新疆庫爾干水利樞紐集誘魚系統(tǒng)水工模型試驗研究

雷震霄

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊，830000)

1 工程概況

新疆庫爾干水利樞紐位于庫山河中游河段，水庫總庫容1.24億m3，為Ⅱ等大(2)型水利工程。庫山河分布5種魚類均為土著魚類，其中鯉科魚類2屬3種，分別為裂腹魚屬的塔里木裂腹魚、寬口裂腹魚，重唇魚屬的斑重唇魚；鰍科1屬2種，均為高原鰍屬，分別為葉爾羌高原鰍、長身高原鰍。本工程過魚對象以裂腹魚為主，通過魚類游泳能力測試可知，裂腹魚感應(yīng)流速為0.12m/s～0.34m/s；臨界游泳速度為1.01m/s～1.44m/s；持續(xù)游泳速度為0～1.0m/s；耐久游泳速度為1m/s～1.3m/s；爆發(fā)游泳速度為1.35m/s～2.48m/s。

庫爾干水利樞紐建成后阻礙了洄游性魚類的洄游路徑，為減緩工程對水生生態(tài)及魚類不利影響，需修建過魚設(shè)施。工程采用“集誘魚設(shè)施+運輸車+投放平臺”的方式進行過魚，集誘魚系統(tǒng)設(shè)置在電站廠房尾水渠末端，包括集魚渠和銜接池。工作原理為：廠房尾水、集魚渠、銜接池與下游河道貫通，形成聯(lián)通的流場。在尾水渠末端設(shè)置分流墻以形成集魚渠，分流墻能夠調(diào)整水流流場結(jié)構(gòu)，有效創(chuàng)造減速流場，集魚渠內(nèi)形成適宜于過魚對象上溯的水流流場，而集魚渠外側(cè)則為高流速區(qū)域，形成魚類上溯的屏障，這樣可確保集魚設(shè)施具有良好的集誘魚水力學(xué)條件。集魚渠內(nèi)設(shè)有集魚箱、攔魚網(wǎng)裝置、防逃網(wǎng)等裝置，將洄游魚類誘導(dǎo)至集魚渠后關(guān)閉集魚箱，通過雙向門機將集魚箱吊至運魚車后開啟箱體底部啟閉門，供水系統(tǒng)同時對集魚箱沖水，使魚群快速進入運魚車。運魚車將魚群運送至上游投放點，利用車后部液壓系統(tǒng)，展開投魚滑道，打開車輛尾門，投魚入庫。然后運魚車按原路線返回集魚渠，循環(huán)往復(fù)運行。

利用電站尾水渠合理布置集誘魚系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景[1]，但不同機組發(fā)電運行的下泄水流使得電站尾水渠內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此如何利用電站尾水渠合理布置集誘魚系統(tǒng)，是工程面臨的關(guān)鍵問題。

2 模型設(shè)計

2.1 模型比尺

模型設(shè)計遵循重力相似準則，采用正態(tài)模型，模型試驗的長度比尺λL為25。流量比尺λQ為3125，流速比尺λv為5，糙率比尺λn為1.71，時間比尺λt為5。

2.2 模型設(shè)計

模型模擬范圍為廠房尾水渠、集魚渠、銜接池、下游河道，水工模型布置見圖1。

圖1 水工模型布置

模型建筑物采用有機玻璃制作，模型加工精度控制在±0.2mm以內(nèi)，安裝的垂向精度控制在±0.3mm以內(nèi)，平面精度控制在±0.5mm以內(nèi)。

2.3 模型量測設(shè)備

模型進口流量采用電磁流量計進行控制，出口下游接三角量水堰，量水堰測量精度0.1L/s。電磁流量計與量水堰測量結(jié)果互為驗證，以保證流量精度。流速采用電磁流速儀測量，測量精度達到0.001m/s。水面線采用水位測針進行測量。

2.4 試驗內(nèi)容

(1)量測不同運行工況下，尾水渠與下游河道的流速分布；

(2)進一步改善集誘魚系統(tǒng)進口區(qū)域的水動力學(xué)條件，提高集誘魚效果；

(3)提出集誘魚系統(tǒng)布置與具體體型的方案。

3 試驗成果

3.1 試驗工況

主要工況為機組發(fā)電的不同運行組合，具體見表1。

表1 庫爾干水利樞紐不同運行工況下的流量與尾水位

3.2 集誘魚系統(tǒng)方案一試驗成果

集誘魚系統(tǒng)設(shè)置在壩后電站廠房尾水渠末端，集誘魚系統(tǒng)由銜接池、集魚渠組成，平面布置見圖2，三維示意見圖3。

圖2 集誘魚系統(tǒng)方案一平面布置

圖3 集誘魚系統(tǒng)方案一三維示意

圖4 集誘魚系統(tǒng)方案一集魚渠小流量工況

圖5 集誘魚系統(tǒng)方案一集魚渠大流量工況

通過水工模型試驗研究，水流在集魚渠段被分流墻分為兩部分，小部分進入分流墻內(nèi)側(cè)的集魚渠，大部分經(jīng)分流墻外側(cè)流向下游。分流墻外側(cè)在流量較小時，水流平穩(wěn)，無明顯的水面波動；在流量較大時，由于分流墻的斜向?qū)蜃饔茫纬擅黠@的斜向水流，導(dǎo)致水面波動。分流墻內(nèi)側(cè)在流量較小時水流平穩(wěn)，水面線無明顯跌落；在流量較大時水面線在進口和擴散段出現(xiàn)了明顯下降，并且在渠身段前半部分出現(xiàn)水躍，后半部分水面持續(xù)波動。集魚渠流量較大時，流速在進口和擴散段逐漸加大，在渠身段又逐漸減小，在渠身段后半段下降到1m/s以下。

