一种鱼道进口补水消能结构及设计方法
阅读说明：本技术 一种鱼道进口补水消能结构及设计方法 (Fishway inlet water replenishing and energy dissipating structure and design method ) 是由 苏加林 路振刚 马军 李润伟 周炳昊 银佳男 张志福 刘亚莲 马志强 孙万光 李 于 2021-09-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了鱼道设计技术领域的一种鱼道进口补水消能结构及设计方法,包括补水管,消能池,牛腿,消能盖板与透水格栅；补水管为补水钢管,消能池为补水钢管出水聚集池,牛腿位于消能池顶部,且牛腿用于给消能盖板提供支撑作用,消能盖板位于牛腿上,消能盖板之间缝隙不同,使补水出流相对均匀,补水水流自消能盖板间的缝隙进入鱼道,强制将大尺度紊流涡团变成小尺度涡团；涡团尺度变小后,粘性切应力比较容易将紊动能转化成流体内能而耗散掉,使鱼道内的紊动能降低,透水格栅固定于消能盖板之上,补水水体从消能池经消能盖板二次消能进入鱼道,能最大限度减少补水对水体造成的紊乱,保障鱼类在鱼道内部顺利洄游。(The invention discloses a fishway inlet water supplementing and energy dissipating structure and a design method thereof, belonging to the technical field of fishway design, and the fishway inlet water supplementing and energy dissipating structure comprises a water supplementing pipe, an energy dissipating pool, brackets, an energy dissipating cover plate and a water permeable grid; the water replenishing pipe is a water replenishing steel pipe, the energy dissipation pool is a water outlet gathering pool of the water replenishing steel pipe, the bracket is positioned at the top of the energy dissipation pool and used for providing a supporting effect for the energy dissipation cover plate, the energy dissipation cover plate is positioned on the bracket, gaps among the energy dissipation cover plates are different, so that the water replenishing outflow is relatively uniform, the water replenishing water flow enters the fishway from the gaps among the energy dissipation cover plates, and the large-scale turbulent vortex group is forcibly converted into a small-scale vortex group; after the size of the vortex group is reduced, the viscous shear stress is easy to convert turbulent energy into fluid internal energy to be dissipated, so that the turbulent energy in the fishway is reduced, the water-permeable grating is fixed on the