CN114319261B - 一种带有h形墩和短挡板的竖缝式鱼道 - Google Patents

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Abstract

本发明属于过鱼设施领域，提供一种带有H形墩和短挡板的竖缝式鱼道，包括底板、H形墩、侧壁面、侧面长挡板和侧面短挡板，侧面长挡板结构将鱼道分成多个池室。每个池室结构包括一个鱼道底板，两个侧壁面，一个H形墩，四个对称分布的侧面长挡板和两个对称分布的侧面短挡板。池室内存在多处消能的区域，从而最大程度的降低池室内的流速和湍动能，为鱼类的上溯减少水流的阻力作用；侧面短挡板的存在，还可以改变水流的流动方向，使主流区域尽可能的靠近中间区域，避免了鱼道内主流沿着侧壁面进行流动；H形墩和挡板又可以作为挡水结构，其结构会形成以低流速为主要特征的回流区域，该区域可以为上溯的鱼类提供短暂的休息，增加鱼道的过鱼效率。

Description

一种带有H形墩和短挡板的竖缝式鱼道
技术领域
本发明属于一种带有H形墩和短挡板的新型竖缝式鱼道。该鱼道内部结构整体上呈对称布置，并且能够供体型较小和游泳能力较弱的水生生物上溯洄游。
背景技术
一些水利工程的建设截断了天然河流，抬高了上游水位，从而阻碍了洄游水生生物的摄食、繁殖等生命活动，导致洄游水生生物的减少甚至灭绝。为了恢复河流的连通性和生物多样性，减轻其负面影响，水利工程的建设往往伴随着一些过鱼设施的建设，而鱼道则是最为广泛使用的鱼类通道设施之一。
鱼道一般由进口、池室、出口以及诱鱼补水系统等部分组成，能够供鱼类上溯洄游通过水坝、水闸等障碍物，在中低水头坝中有着广泛应用。在现有的鱼道中，按照鱼道内的结构物类型，主要划分为四种：竖缝式鱼道、丹尼尔鱼道、池式鱼道和组合式鱼道。
(1)竖缝式鱼道主要依靠水流扩散来消能,但竖缝处的流速较大，适用于需要一定水深的大、中型鱼类。
(2)丹尼尔式鱼道的坡度较大，大多为15％～25％，一般用于通过大、中型鱼类，并且常用于施工期及天然障碍处过鱼。
(3)池堰式鱼道过流平稳,适用于喜欢生活在水体表层或喜欢跳跃的鱼类。
(4)组合式鱼道是以上3种结构形式的组合,按照主要的过鱼对象来设计，最常用的形式是孔口和堰的组合。
在鱼道设计中，鱼道池室内部的水流条件必须与目标鱼类的游泳行为特性相适应。早期的鱼道大多是由国外设计并建造的，主要是为国外的大马哈鱼等大尺寸的经济物种设计的，其往往具有很强的游泳能力。这就导致鱼道内部的流速和湍动能值很大，从而使较小的非鲑鱼物种很难通过。因此，降低鱼道内的流速和湍动能值，设计并建造适应于游泳能力相对较弱、体型相对较小的鱼类上溯的新型鱼道是非常重要与紧迫的任务。
发明内容
本发明的目的在于克服现有鱼道不适用于游泳能力较弱的鱼类的缺陷，提供了一种带有H形墩和短挡板的新型竖缝式鱼道。由于鱼道内部H形墩和侧面短挡板的存在，调整了水流的流动方向，优化了水流流态，充分消耗了池室内水流所携带的能量，从而降低了池室内的最大流速、平均流速和平均湍动能。
除此之外，在池室内挡板结构的后面生成了一定范围的以低流速为主要特征的回流区，使得鱼类在上溯的过程中拥有休息的场所，从而增加体型较小和游泳能力弱的鱼类能够成功洄游的概率。
为了达到上述目的，本发明技术方案：
一种带有H形墩和短挡板的竖缝式鱼道，包括底板5、侧壁面4、H形墩3、侧面长挡板1和侧面短挡板2；侧壁面4平行于水流方向，侧面长挡板1和侧面短挡板2垂直于侧壁面4；沿水流方向相邻的侧面长挡板1将鱼道分成多个池室，每个池室包括一个底板5、两个侧壁面4、一个H形墩3，四个侧面长挡板1和两个侧面短挡板2；
