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摘 要：枕头坝一级水电站鱼道主要是为了维持坝址上下游各种鱼类种群的基因交流，避免鱼种的单一化和退化。评价河段的5种省级保护鱼类有裸体鳅鮀、重口裂腹鱼、青石爬鮡、大渡白甲鱼、侧沟爬岩鳅，具有短距离洄游特性。本文通过数值计算，对鱼道常规的小型休憩池和转弯段进行了体型优化研究。结果表明：为确保良好的水流流态，需要将常规的小型休憩池来流断面处的隔板导向角度由45°调整为18°～20°。针对鱼道转弯段进行的优化计算结果表明，弯道上游进口段导板宜布置在距弯段0.28L处，导板长度宜取P/B=0.13。
引言
枕头坝一级水电站位于大渡河干流上，是大渡河干流水电梯级调整规划的第19个梯级，位于四川省负荷中心区域，对外交通方便，规模适中，电站建设不仅可为四川省的经济发展提供电力，对促进四川国民经济的全面发展以及对四川省“川电东送”战略工程的实施也具有积极和重要的意义。枕头坝一级水电站建设对鱼类短距离洄游、产卵以及鱼类资源产生一定影响，从水生生态环境保护角度出发，本河段的保护目标为实现鱼类种群交流、维持一定种群数量做为保护方案拟定的主要目标。保护措施主要包括鱼类栖息地保护、修建过鱼设施以及鱼类资源增殖保护等。
枕头坝一级水电站过鱼目标主要是维持坝址上下游各种鱼类种群的基因交流，避免鱼种的单一化和退化。评价河段的5种省级保护鱼类有裸体鳅鮀、重口裂腹鱼、青石爬鮡、大渡白甲鱼、侧沟爬岩鳅，工程建设后，下游的鱼类上溯到枕头坝一级坝址以上河段进行产卵索饵，将受到电站大坝阻隔的影响，因此将这些鱼类作为主要过鱼对象。枕头坝一级水电站鱼道确定为单侧竖缝式鱼道，竖缝式鱼道的水力特性决定了该类鱼道原则上无需设置休憩池，但鉴于本工程克服的最大水位落差达30m以上，属于上限值，适当增设一定数量的休憩池也有其必要性。目前国内外通常按2倍水池长度，进行鱼道小型休憩池的水力设计，但关于休憩池内部的水流结构与细部体型，尚未见相关研究报道。本文拟通过数值模拟计算，对常规的小型休憩池和鱼道转弯段进行了体型优化研究，完善枕头坝一级水电站鱼道内部设计，为相似鱼道休憩池的设计提供借鉴。
1 数值计算模型
本研究采用Fluent流体计算软件，选取RNG k-ε湍流模型闭合雷诺应力方程，得到平面二维数值模型，其主要控制方程如下：
连续方程：
计算过程中，为了尽量减小进、出口边界对池内流场的影响，模拟计算了多级水池。进口断面的边界条件采用均匀流速分布；出口断面的边界条件选用自由出流边界；其它为固壁边界；初始流场静止。
在鱼道水池内及竖缝处采用四边形网格，竖缝处网格加密；在竖缝两侧，即导板与隔板间采用三角形网格。
为了防止迭代过程数值的发散和不稳定，对动量方程、标量输运方程采用了欠松弛技术，压力与速度耦合采用SIMPLE算法；时间步长取为0.001s。
2 常规休憩池的数值计算与体型优化
在针对常规休憩池的计算中，为了尽量减小进、出口边界对池内流场的影响，模拟计算了7水池，参见图1。选取第4级水池为休憩池，其长度取用2倍水池长度，进口断面距第一级水池2.0m，竖缝断面平均流速定量为1m/s，边界条件根据质量守恒由竖缝断面流速量值确定，出口断面设置在第7级鱼道竖缝处。另外，图1中，鱼道水池长宽L：B=10：8，导板长度P/B=0.25。
分析表明，导向角度的改变会对休憩池内的水流结构产生较大影响，为确保小型休憩池内流场结构合理，需要对导向角度的合理取值进行优化计算。