energy dissipation cover plate, and the water supplementing water body enters the fishway through the energy dissipation cover plate by secondary energy dissipation of the energy dissipation pool, so that the disorder of the water body caused by water supplementation can be reduced to the maximum extent, and the smooth migration of fishes in the fishway is ensured.)
技术领域
本发明涉及鱼道设计技术领域，具体为一种鱼道进口补水消能结构及设计方法。
背景技术
鱼道运行的成败主要由两方面决定：1)鱼类能否找到入口；2)鱼类能否顺利通过。因此鱼道的有效性同目标鱼类的游泳行为密切相关。具体而言，鱼类的趋流特性主要用于鱼道进口流场设计；鱼类的克流速度和疲劳时间等游泳指标则主要用于鱼道流速设计。
鱼道进口位置选择属于鱼类行为学和水力学交叉研究范畴，设置合适与否直接影响鱼道工程的过鱼效果。过鱼对象的生物学指标和水动力指标是鱼道进口位置选择中必须考虑的重要因素。理论研究表明，鱼道进口出流流速通常采用一股流速较高的水流以吸引鱼类。只要鱼道进口出流流速小于目标鱼类的突进速度，则鱼道进口出流流速及其相应的下泄流量越大越好，因为鱼道进口处较大的流量及较高的流速容易被鱼类发现和分辨，更易于将鱼类从闸坝的其他泄流处吸引过来，有利于鱼类的集结，从而方便鱼类找到鱼道的进口。
在实际鱼道运行过程中，鱼道内部流量变化范围小，流速均匀，断面平均流速低，故在进口附近难以形成流速优势，达到良好的诱鱼效果。当鱼道进口区域水流流速小于鱼类感应流速时，应采取补水等措施，以诱导鱼类进入鱼道。
鱼道补水时，补水水体与鱼道池室中的水体掺混，对鱼道内水体会产生明显的扰动，导致鱼道内流态紊乱，对鱼类洄游上溯造成不利影响，因此需要一种鱼道进口补水消能结构及设计方法，以满足鱼道内平稳的水流条件，基于此，本发明设计了一种鱼道进口补水消能结构及设计方法以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种鱼道进口补水消能结构及设计方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种鱼道进口补水消能结构，包括补水管，消能池，牛腿，消能盖板与透水格栅；所述补水管为补水钢管，所述消能池为补水钢管出水聚集池，所述牛腿位于消能池顶部，且牛腿用于给消能盖板提供支撑作用。
优选的，所述消能盖板位于牛腿上，消能盖板之间缝隙不同，使补水出流相对均匀，补水水流自消能盖板间的缝隙进入鱼道，强制将大尺度紊流涡团变成小尺度涡团；涡团尺度变小后，粘性切应力比较容易将紊动能转化成流体内能而耗散掉，使鱼道内的紊动能降低，所述透水格栅固定于消能盖板之上。
优选的，采用消能盖板不等间距分布方案，将缝宽调整为消能池首尾两侧窄、中间宽的布置型式，各缝垂向流速比较均匀，各缝出流断面涡团尺度相对较小，粘性切应力比较容易将紊动能转化成流体内能而耗散掉，使鱼道内的紊动能降低。
一种鱼道进口补水消能结构的设计方法，包括以下步骤：
S1：对有、无消能盖板两种工况下，通过局部物理模型试验对补水流量及补水管出口流速下补水消能池的宏观流场有一个初步的认识；
S2：在局部物理模型试验S1的基础上，构建三维水动力数学模型，紊流模型采用的k-ε双方程模型；
S3：针对不利组合的试验工况，通过数值模拟的技术手段—三维水动力数学模型来进一步对不同消能盖板型式的补水消能方案进行计算；通过对鱼道内部流场分布的均匀性及鱼道水力因子紊动能参数低于0.035m2/s2来评价补水消能效果；
S4：在S3基础上再次进行物理模型试验，继续细化补水消能盖板的细部结构，确定消能盖板最终型式
优选的，补水水体从消能池经消能盖板二次消能进入鱼道。
优选的，在S1中，初步确定消能池长度a＝2H～3H，高度b＝1B～2B，补水消能管距离池底高度c＝1/3b～1/2b，H为鱼道正常运行水深，B为鱼道池室净宽。
优选的，在S2中，利用S1工况下物模实测结果验证数学模型，使其准确反映水流运动状态。
