼机和集运渔船等几种类型，鱼道是其中适用性最广的。

常规鱼道水流在隔板或障碍物处跌落，形成流速较大的单一均匀水流[2]，只能满足某种特定过鱼对象成熟体的上溯要求。其他游泳能力相对较差的鱼类，或目标过鱼对象的幼鱼和仔鱼，难以通过常规鱼道。20世纪后期，欧洲开始采用旁路水道[3-4](仿自然通道)，取得了较好的过鱼效果，但其适应的过鱼水头较小(一般在10 m以内)，坡度较缓[5]、占地面积较大，影响工程的经济指标，对于较高水头的拦河建筑物，实施难度较大。本文以某水电站仿自然通道为案例，提出了一种新型池室结构布置型式，可供不同游泳能力的鱼类通过。

2 池室设计

某水电站位于长江干流上，主要过鱼对象为达氏鲟、胭脂鱼等珍稀鱼类，圆口铜鱼、圆筒吻鮈、长鳍吻鮈、长薄鳅等特有鱼类以及四大家鱼等经济类，过鱼季节为全年。根据主要鱼类的克流能力，最大设计流速为0.5～1.5 m/s。

2.1 池室主要结构尺寸

鱼道及仿自然通道的主要结构尺寸视鱼类习性和过鱼规模而定。鱼道池室宽度[6]不应小于最大过鱼目标体长的2倍；池室长度不应小于最大过鱼目标体长的2.5倍；池室长宽比宜取1.2～1.5；仿自然通道宽度[7]宜取最大过鱼目标体长的3～5倍。

考虑到所过鱼类的种类和习性，仿自然通道断面采用宽7 m、高4.5 m的矩形混凝土结构，纵向底坡比1%，底部和两侧采用石笼堆砌形成等腰梯形断面，梯形断面底宽5 m、顶宽6.4 m、高3.5 m，两侧边坡均为1∶0.2。池室长度取10.0 m，水深2.5～3.0 m。

2.2 池室内部布置

仿自然通道内部水流需具备“蜿蜒曲折、主急侧缓、滩潭相间、有深有浅”等特点，在池室内部存在大小不一的分区流场，可供不同游泳能力的鱼类通过。

2.2.1 方案1

通道间隔10 m采用厚2 m的隔墩横向堆砌形成矩形收缩断面，收缩段长短边交错布置。在收缩段及池室内设置3组阻水墩柱，1#和2#阻水墩柱垂向贯通,柱高3.5 m,墩柱直径分别为1.4 m和0.8 m； 3#阻水墩柱高1 m、直径0.8 m；收缩段底部布设7个直径为0.6 m的阻水墩柱，其中6#和10#圆柱高1.5 m，其余圆柱高1.0 m，具体布置见图1。

图1 方案1池室结构布置示意图

图2 方案2池室结构布置示意图

2.2.2 方案2

根据方案1物模试验成果，阻水墩柱使池室内底部流速明显降低，但对于收缩断面底部流速降低作用不明显；收缩段短边的存在使过水面积减小，不利于降低收缩段流速；通过在收缩段前后设置2.0 m高的小隔墩，可较为有效地降低收缩段处流速。

因此，方案2收缩段采用矩形长隔墩，交错布置在两侧，间距10.0 m。通道底部不再采用阻水墩柱而设置条形消能墩，池室4排，隔墩处3排，相邻消能墩交错布置，在侧壁留有1.0 m宽的通道；消能墩高0.6 m、宽0.5～0.8 m、相互之间净距0.8～1.1 m。第1排消能墩和第3排消能墩处分别设置有1.5 m×1.5 m×2.0 m(顺水流向×垂直水流向×高)和1.2 m×1.0 m×1.0 m(顺水流向×垂直水流向×高)的2个宽墩，具体布置见图2。

在仿自然通道所有接触水流的部位，包括侧壁、底部，隔墩消能墩的侧壁和底部镶嵌鹅卵石，仿自然化模型布置见图3。

图3 三维效果及模型布置示意图(方案2)

3 研究成果分析

3.1 数模计算

3.1.1 模型介绍

数学模型采用N-S方程，建立三维k-ε紊流数学模型模拟水流。控制方程包括连续性方程、动量方程、紊动能k方程、紊动能耗散率ε方程,其表达式分述如下。

(1)

动量方程：

(2)

紊动能k方程：

(3)

紊动能耗散率ε方程：

(4)