图2给出了不同导向角度下鱼道各级水池内的流场结构图；图3给出了对应工况下休憩池内的流速分布等值线图。结果表明，导向角度对鱼道水池内水流有重要的导向作用，随着导向角度的变化，在主流形态发生变化的同时，主流两侧回流区也呈现出不同的分布特征。根据主流弯曲程度及回流区尺度的变化，可将不同导向角度下的流场结构划分为如下三大类：
第一类流场：当导向角度较小，即导向角度<18°时，水流从鱼道竖缝断面流出，由于导向角度较小，主流在导板和隔板作用下向休憩池右侧发生偏转，并且沿右侧边壁流动较长距离进下一级鱼道水池；此时，主流两侧的回流区形态也呈现极不对称性，右侧回流区十分狭小，左侧回流区则充分发达，占据休憩池大部分区域。其典型流场见图2 （a）和图2（b）。
第二类流场：当导向角度适中，即导向角度=18°～20°时，鱼道水池内主流在前段顺直后半段形态较弯曲，但主流大部分位于鱼道水池中央；左侧回流区和上下各级水池内的回流区大小相当，右侧回流区略大于左侧回流区。其典型流场见图2 （c）和图2（d）。导向角度=18°时，主流区流速u/U平均在0.60左右；左右两侧回流区对称且所占区域相当，回流区流速一般均低于0.3m/s，典型流速特征见图3（c）和图3（d）。
第三类流场：当导向角度较大，即导向角度>20°时，主流从竖缝断面进入休憩池，主流偏转向休憩池左侧偏转，在很短距离内折向左侧边墙，并沿着边墙流动较长距离，较急促进入下一道竖缝；在此过程中，左右两侧回流区差别较大，右侧回流区尺度较大，而左侧回流区则十分狭小，典型流场见图2（e）和图2（f）。
第一类和第三类流场结构中，主流偏转较大，并贴右侧或左侧边墙流动，主流两侧回流区呈现明显不对称性形态，因此第一类和第三类流场结构对鱼类来说是不利的。而第二类流场，导向角度适中，主流弯曲程度适宜，主流明确，鱼类能感应主流，进而顺利上溯，主流两侧回流区的对称性也较好，能够为鱼类提供充分的“休憩”场所。
可见，第二类流场结构明显优于第一类与第三类。从流场结构与流速分布看，常规的小型休憩池，其导向角度宜取18°～20°。
3 鱼道转弯段的数值计算与体型优化
枕头坝水电站鱼道工程，由于长达1.2km以上，在鱼道下游进水与上游出口既定的条件下，鱼道只能设计为折返布置型式，设计方案中存在两处180°转弯段。转弯段的基本布置参数为：内侧转弯半径为1m，外侧转弯半径为3m，转弯段中间的直线过渡段长度为2.5m（与鱼道水池长度相当），见图4。 研究表明：在转弯段由于流速方向发生了较大改变，若体型设计不当，容易出现贴壁流动等不利水流流态；而体型优化的重点在于确定弯道上游侧末级导板与弯道下游侧首级导板的设置位置与尺寸大小。
针对该弯段的体型布置特点，进行了如下三方面的计算工作：1）在弯道上游侧0.28L（L为鱼道水池长度，L=2.5m）设置末级导板的前提下，计算了导板长度的合理取值范围；2）通过改变导板布置位置，论证了在弯道上游侧0.28L处设置末级导板的合理性；3）对弯道下游侧首级导板的设置位置进行了计算研究。
3.1 弯道上游侧末级导板长度的合理取值范围
图5为不同导板长度下弯段内的流场结构图。计算结果表明，导板长度对弯段内的水流流态有显著影响，随导板长度的改变，主流区形态与两侧回流区形态会发生相应的改变。
