CN109113034A - 一种旋流式太极八卦鱼道 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋流式太极八卦鱼道，包括多个依次连通的圆形池室，相邻的圆形池室之间通过收缩区连通，所述收缩区由反向圆弧平顺衔接，各所述圆形池室内设置有可转动的太极圆盘，所述太极圆盘包括由阳鱼部分和阴鱼部分构成的圆盘，且所述阳鱼部分和阴鱼部分之间设置有S形间隙的过流通道，各所述太极圆盘上还设置有多个随所述太极圆盘转动的内隔板，各所述圆形池室的侧壁上设置有多个外隔板，各所述圆形池室进口处设置有导流坎。本发明的旋流式太极八卦鱼道通过太极圆盘和内、外隔板消减水流能量，且可形成多态流速场以适应多种鱼类洄游，导流坎使水流在圆形池室内形成旋流，冲击太极圆盘旋转。

Description

一种旋流式太极八卦鱼道

技术领域

本发明涉及一种旋流式太极八卦鱼道。

背景技术

水利工程在兴利除害的同时有时也带来一定的负面影响，如拦河工程会在一定程度上破坏河流的连通性，阻断鱼类的洄游通道。鱼道是改善河流连通性、保护物种多样性的有效措施之一。鱼道在国外已有数百年的研究历史，而在国内，鱼道的研究历史只有50多年。文献检索表明，国内外诸多学者通过对鱼道进行大量的室内试验研究与数值模拟计算研究，优化了鱼道内部的水流流态与结构布置尺寸，规范了鱼道设计方法，对于旧式鱼道的改建与新型高效鱼道的建设起到了关键的技术指导作用。Rajaratnam等通过对竖缝式鱼道池室流场的试验研究发现，在池室的长宽比为L/B＝10:8时，池室的流态稳定。Liu等对竖缝式鱼道进行了模型试验研究，测量了池室内流速分布与紊动特性等水力指标。董志勇等对同侧、异侧竖缝式鱼道进行了水力特性试验和放鱼试验，发现同侧竖缝式鱼道适用于中等流量情形，异侧竖缝式鱼道主流流速的沿程变化可用1 条二次曲线描述。随着计算机模拟技术的发展，徐体兵等通过数值模拟计算研究发现鱼道水池长宽比在8:8～10.5:8的范围内，可以获得较好的流态。张国强等研究了竖缝宽度对水池内水流结构的影响，并给出竖缝宽度的合理取值范围为b/B＝0.15～0.20(b、B分别为竖缝宽度和池室宽度)。边永欢等的研究结果表明,竖缝断面平均流速值在0.8～2.0m/s范围内时对于各级水池内主流区分布、主流流速的沿程衰减规律以及竖缝断面流速分布并无显著影响,并进一步研究了竖缝断面流速分布与各级水池内主流流速分布的变化规律。除关于竖缝式鱼道研究外，Yagci和Ead等则分别对池堰式鱼道的水力特性进行了试验及理论研究；孙双科等对近自然鱼道的设计方法和设计理念等进行了分析阐述。

目前国内仍有不少鱼道运行效果不理想，有的鱼道甚至建成即遭废弃，如七里垄电站的鱼道自建成后就从未有鱼、虾、蟹通过，湖南洋塘鱼道1980年建成，自1984年就处于废弃状态。传统鱼道的设计大多针对河流中数量较多的某类鱼群，但天然河流存在着不同的洄游时期，并且在每个洄游时期里相应洄游鱼类所适应的流速不同，由于传统鱼道一经建成，固体结构形状也就相对固定，尽管水流会因流量大小等因素有一定变化，但其流速分布等变化不大，因而难以适应多种鱼类通过，这便使得传统鱼道具有一定的局限性，可能导致过鱼种类单一。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种旋流式太极八卦鱼道，通过太极圆盘和内、外隔板消减水流能量，且可形成多态流速场以适应多种鱼类洄游的太极式新型鱼道。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种旋流式太极八卦鱼道，包括多个依次连通的圆形池室，相邻的圆形池室之间通过收缩区连通，所述收缩区由反向圆弧平顺衔接，各所述圆形池室内设置有可转动(随水流自转)的太极圆盘，所述太极圆盘包括由阳鱼部分和阴鱼部分构成的圆盘，且所述阳鱼部分和阴鱼部分之间设置有S形间隙的过流通道，各所述太极圆盘上还设置有多个随所述太极圆盘转动的内隔板，各所述圆形池室的侧壁上设置有多个外隔板，各所述圆形池室进口处设置有导流坎。

进一步的，所述外隔板为丁坝式隔板。

进一步的，所述外隔板一端固定于所述圆形池室的池壁上且朝向太极圆盘倾斜设置。

进一步的，所述外隔板与所述圆形池室的池壁切线夹角为10°～80°。

进一步的，所述导流坎顺水流方向倾斜设置。

进一步的，所述太极圆盘上设置包括由内而外的至少一圈呈圆周式分布的多个内隔板，可以是一圈、两圈或三圈，每圈的隔板大小可以不同，根据需要设置即可。一般选择由内而外的隔板逐渐变大。

