鱼道水力学试验研究

2011-12-24吕海艳

水电站设计 2011年4期

吕海艳,徐威，叶茂

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 前言

随着水利水电工程的不断建设，使原有连续的河流生态系统被分隔成不连续的环境单元，造成了生境的破碎，工程的建成和运行将使洄游鱼类不能到达原来的栖息地，其生存和繁殖将受到影响，可能引起种群数量下降、鱼类种群遗传多样性丧失和经济鱼类品质退化等，最终对鱼类资源产生影响。因此, 为了保护鱼类资源, 恢复河流生物多样性，水利枢纽工程会越来越多地设置不同类型的过鱼设施。我国的鱼道研究工作在上个世纪50年代开始展开，据不完全统计，我国已建鱼道约80座，主要分布在东南沿海。但目前国内对过鱼设施的研究与设计还比较粗浅，成功的过鱼建筑物更是屈指可数。在此期间，鱼道水工水力学模型试验研究也在不断开展。

2 工程概况

某水电站枢纽由挡水建筑物、引水建筑物、泄水建筑物和厂区建筑物四大部分组成。挡水建筑物采用黏土心墙土石坝，引水及泄洪建筑物集中布置在河床右岸。泄洪建筑物由表孔溢洪道作为经常性泄洪设施，同时设置一底孔共同担负泄洪任务。厂区枢纽建筑物布置于右岸坝后、溢洪道出口左侧，包括主机间、安装间、副厂房、开关站和尾水渠等。

根据流域鱼类资源状况及电站建设对其产生的影响，本工程拟从保护鱼类栖息环境、改善电站运行期鱼类产卵条件、修建半洄游性鱼类鱼道、加强鱼类跟踪监测等多方面采取综合、系统的鱼类保护措施，以达到减免工程对鱼类的不利影响，维护区域生物多样性，充分发挥工程效益的目的。

根据渔获物调查表明，电站坝址处流域的鱼类主要由两大类群组成：鲤科的裂腹鱼亚科和鳅科的条鳅亚科，其中裂腹鱼类为优势类群，裸裂尻鱼、横口裂腹鱼和西藏裂腹鱼的生物量占绝对优势，共占96.36%。

3 鱼道池室设计

3.1 设计尺寸

参考国内外鱼道经验及水工设计手册，考虑实际情况，同时根据落差、消能大小、出口流量、坡度、鱼类克流速度等初设鱼道的尺寸如下：鱼道布置在河床右岸，全长为834.16m，鱼道建筑物主要由鱼道进口、明渠段、隧洞段、鱼道出口等组成，鱼道坡度1/28，鱼道净宽2.0m，池室长度为3.70m，共180个水池，每隔10个水池设立一个长7.00m的休息池，共18个。为适应过鱼时段库水位的变幅，设置2个鱼道出口。1号出口底板高程为4 309.50m，2号出口底板高程为4 310.80m。

池室及隔板具体形状和尺寸见图1。

VIDELER通过多年的模型试验在1993年提出了鱼类游泳速度的经验公式，当体长L<0.5m时，鱼类的最大游泳速度为：

Vmax=0.4+7.4L

(1)

鱼类的最适游泳速度为：

Vcr=0.15+2.4L

(2)

根据调查，该工程主要过鱼对象成熟个体平均体长约0.35m，代入上述公式计算得出：主要过鱼对象最大游泳速度为3.0m/s，最适游泳速度为1.0m/s。考虑鱼道流速应能使鱼类较易上溯，本阶段鱼道设计流速确定为1.0～1.5m/s。

注：a=15°,b=45°,A=0.4m,D=0.4m,E=2.0m,G=0.15m,H=0.80m,L=3.7m

3.2 鱼道模型设计

根据试验任务实际情况、试验设备、场地及精度要求，模型为比尺1∶10的正态模型。模型用有机玻璃制作，鱼道原型糙率np=0.014，换算成模型糙率为nm0=0.009 538。根据经验，有机玻璃板制作的模型糙率约为0.008，即该模型的模型糙率略偏小，试验中对一段模型(10个鱼池+1个休息池)做了粗糙处理，使糙率达到nm0=0.01左右，流量0.93m3/s时处理前鱼道内平均水深1.66m，处理后水深增为1.71m，增加了3.22%，平均流速也从1.54m/s降为1.50m/s，降幅2.22%。试验表明，加糙处理前后鱼道内水深和流速略有差异，但影响较小，未加糙的试验结果偏于安全。

