某工程竖缝式鱼道体型优化试验研究

郑慧洋 刘春锋 禹胜颖 李传夫

1 工程概况及模型设计

某工程是一座以灌溉、供水为主，兼顾发电、生态等综合利用的Ⅱ等大（2）型水利枢纽，大坝坝高51.0 m，水库总库容1.134 亿m3，电站装机容量40 MW，枢纽由大坝、溢洪道、泄洪洞、引水系统、发电厂房、鱼道等组成。工程过鱼对象主要为裂腹鱼和鳅科鱼类，为中下层和底栖鱼类，平均感应流速为0.07～0.12 m/s，平均临界游速为0.74～0.98 m/s，平均突进游速为1.14～1.27 m/s。鱼道池室结构采用竖缝式，鱼道总长1 950 m，沿大坝右岸依地形采用绕弯方式布置，鱼道标准池室纵坡为2.5%，休息室纵坡度为1.0%，鱼道净宽取2.0 m，每级标准池长4.0 m，每隔10 个标准池室设一个休息池，休息长度取5.0 m，鱼道设计流量0.3 m3/s，鱼道设计运行水深1.2 m，设计控制流速1.0 m/s，竖缝宽度为0.3 m，竖缝挑流角为45°。

由于本工程鱼道较长且鱼道池室沿程布置规律一致，首先通过鱼道局部模型试验研究确定池室参数，验证鱼道体型设计的合理性并为后期的鱼道整体模型提供依据。本文介绍鱼道局部模型试验研究成果，主要研究目的为：优化鱼道内导板、隔板等细部结构；确定池室纵坡值；确定竖缝尺寸；评价池室水流流态。

根据试验研究内容及模型相似性，选定1∶2的大比尺正态模型，按重力相似准则设计，保持原型、模型佛汝德数相等。局部模型选取鱼道进口转折盘升段14 个池室，模拟范围包括11 个标准池室、2 个过渡池室和一个180°转弯段休息室，模型布置如图1 所示。试验过程中通过控制供水池流量和下游水位，使各标准池水头差一致，水流稳定后开始进行试验观测工作。

图1 模型平面布置图（单位：m）

2 原设计方案成果

2.1 过鱼竖缝流速

鱼道池室隔板竖缝的流速直接关系到鱼类能否顺利由下一级池室洄游到上一级池室，试验对3#～13#隔板过鱼竖缝的流速进行了测量，每个隔板竖缝从下到上分别测量6 个测点位置。通过试验测试，鱼道各级隔板竖缝处最大流速为1.24 m/s，隔板竖缝处沿水深流速平均值为1.02 m/s，均大于竖缝设计控制流速，不能满足过鱼要求。除8#和9#隔板外（处于非标准池和休息池之间），沿程各隔板处流速变化不大，垂向流速沿水深变化也不大，竖缝处水流流速呈现二维特性。

2.2 池室内水力特性

标准池室内流速分布及流态如图2 所示，鱼道标准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，冲击左侧边壁，受左侧边墙与下一级隔板的影响产生回流，沿墩头绕至下一道竖缝，隔板墩头迎水面为直角，绕流现象明显，竖缝左侧流速低于右侧，池室内流速在0.11～0.96 m/s 之间。转弯休息池室内流速分布及流态如图3 所示，经试验观测，鱼道转弯休息池室内水流较标准池室平稳，主流经过过鱼孔后冲击左侧边壁，受休息池前侧边墙与隔板间回水区顶托主流线弯曲，沿墩头绕至下一道竖缝，在隔板墩头处绕流现象明显，休息池两侧存在大范围回流区，池室内流速在0.11～0.76 m/s 之间。

图2 标准池室内流速及流态图（单位：m/s）

图3 休息池室内流速及流态图（单位：m/s）

2.3 存在问题及原因分析

（1） 原设计方案鱼道标准池室纵坡为2.5%，鱼道净宽为2.0 m，每级标准池长4.0 m，大于国内已建工程竖缝式鱼道长宽比1.1～1.3，池室内出现主流贴壁和流速超标等问题，容易造成目标鱼类洄游困难和身体伤害。由于标准池室纵坡基本合理，在保证鱼道水力指标不变的情况下，首先应适当考虑缩短池室长度。

（2）原设计方案休息池前后相邻的两个非标准池（7#～8#、9#～10#）池长差异较大，导致水流衔接不顺畅，竖缝流速和水位在8#和9#隔板处有突变，流态不够稳定。应对两个非标准池室做调整，体型尺寸与标准池室一致，保证鱼道沿程水流平稳衔接。

（3）隔板墩头迎水面为直角，主流进入竖缝时绕流现象明显，也易于触伤鱼类，应对墩头体型进行优化调整。

3 优化方案成果

3.1 设计方案修改优化

针对原设计方案出现的问题，优化修改如下：（1）休息池室外所有标准池室尺寸一致，标准池长修改为2.3 m，底坡仍为2.5%；把转弯段全部布置成休息池，池长6 m，底坡仍为1%。（2）对导板和隔板墩头体型进行优化，隔板迎水角和导板背水角均采用1∶1 的斜角，如图4 所示。（3）休息池室内增加3 个整流导板改善水流流态，避免主流贴壁现象，如图5 所示。

图4 优化方案平面布置图（单位：m）

图5 优化方案转弯休息池室整流导板布置图（单位：mm）

3.2 过鱼竖缝流速

优化方案5#～12#隔板竖缝沿程最大流速为0.92～1.08 m/s，隔板竖缝处沿水深方向流速平均值为0.75 m/s，满足竖缝设计控制流速的要求，沿程各隔板流速变化不大，水流衔接平顺。

3.3 池室内水力特征

标准池室内的流速分布及流态如图6 所示，隔板墩头迎水面改为斜角后，绕流现象显著改善标准池室内主流顺畅，在池室内呈相对较缓的“S”形流线，无明显水位跌落，在主流区之外的鱼池两侧，存在小范围回流区，无漩涡、水跃等流态产生，表底流态、流向基本一致，竖缝出口附近的流速约为0.61 m/s，主流区域流速为0.45～0.79 m/s，利于鱼类持续上溯洄游。转弯休息池室内流速分布及流态如图7 所示，主流经过竖缝后流向池室左侧，受惯性力边壁的影响折向下游，沿墩头绕至过鱼竖缝，隔板墩头迎水面改为斜角后绕流现象改善，受到整流导板作用，休息池室内水流流向明确，主流顺畅，无明显扭曲，水流主流在池室内呈相对较缓曲线型流线，主流区域流速为0.27～0.60 m/s，其他大部分区域流速低于0.2 m/s，既利于鱼类上溯过程中暂时休息，恢复体力，又有利于目标鱼类沿主流持续上溯洄游。

图6 标准池室流速分布及流态图（单位：m/s）

图7 转弯休息池室流态分布图（单位：m/s）

4 结 语

（1）本工程鱼道较长且鱼道池室沿程布置规律一致，采用1∶2 大比尺鱼道局部模型试验研究确定池室参数，为鱼道设计方案优化提供科学依据。

（2）竖缝式鱼道池室长宽比、纵坡和导板、隔板体型对鱼道内水流条件影响较大。原设计方案标准池室的长宽比偏大，池室内主流贴壁且竖缝流速超过控制标准，隔板墩头迎水面为直角绕流现象明显。

（3）通过对鱼道局部体型优化，鱼道隔板竖缝处流速小于竖缝设计控制流速，标准池内流态改善明显，主流明确回流区流速小，有利于目标鱼类沿主流上溯洄游，在休息池室内设置整流导板，可以改善水流流态解决转弯休息池室内主流贴壁问题。