广西老口枢纽U型鱼道转弯段水力特性研究

韩若冰 蔡德所

摘要：在鱼道坡度的限制下，上下游水位差越大，鱼道所需长度越长。因此，U型鱼道因其在对长度要求下场地的节约性，得到广泛应用。目前，对U型鱼道转弯段的研究较少，缺乏完整的设计方法。本文以广西老口枢纽下游段的竖缝式U型鱼道为研究对象，采用Flow-3D软件对鱼道转弯段的水力特性进行了数值模拟分析。结果表明：老口枢纽U型鱼道转弯段主流区明确，最大水平流速为1.27m/s，紊动不剧烈，消能效果较好，左侧转弯段主流区水流贴边墙流动，出现较大的回流区，右侧转弯段主流区处于中部，回流区位于主流区两侧。广西老口鱼道可满足鱼类上溯的基本要求。

关键词：竖缝式鱼道；转弯段；Flow-3D；数值模拟；水力特性

基金项目：国家自然科学基金资助项目（40971280）

中图分类号： TV135 文献标识码： A DOI编号： 10.14025/j.cnki.jlny.2018.22.086

鱼道，作为维持鱼类自由溯游的主要建筑物，近年来在国内外得到更多重视。竖缝式鱼道结构简单、过鱼效率高、应用广泛。多数大坝上下游差较大，所需鱼道长度较长，受场地限制难以布置成直线，往往需要布置成折返式，即U型鱼道。鱼道水力特性是影响过鱼效果的主要因素[1]。U型鱼道转弯段内，由于水流流行发生180°转向，水流流态与紊动能发生巨大变化，容易对鱼类上溯产生不利影响。因此U型鱼道转角段水力特性具有很大的研究意义。目前，许多学者对竖缝式鱼道池室及休息室水力特性进行了很多研究[2]，对U型鱼道转弯段的研究较少，也未见U型鱼道转弯段相关的成熟设计方法。作者基于老口航运枢纽竖缝式鱼道下游段U型鱼道，采用数值模拟方法，研究U型鱼道转弯段水力特性，为其他鱼道设计作参考。

1 工程概况

广西老口航运枢纽位于邕江上游，左江、右江交汇处下游4.7km处[6]。老口枢纽距广西首府南宁市市区约34km，是那凝视邕江综合利用枢纽规划梯级中的第七级，以防洪为主，兼顾改善南宁市水环境的综合性枢纽。老口枢纽建成后，阻碍了鱼类洄游通道，因此修建了竖缝式鱼道作为主要过鱼建筑物。老口枢纽鱼道总长约719m，布置图如下，主要由三段构成：一是大坝下游U型段总长约397m，由于布置空间有限，布置成3个U型段以减少开挖；二是大坝下游L型段总长约124m，沿安装间右侧及下游侧外围布置；三是过坝段及上游段总长约198m，沿厂房右岸护岸岸坡布置。

2 数值模拟

2.1 数学模型

数值模拟采用（RNG）模型。（RNG）模型通过大尺度的运动和修正后的粘度项的方法来体现小尺度的影响，从而在控制方程中去除小尺度的运动。

2.2 计算区域及物理模型

本文选取老口航运枢纽U型鱼道下游段进口的40个池室作为模拟计算区域，模型净长69m，净宽18.5m，净高6.5m，沿鱼道中心线全长169.129m，鱼道坡度1∶60，模拟模型图、平面尺寸图及局部尺寸详见图1。

2.3 边界条件及算法

Flow-3D软件能够实现对鱼道水力特性进行较为精确的模拟[3]，因此，本文采用Flow-3D软件进行数值模拟计算。数值模拟计算上下游边界采用压力边界，工况选取老口枢纽上游水位75.5m，下游水位65m，即鱼道水位H=2m，对应模型上游水深5.53m，下游水深3m。模型顶部设置为压力边界，大气压强为101325Pa，边墙与底部为固壁边界。在计算区域内，网格采用六面体结构网格，网格边长0.1m，初始时间步长及最小时间步长采用默认值。

将青、草、鲢、鳙 “四大家鱼”作为老口航运枢纽鱼道的主要过鱼对象。其游泳能力对应的极限流速为：体长0.1～0.3m对应极限流速0.7～0.9m/s，体长0.3～0.9m对应极限流速1.2～1.9m/s。

3 结果与分析

在鱼道水位H=2m下进行模拟计算后，主要对两个180°转弯段水力特性进行研究。分别选取两个转弯段不同水深剖面进行分析，剖面高度h与鱼道水位H的比值，h/H分别取0.2，0.5，0.8。

3.1 转弯段流态分析

流态是影响过鱼效果的主要因素。对于鱼类上溯，转弯段主流区要明确，能让鱼类感知到主流方向；存在一定回流区以达到消能效果；转弯段回流区流速不宜过大，否则影响鱼类休息；最大流速应小于极限流速。

