單個池室豎縫寬度束窄對魚道水力特性的影響

何妙玲，李廣寧，柳海濤，韓延成，孫雙科，鄭鐵剛，張浩男

（1.濟南大學(xué)，濟南 250022；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

0 引 言

隨著我國環(huán)境友好型社會建設(shè)的蓬勃發(fā)展，水電開發(fā)中的生態(tài)環(huán)境保護(hù)日益受到重視［1-4］，基于保護(hù)生物多樣性，降低河道擋水建筑物對水生生物基因交流的不利影響，建設(shè)溝通上下游水域的魚道設(shè)施必不可少［5］。其中，豎縫式魚道由于具有垂向流速分布相對均勻、對上下游水位變幅適應(yīng)性強，洄游生物在不同水深均有上溯通道等優(yōu)點［6］，在我國水利水電建設(shè)工程當(dāng)中得到廣泛應(yīng)用，如枕頭壩一級水電站魚道［7］、旬陽水電站魚道［8］、多布水電站魚道［9］、長洲魚道［10］等。魚道豎縫寬度是影響其水力特性的重要因子，國內(nèi)外眾多學(xué)者針對豎縫寬度的取值方法開展研究。如Rajaratnam 等人［11］通過物理模型方法，系統(tǒng)研究18種不同體型豎縫式魚道池室內(nèi)流態(tài)，推薦了一種消能效果較優(yōu)的池室結(jié)構(gòu)比例，池室長度（L）和寬度（B）分別為10倍與8倍的豎縫寬度（b），即b=L∕10=B∕8。Larinier等人［12］也推薦了相近的取值范圍，認(rèn)為池室長度L=（8～10）b，池室寬度B=（6～8）b，即b=L∕8～L∕10 和b=B∕6～B∕8。徐體兵等［13］結(jié)合數(shù)值模擬與模型試驗方法，系統(tǒng)研究了豎縫魚道細(xì)部結(jié)構(gòu)對流態(tài)分布的影響，推薦池室長寬比L∕B=9∶8～10.5∶8，b=L∕9～L∕10.5。張國強［14］等采用數(shù)學(xué)模型研究了魚道豎縫寬度變化對池室流態(tài)的影響，提出了豎縫寬度取值范圍應(yīng)為b=0.15B～0.2B。國內(nèi)目前魚道工程設(shè)計中，豎縫式魚道設(shè)計寬度B 通常在2～3 m，豎縫寬度b 在30～40 cm，取值范圍與上述研究成果基本一致。

上述研究中，通常設(shè)定魚道內(nèi)均處于等水深流態(tài)，且所有池室內(nèi)豎縫寬度保持一致。然而，在實際運行過程中，魚道內(nèi)水面線受上下游水位影響，常出現(xiàn)兩種典型分布曲線，一種是壅水曲線（M1），另一種是降水曲線（M2）［15］。若按魚道池室水深平均值繪制水面線，當(dāng)魚道內(nèi)水深沿程增加時為壅水曲線（M1），水深沿程降低時則為降水曲線（M2）［16-20］。李廣寧［21］等通過模型試驗對3 個工程魚道的水面線進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在同一魚道內(nèi)，一旦出現(xiàn)壅水曲線時則壅水點上游池室受影響數(shù)量較多，而當(dāng)出現(xiàn)降水曲線時僅降水點鄰近池室受影響。以此類推，當(dāng)魚道中某一豎縫寬度發(fā)生變化時，其上游也會出現(xiàn)壅水或降水曲線，此時魚道豎縫處流速發(fā)生變化，會直接影響過魚效率，魚道內(nèi)水面線的變化則決定了池室設(shè)計高度，從而影響魚道工程整體造價。

