多級跌坎凹槽豎縫式魚道實驗裝置的製作方法

2023-09-13 09:15:40

專利名稱：多級跌坎凹槽豎縫式魚道實驗裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及對水力學紊流消能技術研究、魚類遊泳能力、魚類洄遊及過魚設施等問題的研究，特別涉及一種多級跌坎凹槽豎縫式魚道實驗演示裝置。
背景技術：
過魚設施是指讓魚類通過障礙物的人工修建的通道和設施，最早的過魚設施，是開鑿河道中的礁石、疏浚急灘等天然障礙以溝通魚類的洄遊路線。據不完全統計美國和加拿大已經建設各種過魚建築物200座以上，其中多數為魚道，另外歐洲100座左右，日本約35座，前蘇聯約15座。世界上比較著名的魚道有美國的邦納維爾壩魚道、加拿大的鬼門峽魚道以及英國的湯格蘭德壩魚道等，從統計資料來看，世界上水頭最高、長度最長的魚道分別是美國在20世紀50年代建設的北汊壩(North Fork) 魚道，其提升高度60m，全長2700m，以及帕爾頓魚道，其提升高度57. 5m,全長4800m ； 1958 年，我國在浙江富春江七裡壟電站中首次設計了魚道，最大水頭約18m。60年代又分別在黑龍江和江蘇等地興建了鯉魚港、鬥龍港、太平間等30多座魚道。目前我國在各類水利工程中已建魚道40座以上。魚道作為過魚設施的一種，是在魚類洄遊時供魚類通過閘、壩的人工水槽。主要由進口段，槽身段，出口段和輔助設施等組成。簡單的講，魚道就是一種供魚類洄遊用的人造水槽。它的形成和發展代表了人們對河道工程影響水生環境的重視程度的提高，它的作用除了改善工程對魚類經濟的不利影響外，更使得許多的魚類免於滅絕，保障生物的連續性和多樣性，它具有重要的生態意義，經濟意義和工程意義。魚道主要有三種類型平面式魚道；豎縫式魚道，也稱導牆式魚道；以及梯級式魚道，也稱臺階式魚道。由於現有的過魚設施設計目標單一、設計資料不完善，導致了大部分上述型式的魚道在設計修建的時候，在考慮誘魚效果和保持過道魚類體力及延續過道魚類的發育過程方面有較大的缺陷，同時，也沒有滿足當地魚類對流速、流態的要求，這些因素直接導致了我國大多數魚道建成後運行效果不理想。由國內外的資料來看，對過魚設施研究、進行模型實驗的類型大部分都是較單一的垂直豎縫式魚道，其他類型的過魚設施少有詳細的模型實驗研究，因為過魚設施中的水流具有複雜的水動力學條件，所以只憑數值模擬研究難以給出可信結果。

發明內容
本發明的目的正是針對現有過魚設施中存在的問題，設計一種能對水力學紊流消能問題、魚類洄遊問題以及水力學實驗進行研究的新型多級跌坎凹槽豎縫式魚道實驗演示裝置。該多級跌坎凹槽豎縫式魚道實驗裝置體型靈活可變，具有多樣性，可在多種不同工況下進行實驗演示，不僅可以為本科教學實驗提供方便，還可以提高過魚設施內水流流場研究的可靠性及準確性，能夠結合現代化量測手段進行分析，進而為過魚設施研究提供可靠的依據。
3
為了實現上述本發明的目的，本發明是採用由以下技術措施構成的技術方案來實現的。本發明提出的多級跌坎凹槽豎縫式魚道實驗裝置，其特徵在於包括水循環系統， 進水系統和擋水系統組成的裝置主體和出水系統；所述水循環系統與進水系統連接，進水系統與擋水系統連接，擋水系統再與出水系統連接；其中，水循環系統由抽水泵，地上水箱， 地下水池，上遊手控閥門和下遊手控閥門，溢水管組成；進水系統按水流方向由流量控制箱，薄壁堰，水流緩衝箱和上遊魚類休息池組成；擋水系統由設置有障礙物的若干個水槽組成；出水系統由下遊魚類休息池，尾水池和尾水管組成；所述水循環系統中地上水箱底部由地面上的鋼架支撐，地上水箱頂部與連接抽水泵的抽水管連接，抽水管再與溢水管連接， 抽水泵安裝於地下水池中，地上水箱底部通過連接水管與上遊手控閥門連接，上遊手控閥門與進水系統中的流量控制箱連接，流量控制箱與水流緩衝箱連接，水流緩衝箱再與上遊魚類休息池連接，上遊魚類休息池底部由固定支架支撐；所述擋水系統中水槽一端連接上遊魚類休息池，另一端連接出水系統中下遊魚類休息池，下遊魚類休息池與尾水池連接，尾水池與下遊手控閥門連接，下遊手控閥門再與尾水管連接，水流通過尾水管實現與地下水池的連接。