优选的，在S3中，紊动能可能是影响更直接的水力因子；紊动能表示流体紊动所携带的动能量，反映了流体紊动的强弱；紊动能表达式如下：
式中，ui为瞬时速度，m/s；为时间平均速度，m/s；u′i为脉动速度，m/s；u′x、u′y、u′z分别为沿3个不同方向x、y、z的脉动速度，单位均为m/s。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
鱼道消能池补水水流流态紊乱，流场三维结构特征十分复杂，并且紊流流场尺度较小，物理模型试验中采用常规的旋桨流速仪对流场信息捕捉和测量能力有限，但可提供一个宏观的流场结构信息。通过物理模型试验可对补水消能池的宏观流场有一个初步的认识，但是作为补水消能方案优化的技术手段是有欠缺的。
消能池的长度a取2H～3H，高度b取1B～2B，目的是让补水管内的水在消能池充分翻滚；补水消能管距离消能池底高度c取1/3b～1/2b，目的是让消能池内部水有一定厚度，充分对冲补水管内部水流，达到消能池内部一次消能的目的。
补水消能池是洄游鱼类的“门槛”，仅靠流场观测结果来评定是否满足鱼类洄游要求是不够的。鱼类洄游对水流的紊动能因子要求较高，紊动能是表征水流脉冲动能的指标，这个值靠现有的观测设备是无法获取的。
发展三维水动力数值模拟技术，通过物理模型试验数据对数学模型进行验证，在此基础上分析消能池流场细部结构，对紊动能等参数进行求解，优选消能盖板方案；并通过优选的设计方案最终经物理模型试验确定消能盖板型式，补水水体从消能池经消能盖板二次消能进入鱼道，能最大限度减少补水对水体造成的紊乱，保障鱼类在鱼道内部顺利洄游。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的结构横剖面示意图；
图3为本发明实施例中工况1无消能盖板方案测点布置示意图；
图4为本发明实施例中工况2有消能盖板方案测点布置示意图；
图5为本发明实施例中三维实体模型侧视示意图；
图6为本发明实施例中工况3消能盖板示意图；
图7为本发明实施例中工况4消能盖板示意图；
图8为本发明实施例中工况3计算流速分布示意图；
图9为本发明实施例中工况3计算流场紊动能分布示意图；
图10为本发明实施例中工况4计算流速分布示意图；
图11为本发明实施例中工况4计算流场紊动能分布示意图；
图12为本发明实施例中工况5消能盖板示意图；
图13为本发明实施例中工况6消能盖板示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、补水管；2、消能池；3、牛腿；4、消能盖板；5、透水格栅。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图4，本发明提供一种鱼道进口补水消能结构及设计方法技术方案：包括补水管1，消能池2，牛腿3，消能盖板4，透水格栅5。鱼道池室净宽B＝2.5m，正常运行水深H＝2.5m。作为补水流量来源的补水管1，管径60cm，最大补水流量1m3/s，出口流速1m/s，管径垂直向下，将管内的水排入消能池内；其中消能池2的长a＝2H～3H取7m，高度为b＝1B～2B取3m，距离消能池2底面距离c＝1/3b～1/2b取1m，宽度为鱼道池身宽度；牛腿3，位于消能池2顶部，给消能盖板4提供支撑作用；消能盖板4间缝隙不同，使补水出流相对均匀，补水水流自盖板间的缝隙进入鱼道，强制将大尺度紊流涡团变成小尺度涡团。涡团尺度变小后，粘性切应力比较容易将紊动能转化成流体内能而耗散掉，使鱼道内的紊动能降低，有利于鱼类洄游。透水格栅5尺寸2.5cm×2.5cm固定于消能盖板4之上，能有效阻止鱼道池身内鱼游进消能池2。
一种鱼道进口补水消能结构设计方法，包括如下步骤：
S1:对有、无消能盖板的两种方案水流条件进行局部模型试验，用旋浆式流速仪实测流速，设计方案测点布置情况见图3、图4，顺水流方向流速实测成果见下表：
无消能盖板工况下：
在0+01.10断面的#1测点位于补水消能池近底部，流速大，受补水管出流影响比较明显。补水消能池内的其他观测断面如0+02.80、0+04.90断面#1测点处流速都是同断面不同水深处流速的最大值。0+04.90断面近表层(#4和#5测点)出现回流。这表明补水管出流后，主流贴近消能池底部运动，受到消能池升坎的影响，在近表层产生一定尺度的回流。水流出消能池后进入下游鱼道，近底部流速相对较低，而近表层流速相对较高(0+011.00断面)，流速分布与普通鱼道池室流速分布基本一致。