式中：ρ为密度；t为时间；ui为i方向的时均流速分量；xi为i方向的坐标分量；p为压力；μ为黏性系数；μt为紊动黏性系数，μt=ρCμk2/ε；gi为i方向的重力加速度分量；k为紊动能；ε为紊动能耗散率；G为紊动能产生项，G=μt(∂ui/∂xj+ ∂uj/∂xi)∂ui/∂xj；σk为紊流常数，取值1.0；各项紊流常数取值为Cμ=0.09，σε=1.3，Cε1=1.44，Cε2=1.92。

在每个控制体内，水和气的体积分数之和满足αw+αa=1关系。引入VOF模型后，混合流体的密度可表示为ρ=αwρw+(1-αw)ρw，混合流体的黏性系数可表示为μ=αwμw+(1-αw)μa。

3.1.2 计算成果

3.1.2.1 方案1

池室平均水深为3 m，通道通过流量为10.0 m3/s。主流在池室中部被1#和2#圆柱阻挡分流现象明显；大流速区位于收缩段内，收缩段内流速呈非对称分布，两侧靠近隔墩处流速较大，最大流速位于长隔墩迎流墩头附近，约为1.8 m/s；收缩段上层中部近一半区域水流流速低于1.5 m/s，随着水深增加，低于1.5 m/s的流速区范围增大；收缩段底层水流中存在10#—8#—7#—5#的0.5～1.0 m/s低流速区，最小宽度约为0.3 m(见图4)。

由图4还可知,水流沿平面形成了比较连贯的洄游通道，沿垂向形成了较明显的高、中、低的流量梯度，可为喜爱不同水深的鱼类提供洄游通道。

图4 方案1流速分布

3.1.2.2 方案2

池室平均水深为3 m，通道通过流量为9.9 m3/s。上层池室上下游收缩段之间主流较为平顺，在大隔墩上下游侧边角处分别形成一小一大的回流区；中层流线分布与上层基本相似，在中隔墩导流作用下，主流流线稍有弯曲；底层大隔墩两侧通道流线较为平顺，但中隔墩附近小范围流线较为复杂。

大流速区主要分布在收缩段大隔墩近处的中上部位和中隔墩顶面上层；池室内中层以下范围流速在1.0 m/s以内，底部通道流速基本都在0.5 m/s以内；收缩段中心横断面流速1.0～1.5 m/s范围占断面面积2/3以上，在底部通道以上和侧壁附近有0.2～0.4 m宽的0.5～1.0 m/s流速带状区，断面底部通道流速在0.5 m/s以内(图5)。

图5 方案2平面流速分布

3.2 1∶5局部水工物理模型试验

局部水工物理模型为正态模型，比例尺1∶5，按重力相似准则设计。模型总长约55 m。仿自然通道边墙、上下游水库、补水池等均用水泥砂浆粉面制作。

3.2.1 方案1

(1)通道水深基本上在3.0 m左右，泄流能力接近10.0 m3/s，表面坡降接近底坡比1%。

(2) 收缩段表、中部流速基本满足要求，但是底部流速较高。在收缩段及池室底部以增加消能柱为主的一系列消能措施后，底部流速降低的同时，中部和表层流速增加。消能柱虽然可以增加底部阻力，使底部流速整体降低，特别是柱后流速降低明显，但是同排或前后排消能柱之间存在较高流速，鱼类通过收缩段时必须要经过柱与柱之间区域，无法形成贯通的低流速通道。

(3) 收缩段处短边的存在使过水面积减小，不利于降低收缩段流速。根据试验研究结果，取消短边，在其前后设置2.0 m高的小隔墩，可以较为有效地降低收缩段该侧处流速。

3.2.2 方案2

3.2.2.1 流 态

通道内流量10.0 m3/s，池室水深基本均在3.0 m，池室落差在0.1 m左右。水流经过收缩卡口处时，主流偏向隔墩一侧，另一侧边壁处约有1.0 m宽度范围流速较低；出卡口后，主流逐渐向大隔墩后一侧扩散。在池室中部，主流折返向下一个大隔墩侧，另一侧形成较低流速区。由于该体型在卡口上下增加高度分别为1.0 m和2.0 m的小隔墩，对主流向边壁扩散产生一定的阻挡作用，因此在两侧均出现了低流速区(图6)。