侧面长挡板1成对且共面地分别设置在池室两个侧壁面4内侧，每一对侧面长挡板1之间留有竖缝区域；侧面短挡板2成对且共面地分别设置在池室两个侧壁面4内侧，侧面短挡板2位于两个沿水流方向相邻的侧面长挡板1之间；侧面短挡板2的长度小于侧面长挡板1的长度；
H形墩3位于池室的中央，H形墩3包括中间墩体、前端挡板和后端挡板，前端挡板和后端挡板平行于侧面长挡板1设置。
进一步的，底板5纵向坡度为1％～10％；池室的长宽比为5:4。
进一步的，侧面长挡板1的长度IB与池室的宽度B之比为0.85:2.2，侧面长挡板1的厚度b0与池室的长度L之比为0.11:2.75；一对侧面长挡板1之间的竖缝区域的宽度bs与池室宽度B之比为0.50:2.2。
进一步的，H形墩3正对于竖缝，H形墩3的前端挡板与侧面长挡板1间的距离d与池室的长度L之比为0.44:2.75，H形墩3的前端挡板的长度bt和后端挡板的长度bn与池室宽度B之比均为0.66:2.2，H形墩3的前端挡板和后端挡板的厚度b0与池室的长度L之比为0.11:2.75；中间墩体的长度Il与池室的长度L之比为1.1:2.75，中间墩体的厚度Ib与池室宽度B之比为0.22:2.2。
进一步的，侧面短挡板2的长度bl与池室宽度B之比为0.2:2.2，侧面短挡板2的厚度b0与池室长度L之比为0.11:2.75；侧面短挡板2和侧面长挡板1之间的距离Lt与池室长度L之比为1.21:2.75。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明所设计的一种带有H形墩和短挡板的H形鱼道内布置有H形墩和侧面短挡板，H形墩可以直接减缓从竖缝流进池室的水流，从而达到消除水流所携带能量的作用。另外池室内存在长挡板、短挡板等多处消能的区域，最大程度的降低池室内的流速和湍动能，为鱼类的上溯减少水流的阻力作用。
(2)侧面短挡板的存在，也可以改变水流的流动方向，使主流区域尽可能地靠近中间区域，避免了鱼道内主流沿着两侧侧壁面进行流动，并且能够进一步消除水流所携带的能量。
(3)H型墩和侧面短挡板又可以作为挡水结构，其结构后面会形成以低流速为主要特征的回流区域，该区域可以为上溯的鱼类提供短暂的休息，从而增加鱼道的过鱼效率。
附图说明
图1为本发明的带H形墩和短挡板的竖缝式鱼道池室结构的三维图示意；
图2为本发明的带H形墩和短挡板的竖缝式鱼道池室结构的平面图示意；
图3为本发明的带H形墩和短挡板的竖缝式鱼道池室结构的标注图。
图中：1、侧面长挡板；2、侧面短挡板；3、H形墩；4、侧壁面；5、底板；
H为鱼道内部结构的高度；B为池室宽度；L为池室长度；bs为竖缝宽度；b0为侧壁面、长挡板、短挡板的厚度和H形墩的前、后挡板的厚度；Il为H形墩中间墩体长度；I0为H形墩挡板边缘距离中间墩体的距离；bt为H形墩前挡板的长度；bn为H形墩后挡板的长度；Lt为侧面长挡板和侧面短挡板之间的距离；d为H形墩与上游侧面长挡板的距离；Ib为中间墩体的厚度；bl为侧面短挡板的长度；IB为侧面长挡板的长度。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，带H形墩和短挡板的新型竖缝式鱼道池室结构包括侧面长挡板1；侧面短挡板2；H形墩3；侧壁4；底板5。所有结构相连接处均为固定连接，并且所有结构表面均不过水，所有结构的高度为H。
