新疆北岸干渠枢纽中鱼道的模型试验研究（戚印鑫,孙娟,程仲雷）

时间：2022-02-20 15:18:08 浏览量：次

摘要：对新疆北岸干渠枢纽中的鱼道设计进行了物理模型试验，并对原设计中存在的问题进行修改、优化，最终得出较为合理的方案。鱼道设计中，流速和水深是两个很重要的水力学要素。鱼道进口水深应能满足在主要过鱼季节鱼类对水深的要求。

关键词：鱼道模型试验流速水深

1工程概况

1.1工程简介

新疆北岸干渠引水枢纽工程由10孔拦河闸和6孔进水闸组成，为了满足鱼类洄游的要求，根据枢纽设计，在泄洪闸中部布置了鱼道工程。其中泄洪闸进口底板高程675.000m，进水闸进口底板高程676.200m，进水闸每年4～10月引水。

1.2河流中鱼类及生活习性

根据新疆北岸干渠工程鱼类专题报告，河流中鱼类共有34种，隶属6目9科27属，其中土著鱼类有10种，外来鱼类6种。枢纽建成后将有7种土著鱼类被分隔成上、下两个群体，这些鱼类每年3月中旬～5月中旬要上溯洄游产卵。

2鱼道设计

2.1鱼道的类型

鱼道是一种保护水生物种资源的工程措施。根据国内外已建工程，鱼道的类型较多，按照结构型式分为池室鱼道和槽式鱼道两种。其中槽式鱼道又分为三种：简单槽式、旦尼尔式和横隔板式。对横隔板式鱼道，按照隔板过鱼孔的形状及位置，又分为溢流堰式、淹没孔口式、竖缝式和组合式四种类型。

根据实际情况并参考国内外现有鱼道的设计，新疆北岸干渠引水工程鱼道的设计类型选用垂直竖缝式鱼道。鱼道的水力学条件可由公式计算，并通过水工模型试验验证。

2.2鱼道的布置

鱼道的布置首先需要选择好鱼道的进、出口，然后根据过鱼要求，确定好鱼道型式和设计尺寸，并通过公式计算或模型试验确定满足设计要求的鱼道参数。根据本工程特点，确定鱼道布置在相对干扰较小的河道中间，具体位置在泄洪闸的中部，其两侧下泄水流对冲，在中部容易形成一定的稳水区，适宜鱼类洄游。

2.3鱼道的主要参数

鱼道设计参数主要包括：鱼道长度、宽度，池室长度，隔板结构尺寸，鱼道内流速、水深、坡度、过流量等。

根据枢纽位置、工程布置，并考虑鱼道出口流量、坡度、克流能力等因素，鱼道设计为：鱼道宽2.0m，长90.2m，上游底板高程676.200m，下游底板高程674.657m。鱼道内部暂设16道隔板，双侧隔板，竖缝宽度为0.4m，隔板间距3.0m、厚0.2m、高2.8m。鱼道内垂直竖缝处的最大流速小于1.59 m/s，过流量0.38~0.76m3/s，鱼道内工作水深大于0.6m。鱼道入口（下游）最小水深1.0m，出口（上游）最小水深大于1.0m。

3模型试验

3.1模型设计

根据工程设计内容，主要对鱼道内的流速、水深、过流量等进行试验，鱼道模拟范围为：鱼道段长90.2m，宽2m；鱼道上游段（鱼道出口）长度20m，宽13m；鱼道下游段（鱼道进口）长度30m，宽13m。则长度方向140.2m；宽度方向13m。鱼道上游段底板高程675.000m，下游段底板高程674.657m；鱼道纵坡i=1/58.5。模型比尺1：10，采用有机玻璃精制。鱼道模型隔板布置。

3.2原设计方案试验

3.2.1水位流量关系

根据设计资料，试验时鱼道上游最低控制水位为676.455m，对应的下游控制水位为675.973m，此时鱼道过流量0.23m3/s；鱼道上游最高控制水位为680.717m，对应的下游控制水位为679.609m，此时鱼道过流量7.36m3/s。当上游达到设计洪水位679.642m时，鱼道过流量为2.80 m3/s，当上游达到校核洪水位680.697m时，鱼道过流量为7.36 m3/s。鱼道的水位～流量关系。