在實際工程建設(shè)中，往往因施工工藝等原因造成魚道個別豎縫尺寸與設(shè)計方案存在一定誤差。由于魚道豎縫寬度相對較小［22-26］，即使是小尺度的改變，也可能對魚道沿程水面線與流場的連續(xù)性造成影響，進(jìn)而影響整個魚道的過魚效果。該問題在魚道工程設(shè)計與建設(shè)中已引起關(guān)注，但尚未開展相關(guān)的研究。為此，本文通過物理模型試驗，研究魚道內(nèi)單個豎縫寬度束窄對魚道水力特性的影響，并給出定量化建議，為今后類似工程設(shè)計與建設(shè)提供參考。

1 模型的設(shè)計與試驗方法

魚道池室體型參考長江上游漢江碾盤山魚道，試驗?zāi)Ｐ筒贾萌鐖D1（a）所示。魚道模型為正態(tài)模型，根據(jù)重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，長度比尺為1∶5。試驗?zāi)Ｐ桶ㄐ钏亍⒀h(huán)管路、魚道研究段三個部分，通過水泵形成自循環(huán)系統(tǒng)，使用電磁流量計監(jiān)控流量，采用日本川鐵ACM2∕3-RS 電磁流速儀量測豎縫流速。魚道模型研究段長8.55 m，寬0.40 m，底坡2.76%，共19個池室，每個模型池室長0.45 m，邊墻高0.70 m。試驗中選擇15 號與16號池室間豎縫，開展束窄程度影響研究，模型中豎縫導(dǎo)板和隔板厚度均為0.04 m，高0.60 m，墩頭采用折線型墩頭，導(dǎo)向角為45°，具體結(jié)構(gòu)如圖1（b）、（c）所示。

圖1 模型布置和具體參數(shù)Fig.1 Model layout and specific parameters

豎縫束窄前后的寬度變化可表示為：

式中：b′為束窄后豎縫寬度；b 為豎縫設(shè)計寬度；k 為束窄系數(shù)，為束窄后寬度與原寬度的比值。

試驗工況包含1.48 與0.74 m 兩種原型運行水深，按照原型豎縫設(shè)計流速1.1 m∕s，在等水深條件下，原型上游流量分別為0.4 與0.11 m3∕s。在上述2 種運行工況下，當(dāng)某一豎縫發(fā)生束窄時，上下游水位與流場將發(fā)生改變，待其流態(tài)穩(wěn)定后，量測束窄豎縫上下游池室內(nèi)水深、上下游豎縫流速變化。每組工況下豎縫束窄系數(shù)指標(biāo)變化詳見表1。

表1 試驗工況Tab.1 Test conditions

2 試驗成果及分析

對魚道沿程水深、流速變化規(guī)律和束窄豎縫處水深、流速變化規(guī)律分別進(jìn)行了總結(jié)和分析，所列數(shù)據(jù)均已換算成原型值。

2.1 水深沿程變化規(guī)律

當(dāng)試驗豎縫束窄時，該豎縫上游側(cè)池室內(nèi)形成壅水曲線，下游側(cè)池室內(nèi)水深先驟然降低然后快速恢復(fù)，具體變化規(guī)律如圖2～3 所示。隨著魚道豎縫束窄程度增加，上游池室內(nèi)水深變幅增大，上游側(cè)影響范圍也相應(yīng)增大，受影響池室數(shù)量相應(yīng)增加，下游側(cè)池室水深變化不明顯，受影響池室個數(shù)則相對較少。

圖2 運行水深為1.48 m時池室水深Fig.2 When the operating water depth is 1.48 m，the water depth of the chamber is obtained

圖3 運行水深為0.74 m時池室水深Fig.3 When the operating water depth is 0.74 m，the water depth of the chamber is obtained

魚道運行水深為1.48 m，k=0.9 時，束窄豎縫上游側(cè)5 個池室內(nèi)水面線受到影響，水深最大增幅2 cm，束窄豎縫下游側(cè)僅1個池室內(nèi)水面線受影響，水深最大降幅1 cm。k=0.6 時，束窄豎縫上游側(cè)13 個池室內(nèi)水面線受到影響，水深最大增幅8 cm，束窄豎縫下游側(cè)僅1 個池室內(nèi)水面線受影響，水深最大降幅1～2.5 cm。