图2中箭头的方向为水流方向，鱼道的纵向坡度为1.67％，水从两个侧面长挡板之间的竖缝进入池室内，流动距离d＝0.44m后，撞向H形墩的前挡板，然后主流被分成两部分并改变流动方向，向H形墩的两侧流动，并且在两个侧面长挡板1的后面形成两个对称分布的回流区域；之后由于侧面短挡板的作用，又改变了其流动方向，流向H形墩的后挡板，最后再流向下一个竖缝位置处。
图3为本发明的带H形墩和短挡板的新型竖缝式鱼道池室结构的标注图。池室宽度B＝2.2m；池室长度L＝2.75m；竖缝宽度bs＝0.50m；侧面长、短挡板和H形墩的前、后挡板厚度均为b0＝0.11m；H形墩中间墩体长度Il＝1.10m；H形墩挡板边缘距离中间墩体的距离I0＝0.22m；H形墩前、后挡板的长度bt＝bn＝0.66m；长挡板和短挡板之间的距离Lt＝1.21m；H形墩与上游侧长挡板的距离d＝0.44m；中间墩体的厚度Ib＝0.22m；侧面短挡板的长度bl＝0.20m；侧面长挡板的长度IB＝0.85m。
水流在池室内的流动过程中，在所有结构下游侧，包括侧面长挡板，H形墩前、后挡板的中间区域，H形墩后挡板的下游侧，侧面短挡板和下一个池室侧面长挡板之间的区域均会形成以小流速为主要特征的回流区域，这些回流区域可以为上溯的鱼类提供短暂休息的场所。
H形墩和侧面短挡板不仅可以改变池室内水流的流动方向，也可以减小水流所携带的能量，其起到了一个良好的消能效果。
数值模拟研究表明，在流量Q＝0.60m3/s、坡度S＝1.67％时，鱼道池室内平均水深、鱼道内最大时均流速、整个池室平均的时均流速、整个池室平均的时均湍动能、池室内时均流速小于0.30m/s和1.00m/s的体积占比的对比结果如下：
表1两种型式鱼道布置方式的数据对比表
Figure BDA0003447735400000051
Figure BDA0003447735400000061
结果对比发现，采用本发明带H形墩和短挡板的新型竖缝式鱼道的池室内水深远高于传统的竖缝式鱼道，这意味着在相同的水深需求的情况下，带H形墩和短挡板的新型竖缝式鱼道可以节省更多的流量用于发电等；另外，本发明带H形墩和短挡板的新型竖缝式鱼道池室内的最大流速也明显低于传统的竖缝式鱼道，其是影响鱼类能否上溯成功的最关键的因素；池室内平均的时均流速和平均的时均湍动能也小于传统的竖缝式鱼道，其对鱼类的上溯也是有利的；本发明池室内时均流速小于0.3m/s和1.00m/s的体积占比均大于传统的竖缝式鱼道，时均流速小于0.3m/s的区域可以为鱼类上溯提供休息的场所，而时均流速小于1.0m/s，表明本发明池室内部水流大部分均处于较低流速水平。

Claims (8)

1.一种带有H形墩和短挡板的竖缝式鱼道，包括底板（5）、侧壁面（4）、H形墩（3）、侧面长挡板（1）和侧面短挡板（2）；侧壁面（4）平行于水流方向，侧面长挡板（1）和侧面短挡板（2）垂直于侧壁面（4）；沿水流方向相邻的侧面长挡板（1）将鱼道分成多个池室，每个池室包括一个底板（5）、两个侧壁面（4）、一个H形墩（3），四个侧面长挡板（1）和两个侧面短挡板（2）；
侧面长挡板（1）成对且共面地分别设置在池室两个侧壁面（4）内侧，每一对侧面长挡板（1）之间留有竖缝区域；侧面短挡板（2）成对且共面地分别设置在池室两个侧壁面（4）内侧，侧面短挡板（2）位于两个沿水流方向相邻的侧面长挡板（1）之间；侧面短挡板（2）的长度小于侧面长挡板（1）的长度；
H形墩（3）位于池室的中央，H形墩（3）包括中间墩体、前端挡板和后端挡板，前端挡板和后端挡板平行于侧面长挡板（1）设置；
