某工程鱼道进鱼口布置的水力学模型试验研究

2023-10-23李朋飞孙庆丰

小水电 2023年5期

李朋飞，孙庆丰

(中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021)

0 引言

人类为了自身的生存和发展已修建了许多水利工程，水利工程虽能带来社会经济效益，但却造成了江河阻隔，阻断了鱼类上溯的洄游通道，破坏了河流生态系统[1_2]。鱼道，也称为鱼梯，是一种能使洄游性鱼类在各种水利工程中(如水电站，水闸等)实现上溯洄游的设施[3]。鱼道进鱼口是鱼类溯河游进鱼道的入口，进鱼口的布置直接决定过鱼效果。一般而言，鱼道进鱼口宜布置在常有水流下泄、鱼类经常聚集的地方，并避免进口附近出现泥沙淤积、漩涡、水跃和回流等现象[4_5]。鱼道进鱼口水流条件决定了一个鱼道的设计是否成功。因此，在鱼道修建前对鱼道进鱼口的水力特性进行研究是很有必要的。

本文以珠江流域某工程鱼道进鱼口为例，通过采取水力学模型试验方式，对鱼道进鱼口水流条件进行试验，试验内容包括进鱼口区域流速分布和流态等，再根据试验结果来评价进鱼口布置方案。本文对在距离大坝下游较远处的鱼道进鱼口布置有一定借鉴作用。

1 工程概况

2 鱼道进鱼口原布置方案及进鱼口流速要求

在坝下游鱼道布置5个进鱼口，进鱼口从上游至下游依次编号为1～5号，进鱼口沿水流流向向右岸外扩，扩散角约14°。进鱼口轴线垂直于鱼道轴线，1～5号进鱼口高程分别为21.66、23.41、25.16、26.91、28.66 m，1～5号进鱼口运行水位分别为23.16、24.63、26.36、28.11、29.86 m，鱼道及进鱼口布置如图1所示。

图1 鱼道进鱼口原布置方案

根据规范及设计要求，鱼道进鱼口区域河道流速需大于等于过鱼对象的感应流速，且小于等于过鱼对象的耐久游泳速度。对主要过鱼对象的游泳能力进行测试研究，确定感应流速按0.20 m/s控制，耐久游泳速度按1.00 m/s控制。

3 模型设计

根据河道特征、河床形态、地形特点，并结合试验场地和供水条件，将模型确定为定床正态模型，比尺为1∶80。模型按重力相似准则进行设计。模型雷诺数Re≥1 000，保证模型水流处于紊流区；模型水深h>3.0 cm，模型表面波速v>23 cm/s，满足表面张力限制条件。与试验有关的各参数比尺如表1所示。

表1 模型物理量比尺参数表

模型模拟从坝轴线上游3.0 km处至坝轴线下游2.8 km处共5.8 km长的范围。库水位测点位于坝轴线上游0.1 km处主河槽深泓线位置，尾水控制断面为坝下游2.649 km处。

为确保模型制作精度，平面放样采用平面导线控制系统，平面误差在±10 mm以内；地形制作采用断面法，地形高程误差控制在±2 mm以内；一些主要建筑物轴线角度误差控制在±0.01°以内。对河道局部复杂地形，如两岸汇入的溪沟、滩岛以及石梁等，为提高制作精度，采用加设局部断面和查找局部地形的方法制作。模型中地形采用水泥砂浆抹制；水工建筑物按比尺缩制，溢流堰和纵向混凝土围堰采用水泥砂浆刮制；泄水闸闸墩和电站导墙采用有机玻璃制作；左右岸电站厂房用塑料灰板制作；鱼道边墙采用苯板制作，详见图2。

图2 鱼道模型试验照片

模型中流量采用三角形量水堰和矩形量水堰测量，水位和地形高程采用水位测针和NA2型水准仪测量，流速和流向采用NKY02—1型旋桨式流速仪、VDMS流场实时测量系统测试。各设备和测量仪器均经过检验和率定，精度满足要求。

4 模型试验结果与分析

根据本工程运行调度情况，选取几个特征流量进行模型试验，详见表2。

表2 鱼道进鱼口原布置方案模型试验汇总表

当流量在700～3 080 m3/s之间时，主河道流速随着流量的增加而增大，流速值介于0.8～2.0 m/s之间，靠右岸边60 m宽范围内流速都小于1.0 m/s。流量在700～1 590 m3/s之间时，1号和2号进鱼口处水流呈回流流态。流量在3 080 m3/s时，2～4号进鱼口处水流呈回流流态，回流区顺水流方向长250～350 m，垂直鱼道轴线方向宽80～100 m，回流流速值多在0.2～0.4 m/s范围内。因此，当流量在700～3 080 m3/s之间时，河道岸边流速虽小于1.0 m/s，但进鱼口处在回流区，水流条件不满足过鱼要求。

当流量在4 500～6 000 m3/s之间时，主河道流速增大到2.16 m/s，5号进鱼口及下游侧流速小于1.0 m/s，3号和4号进鱼口无回流，水流条件满足过鱼要求。

当流量在7 330～10 100 m3/s之间时，主河道流速大于2.0 m/s的范围增大，流速较大区域主要位于主河道中部，5号进鱼口及下游侧流速小于1.0 m/s，水流条件满足过鱼要求。

以上部分试验结果如图3～图6所示。

图3 原布置方案鱼道进鱼口流速图(流量700 m3/s)

图4 原布置方案鱼道进鱼口流速图(流量3 080 m3/s)

图5 原布置方案鱼道进鱼口流速图(流量4 500 m3/s)

图6 原布置方案鱼道进鱼口流速图(流量7 330 m3/s)

综上，当流量小于3 080 m3/s时，鱼道1～4号进鱼口存在回流区，回流区长度约300 m、宽度约90 m，水流条件不满足过鱼要求，需调整鱼道进鱼口布置。

5 鱼道进鱼口布置方案调整与试验验证

为改善鱼道进鱼口水流流态，对原方案的鱼道轴线和进鱼口形式进行调整。调整鱼道轴线线型，将3～5号进鱼口之间轴线改为以半径1 277 m的圆弧连接；将1～2号进鱼口之间轴线改为顺水流方向的弧线。进鱼口轴线调整为与鱼道轴线呈45°夹角。为消除回流，在2号进鱼口向下游至4号进鱼口的左侧区域开挖宽度约20 m的导水渠道。为限制流速，在1号进鱼口上游增设整流设施，此整流设施同时可以起到拦鱼的作用，本文将之命名为整流拦鱼坎，其顶高程27.50 m。调整后的鱼道进鱼口布置如图7所示。