进一步的，多个所述内隔板呈圆周式分布。

进一步的，所述太极圆盘底部经转轴通过轴承和轴承座可转动固定于所述圆形池室内底部。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

高效地消杀水流能量，达到小流量、大水深、低流速、大坡降和小工程量的目的；

太极圆盘能够营造多变水流环境，太极式鱼道的池室边壁采用圆弧曲线，池室之间相连的收缩区由反向圆弧平顺衔接，这样能使水流更加平顺，同时太极式鱼道所采用的圆形池室，在断面收缩和扩张，由水流从缓到急的变化过程中通过水跃消能，降低流速；池室边壁设置丁坝式隔板，上游来流经过丁坝式隔板时因受到阻挡，改变水流方向，洄游鱼类可以在丁坝式隔板下游休憩，太极圆上阴阳鱼间的间隙形成的过流通道具有分散水流、消减水流能量的作用；内隔板与太极圆盘相连，可以一起按照一定的周期转动，在旋流带动下转动起来的太极圆盘与池壁上的丁坝式隔板在不同的时刻组合成不同的运行工况，为水流的多态性创造条件；导流坎促进水流在圆形池室内形成旋流，从而增强消能效果，增加水深，提高过鱼能力；

由于流速分布随空间改变，减小了急流区的长度，形成许多分散开的缓流区，缓急交替，对不同的鱼选择不同的水流条件十分有利，鱼儿可以选择就近的缓流区休息，伺机冲游，同时提高鱼类洄游的舒适度。

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为本发明旋流式太极八卦鱼道的结构示意图；

图2为三种工况的示意图；

图3为三个圆形池室的流态图；

图4为3种工况下鱼道中心线上测量水深曲线图。

附图标记说明：1、圆形池室；2、太极圆盘；3、阳鱼部分；4、阴鱼部分台；5、过流通道；6、内隔板；7、外隔板；8、导流坎。

具体实施方式

如图1所示，一种旋流式太极八卦鱼道，包括多个依次连通的圆形池室1，相邻的圆形池室1之间通过收缩区连通，所述收缩区由反向圆弧平顺衔接，各所述圆形池室1内设置有可转动的太极圆盘2，所述太极圆盘2包括设置于中心的由阳鱼部分3和阴鱼部4分构成的圆盘，且所述阳鱼部分3和阴鱼部分4之间设置有S形间隙的过流通道5，各所述太极圆盘2上还设置有一圈呈圆周式分布且随所述太极圆盘2转动的内隔板6(即内八卦爻条)，各所述圆形池室2的侧壁上设置有多个外隔板7(即外八卦爻条)，为丁坝式隔板，各所述圆形池室 2进口处设置有导流坎8，所述导流坎8顺水流方向倾斜设置。

本实施例中，所述外隔板7一端固定于所述圆形池室1的池壁上且朝向太极圆盘2倾斜设置，所述外隔板7与所述圆形池室的池壁切线夹角为10°～80 °。所述太极圆盘上设置的内隔板，可以是一圈、两圈或三圈，每圈的隔板大小可以不同，根据需要设置即可，一般选择由内而外的隔板逐渐变大。所述太极圆盘2底部经转轴通过轴承和轴承座可转动固定于所述圆形池室1内底部。

太极式鱼道的池室弧形边壁和池室的设计与传统鱼道的相似之处在于通过过流通道的宽窄变化雍高垭口上游水位，在下游形成水跃，消减水流动能，降低流速，以利过鱼。不同的是通过池室中的太极圆盘(含内隔板)转动及与池壁上的外隔板(丁坝式隔板)的组合，营造空间上“多态”和“应时而变”的水流，从而提高鱼道的适用性。

建立模型效果验证：

一、试验工况

整体模型制作完成后，首先进行“无太极圆盘和内外隔板”(以下简称工况0)的过水试验，并用测针测量选点的水深。安装太极圆盘后，由于阴阳鱼的区别在于颜色的不同，中间有S形过水通道，旋转180°以后将是对之前工况的重复，因此安装太极圆盘后按照太极圆盘转动角度的不同，将试验工况按照中间太极圆盘旋转的角度，分成8组，分别为0°,22.5°,45°,67,5°,90°,112.5 °,135°,157.5°。其中，当水流与中间S形过水通道相互垂直时简称“工况1”，水流与中间S形通道平行时简称“工况2”，如图2所示。

二、试验结果

1、过水试验

过水试验主要观察水流流态和水深变化，采用水位测针测量中心线上典型测点处的水位，进而计算水深。

将太极圆盘旋转不同角度的8组试验进行了过水试验，整体流态变化较为一致，上游来流在经过第一个池室上游最窄处时，水位雍高，经过最窄处到达池室前半段，水深降低，流速加大，发生水跃现象，急流区延伸到圆盘中心边缘。圆盘中心所在断面为池室最宽处，池室后半段，断面逐渐收缩，水深逐渐增加；水流在经过第二个池室上游最窄处后，水位开始由深变浅，由于池室1 的消能作用，水跃现象不明显，流速降低，急流区长度缩短，池室内整体流速降低，水深较盘1增加；水流在经过第三个池室上游最窄处后，速度再次降低，池室3内水流较为波动较小，较为平稳，如图3所示。