上述技術方案中，所述進水系統中的流量控制箱，上遊魚類休息池和水流緩衝箱均採用水平位置放置。上述技術方案中，所述擋水系統中各水槽內設置的障礙物為多級跌坎和凹槽，多級跌坎的級數至少為三級。上述技術方案中，所述擋水系統中水槽底部的千斤頂為氣壓千斤頂。上述技術方案中，所述進水系統中水流緩衝箱與上遊魚類休息池之間加設有穩水柵，穩水柵的放置垂直於水流方向。上述技術方案中，所述各水槽由束窄進水口，凹向上遊的凹槽和所設置的多級跌坎以及束窄出水口組成，各水槽成幾何對稱性，並且頭一個水槽的束窄出水口就是下一個水槽的束窄進水口。上述技術方案中，所述擋水系統中水槽坡度的升降通過氣壓千斤頂，配合支撐鉸鏈與可伸縮支架進行調整。上述技術方案中，所述的水槽坡度可調範圍在1/30 1/25之間。上述技術方案中，所述進水系統中上遊魚類休息池底部的固定支架與支撐鉸鏈之間設置一旋轉滑軌。上述技術方案中，所述出水系統中下遊魚類休息池與尾水池之間設置一垂直滑軌。本發明的實驗裝置其基本原理是水流通過水循環系統中的地上水箱流入，再由裝置主體的進水系統中的水流緩衝箱進入擋水系統中的若干水槽，經擋水系統中各水槽後通過出水系統中尾水管流出，再回流到水循環系統的地上水箱中。地上水箱的水流量大小由上遊手控閥門控制，尾水池中的水通過尾水管流入地下水池，其流量大小由下遊手控閥門控制。本發明的實裝置所述溢水管可起到自動溢水的作用，即當裝置所需流量較小，而實驗在進行時，地上水箱會被水充滿，因此設置一條溢水管，當超過地上水箱的容積時，水會通過溢水管自動溢流回地下水池中。本發明的實驗裝置所述三級跌坎底部均固定在水槽底部上。第一級跌坎的一端與束窄進水口擋板端相連，另一端與凹槽進水口處的側邊壁相連；第二級跌坎與第三級跌坎的方向平行，且均垂直於水流方向與水槽邊壁，其中，第二級跌坎一端與凹槽進水口處的外側邊壁相連，另一端與水槽內壁相連；第三級跌坎一端與凹槽後壁相連，另一端與水槽內壁相連。本發明的實驗裝置，從進水系統流進的水流經過上遊手控閥門流入流量控制箱， 進入裝置主體的流量由流量控制箱和薄壁堰控制；水流緩衝箱將薄壁堰和上遊魚類休息池隔開，避免水流從薄壁堰直接跌落到此魚類休息池中；另外，水流緩衝箱與上遊魚類休息池連接處設置一個穩水柵，也起到平穩水流的作用；在實際工程中，上、下遊魚類休息池主要供魚類上行時休息。而在本實驗裝置中，上遊魚類休息池還有進一步平緩水流的作用，因為水流從薄壁堰及水流緩衝箱流出後，動能及流速均較大，如無休息池的緩衝而直接進入進水口的話，勢必會引起下遊水流的紊亂，故上遊魚類休息池能使流入進水口的水流儘量趨於平緩。本發明多級跌坎凹槽豎縫式魚道實驗裝置不僅可以滿足水力學紊流消能研究、障礙物對水流流態的影響研究，還可以滿足魚類遊泳能力研究，包括水利水電工程設計研究中涉及的魚類洄遊、過魚設施等問題的相關研究。本發明多級跌坎凹槽豎縫式魚道實驗裝置還能配合粒子成像測速儀(PIV)、雷射測速儀(LDV)、聲學都卜勒測速儀(ADV)及數碼成像設備等構成較先進的量測系統，此時， 可在多級水槽主體頂端設置有可滑動儀器架，方便測量過程中的儀器放置。本發明與現有技術相比具有以下的優點及有益技術效果1、本發明實驗裝置考慮加入變坡系統，提高了實驗裝置的適用性，且水槽坡度調節自動化程度高，調節水槽坡度時可以單人獨立進行操作。2、本發明實驗裝置採用水循環系統，能夠將實驗用水循環利用，減少實驗用水量和實驗成本。