河道整治工程中魚道水利設施紊流特征研究

高 飛

(廣東粵源工程咨詢有限公司，廣東 廣州 510635)

當前，我國水利設施不斷更新換代，在許多河流上都進行了水利工程建設，為社會經濟發展提供巨大動力。但不可忽視的是，人工水利工程建設在一定程度上影響了河流中魚類等水生動物的生存繁衍，因而水利工程師們考慮此，設計時充分考慮水生動物的生存空間，故涵洞式魚道孕育而生[1]。國內外有較多學者[2-5]已關注過此類工程設計，專注于探討涵洞式魚道的穩定性、工程應用性以及對魚類動物的利弊性。盡管已有較多學者[6-7]研究過涵洞式魚道紊流特性，并初步得到了一些結論與認識，但系統研究不同工況條件下涵洞式魚道紊流特性還屬較少，利用ANSYS Workbench建模分析平臺[7]，獲得不同工況下涵洞式魚道紊流特性參數，分析各參數之間的內在聯系，為涵洞式魚道設計、建設提供重要理論參考。

1 工程概況

由于常年市政污水以及上游泥沙淤積影響，流經城市的內河河道河床抬升、泥沙堵塞導致上游水流量連年降低，為此水利部門考慮對該河道進行整治。根據河道水文地質踏勘與監測，水流中泥沙濃度為0.65～5.50 kg/m3，而河道中水質氨氮含量為11.30 mg/L，最大淤積厚度4.95 m，上述指標反映了該河流水質狀況較差。根據對河道基本調查發現，在樁點K1+230～K1+260 處存在有一涵洞式魚道，主要為魚類等水生動物提供重要活動區域，此亦符合河道生態治理理念的要求。由于該涵洞式魚道水流活動性對魚類生物具有較大影響，因而河道整治部門考慮對該涵洞式魚道開展紊流分析，為河道整治工程的順利開展以及涵洞式魚道的安全設計提供重要參考。

2 研究方法

為了研究涵洞式魚道紊流特性，需建立物理模型開展原型試驗，根據實驗需要，設計魚道表面波條紋尺寸為70 mm×16 mm，鋼管長度設定為8.0 m，直徑D為0.6 m，過水流速采用多普勒聲學檢測儀實時采集，提供魚道水流靜力學與動力學參數。在物理模型試驗基礎上，基于數值模擬手段建立數值計算模型，并設定多個工況開展研究，工況1：坡度0.5%、無埋深、流量80 L/s，工況2：坡度1.0%、無埋深、流量80 L/s，工況3：坡度1.0%、0.1D埋深、流量80 L/s，工況4：坡度1.0%、0.2D埋深、流量80 L/s，獲得不同工況下涵洞式魚道紊流特征參數。

圖1(a)為該涵洞式魚道模型結構，在此基礎上利用ANSYS Workbench內置的建模板塊劃分出模型網格單元，每個單元體網格采用四面體組合形成，局部接觸部位加密處理，得到網格節點數363 320，單元數1 925 350。圖1(b)為模型結構局部區域網格劃分后示意圖。在ANSYS荷載邊界模塊，輸入各個工況對應的不同坡度、埋深、流量等邊界條件，以魚道中水流方向為X軸，與水流方向相垂直的方向定為Z軸，涵洞進水口水流活動區域設定為水流流速輸入口，進水口除水流活動區域以外設定為壓力輸入口，魚道的出口即為水流流速的結束末端與壓力輸出口。

圖1 物理模型及數值模型

3 涵洞式魚道紊流數值計算結果分析

依據涵洞式魚道模型與工況參數邊界條件，計算得到各工況條件下紊流特性參數，本文以其中水流速度、紊動能、漩渦、湍流耗散率四個參數為分析對象，反映涵洞式魚道紊流特性。

3.1 水流速度

圖2為距涵洞進水口0.25 m、5.00 m、7.50 m 處斷面流速云圖。從圖2(a)可看出，在具有一定流量坡度條件下，涵洞內兩側邊壁流速隨著水流方向，逐漸減小，且越接近涵洞出口，邊壁上小流速區域越為擴大；但與之相反，涵洞斷面中心區域大流速面積逐漸擴大，在涵洞距離進水口約中間位置處，趨于穩定。經統計各斷面流速后(圖3)，距進水口0.25 m處最大流速為1.02 m/s，出現在涵洞底部上方0.026 m處，沿著水流方向，最大流速出現位置愈發靠近水面，且均是在峰值流速后，突然跌落降低。