根据主流弯曲程度及回流区尺度的变化，可将不同导板长度下的流场结构划分为如下三大类：第一类流场结构：当导板长度较大，即导板长度P/B>0.13时，水流从鱼道竖缝断面流出，由于导板长度较长，主流在导板和隔板作用下偏向弯段水池的内侧，弯段内侧水流受主流挤压作用回流区范围较小，弯段外侧回流区则较为发达，占据弯段水池的较大区域。其典型流场见图5 （a）和图5 （b）。第二类流场结构：当导板长度适中，即导板长度P/B=0.13时，水流从鱼道竖缝断面流出，由于导板长度适中，主流区大致位于弯段中心线附近，弯段内侧回流区大小与常规水池内的回流区相当，而弯段外侧回流区不甚明显，回流强度很弱。其典型流场见图5 （c）。第三类流场结构：当导板长度较小，即导板长度P/B<0.13时，水流从鱼道竖缝断面流出，由于导板长度较短，主流在导板和隔板作用下偏向弯段水池的外侧，此时，弯段外侧受主流挤压作用回流区十分狭小，而弯段内侧回流区则较为发达，占据弯段水池的较大区域。其典型流场见图5 （d）。
从上述流场结构看，第二类流场结构明显优于第一类与第三类，可见导板长度的合理取值为P/B=0.13。
3.2 弯道上游侧末级导板设置位置研究
以上研究体型为末级导板前设置0.28L直线过渡段的情况，为进一步论证导板设置位置的合理性，对末级导板前直线过渡段长度为0L和0.5L两种工况进行了对比计算研究。
从图6和7可知，改变直线段的长度对弯段水池内的水流结构有很大的影响，直线过渡段过短时，主流区偏向弯段外侧，在弯段内侧形成很大的回流区；直线段过长时，主流则偏向弯段内侧，在弯段外侧形成很大的回流区，故从流场结构看，直线过渡段过长过短都不合适，故直线过渡段取0.28L是合理的。
3.3 弯道下游侧首级导板的设置位置研究
计算表明，由于弯段较长，消能效果较为充分，在弯段出口端水流流速已衰减至很小的量值，因而在弯段出口段首级导板的设置位置发生改变对弯段内的水流流态基本上没有影响（图8），这意味着，弯段出口段首级导板的设置位置可以有比较大的自由度。本研究从弯段进口与出口布置对称的角度出发，建议弯段下游出口端也增设一段长度为0.28L的直线过渡段。
4 小结
1）常规的小型休憩池长度为5m，相当于水池池长的2倍，经计算研究，为确保良好的水流流态，需要将休憩池来流断面处的隔板导向角度由45°调整为18°～20°。
2）针对鱼道转弯段进行的优化计算结果表明，弯道上游进口段导板宜布置在距弯段0.28L处，导板长度宜取P/B=0.13。
引言
枕头坝一级水电站位于大渡河干流上，是大渡河干流水电梯级调整规划的第19个梯级，位于四川省负荷中心区域，对外交通方便，规模适中，电站建设不仅可为四川省的经济发展提供电力，对促进四川国民经济的全面发展以及对四川省“川电东送”战略工程的实施也具有积极和重要的意义。枕头坝一级水电站建设对鱼类短距离洄游、产卵以及鱼类资源产生一定影响，从水生生态环境保护角度出发，本河段的保护目标为实现鱼类种群交流、维持一定种群数量做为保护方案拟定的主要目标。保护措施主要包括鱼类栖息地保护、修建过鱼设施以及鱼类资源增殖保护等。
枕头坝一级水电站过鱼目标主要是维持坝址上下游各种鱼类种群的基因交流，避免鱼种的单一化和退化。评价河段的5种省级保护鱼类有裸体鳅鮀、重口裂腹鱼、青石爬鮡、大渡白甲鱼、侧沟爬岩鳅，工程建设后，下游的鱼类上溯到枕头坝一级坝址以上河段进行产卵索饵，将受到电站大坝阻隔的影响，因此将这些鱼类作为主要过鱼对象。枕头坝一级水电站鱼道确定为单侧竖缝式鱼道，竖缝式鱼道的水力特性决定了该类鱼道原则上无需设置休憩池，但鉴于本工程克服的最大水位落差达30m以上，属于上限值，适当增设一定数量的休憩池也有其必要性。目前国内外通常按2倍水池长度，进行鱼道小型休憩池的水力设计，但关于休憩池内部的水流结构与细部体型，尚未见相关研究报道。本文拟通过数值模拟计算，对常规的小型休憩池和鱼道转弯段进行了体型优化研究，完善枕头坝一级水电站鱼道内部设计，为相似鱼道休憩池的设计提供借鉴。