水从两个侧面长挡板之间的竖缝进入池室内，撞向H形墩的前挡板，然后主流被分成两部分并改变流动方向，向H形墩的两侧流动，并且在两个侧面长挡板1的后面形成两个对称分布的回流区域；之后由于侧面短挡板的作用，又改变了其流动方向，流向H形墩的后挡板，最后再流向下一个竖缝位置处；
水流在池室内的流动过程中，在所有结构下游侧，包括侧面长挡板，H形墩前、后挡板的中间区域，H形墩后挡板的下游侧，侧面短挡板和下一个池室侧面长挡板之间的区域均会形成以小流速为主要特征的回流区域，这些回流区域可以为上溯的鱼类提供短暂休息的场所。
2.根据权利要求1所述的一种带有H形墩和短挡板的竖缝式鱼道，其特征在于：底板（5）纵向坡度为1%~10%；池室的长宽比为5:4。
3.根据权利要求1或2所述的一种带有H形墩和短挡板的竖缝式鱼道，其特征在于：侧面长挡板（1）的长度I B 与池室的宽度B之比为0.85:2.2，侧面长挡板（1）的厚度b 0 与池室的长度L之比为0.11:2.75；一对侧面长挡板（1）之间的竖缝区域的宽度b s 与池室宽度B之比为0.50:2.2。
4.根据权利要求1或2所述的一种带有H形墩和短挡板的竖缝式鱼道，其特征在于：H形墩（3）正对于竖缝，H形墩（3）的前端挡板与侧面长挡板（1）间的距离d与池室的长度L之比为0.44:2.75，H形墩（3）的前端挡板的长度b t 和后端挡板的长度b n 与池室宽度B之比均为0.66:2.2，H形墩（3）的前端挡板和后端挡板的厚度b 0 与池室的长度L之比为0.11:2.75；中间墩体的长度I l 与池室的长度L之比为1.1:2.75，中间墩体的厚度I b 与池室宽度B之比为0.22:2.2。
5.根据权利要求3所述的一种带有H形墩和短挡板的竖缝式鱼道，其特征在于：H形墩（3）正对于竖缝，H形墩（3）的前端挡板与侧面长挡板（1）间的距离d与池室的长度L之比为0.44:2.75，H形墩（3）的前端挡板的长度b t 和后端挡板的长度b n 与池室宽度B之比均为0.66:2.2，H形墩（3）的前端挡板和后端挡板的厚度b 0 与池室的长度L之比为0.11:2.75；中间墩体的长度I l 与池室的长度L之比为1.1:2.75，中间墩体的厚度I b 与池室宽度B之比为0.22:2.2。
6.根据权利要求1、2或5所述的一种带有H形墩和短挡板的竖缝式鱼道，其特征在于：侧面短挡板（2）的长度b l 与池室宽度B之比为0.2:2.2，侧面短挡板（2）的厚度b 0 与池室长度L之比为0.11:2.75；侧面短挡板（2）和侧面长挡板（1）之间的距离L t 与池室长度L之比为1.21:2.75。
7.根据权利要求3所述的一种带有H形墩和短挡板的竖缝式鱼道，其特征在于：侧面短挡板（2）的长度b l 与池室宽度B之比为0.2:2.2，侧面短挡板（2）的厚度b 0 与池室长度L之比为0.11:2.75；侧面短挡板（2）和侧面长挡板（1）之间的距离L t 与池室长度L之比为1.21:2.75。
8.根据权利要求4所述的一种带有H形墩和短挡板的竖缝式鱼道，其特征在于：侧面短挡板（2）的长度b l 与池室宽度B之比为0.2:2.2，侧面短挡板（2）的厚度b 0 与池室长度L之比为0.11:2.75；侧面短挡板（2）和侧面长挡板（1）之间的距离L t 与池室长度L之比为1.21:2.75。
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