图6 表面流态分布

图7 表层流速、中部流速及底部流速分布

3.2.2.2 流速分布

表层流速、中部流速及底部流速分布如图7所示。由图7可知：

(1) 表层流速靠近大隔墩侧流速较高，最大值为1.95 m/s，另一侧较低。通过流速>1.5 m/s区域范围分析，存在流速<1.5 m/s的连通区域，该区域最小宽度在1.6 m左右(图7(a))。

(2) 中部流速分布规律特点基本同表面流速，靠近大隔墩侧流速较高，另一侧较低，通过流速>1.5 m/s区域范围分析，存在流速<1.5 m/s的连通区域，该区域最小宽度在1.4 m左右(图7(b))。

(3) 收缩卡口处池室底部流速最大值为0.51 m/s，池室流速基本在0.5 m/s以下，个别点超出0.5 m/s，最大值为0.69 m/s，出现在池室第1排消能墩前的通道内(图7(c))。

3.3 对比分析

(1) 方案1采用阻水墩柱消能，数模计算中，水流在平面和垂向形成了较明显的流量梯度，可为喜爱不同水深的鱼类提供洄游通道；物理模型试验中，消能墩柱虽然可以增加底部阻力，使底部流速整体降低，但是同排或前后排消能柱之间存在较高流速，无法形成贯通的低流速通道。

(2) 方案2采用侧壁消能墩结合底部条状消能墩的方式，数值模拟计算及物理模型试验中均能形成上下贯通的低流速通道，使流场实现“纵向分层和横向分区”。一方面实现在不同高度有不同的流场形态，另一方面横向形成高流速区和低流速区，最终使表层、中部以及底部均能够形成足够宽度的低流速连通区域。

4 结 论

(1) 过鱼设施设计中，池室内部的水流条件能否满足鱼类的克流能力，是鱼类能否有效通过的重要因素。

(2) 通过在仿自然通道或鱼道内部采用收缩段、侧壁设置消能墩、底部辅以条形消能墩的新型结构，池室流场实现了“纵向分层和横向分区”，可供不同游泳能力的鱼类通过。

(3) 该研究提高了仿自然通道和鱼道的设计、科研水平，可为国内大江大河上过鱼对象种类较多的类似工程提供参考依据。

[1] 史云鹏，曹晓红.水利水电工程维持河流连通性的思考[J]. 中国水能及电气化，2011，(12)：20-25.

[2] 孙双科.北京市上庄新闸竖缝式鱼道的水力设计研究[C]∥中国水利水电科学研究院.水电2006国际研讨会. 昆明,2006：951-957.

[3] 李志华，王 珂，刘绍平，等. 鱼道——设计、尺寸及监测[M].北京：中国农业出版社，2009.

[4] 王 猛，岳汉生，史德亮，等. 仿自然型鱼道进出口布置试验研究[J].长江科学院院报，2014，31(1)：42-46.

[5] 李盛青，丁晓文，刘道明. 仿自然过鱼通道综述[J].人民长江，2014，45(21)：70-73.

[6] SL 609—2013，水利水电工程鱼道设计导则[S]. 北京：中国水利水电出版社，2013.

[7] NB/T 35054—2015，水电工程过鱼设施设计规范[S]. 北京：中国电力出版社，2015.

Pool Structure of Nature-like and Technical Fish Passage

ZHU Shi-hong1, WANG Zhi-juan2, LI Xian-fang1, WANG Gai-hui1

(1.Department of Hydropower Junction Design, Changjiang Institute of Survey, Planning, Design and Research, Wuhan 430010, China; 2.Hydraulics Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

To improve the design of nature-like and technical fish passage, we propose a pool structure for a hydropower plant based on the target fish species requirements, and analyse the plane and 3-D flow pattern in pools by numerical simulation and physical model test. Result shows that by adding contraction section, side baffle block and strip bottom sills in nature-like and technical fish passage pools, the flow field in pools can be divided into different layers in longitudinal direction and different zones in horizontal direction to meet the requirements of different fish species with varying swimming performance. The proposed pool structure has advantages in velocity control and species selectivity compared with traditional nature-like and technical fish passage, and has practical application value.

nature-like fishway; fish passage; target fish species; contraction section; energy dissipation pier

2016-12-19;

2017-02-10

国家自然科学基金青年基金项目(51509016)

朱世洪(1972-),男，湖南武冈人，高级工程师，硕士，主要从事通航建筑物及过鱼建筑物的设计及研究，(电话)027-82820371(电子信箱)740914667@qq.com。

10.11988/ckyyb.20161332

TV135

A

1001-5485(2017)12-0048-05

(编辑：黄 玲)