1 数值计算模型
本研究采用Fluent流体计算软件，选取RNG k-ε湍流模型闭合雷诺应力方程，得到平面二维数值模型，其主要控制方程如下：
连续方程：
计算过程中，为了尽量减小进、出口边界对池内流场的影响，模拟计算了多级水池。进口断面的边界条件采用均匀流速分布；出口断面的边界条件选用自由出流边界；其它为固壁边界；初始流场静止。
在鱼道水池内及竖缝处采用四边形网格，竖缝处网格加密；在竖缝两侧，即导板与隔板间采用三角形网格。
为了防止迭代过程数值的发散和不稳定，对动量方程、标量输运方程采用了欠松弛技术，压力与速度耦合采用SIMPLE算法；时间步长取为0.001s。
2 常规休憩池的数值计算与体型优化
在针对常规休憩池的计算中，为了尽量减小进、出口边界对池内流场的影响，模拟计算了7水池，参见图1。选取第4级水池为休憩池，其长度取用2倍水池长度，进口断面距第一级水池2.0m，竖缝断面平均流速定量为1m/s，边界条件根据质量守恒由竖缝断面流速量值确定，出口断面设置在第7级鱼道竖缝处。另外，图1中，鱼道水池长宽L：B=10：8，导板长度P/B=0.25。
分析表明，导向角度的改变会对休憩池内的水流结构产生较大影响，为确保小型休憩池内流场结构合理，需要对导向角度的合理取值进行优化计算。
图2给出了不同导向角度下鱼道各级水池内的流场结构图；图3给出了对应工况下休憩池内的流速分布等值线图。结果表明，导向角度对鱼道水池内水流有重要的导向作用，随着导向角度的变化，在主流形态发生变化的同时，主流两侧回流区也呈现出不同的分布特征。根据主流弯曲程度及回流区尺度的变化，可将不同导向角度下的流场结构划分为如下三大类：
第一类流场：当导向角度较小，即导向角度<18°时，水流从鱼道竖缝断面流出，由于导向角度较小，主流在导板和隔板作用下向休憩池右侧发生偏转，并且沿右侧边壁流动较长距离进下一级鱼道水池；此时，主流两侧的回流区形态也呈现极不对称性，右侧回流区十分狭小，左侧回流区则充分发达，占据休憩池大部分区域。其典型流场见图2 （a）和图2（b）。
第二类流场：当导向角度适中，即导向角度=18°～20°时，鱼道水池内主流在前段顺直后半段形态较弯曲，但主流大部分位于鱼道水池中央；左侧回流区和上下各级水池内的回流区大小相当，右侧回流区略大于左侧回流区。其典型流场见图2 （c）和图2（d）。导向角度=18°时，主流区流速u/U平均在0.60左右；左右两侧回流区对称且所占区域相当，回流区流速一般均低于0.3m/s，典型流速特征见图3（c）和图3（d）。
第三类流场：当导向角度较大，即导向角度>20°时，主流从竖缝断面进入休憩池，主流偏转向休憩池左侧偏转，在很短距离内折向左侧边墙，并沿着边墙流动较长距离，较急促进入下一道竖缝；在此过程中，左右两侧回流区差别较大，右侧回流区尺度较大，而左侧回流区则十分狭小，典型流场见图2（e）和图2（f）。
第一类和第三类流场结构中，主流偏转较大，并贴右侧或左侧边墙流动，主流两侧回流区呈现明显不对称性形态，因此第一类和第三类流场结构对鱼类来说是不利的。而第二类流场，导向角度适中，主流弯曲程度适宜，主流明确，鱼类能感应主流，进而顺利上溯，主流两侧回流区的对称性也较好，能够为鱼类提供充分的“休憩”场所。
可见，第二类流场结构明显优于第一类与第三类。从流场结构与流速分布看，常规的小型休憩池，其导向角度宜取18°～20°。
3 鱼道转弯段的数值计算与体型优化