(從左至右分別對應x=0.25 m、5.00 m、7.50 m)圖2 斷面流速云圖

圖3 典型斷面流速統計圖

對比相同流量及埋深條件下，坡度0.4%與1.0%之間涵洞斷面流速差異：斷面整體流速分布及沿水流方向發展趨勢近乎一致，但坡度較高的涵洞高流速區域面積明顯增多，進水口處由于水流剛進入涵洞，水流較為劇烈，故進水口較近區域處(x=0.25 m)，差距較小，但在水流方向延伸至涵洞更深位置，不論是邊壁亦或是涵洞中心區域，坡度大，涵洞內部流速量值增大，表明涵洞式魚道設計之時應盡量考慮上下游高差，保證合適的坡度，減弱水體流速。

對比相同流量及坡度條件下(q=0.07 m3/s、i=0.4%)，無埋深、埋深0.1D與埋深0.2D之間涵洞斷面流速差異：整體上來看，埋深越大，流速越小，在涵洞兩側邊壁下，低流速區域較大，中間區域高流速區域逐漸消失。無埋深條件下，距進水口5.00 m處的最大流速為1.07 m/s，但在0.2D埋深條件下，涵洞相同位置最大流速僅有前者的71%。由此可見，涵洞埋深保持一定深度，即設計為嵌入式涵洞，魚道內水體流速變化較小，適合魚類洄游繁殖。

3.2 紊動能

紊動能反映了水體是否適合魚類日常生活繁衍，水體達到科學合理的紊動能，能確保魚類的快速成長，根據研究表明，水體內只需要小部分區域的高紊動能，在大部分區域內保持低紊動能，魚類的繁衍生存將達到最佳狀態。圖4為不同工況下涵洞內各處斷面紊動能云圖。

(從左至右分別對應x=0.25 m、5.00 m、7.50 m)圖4 斷面紊動能云圖

從圖4可看出，涵洞內部高紊動能區域呈“V”形分布，在中心區域反而紊動能較小，隨著水流方向，“V”形高紊動能區域逐漸擴大，延伸至兩側邊壁，此時涵洞斷面兩側高紊動能達到“飽和”狀態，當距離進水口7.50 m時，即靠近出水口方向時，“V”形高紊動能區域有所減少，在邊壁區域出現低紊動能。流量0.07 m3/s、坡度0.4%下，距進水口5.00 m處，紊動能峰值出現在距涵洞底面0.085 m處，達到0.027 m2/s2，是三個水流標度方向上的最大值，距進水口7.50 m 處峰值紊動能與距進水口0.25 m處接近，分別是0.015 m2/s2、0.014 m2/s2，表明活躍紊動能在涵洞內分布區間集中在流經涵洞水流中間位置，出口與入口均會一定程度影響紊動能分布。

坡度對紊動能影響特征：從整體量值來看，坡度愈大，紊動能量值更大，且高紊動能區域由“V”形分布演變成“U”形分布，兩側邊壁的高紊動能隨著水流方向，逐漸減小，最后低紊動能區域集中在兩側邊壁與“U”形分布的凹槽內，但坡度較高工況下低紊動能區域面積顯著比低坡度者要小。高坡度涵洞式魚道，魚類的生存需要消耗更大的活動能量，這對魚類的體型生長是極為限制的。

埋深對紊動能影響特征：隨著埋深增加，紊動能逐漸減小，且在埋深深度達到0.2D時，涵洞內各位置斷面近乎趨于一致；另一方面在涵洞兩側邊壁，不論是0.1D亦或是0.2D埋深深度，紊動能均處于平穩且較小值。圖5為涵洞距離進水口5.00 m處不同埋深斷面紊動能演化曲線，嵌入式涵洞相比無埋深涵洞，0.1D、0.2D埋深下峰值紊動能減小了58%、61%，表明設計嵌入式涵洞具有一定科學理論依據。

圖5 斷面紊動能演化曲線(x=5.00 m)

3.3 漩渦

漩渦表征了涵洞內水流速度矢量圖形成的回旋渦形，表征了涵洞內部高流速區域與低流速區域之間的碰撞關系，反映了水流活躍程度。從圖6中可看出，在涵洞入口處，漩渦主要產生于兩側邊壁附近，隨著水流方向延伸至涵洞中心區域，涵洞斷面上中間位置漩渦逐漸減少，并在靠近出水口區域時，無漩渦區域面積占比達到最大，達59%。

(從左至右分別對應x=0.25 m、5.00 m、7.50 m)圖6 斷面漩渦云圖

坡度并不影響漩渦整體分布態勢，但坡度較大者漩渦尺寸明顯增大了，在高坡度涵洞內，由于上下游高差較大，漩渦尺寸增大，且指向流速最大方向。坡度增大，無漩渦區域面積占比減少：距離入水口7.50 m處斷面，坡度0.4%下無漩渦面積占比76.8%，而坡度1.0%僅為52.3%。