3、本發明實驗裝置進水口流量採用流量控制箱配合薄壁堰進行控制，可將進入實驗裝置的流量調節到所需大小，而且操作簡單，易於進行。4、本發明實驗裝置設計三級跌坎，配合凹槽，將消能較為均衡地分配到各消能部位，既增大了消能效率，又降低了水流的紊亂程度。5、本發明實驗裝置的出水系統中下遊魚類休息池、尾水池、下遊手控閥門及尾水管的設計，能夠保證實驗過程中水槽液面穩定；6、本發明實驗裝置便於汙染物、泥沙及示蹤劑等的投放，為數據的採集提供了重要手段。7、本發明實驗裝置在流量的可控範圍內，其流速、流態較接近自然情況，因此所進行的放魚實驗較符合實際情況，所獲得的數據有較強的使用參考價值。


圖1本發明多級跌坎凹槽豎縫式魚道實驗裝置整體結構方框示意圖；圖2本發明多級跌坎凹槽豎縫式魚道實驗裝置整體結構示意圖；其中箭頭所指方向為水流流動方向；圖3本發明多級跌坎凹槽豎縫式魚道實驗裝置擋水系統水槽平面示意圖；圖4本發明多級跌坎凹槽豎縫式魚道實驗裝置擋水系統主體結構示意圖。附圖中各代號的含義1抽水泵；2抽水管；3地上水箱；4流量控制箱；5-1上遊魚類休息池，5-2下遊魚類休息池；6擋水系統；7尾水池；8-1上遊手控閥門，8-2下遊手控閥門；9固定支架；10千斤頂；11可伸縮支架；12溢水管；13尾水管；14連接水管；15地面；16 地下水池；17鋼架；18薄壁堰；19水流緩衝箱；20上遊擋板；21束窄進水口 ；22第一級跌坎；23第二級跌坎；對第三級跌坎；25下遊擋板J6束窄出水口 ；27凹槽；28凹槽側邊壁； 29凹槽後壁；30水槽；31旋轉滑軌；32支撐鉸鏈；33垂直滑軌；34穩水柵。
具體實施例方式下面結合附圖並用實施例對本發明作進一步的詳細說明，但本發明的內容不僅限於實施例中說涉及的內容。本發明實驗裝置的圖1中，所述水循環系統與進水系統連接，進水系統與擋水系統連接，擋水系統再與出水系統連接；由進水系統與擋水系統組成裝置的主體。本發明實驗裝置的圖2中，水循環系統中地上水箱底部3由鋼架17支撐，地上水箱頂部與抽水管2及溢水管12連接，其底部與連接水管14連接；地上水箱3流出的水通過連接水管14進入進水系統，進入流量控制箱4的水流流量由上遊手控閥門8-1控制；水流進入到流量控制箱4及上遊魚類休息池5-1後，還要經過水流緩衝箱19和穩水柵34，才進入擋水系統6 ；所述水流緩衝箱19與上遊魚類休息池5-1連接，上遊魚類休息池底部由固定支架9支撐；所述擋水系統6由設置有跌坎、凹槽等障礙物的若干個水槽30組成，所述水槽30 —端連接上遊魚類休息池5-1，另一端連接出水系統中下遊魚類休息池5-2，水槽具體結構由本發明實驗裝置的圖3給出解釋。擋水系統6底部設置有可伸縮支架11和氣壓千斤頂10，並用支撐鉸鏈32固定；擋水系統連接的下遊魚類休息池5-2與尾水池7連接，尾水池出流量由下遊手控閥門8-2控制，最後經由尾水管13排至地下水池16。本發明實驗裝置的圖3為本發明多級跌坎凹槽豎縫式魚道實驗裝置擋水系統中單個的水槽30平面示意圖，水流從上遊魚類休息池5-1流入擋水系統6的第一個水槽的束窄進水口 21後，由於凹槽27的擋水作用而形成壅水區；水流垂直凹槽27始端出流，水從第一級跌坎22流過，其中一部分沿著跌坎邊壁向上遊回流，形成旋渦，另一部分流過第二級跌坎23流向下遊。當水流流過第三級跌坎M後，由於下遊擋板25的阻擋作用，水流向中間匯集，之後開始向下一個水槽流去，重複以上的流動過程。本發明實驗裝置的圖4中，裝置主體由氣壓千斤頂10支撐，其入口端由旋轉滑軌 31、支撐鉸鏈32與上遊魚類休息池5-1連接，其出口端與下遊魚類休息池5-2 —起由可伸縮支架11支撐，下遊魚類休息池5-2通過垂直滑軌33與尾水池7連接。裝置主體水槽坡度的調節通過氣壓千斤頂10與旋轉滑軌31、支撐鉸鏈32、可伸縮支架11及垂直滑軌33的配合完成。實施例本實施例中，流量採用0.6m3/S。實驗裝置的主要尺寸如下所述進水系統中的流量控制箱4採用水平放置，其內長50cm，寬32cm，高80cm ；水