枕头坝水电站鱼道工程，由于长达1.2km以上，在鱼道下游进水与上游出口既定的条件下，鱼道只能设计为折返布置型式，设计方案中存在两处180°转弯段。转弯段的基本布置参数为：内侧转弯半径为1m，外侧转弯半径为3m，转弯段中间的直线过渡段长度为2.5m（与鱼道水池长度相当），见图4。 研究表明：在转弯段由于流速方向发生了较大改变，若体型设计不当，容易出现贴壁流动等不利水流流态；而体型优化的重点在于确定弯道上游侧末级导板与弯道下游侧首级导板的设置位置与尺寸大小。
针对该弯段的体型布置特点，进行了如下三方面的计算工作：1）在弯道上游侧0.28L（L为鱼道水池长度，L=2.5m）设置末级导板的前提下，计算了导板长度的合理取值范围；2）通过改变导板布置位置，论证了在弯道上游侧0.28L处设置末级导板的合理性；3）对弯道下游侧首级导板的设置位置进行了计算研究。
3.1 弯道上游侧末级导板长度的合理取值范围
图5为不同导板长度下弯段内的流场结构图。计算结果表明，导板长度对弯段内的水流流态有显著影响，随导板长度的改变，主流区形态与两侧回流区形态会发生相应的改变。
根据主流弯曲程度及回流区尺度的变化，可将不同导板长度下的流场结构划分为如下三大类：第一类流场结构：当导板长度较大，即导板长度P/B>0.13时，水流从鱼道竖缝断面流出，由于导板长度较长，主流在导板和隔板作用下偏向弯段水池的内侧，弯段内侧水流受主流挤压作用回流区范围较小，弯段外侧回流区则较为发达，占据弯段水池的较大区域。其典型流场见图5 （a）和图5 （b）。第二类流场结构：当导板长度适中，即导板长度P/B=0.13时，水流从鱼道竖缝断面流出，由于导板长度适中，主流区大致位于弯段中心线附近，弯段内侧回流区大小与常规水池内的回流区相当，而弯段外侧回流区不甚明显，回流强度很弱。其典型流场见图5 （c）。第三类流场结构：当导板长度较小，即导板长度P/B<0.13时，水流从鱼道竖缝断面流出，由于导板长度较短，主流在导板和隔板作用下偏向弯段水池的外侧，此时，弯段外侧受主流挤压作用回流区十分狭小，而弯段内侧回流区则较为发达，占据弯段水池的较大区域。其典型流场见图5 （d）。
从上述流场结构看，第二类流场结构明显优于第一类与第三类，可见导板长度的合理取值为P/B=0.13。
3.2 弯道上游侧末级导板设置位置研究
以上研究体型为末级导板前设置0.28L直线过渡段的情况，为进一步论证导板设置位置的合理性，对末级导板前直线过渡段长度为0L和0.5L两种工况进行了对比计算研究。
从图6和7可知，改变直线段的长度对弯段水池内的水流结构有很大的影响，直线过渡段过短时，主流区偏向弯段外侧，在弯段内侧形成很大的回流区；直线段过长时，主流则偏向弯段内侧，在弯段外侧形成很大的回流区，故从流场结构看，直线过渡段过长过短都不合适，故直线过渡段取0.28L是合理的。
3.3 弯道下游侧首级导板的设置位置研究
计算表明，由于弯段较长，消能效果较为充分，在弯段出口端水流流速已衰减至很小的量值，因而在弯段出口段首级导板的设置位置发生改变对弯段内的水流流态基本上没有影响（图8），这意味着，弯段出口段首级导板的设置位置可以有比较大的自由度。本研究从弯段进口与出口布置对称的角度出发，建议弯段下游出口端也增设一段长度为0.28L的直线过渡段。
4 小结
1）常规的小型休憩池长度为5m，相当于水池池长的2倍，经计算研究，为确保良好的水流流态，需要将休憩池来流断面处的隔板导向角度由45°调整为18°～20°。
2）针对鱼道转弯段进行的优化计算结果表明，弯道上游进口段导板宜布置在距弯段0.28L处，导板长度宜取P/B=0.13。