埋深影響了漩渦分布區域面積，當埋深達到0.2D，在涵洞內各個水流位置漩渦分布較為穩定均勻，而無埋深條件下，漩渦受水流方向影響較大，先是漩渦面積占比增大，后又趨于減少，且漩渦整體區域面積要高于有埋深條件下，埋深0.1D、0.2D下無漩渦面積占比分別達到82.0%、78.0%，相比無埋深均得到了增長，這亦印證了前文關于嵌入式涵洞設計有益于魚類生存繁衍的分析。

3.4 湍流耗散率

湍流耗散率反映了水流紊流強度，亦可理解為水流內能與動能轉換率[8-9]，這是直接反映魚道紊流特性的參數。從湍流耗散率整體表現來看，兩側邊壁集中較大的湍流耗散率，但在過涵洞中間部位后，兩側邊壁湍流耗散率有所降低，而在中間區域湍流耗散率持續處于較低水平，越靠近水面處，耗散率幾乎為0；另一方面，由于進出口水流的突變性，其他各位置斷面最大耗散率均出現在距離涵洞底部約0.085 m處，紊流活動較為活躍。

(從左至右分別對應x=0.25 m、5.00 m、7.50 m)圖7 斷面湍流耗散率云圖

本節選取流量0.07 m3/s與0.09 m3/s、坡度0.4%與1.0%、埋深0、0.1D、0.2D為例對比分析。坡度增大，同樣會影響各斷面湍流耗散率，但影響分布區域主要集中在高量值湍流耗散率上，針對低量值湍流耗散率，分布區域影響并不顯著，但呈現隨著水流方向湍流耗散率在逐漸減少，如圖7(a)、圖7(b)；另一方面，整體上來看，高坡度值斷面湍流耗散率要高于低坡度值，在距離入水口5.00 m處，1.0%坡度的峰值湍流耗散率為1.08 m2/s-3，而0.4%坡度下僅有其1/3。

埋深增加，高量值湍流耗散率區域面積在逐漸減小，且峰值湍流耗散率亦在減小，0.2D埋深下峰值湍流耗散率相比無埋深條件下降低了70.0%，且0.2D埋深工況下，在不同水流位置斷面湍流耗散率的變化相比較小，趨于穩定，表明水流內部紊流強度較弱，趨于平靜狀態。相比無埋深涵洞式魚道，嵌入式設計保證了涵洞內部水流變化是在一個相對可控的范圍，當無埋深條件下，涵洞自身受到水流的沖刷，進而給涵洞內水流帶來劇烈的湍流效應，因而，設計嵌入式涵洞式魚道，能保證魚道內部水流平穩，有益于魚類生存繁衍。

4 結 論

(1)獲得了涵洞內兩側邊壁流速隨著水流方向，逐漸減小，但斷面中心區域大流速面積逐漸擴大；坡度越大，高流速區域面積及流速量值均呈增大；涵洞埋深越大，流速越小，在涵洞兩側邊壁處，低流速區域較大，中間位置高流速區域逐漸消失。

(2)分析了涵洞內部高紊動能區域呈“V”形分布，在中心區域反而紊動能較小，隨著水流方向高紊動能區域逐漸擴大，延伸至兩側邊壁，且活躍紊動能主要集中在涵洞水流中間位置；坡度愈大，低紊動能區域面積減小，紊動能量值更大，且高紊動能區域由“V”形演變成“U”形分布；隨埋深增加，紊動能逐漸減小并趨于平穩水平。

(3)獲得了漩渦集中于兩側邊壁附近，隨水流方向延伸至涵洞中心區域，進出水口區域，無漩渦區域面積占比達到最大；坡度增大，漩渦尺寸明顯增大，且無漩渦區域面積占比減少：距離入水口7.50 m處斷面，坡度0.4%下無漩渦面積占比76.8%，而坡度1.0%僅為52.3%；無埋深涵洞漩渦區域面積要高于有埋深，嵌入式涵洞設計有益于魚類生存繁衍。

(4)分析了較大的湍流耗散率集中在兩側邊壁，而在中間區域湍流耗散率持續處于較低水平，越靠近水面處，湍流耗散率幾乎為0；高坡度值斷面湍流耗散率要高于低坡度值斷面湍流耗散率；埋深增加，高量值湍流耗散率區域面積在逐漸減小，且峰值湍流耗散率亦在減小。