试验时的每种工况下，三个太极圆盘的角度都是一致的，内隔板相对于整个池室的位置都是一样的。试验时，上游水位保持不变。

在工况0条件下，由于鱼道从垭口到池室过流断面经历了较大由窄到宽的变化，水流从急流过渡到缓流，发生了水跃现象，水深由浅变深。安装太极圆盘之后，工况1和工况2条件下，仍然发生水跃现象，但相比于工况0水流状况得到明显改善，水面起伏平缓，其中最浅处水深由无太极圆盘时的5mm增加至10mm至12mm，最浅处水深的增加2倍左右，相应地，断面平均最大流速减小 50％左右，说明加入太极装置后的鱼道消能减速效果明显。

2、测量水深

试验中观察水流运动及测量水深使用的仪器设备主要有钢尺、带有红墨水的针管以及固定在铝合金架上制成的可移动式测针等，为保证移动式测针的平稳，将制成的可移动式测针放置在高度可调的四脚架上。

如图4所示，将上述的工况0、工况1、工况2三种工况测定的水深绘制成直线图，相互比较可以发现：最浅处水深达到无太极圆盘时水深的2倍左右，相应地，断面平均最大流速减小50％左右，说明加入太极装置后的鱼道消能减速效果明显。

3、过鱼试验

在过水试验的同时也进行了过鱼试验。

在工况0时，将试验鱼放在池室3中，试验鱼在经过奋力游泳之后勉强游过了2个池室到达池室1，随后又被水流冲回池室2，说明鱼道中流速过大，还应采取进一步的消能措施。

增加太极圆盘后的工况1和工况2，试验鱼轻松游过3个池室到达上游的水箱。试验说明，安装太极圆盘和八卦爻条的消能和改变流态的效果明显，增加了鱼类洄游的舒适性。

三、结论

①过水试验中，太极圆盘和内外隔板的组合，最浅处水深达到无太极装置时相应最浅水深的2倍左右，断面最大平均流速减小50％左右，显著提高了鱼道消能减速效果；

②太极式鱼道池室中的表面水流有明显分区现象；

③过鱼试验说明，安装太极圆盘和隔板的消能和改变流态的效果明显，增加了鱼类洄游的舒适性。

综上可知，通过对无圆盘的鱼道、太极圆盘的S形通道与水流近似正交与平行3种工况进行过水试验、过鱼试验，得出以下主要结论：

①与无太极装置的情况相比，在简单式型鱼道中，太极圆盘和内外隔板的组合显著增强了鱼道消能减速效果，最浅处水深达到无太极装置时相应最浅水深的2倍左右，断面最大平均流速减小50％左右。

②太极式鱼道池室中的表面水流有明显分区现象，并且过鱼试验说明，太极圆盘和隔板的消能和改变流态的效果明显，不同的分区适合不同的洄游鱼类，增加鱼类洄游的舒适性。

③完整太极式新型鱼道池底消能减速效果更好，且在横断面的流速场分布中表现出良好的流速分区效果。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种旋流式太极八卦鱼道，其特征在于：包括多个依次连通的圆形池室，相邻的圆形池室之间通过收缩区连通，所述收缩区由反向圆弧平顺衔接，各所述圆形池室内设置有可转动的太极圆盘，所述太极圆盘包括由阳鱼部分和阴鱼部分构成的圆盘，且所述阳鱼部分和阴鱼部分之间设置有S形间隙的过流通道，各所述太极圆盘上还设置有多个随所述太极圆盘转动的内隔板，各所述圆形池室的侧壁上设置有多个外隔板，各所述圆形池室进口处设置有导流坎。

2.根据权利要求1所述的旋流式太极八卦鱼道，其特征在于：所述外隔板为丁坝式隔板。

3.根据权利要求1所述的旋流式太极八卦鱼道，其特征在于：所述外隔板一端固定于所述圆形池室的池壁上且朝向太极圆盘倾斜设置。

4.根据权利要求3所述的旋流式太极八卦鱼道，其特征在于：所述外隔板与所述圆形池室的池壁切线夹角为10°～80°。

5.根据权利要求1所述的旋流式太极八卦鱼道，其特征在于：所述导流坎顺水流方向倾斜设置。

6.根据权利要求1所述的旋流式太极八卦鱼道，其特征在于：所述太极圆盘上设置包括由内而外的至少一圈呈圆周式分布的多个内隔板。

7.根据权利要求6所述的旋流式太极八卦鱼道，其特征在于：多个所述内隔板呈圆周式分布。

8.根据权利要求1所述的旋流式太极八卦鱼道，其特征在于：所述太极圆盘底部经转轴通过轴承和轴承座可转动固定于所述圆形池室内底部。