6流緩衝箱19水平放置，其內長20cm，寬32cm，高80cm ；穩水柵34垂直於水流方向放置，其高45cm，寬32cm ；上遊魚類休息池5_1水平放置，其內長80cm，寬32cm，高50cm。所述擋水系統6中水槽為可變坡度的有機玻璃水槽，槽身側面及底面全由透明的有機玻璃製成，其坡度調節為1Λ8。擋水系統內由10個完全一樣的水槽30組成，所述擋水系統6中水槽30由束窄進水口 21、凹向上遊的凹槽27和本實例設置的三級跌坎以及束窄出水口沈組成。束窄進水口 21的開度為12cm，開口位於它的中間，上遊擋板20寬度均為10cm，高30cm，厚度為1. 8cm ；凹向上遊的凹槽27位於水槽的中間部位，其高30cm，其入口距離束窄進水口 21為15. 2cm,距離凹槽後壁四為16. 4cm,凹槽側邊壁28厚度為1. 8cm, 凹槽後壁四厚度為0. 6cm,凹槽側邊壁28外側距離水槽內側的距離為11cm，即第二級跌坎 23與第三級跌坎M垂直於水流方向的寬度為11cm，凹槽後壁四外側與束窄出水口沈的距離為15.4cm。三級跌坎均是由有機玻璃製成的擋板，其底部均固定在水槽30的底部，高度均為0. 8cm，厚度均為0. 6cm。所述水槽30內長50cm，因為頭一個水槽的束窄出水口沈就是下一個水槽的束窄進水口 21，因此計算單個的水槽長度時不包括束窄出水口的厚度， 槽身總長為 50cmX 10 = 500cm = 5m,寬 32cm，高 30cm。所述出水系統中的下遊魚類休息池5-2與尾水池7連接，尾水池7通過下遊手控閥門8-2與尾水管13連接，水流通過尾水管13實現與地下水池16連通，下遊魚類休息池 5-2水平放置，其內長80cm，寬32cm，高30cm ；尾水池7水平放置，其內長70cm，寬32cm，高 50cmo採用本發明的多級跌坎凹槽豎縫式魚道實驗裝置進行水流流態、流場的觀測及放魚實驗的實施過程及操作步驟如下首先用抽水泵1將水從地下水池16抽至地上水箱3中，抽水泵1在實驗中一直開啟，待地上水箱3充水過2/3箱後，先關閉尾水管13處的下遊手控閥門8-2，再打開水循環系統中的流量控制箱4前面的上遊手控閥門8-1，控制其開度，配合流量計，讓本實施例的 0. 6m3/S流量的水流入，待下遊魚類休息池5-2的水位與擋水系統6中最後一個水槽中的水位穩定平齊後，打開尾水管13處的下遊手控閥門8-2，水流即可通過尾水管13流入地下水池16。量測上遊魚類休息池5-1處的水深及下遊魚類休息池5-2處的水深，調節下遊手控閥門8-2的開度，使上遊魚類休息池和下遊魚類休息池的水深在穩定不變時能保持一致，然後對實驗所需的如流速、水深等數據進行量測。 放入約IOcm長的個頭相似的洄遊性的小魚於下遊魚類休息池5-2中，例如每次放入一條，觀察它們向上遊遊動或者洄遊的情況記錄成功遊到上遊魚類休息池5-1的小魚條數，並記錄每一條小魚從下遊魚類休息池5-2遊到上遊魚類休息池5-1所需時間，可以得到最長和最短的時間及計算出平均時間。至此，完成一次放魚實驗。本實施例進行完一個流量工況下的水流流態、流場量測以及放魚實驗後，可以改變流量和擋水系統坡度，重複以上的過程，記錄不同流量下的流場情況以及魚類洄遊的情況，得到所記錄的實驗數據。通過處理後的實驗數據可為以下的研究服務水力學紊流消能研究、魚類遊泳能力研究，包括水槽內多級跌坎與凹槽等障礙物對水流流態、魚類洄遊的影響等水力學問題的相關研究。
權利要求