试验中通过局部模型试验对水池的底板坡度、隔板型式、过鱼孔位置进行比较，选择满足水力要素

和流态要求的水池体型；再在局部模型试验的基础上进行整体水工水力学模型试验，主要完成鱼道进、出口设计及优化。

3.3 鱼道的水力学实验

3.3.1 鱼道进口试验

为提高下游进口的进鱼效果，确保鱼类能在鱼道出流量的引导下找到鱼道进口进入，在鱼道进口附近的鱼道边墙上埋设诱鱼喷水管，通过边墙引至鱼道进口边墙上，形成喷射水流，诱使鱼类进入鱼道。将鱼道进口至下游约100m至鱼道进口上游10m范围内的河道清理到4 284.50m，形成水池，开挖边界与河床以1∶15的坡度衔接，水流沿坡平稳过渡。经试验，上游水位4 311.3m时，鱼道过流量0.93m3/s，电站不发电时，鱼道进口流速较河道流速大，诱鱼成功率较高；当电站机组运行时，鱼道进口附近河道水流较平顺，河道最大流速0.93m/s，与鱼道进口的流速较接近，为防止鱼类越过鱼道进口直接沿河道上溯，需在鱼道进口上游设置拦鱼电栅。

鱼道下游进口第一堵隔板的位置经过试验研究，设在不同的位置(分别为桩号0+3.5m、0+7.2m、0+10.9m、0+14.6m)，实测了下游水位4 286.6m和4 287.46m时鱼道进口断面(桩号0+0)的流速分布(见图2)。试验结果表明，当1号隔板设在桩号0+10.9m时，进口断面流速分布相对均匀。所以，建议1号隔板与进口距离在10～14m之间。

3.3.2 鱼道池室水力条件试验

经过试验观测，鱼道池室内水流流向明确，主流顺畅，主流经过过鱼孔后流向鱼池左侧，受左侧边墙与隔板的影响产生回流，沿墩头绕至下一道过鱼孔，

图2 鱼道进口断面流速分布示意

在鱼池两侧存在小范围回流区，但强度不大，无漩涡、水跃等流态产生，表底流态、流向基本一致(见图3)。池室内的紊流降低了流速，各过鱼孔最大流速均在底部，流速在1.11～1.75m/s之间，中垂线平均流速为0.85～1.53m/s，基本满足鱼道的设计平均流速1.0～1.5m/s。鱼道池室水力参数见表1。

图3 鱼道池室内流态

表1 实测鱼道池室水力参数

3.3.3 电站进水口对鱼道出口的影响

该电站鱼道出口位于上游库区，1号出口距坝轴线约76m，距电站进水口仅30m，2号出口距离较远，电站运行时对鱼道出口流场是否存在影响，是一个需要研究的问题。试验实测了两种电站运行工况的上游库区流速分布：电站引用流量8.55m3/s(一台机组运行)、17.1 m3/s(两台机组运行)。

由于库区的模型流速为毫米量级, 常规的测速仪器无法满足精度要求, 故采用挪威生产的小威龙测速仪 ( VECTRINO VELOCMIETER )。模型试验实测结果与采用FLUENT软件计算的三维流场结果吻合。由于试验模型只包括一半宽度的库区范围，过水面积减小，所以模型试验的流速较计算流速偏大。库水位4 311.27m、鱼道过流0.93m3/s、电站进水口过流8.55m3/s及17.1m3/s时水面、Z=4 310.0m、Z=4 308.0m三个平面的流场分布见图4～7。电站一台机组运行时，实测电站进口断面在三个平面上的流速分别为0.044m/s、0.033m/s、0.02m/s，鱼道出口流速为0.01～0.03m/s；电站两台机组运行时，实测电站进口断面在三个平面上的流速分别为0.056m/s、0.076m/s、0.081m/s，鱼道出口流速为0.03～0.07m/s。电站进水口前库区流速较小，电站运行时对鱼道出口流场基本没有影响，两台机组运行时电站进口前的流速也较小，鱼类被电站进口吸入的可能性较低。

4 鱼类可通过性试验

为验证鱼道的体型和池室内部的水流流态及流速是否符合鱼类的要求，本试验进行了鱼类通过性试验。经过试验观测到，试验鱼在电站不引用流量时能够较快找到鱼道进口，而在电站运行时，由于上游来水干扰，要花费更多的时间寻找进口，通过喷水装置能够提高诱鱼效率。试验鱼进入鱼道后能够顺利通过过鱼孔，自主地上溯，不会在水池中迷失方向，并在休息池休息，隔板下游侧的小回流区也可供鱼类作短暂休息，至出口附近时，由于流态发生变化，试验鱼经过短暂的徘徊适应后游入库区。