3.2.2流量系数

根据鱼道断面形式，并参考有关资料，采用宽顶堰公式计算鱼道过流量比较适合。通过计算绘制了鱼道堰前水头～流量系数关系曲线。

鱼道设计中，起主导作用的水力要素主要是流速和水深，尤其是流速，它决定了鱼类能否克服流速的影响，顺利洄游到上游。

3.2.3流速、水深

流速和水深的试验分为两种情况，第一种是拦河闸全开时的运行情况，第二种是拦河闸部分开启的运行情况。

对于第一种情况：拦河闸10孔全开时，当上游控制水位低于680.458m时，鱼道内流速小于1.59m/s，当上游控制水位达到和超过680.458m时，鱼道隔板范围内流速大于1.59m/s。当上游控制水位在676.926m以上时，鱼道内水深均大于0.6m，满足鱼道最小有效工作水深0.6m的要求。

对第二种情况：当拦河闸部分开启，在进水闸满足各月引水的情况下控制上、下游水位进行试验。首先采用4月份的运行工况，试验结果反映出鱼道内无隔板段水流湍急，在鱼道进口向上9.2m处发生水跃，鱼道内最大流速为2.65m/s，最小水深为0.15m。不能满足设计要求的流速和水深。5、6月鱼道内的流速和水深也不满足设计要求。

3.2原设计方案存在的问题

通过对原设计方案进行试验可以看出，鱼道内水流条件不是很好，对于上下游水位差不大的情况，鱼道内流速和水深可以满足过鱼要求；当上下游水位差较大时，即拦河闸部分开启，由于下游水位较低，鱼道内水流在通过第16#隔板后水面立即跌落，造成没有隔板段鱼道内的流速大于设计要求的流速，同时鱼道内水深也不满足过鱼要求。

4鱼道的结构优化

4.1结构优化方案一试验

4.1.1结构的修改

由于在拦河闸部分开启的运行工况下，鱼道内流速和水深均不满足设计要求，因此需要对原设计方案进行修改。通过分析论证，决定在鱼道内增加隔板，即在16#隔板后再增加13道隔板，这样鱼道内共设置有29道隔板。增加的隔板尺寸、隔板结构型式和间距均与原设计相同。

4.1.2试验内容

模型修改后，主要针对进水闸按设计要求引水、拦河闸部分开启的运行工况控制水位。试验内容主要是验证4、5、6月引水时鱼道内的水流情况。

4.1.3水位流量关系

鱼道设置29道隔板后，验证鱼道过流量，从而确定鱼道内的水位流量关系。模型修改前后鱼道内的水位流量关系可以看出，鱼道内增加隔板后与原设计方案过流量相比，后者比前者要小。其规律如下，在上游水位较低的情况下，两者过流量相差不大；随着上游水位的逐渐升高，模型修改前后过流量的差值逐渐加大，最大达到18%左右；当水位继续升高，逐渐淹没隔板后，两者过流量又迅速接近，仅相差4%左右。

4.1.4流速、水深

鱼道内设置29道隔板后，通过对4、5、6月引水的运行工况进行试验发现，鱼道内个别部位流速不满足设计要求，27#、28#和29#隔板流速偏大，均大于1.59m/s。鱼道内前26道隔板处的流速基本都在1m/s左右，但从27#隔板流速就开始增大，29#隔板处流速最大，在6月引水的运行工况下，底流速可达2.14 m/s。鱼道内的最小水深在鱼道进口处，水深0.6m，出现于4月引水的运行工况下。

4.1.5存在的问题

通过对模型的修改，鱼道内水流条件有明显的改善，流速降低、水深增加，水流经过每一级隔板水面平稳降落，鱼道内不再发生水跃现象。但是进鱼口27#～29#三道隔板竖缝处的流速仍然大于设计要求。

《鱼道专题报告》指出，鱼道的进口必须适应坝下水位的涨落，保证在过鱼季节中进鱼口有一定的水深（1.0～1.5m），鱼道内的过流流量在0.38~0.76m3/s比较合适。而设计提供的4、5、6月份进鱼口处的水深分别为0.58m、0.67m和0.98m，均低于过鱼水深的要求，且试验中反映，在特征水位下鱼道过流量都大于0.76m3/s。因此，需要对模型进一步修改，以期降低鱼道内的流速，减小鱼道过流量，并控制下游水位，使鱼道进口满足不低于1.0m的水深要求。

4.2结构优化方案二试验

4.2.1结构的修改

为了降低鱼道过流量，在鱼道出口处再增设一道隔板，编号为0#，这样鱼道内共有30道隔板。同时在0#隔板前增设一道薄壁堰（工程运行中可设置叠梁或闸门，方便拆卸），堰高0.5～1.0m。

4.2.2试验内容

试验按如下程序进行：首先上游不加薄壁堰，控制下游水位在1.0～1.5m之间，施放4、5、6月引水位的运行工况，看鱼道内水流是否满足设计要求；对不满足流速要求的特征水位，再在上游增设薄壁堰，并调节下游水位，得出满足设计要求的运行工况。对以上试验工况，统计分析鱼道内水深的变化和过流量的变化规律。

