异侧竖缝式鱼道水力特性数值模拟优化研究

2023-11-17倪仕杰李沐春

水利规划与设计 2023年11期

倪仕杰，李沐春

(1.江西省水利科学院，江西南昌 330029；2.中铁水利水电规划设计集团有限公司，江西南昌 330029；3.江西省水工结构工程技术研究中心，江西南昌 330026)

0 引言

水利枢纽在拦洪筑坝的同时不可避免地会将自然连续的江河湖泊分隔阻断，对于鱼类而言，不连续的环境单元以及经历改变的水位、径流流速等严重影响其完成上溯产卵[1-2]。因此，为保护鱼类资源、恢复河流生物多样性，综合考虑枢纽工程特点、所处水域特征以及对鱼类资源具有针对性考量的鱼道水力特性研究已经成为水利工程领域一项重要的研究课题[3-4]。

鱼道水力学特性诸如主流轨迹，主流、回流区分布，流速场等与鱼道结构如池室长宽比、竖缝相对宽度、导板布置等均存在联系[5-7]，探明这些内在规律对于鱼道优化流态至关重要。曹庆磊等[8-9]证明标准k-ε模型能够较好模拟同侧竖缝式鱼道池室流态。Marriner等[10-11]利用ANSYS CFX对加拿大魁北克省黎塞留河上的Vianney Legendre垂直竖缝式鱼道水力特性进行研究，通过现场实测结果与数值模拟计算结合，验证了三维鱼道水力模型的可行可靠性。Ji等[12]对长洲水利枢纽鱼道进行优化研究，采用异侧布置能形成均匀的回流区与稳定的主流区以更好地满足消能与过鱼要求。目前在我国南方平原地区对低水头闸坝工程的鱼道研究较少，且在改善鱼道休息池室水力特性方面的研究也相对薄弱，导致许多已建成的鱼道运行效果并不理想[13]。

峡江水利枢纽位于赣江中下游，是鄱阳湖生态经济区建设的重点水利工程之一，本文以峡江水利枢纽竖缝式鱼道为研究对象，通过现场监测结合鱼道水力特性数值模拟的方法，在分析鱼道主要过鱼对象的基础上，针对鱼道过鱼现状进行结构优化，研究不同竖缝尺寸与横隔板、导板布置形式下的鱼道标准池室、鱼道休息池室的水力特性，优化池室结构，提高过鱼效率，以期为未来拟建的拦河枢纽修建鱼类洄游通道提供参考。

1 鱼道概况

1.1 鱼道设计流速

根据赣江峡江段鱼类资源的调查结果显示[14]，峡江鱼道主要过鱼对象包括：青、草、鲢、鳙，体长主要分布在50cm范围之内。根据已有关于峡江典型洄游性鱼类游泳能力的研究[15-16]，汇总数据见表1。鱼道的设计流速应不小于主要过鱼对象的感应流速0.2m/s，同时也不应大于鱼类的突进速度，取峡江鱼道设计流速为0.2～1.2m/s，其中主流区与竖缝处流速控制在0.8～1.2m/s，池室回流区速度控制在0.2～0.6m/s。

表1 峡江鱼道主要过鱼对象临界游泳速度

1.2 鱼道细部尺寸

峡江鱼道为设置有横隔板竖缝的异侧竖缝式鱼道，竖缝宽度直接关系到鱼道的过鱼效果，鱼道池室及剖面尺寸示意图如图1所示。依据NB/T 35054—2015《水电工程过鱼设施设计规范》导则规定，鱼道竖缝宽度要大于过鱼对象体长的0.5倍；我国设置的鱼道竖缝相对宽度(鱼道竖缝宽度与鱼道池室宽度的比值)一般取值在0.15～0.3范围内[17]，考虑到峡江鱼道主要过鱼对象体长分布在0.5m之内，鱼道竖缝宽度需要大于0.25m，故本鱼道选取竖缝宽度范围为0.25～0.90m。

图1 峡江鱼道池室及剖面示意图

2 数值模拟方法

2.1 数学模型

截取鱼道过坝防洪闸后0+600至0+645处部分标准池室段，按照1∶1比例建立鱼道模型；基于有限体积法离散化控制方程，采用SIMPLERC算法对离散方程进行稳态求解运算，利用补丁适形法划分鱼道模型网格。如图2所示，鱼道水力模型采用速度入口边界条件，下游采用压力出口边界条件，两侧边墙均设置为无滑移墙体，采用VOF法建立函数F表示流体在单位体积内的量，通过求解水气两项分数连续方程追踪自由液面。

图2 鱼道水力模型示意图

2.2 控制方程

采用RNGk-ε湍流模型并结合Reynolds时均法(RANS)建立鱼道水力特性数值模拟的控制方程[18]：

湍流基本方程：

(1)

(2)

采用RNGk-ε模型的湍动能和湍动能耗散率基本方程分别为：

(3)

(4)