有消能盖板工况下：
0+01.10断面3个测点布置在盖板上部的鱼道内，断面过流主要为鱼道流量，因此流速相对较小。0+02.80断面在#2测点出现反向流速，该断面位于盖板前缘附近，#2测点位于盖板高程以下，鱼道流量流经盖板，会产生一定尺度的回流。0+02.80断面和0+04.90断面表层流速均较低，0+04.90断面表层还有回流，这是补水水流沿升坎向上运动所产生的回流与鱼道水流交汇所致。水流出消能池后进入下游鱼道，近底部流速相对较低，而近表层流速相对较高(0+011.00断面)，流速分布与普通鱼道池室流速分布基本一致。
加盖板后，无消能盖板工况的补水水流所呈的“翻花”现象消失了，但流场结构依然十分复杂。补水消能池的流场结构主要特点是尺度小、变化复杂，通过实测手段很难捕捉到完整的流场结构；另外，补水消能池是洄游鱼类的“门槛”，仅靠流场观测结果来评定是否满足鱼类洄游要求是不够的。
综上所述，对于某种流量和流速的补水出流情况，通过物理模型试验可对补水消能池的宏观流场有一个初步的认识，但是作为补水消能方案优化的技术手段是有欠缺的。所以非常有必须发展三维水动力数值模拟技术，通过物理模型试验数据对模型进行验证，在此基础上分析消能池流场细部结构，对紊动能参数进行求解，并进一步开展补水消能方案优化工作。
S2：在局部物理模型试验S1的基础上，构建三维水动力数学模型，紊流模型采用的k-ε双方程模型。采用有限差分方法进行离散；本次模拟范围主要是补水消能池，池长7.0m，池深3.0m，净宽为2.5m，消能池上下游与鱼道池室连接，三维实体模型如图5所示。
对两种方案下0+01.10、0+02.80、0+04.90、0+07.00等4个断面的顺水流方向流速计算结果与物理模型试验实测成果分别进行了对比，数模与物模流速沿垂向分布的趋势基本一致，特别是对回流的模拟相对比较准确。同一条垂线上的顺水流方向流速差别是非常大的，这也印证了消能池流场结构的复杂性，部分断面垂线流速分布计算结果与实测值有一定误差也是可以接受的。总的来看，本发明建立的三维水动力数学模型可以较准确的刻画消能池流场结构，可作为补水消能方案优化的技术手段。
S3：选鱼道运行水深和补水流量组合的最不利工况：补水管补水流量接近上限补水能力(按照2.0m3/s取值)，同时鱼道运行水深相对较小，此流量组合工况为最不利组合工况。基于此工况通过数值模拟技术继续优化鱼道补水消能盖板方案。
表数模计算工况选取
计算得出各种工况下流场分布及紊动能分布如图8～11所示：
鱼道剖面流场方面，工况4与工况3相比，消能补水池尾部盖板的出水缝变窄甚至取消，迫使各出水缝出流流速相对均匀。工况4下平面流场有适宜鱼类洄游的通道，更为重要的是在鱼道水深0.875H～0.225H范围内，近边壁附近仍有较大区域紊动能小于0.035m2/s2，通过调整盖板的缝宽，使补水出流相对均匀，也可降低鱼道补水水流的紊动能。
S4：在S3基础上再次进行物理模型试验，继续细化补水消能盖板的细部结构，确定消能盖板最终型式。
工况5：盖板长7.00m，宽2.50m，总面积17.5m2。左、右两侧边条宽度各0.45m；盖板条21块，宽0.2m(20块)、宽0.46m(1块)；17条缝，缝宽0.30m(1个)、0.14m(16个)，过水面积4.06m2，占总面积23.22％，见图12。实测垂向流速见下表。
此方案下，各缝的垂向流速分布不均匀，消能池首、尾处缝的垂向流速偏大，而消能池中间部位缝的垂向流速偏小。需要进一步减小消能池首尾处缝的宽度，加大消能池中间处盖板的缝宽。
工况6：即盖板条21块，宽0.20m(20块)、宽0.46m(1块)；17条缝，缝宽0.05m(2个)、0.29m(5个)、0.10m(11个)，过水面积4.06m2，占总面积23.22％，见图12，实测垂向流速见下表。
采用盖板不等间距分布方案，将缝宽调整为消能池首尾两侧窄、中间宽的布置型式，各缝垂向流速比较均匀，各缝出流断面涡团尺度相对较小，粘性切应力比较容易将紊动能转化成流体内能而耗散掉，使鱼道内的紊动能降低，有利于鱼类洄游。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
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