4.2.3流速、水深

（1）上游不加薄壁堰

首先控制下游水深在1.0～1.5m之间，施放4、5、6月引水位的运行工况。从试验结果中可以看出，对于4月引水的情况，下游控制水深达到1.0m时，鱼道内的流速即可以满足设计要求；对于5月引水的情况，下游控制水深到1.1m时流速可以满足要求；而对6月引水的情况，下游控制水深要达到1.3m时，鱼道内的流速才能满足设计要求。以上各种工况下，鱼道内隔板之间的池室内流速均小于1.0m/s，该流速可以满足鱼类在池室中休息。

为了寻求能满足5月、6月引水时鱼道内的流速要求，在上游增设薄壁堰以减小鱼道过流量，并进行试验。

（2）上游增设薄壁堰

在0#隔板前增设薄壁堰，堰高分别为0.5m和1.0m，从试验结果中可以看出，当在上游设0.5m的薄壁堰时，对于5月引水的情况，下游控制水深为1.0m时，鱼道内的流速可满足设计要求；对于6月引水的情况，下游水深达到1.2m时，鱼道内流速满足设计要求。当在上游设1.0m的薄壁堰时，施放6月引水的运行工况，鱼道内其它断面处的流速基本合适，但由于在0#隔板处的薄壁堰较高，水流在过堰时水面跌落，造成该处流速达到1.9m/s，超过了鱼类的克流流速。

对比以上各组流速试验结果，在保证鱼道进口有一定水深的情况下，对于4月引水的运行工况可直接满足设计要求；在上游增设0.5m的堰后，5月的引水工况也满足设计要求；对于6月引水的工况，由于该月基本已过了鱼类的产卵期，因此对鱼类的上溯影响不大，如果河道来流量大，下游水位达到1.2m时，鱼道内的流速也满足设计要求。同时还发现：增加下游水深比在上游增设薄壁堰对降低鱼道内流速的效果更加明显，而且还不影响鱼的洄游。

通过测试水深可以看出，鱼道内的水深均大于1.0m，沿鱼道方向水面线均匀降落。下游水位的增加，对鱼道内水面线的影响一般到16#隔板即鱼道中部，最大可以达到8#隔板处，再往上游对水位基本没有影响，见图7。从图7中看出，鱼道内水位的降落除了有隔板的影响外，主要受下游水位的控制，即下游水位的升降对鱼道内后半段水面线的影响很大，这也是鱼道进口段流速变化较大的主要原因。

因此，在工程实际运用中，对下游水位的控制显得尤为重要，这不仅是为了满足在过鱼季节中进鱼口有一定的水深（1.0～1.5m），也是保证鱼类能够顺利的通过鱼道上溯产卵。

4.2.4鱼道内过流量

模型两次修改后，通过对鱼道过流量的测量可以得出以下结论：①在特征水位下鱼道过流量均大于0.76 m3/s；②随着下游水位的抬高，鱼道过流量有减小的趋势，但是减小的幅度不大，平均为4%左右；③在上游增加薄壁堰后，鱼道过流量有一定的减小，当堰高为0.5m时，流量减小4%，当堰高为1.0m时，流量减小11%，说明薄壁堰对流量的减小作用有限，但对降低鱼道进口处的流速有一定的作用。

5结论

通过对模型进行两次修改和多次试验，并选择较优组合形式，最终满足了设计要求。试验结论及建议如下：

（1）确定了鱼道水位～流量关系和水位～流量系数关系。

（2）通过试验，鱼道内布置30道隔板，在4月引水工况下，控制下游水深在1.0m以上，鱼道内的流速、水深等水力要素满足设计要求。

（3）对5、6月引水工况下，可在鱼道出口处设0.5m的叠梁或闸门控制鱼道流量，下游控制水位在1.0m以上时，鱼道内的水力要素满足设计要求。

（4）在特征水位下，鱼道过流量在0.78～1.26m3/s之间，比设计提供的流量范围大了一倍左右，但鱼道流量对过鱼不是关键因素，并且在流速满足过鱼要求的前提下，流量大一些可以增加单位面积上的过鱼量，对过鱼是有益处的。

参考文献

[1] 华东水利学院主编．水工设计手册，泄水与过坝建筑物[M]．北京：水利电力出版社，1982

[2] 王洪铸，陈毅峰，等．新疆北岸干渠工程鱼类专题报告[R]．中国科学院水生生物研究所，2007.11

[3] 孙娟，戚印鑫，茹克亚．鱼道水工模型试验报告[R]．新疆水科院，2008.7

作者简介

戚印鑫（1975-），男，硕士研究生，工程师，主要从事水工模型试验研究和水利工程设计。

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