魚道運行水深為0.74 m，k=0.9 時，束窄豎縫上游側(cè)5 個池室內(nèi)水面線受到影響，水深最大增幅1.25 cm，束窄豎縫下游側(cè)僅1 個池室內(nèi)水面線受影響，水深最大降幅小于1 cm。k=0.6時，束窄豎縫上游側(cè)5～10 個池室內(nèi)水面線受到影響，水深最大增幅5.5 cm，束窄豎縫下游側(cè)僅1 個池室內(nèi)水面線受影響，水深最大降幅為0.85cm，對下游池室水面基本無影響，為便于分析，上述試驗數(shù)據(jù)列于表2。

表2 豎縫束窄情況下魚道池室水深變化范圍及幅度Tab.2 Variation range and amplitude of fishway chamber water depth under narrow beam

2.2 流速沿程變化規(guī)律

當(dāng)豎縫寬度束窄時，上下游豎縫流速與池室水深變化規(guī)律相反，具體趨勢參見圖4 和圖5。隨著豎縫束窄程度的增加，豎縫流速明顯增大，上游受影響池室數(shù)量相應(yīng)增加，但下游側(cè)池室流速受影響程度不大。

圖4 運行水深1.48 m豎縫水力參數(shù)Fig.4 When the operating water depth is 1.48 m，vertical fracture hydraulic parameters

圖5 運行水深0.74 m豎縫水力參數(shù)Fig.5 When the operating water depth is 0.74 m，vertical fracture hydraulic parameters

魚道運行水深為1.48 m，k=0.9 時，束窄豎縫上游鄰近5 個豎縫的流速減小，流速最大降幅為0.02 m∕s；k=0.6 時，束窄豎縫上游鄰近13 個豎縫的流速減小，流速最大降幅為0.05 m∕s。魚道運行水深為0.74 m，k=0.9 時，束窄豎縫上游鄰近5 個豎縫的流速減小，流速最大降幅為0.01 m∕s；k=0.6 時，束窄豎縫上游鄰近5～10個豎縫的流速減小，流速最大降幅為0.03 m∕s，束窄豎縫下游側(cè)流速基本不受影響。

2.3 束窄豎縫處水深、流速與束窄系數(shù)k的關(guān)系

豎縫式魚道流量可表示為：

式中：μ為流量系數(shù)；k為束窄系數(shù)；b為豎縫設(shè)計寬度，m；h為池室水深，m；Δh 為相鄰池室水頭差，m；g 為重力加速度，取9.81 m∕s2。

由上式可知，當(dāng)魚道運行流量、流量系數(shù)不變時，池室水深h 與相鄰池室水頭差Δh，隨著束窄系數(shù)k而變化，但兩者具有不同的變化規(guī)律。

依據(jù)本文試驗數(shù)據(jù)，得到豎縫45°折線形墩頭體型條件下，上述變量間相互關(guān)系，見圖6 與圖7。試驗表明，當(dāng)豎縫寬度束窄時，該池室水深h 隨豎縫束窄系數(shù)k 的減小呈線性增加規(guī)律，相鄰池室水頭Δh 隨束窄系數(shù)k 的減小而呈冪指數(shù)增加規(guī)律。同時，試驗發(fā)現(xiàn)束窄豎縫處流速隨束窄系數(shù)k 的減小同樣呈冪指數(shù)增加規(guī)律，具體指數(shù)關(guān)系式如圖8所示。為便于分析，上述試驗數(shù)據(jù)匯總于表3。

表3 試驗豎縫及相鄰池室水力特性試驗數(shù)據(jù)Tab.3 Test data of hydraulic characteristics of vertical joints and adjacent tanks

圖6 相鄰池室水深與豎縫束窄系數(shù)k的關(guān)系Fig.6 Relationship between the water depth of adjacent cells and the narrowness coefficient k