2.3 模型验证

采用现场监测与数值模拟相结合的方法对鱼道水力模型进行验证，在横隔板竖缝处布置A系流速测点，距鱼道底部高程2.7m，在鱼道竖缝处分别布置B系、C系、D系流速测点(距鱼道底部高程2.7、1.8、0.9m)，每相隔一个标准池室长度3.6m进行一次流速沿程值测量，每相距0.9m进行一次流速纵向值测量；在鱼道相邻池室间的横隔板前后布置沿程水位测点，鱼道测点布置如图3所示。

图3 鱼道实测测点布置示意图

拟合在主流经过处的测点位置与数值模拟计算点主流坐标，鱼道主流轨迹拟合分布图如图4所示，鱼道主流呈现双S形曲线，距离约为2.0m，基本在水力模型数值模拟计算范围内，鱼道主流轨迹线基本与实测点吻合。对比鱼道实测流速值与水力模型数值模拟计算值，如图5所示，鱼道流速最大误差0.22m/s，总体流速误差均在15%以内。对比鱼道沿程水位分布情况，如图6所示，鱼道沿程水位总体大致与鱼道深泓线相平行，模拟计算数值均在多次实测数值平均值的误差范围之内，水位误差小于10%。因此推断本文所构建的鱼道水力模型能够较合理地模拟出鱼道实际流动情况。

图4 鱼道主流轨迹拟合分布图

图5 鱼道流速实测值与数值模拟计算值对比误差分布图

图6 鱼道水位实测值与数值模拟计算值对比分布图

3 鱼道标准池室段优化方案

3.1 鱼道流态分析

鱼道标准池室段流态分布如图7所示，在鱼道上层的水流自第一道横隔板始分为两条主流，主流分别在相邻池室间的鱼道竖缝与横隔板竖缝之间相互承接，竖缝处主流的影响主要作用于鱼道中、上层，并在竖缝下方形成相应的涡流，涡流作用随着鱼道深度的增加逐渐减弱，因此，鱼道横隔板竖缝以及鱼道竖缝尺寸的选择对鱼道整体流态分布有着决定性影响。选取横隔板竖缝尺寸为0.6m对比原鱼道流速表现进行比选择优，鱼道竖缝不同尺寸布置示意图如图8所示。

图7 标准池室段流态分布图

图8 鱼道竖缝不同尺寸布置示意图

3.2 鱼道流速分析

异侧布置竖缝式鱼道主流表现为在相邻池室间的鱼道竖缝与鱼道横隔板竖缝之间相互承接的双S型曲线，如图9所示。对鱼道流速进行定量分析，鱼道横隔板异侧布置的主流具有先增大后减小的特征，增大竖缝尺寸不会改变原有主流运动轨迹，优化后鱼道流速相较于原鱼道有明显降低，如图10所示，原鱼道主流流速集中分布在1.05～1.25m/s，其中主流最大流速出现在四号横隔板竖缝位置处，达到1.35m/s，优化后鱼道主流流速则集中分布在0.95～1.15m/s，竖缝断面最大流速出现在四号横隔板附近，数值为1.18m/s，没有超过1.20m/s最大设计流速。综合分析流态表现、流速场分布，考虑选择竖缝尺寸为0.6m，竖缝相对宽度为0.20的异侧横隔板布置形式作为标准池室段优化方案。

图9 优化后鱼道流速矢量与主流轨迹流线分布图

图10 鱼道标准池室段流速分布对比图

4 鱼道休息池室段优化方案

4.1 鱼道流态分析

原鱼道休息池室未设置阻流消能措施，休息池室流态分布如图11所示，在鱼道竖缝处局部存在测点流速过大，主流贴壁现象以及回流区分布不甚均匀的情况，考虑在休息池室段新增导板，分别从导板长度、导板布置位置以及导板布置形式3个方面设计共9种工况进行比选，鱼道休息池导板的布置比选见表2。各工况下鱼道休息池室流态分布如图12所示，导板所在的不同位置以及不同长宽比决定了低流速区域的面积、均匀程度以及主流轨迹线流向，导板导角主要影响经过导板处流速场。

图11 原鱼道休息池室流态分布图

图12 各工况鱼道休息池室流态分布图

表2 不同工况下导板布置比选表

4.2 鱼道流速分析

对鱼道流速场在鱼道底层、中层、表层进行定量分析，取距鱼道底部2.7、1.8、0.9m处竖缝流速分别为V2.7、V1.8、V0.9，各工况休息池室流速场分布图如图13所示，原鱼道休息池室存在主流区流速过大现象，最大流速达到1.86m/s。通过增设导板对其进行优化，不同的导板设计方式对休息池室后续池室的流速场均具有影响，工况二、五、七能够有效降低主流流速，其主流区最大流速分别为1.1740、1.1707、1.1846m/s，其中工况五、七两种工况的导板布置型式能更好地实现池室流态由休息池到标准池室的平缓过渡，同时满足流速不宜过高的要求，工况五主流区平均流速0.8849m/s，回流区平均流速0.3886m/s；工况七主流区平均流速0.8296m/s，回流区平均流速0.2964m/s。二者区别在于导角的设置，30°导角的设置能够更好地降低横隔板竖缝主流流速与鱼道竖缝主流平均流速，更有利于鱼类上溯，工况七鱼道休息池室流速场分布图如图14所示。