3.1.1 左转弯段流态分析 左转弯段模拟结果如图1。

由图2模拟结果可知：一是三个典型剖面的流态分布基本相同，主流区贴向鱼道转弯段外壁，在转弯段中心形成一个较大的回流区，在进弯外壁处和出弯外壁处形成两个较小的回流区；二是三个典型剖面的最大水平流速分别1.27m/s（底层，h/H=0.2）、1.11m/s（中层，h/H=0.5）、1.13m/s（顶层，h/H=0.8），均出现在上一池室竖缝主流区与进弯段交界处，数值相差很小。三个典型剖面垂向流速数值均较小；三是主流区水平流速在0.5～1.3m/s之间，满足大部分鱼类上溯条件[4]，出现主流区贴壁的主要原因是进弯处水平流速方向朝向外壁，加上在转弯段流向发生180°转向，使得出现主流区贴壁的现象；四是由于主流区贴向外壁，在左侧转弯段中部形成较大的回流区，回流区流速较小，在0.4m/s以下，中心点接近于0，适合鱼类休息[5]；五是左侧转弯段能够充分消能，降低流速。

3.1.2 右转弯段流态分析 右转弯段模拟结果如下。

由上述模拟结果可知：一是三个典型剖面的流态分布基本相同，主流区在转弯段中心处，四个回流区分布在主流区两侧；二是三个典型剖面的最大水平流速分别1.19m/s（底层，h/H=0.2）、1.15m/s（中层，h/H=0.5）、1.07m/s（顶层，h/H=0.8），均出现在上一池室竖缝主流区与进弯段交界处，数值相差很小。三个典型剖面垂向流速数值均较小；三是主流区水平流速在0.4～1.2m/s之間，满足大部分鱼类上溯条件，流态分布与左转弯段不同的原因是进弯处水平水流流场朝向转弯段中心，与左转弯段相比流向变化不剧烈；四是四个回流区流速较小，均在0.4m/s以下，中心点接近于0，适合鱼类休息；五是右侧转弯段能够充分消能，降低流速且流态分布较左转弯段好。

3.2 转弯段紊动能

紊动能是流体紊动所具有的动能，鱼道内紊动能过大会使鱼类迷失方向甚至失去平衡，严重的会有扭伤身体，损伤眼睛等严重后果[5]。因此，对紊动能的研究是必要的[7][8]。

3.2.1 左转弯段紊动能 左侧转弯段紊动能模拟结果如下。

由图4可知：一是三个典型剖面紊动能分布相似；二是左侧弯道回流区紊动能在0.06J/kg以下，方便鱼类休息；三是主流区紊动能在0.06～0.1J/kg之间，最大为0.101J/kg；四是底层（ h/H=0.2）、中层（h/H=0.5）和顶层（h/H=0.8）最大紊动能分别为0.083J/kg、0.101J/kg、0.092J/kg，满足鱼类上溯基本要求。

3.2.2 右转弯段紊动能 右侧转弯段紊动能模拟结果如下。

由图5可知：一是三个典型剖面紊动能分布相似；二是右侧弯道回流区紊动能在0.06J/kg以下，方便鱼类休息；三是主流区紊动能在0.06～0.107J/kg之间，最大为0.107J/kg；四是底层（ h/H=0.2）、中层（h/H=0.5）和顶层（h/H=0.8）最大紊动能分别为0.106J/kg、0.105J/kg、0.093J/kg，满足鱼类上溯基本要求。

4 结论

基于Flow-3软件对老口航运枢纽U型鱼道转弯段水力特性进行了数值模拟计算，主要研究了转弯段流态分布及紊动能分布。结果表明：

在不同水深下转弯段流态分布相似，主流区明确，可为鱼类上溯提供明显路线，且均存在流速较小（0.4m/s以下）的回流区，最大流速值1.27m/s，满足大部分鱼类上溯要求。左侧转弯段出现主流区贴向鱼道外壁现象且回流区较大，会对鱼类上溯造成不利影响。在不同水深下紊动能分布相似；回流区紊动能较小（0.06J/kg以下），最大紊动能不大。经研究表明，老口航运枢纽鱼道转弯段基本满足鱼类上溯条件，但实际过鱼效果仍需在实际中检验。

参考文献

[1]WU S， RAJARATNAM N， KATOPODIS C. Structure of Flow in Vertical Slot Fishway[J]. Journal of Hydraulic Engineering，1999，125（04）：351-360.

[2]高柱，戴会超，郭卓敏，等.隔板型式对竖缝式鱼道水力特性的影响研究[J].水利水电技术，2014，45（10）：37-41.

[3]诸韬.FLOW-3D模型在鱼道工程水力特性模拟上的应用[J].广东水利水电，2018，3（03）：15-18.

[4]包莉，安瑞冬.竖缝式鱼道的弯道布置与结构形式研究[J].水电站设计，2012，28（03）：80-82.

[5]郑金秀，韩德举，胡望斌，等.与鱼道设计相关的鱼类游泳行为研究[J].水生态学杂志，2010，3（05）：104-110.

[6]王得祥.水流紊动对鱼类影响实验研究[D].南京：河海大学，2007.

[7]DUGUAY J M， LACEY R W J. Numerical study of an innovative fish ladder design for perched culverts[J]. Canadian Journal of Civil Engineering，2016，43（2）：173-181.

[8]GAO Z， ANDERSSON H I， DAI H C， et al. A new Eulerian-Lagrangian agent method to model fish paths in a vertical slot fishway[J].2016，88：217-225.

作者簡介：韩若冰，在读硕士研究生，研究方向：鱼道及其他过鱼设施；水利工程。

通讯作者：蔡德所，教授，博士生导师，研究方向：河流健康诊断与修复。