圖7 豎縫水位差與寬度束窄系數(shù)k的關(guān)系Fig.7 Relationship between vertical chamber water level difference and the narrowness coefficient k

圖8 豎縫流速束窄前后比值與寬度束窄系數(shù)k的關(guān)系Fig.8 Relationship between the ratioVelocity values before and after vertical slot narrowing）and the narrowness coefficient k

3 分析與討論

豎縫束窄之后，原型的上游水面線增加幅度在10 cm 以內(nèi)，對于實際工程而言影響程度有限。然而，束窄后豎縫處流速顯著增大，當(dāng)豎縫束窄幅度為10%（k=0.9）時，豎縫流速超過1.2 m∕s，當(dāng)豎縫束窄幅度為40%（k=0.6）時，豎縫流速超過1.6 m∕s，均超過我國多數(shù)洄游魚類的游泳能力，極易成為魚類上溯的障礙。

我國魚道的主要過魚對象為四大家魚和高原裂腹魚，其中四大家魚的喜好流速為0.8～1.2 m∕s，突進(jìn)流速為1.3 m∕s［27］，高原裂腹魚的喜好流速為0.9～1.4 m∕s，突進(jìn)流速為1.5 m∕s［28］，因此本文魚道模型的設(shè)計流速約為1.1 m∕s是合理的［29］。

當(dāng)魚道某個池室豎縫寬度變化，引起該處豎縫流速顯著增大，當(dāng)其成為魚類上溯的障礙時，若魚類依靠突進(jìn)流速能夠克服該處流速，則仍能繼續(xù)上溯，不致影響整體過魚效率。依據(jù)本文研究成果，豎縫流速v 與寬度束窄系數(shù)k 的關(guān)系為v =v0k-0.888，當(dāng)豎縫收縮16%（k=0.84）時，對應(yīng)流速v=1.3 m∕s，當(dāng)豎縫收縮29%（k=0.71）時，對應(yīng)流速v=1.5 m∕s。依據(jù)不同魚類的突進(jìn)流速指標(biāo)可知，當(dāng)過魚對象為四大家魚時，單個豎縫寬度束窄范圍應(yīng)＜16%，過魚對象為高原裂腹魚時，單個豎縫寬度束窄范圍應(yīng)＜29%。

本文研究結(jié)論僅針對魚道中單個豎縫發(fā)生束窄情況，若連續(xù)發(fā)生束窄情況，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)有所提高。下一步擬針沿程多個豎縫發(fā)生變化的組合情況，開展水力特性變化的疊加效應(yīng)及實際過魚效果的驗證試驗，以期為今后魚道工程的設(shè)計與優(yōu)化提供參考。

4 結(jié) 論

本文采用模型試驗方法，針對豎縫式魚道單個豎縫束窄對魚道水力特性的影響進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下。

（1）當(dāng)魚道單個豎縫束窄時，該豎縫上游側(cè)池室水深增加并形成壅水曲線，可影響5～15 個池室，下游側(cè)池室水深急劇降低后又很快恢復(fù)，僅影響1～2個池室。當(dāng)束窄程度達(dá)到40%（k=0.6）時，原型水面線增加幅度最大8 cm，對于實際魚道工程而言，水深增加幅度有限。

（2）豎縫束窄時，其上游一側(cè)相鄰豎縫流速略有減小，下游側(cè)豎縫流速則基本無變化，故不會形成流速障礙。但是束窄豎縫處的流速顯著增大（k=0，v=1.1 m∕s；k=0.6，v＞1.6 m∕s），且量值隨豎縫束窄程度呈冪指數(shù)增加，易形成流速障礙，以致影響魚類上溯。

（3）以束窄豎縫處流速作為判斷依據(jù)，根據(jù)本文豎縫流速v與寬度束窄系數(shù)k的關(guān)系（v = v0k-0.888），當(dāng)過魚對象分別為四大家魚和高原裂腹魚時，豎縫寬度的束窄范圍應(yīng)分別控制在16%和29%以內(nèi)。 □