方案一集魚渠內(nèi)流速雖然能夠滿足魚類的上溯需求，但尾水渠末端設(shè)置分流墻，在一定程度上束窄了河道過流斷面，使得局部水面雍高。另外，流量較大時，水面線在進口和擴散段出現(xiàn)了明顯下降，在集魚渠前半部分出現(xiàn)水躍，后半部分水面持續(xù)波動，產(chǎn)生不利影響。

3.3 集誘魚系統(tǒng)方案二試驗成果

方案二遵循等效過流斷面的原則，扭面下游的直墻段自河道底部向左岸移動了2.5m。

圖6 集誘魚系統(tǒng)方案二平面布置

圖7 集誘魚系統(tǒng)方案二集魚渠小流量工況

圖8 集誘魚系統(tǒng)方案二集魚渠大流量工況

通過水工模型試驗研究，集魚渠段分流墻外側(cè)在流量較小時，水流平穩(wěn)，無明顯的水面波動；在流量較大時，由于分流墻的斜向?qū)蜃饔眯纬擅黠@的斜向水流，導(dǎo)致水面波動。分流墻內(nèi)側(cè)集魚渠內(nèi)水流流態(tài)，在流量較小時水流平穩(wěn)，水面線無明顯跌落；在流量較大時水面線在進口段和擴散段略有下降，水面波動情況明顯改善。集魚渠流量較大時，流速在進口和擴散段逐漸加大，在渠身段又逐漸減小，在渠身段后半段下降到0.60m/s～0.81m/s。

方案二基本消除了局部壅水的現(xiàn)象，同時降低了集魚渠上下游的水位落差，使渠內(nèi)的水流趨于穩(wěn)定，在流量較大時水面線在進口段和擴散段略有下降，水面波動情況較方案一明顯改善，但未解決水躍會產(chǎn)生不利影響。

3.4 集誘魚系統(tǒng)方案三試驗成果

方案三在方案二的基礎(chǔ)上增加了組合式的樁柱結(jié)構(gòu)布置。

圖9 集誘魚系統(tǒng)方案三集魚渠擴散段樁柱結(jié)構(gòu)布置

(單位：×10cm)

工況1 工況2 工況3 工況4 工況5

圖11 集誘魚系統(tǒng)方案三不同工況下集魚渠內(nèi)流態(tài)

通過水工模型試驗研究，在所有工況下，發(fā)電尾水在河道順直段水流很快趨于均化，且明渠段始終保持高于1.2m/s的較高流速，可以形成魚類上溯的流速屏障，具備通過設(shè)置分流墻營造集魚渠的基本條件。分流墻能夠有效創(chuàng)造減速流場，分流墻外側(cè)明渠段水流流態(tài)，在流量較小時，水流平穩(wěn)，無明顯的水面波動；在流量較大時，由于分流墻的斜向?qū)蜃饔眯纬擅黠@的斜向水流，導(dǎo)致水面波動。分流墻內(nèi)側(cè)集魚渠內(nèi)水流流態(tài)，在所有工況下水流平穩(wěn)，水面線均無明顯跌落。在所有工況下，集魚渠內(nèi)的低流速區(qū)域相對穩(wěn)定在分流墻內(nèi)側(cè)靠近左岸的后半部分區(qū)域，其長度約2m～10m，可以滿足集誘魚要求。

水面線在進入分流墻內(nèi)側(cè)時有一定跌落，這是由于分流墻的擴散體型所決定的，這也導(dǎo)致水面線的連接出現(xiàn)問題，且在一定水面落差下，會出現(xiàn)水躍，從而會影響分流墻下半部分集魚渠水流的穩(wěn)定性。在擴散段內(nèi)增加組合式的樁柱結(jié)構(gòu)，能夠起到較好地抑制流速的作用，避免了下游水躍的發(fā)生，維持了下游流態(tài)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本次模型試驗成功模擬了集誘魚系統(tǒng)的水流流態(tài)，通過設(shè)置分流墻的方式調(diào)整局部水流流場結(jié)構(gòu)，形成集魚渠。結(jié)果表明分流墻能夠有效創(chuàng)造減速流場，集魚渠內(nèi)的低流速區(qū)域可以滿足集誘魚要求，故本工程集誘魚系統(tǒng)布置方案是可行的。通過模型試驗研究，為工程設(shè)計提供了依據(jù)，為下一階段的設(shè)計工作打下了基礎(chǔ)。集誘魚系統(tǒng)設(shè)計中采用分流墻創(chuàng)造減速流場的方式目前國內(nèi)未見采用，可為今后過魚建筑物設(shè)計提供參考。