1.一種多級跌坎凹槽豎縫式魚道實驗裝置，其特徵在於包括水循環系統，進水系統和擋水系統組成的裝置主體和出水系統；所述水循環系統與進水系統連接，進水系統與擋水系統連接，擋水系統再與出水系統連接；其中，水循環系統由抽水泵(1)，地上水箱(3)，地下水池(16)，上遊手控閥門(8-1)和下遊手控閥門(8-2)，溢水管(1 組成；進水系統按水流方向由流量控制箱G)，薄壁堰(18)，水流緩衝箱(19)和上遊魚類休息池(5-1)組成；擋水系統(6)由設置有障礙物的若干個水槽(30)組成；出水系統由下遊魚類休息池(5-2)， 尾水池(7)和尾水管(13)組成；所述水循環系統中地上水箱(3)底部由地面(15)上的鋼架(17)支撐，地上水箱(3)頂部與連接抽水泵的抽水管(2)連接，抽水管(2)再與溢水管 (12)連接，抽水泵⑴安裝於地下水池(16)中，地上水箱(3)底部由連接水管(14)與上遊手控閥門(8-1)連接，上遊手控閥門(8-1)與進水系統中流量控制箱(4)連接，流量控制箱 (4)與水流緩衝箱(19)連接，水流緩衝箱(19)再與上遊魚類休息池(5-1)連接，上遊魚類休息池(5-1)底部由固定支架(9)支撐；所述擋水系統一端連接上遊魚類休息池(5-1)，另一端連接出水系統中下遊魚類休息池(5-2)；下遊魚類休息池(5- 與尾水池(7)連接，尾水池(7)與下遊手控閥門(8- 連接，下遊手控閥門(8- 再與尾水管(1 連接，水流通過尾水管(1 實現與地下水池(16)的連接。
2.根據權利要求1所述的多級跌坎凹槽豎縫式魚道實驗裝置，其特徵在於所述進水系統中的流量控制箱G)，上遊魚類休息池(5-1)和水流緩衝箱(19)均採用水平位置放置。
3.根據權利要求1所述的多級跌坎凹槽豎縫式魚道實驗裝置，其特徵在於所述擋水系統(6)中各水槽(30)內設置的障礙物為多級跌坎和凹槽(27)，多級跌坎的級數至少為三級。
4.根據權利要求1或3所述的多級跌坎凹槽豎縫式魚道實驗裝置，其特徵在於所述擋水系統底部的千斤頂(10)為氣壓千斤頂。
5.根據權利要求1或2所述的多級跌坎凹槽豎縫式魚道實驗裝置，其特徵在於所述進水系統中水流緩衝箱(19)與上遊魚類休息池(5-1)之間加設有穩水柵(34)，穩水柵(34) 的放置垂直於水流方向。
6.根據權利要求1或3所述的多級跌坎凹槽豎縫式魚道實驗裝置，其特徵在於所述擋水系統中各水槽由束窄進水口(21)，凹向上遊的凹槽07)和所設置的多級跌坎以及束窄出水口 06)組成，各水槽成幾何對稱性，且頭一個水槽的束窄出水口 06)就是下一個水槽的束窄進水口 01)。
7.根據權利要求1或3或4所述的多級跌坎凹槽豎縫式魚道實驗裝置，其特徵在於所述擋水系統中水槽坡度的升降是通過氣壓千斤頂(10)，配合支撐鉸鏈(3 與可伸縮支架 (11)進行調整。
8.根據權利要求1或7所述的多級跌坎凹槽豎縫式魚道實驗裝置，其特徵在於所述水槽的坡度可調範圍在1/30 1/25之間。
9.根據權利要求1或2所述的多級跌坎凹槽豎縫式魚道實驗裝置，其特徵在於所述進水系統中上遊魚類休息池(5-1)底部的固定支架(9)與支撐鉸鏈(3 之間設置一旋轉滑軌(31)。
10.根據權利要求1所述的多級跌坎凹槽豎縫式魚道實驗裝置，其特徵在於所述出水系統中下遊魚類休息池(5- 與尾水池(7)之間設置一垂直滑軌(33)。
全文摘要
本發明涉及一種多級跌坎凹槽豎縫式魚道實驗裝置。該裝置主要包括水循環系統連接的進水系統，進水系統連接的擋水系統，擋水系統連接的出水系統。水流通過水循環系統中地上水箱流入，經進水系統中水流緩衝箱進入擋水系統的水槽，經水槽後由出水系統中尾水池流出到地下水池，由尾水管再回流到水循環系統地上水箱中。地上水箱水流量由上遊手控閥門控制，尾水池水流量由下遊手控閥門控制。本發明裝置採用水循環系統，能將實驗用水循環利用，減少實驗用水量和成本；設計的三級跌坎配合凹槽，將消能較均衡地分配到各消能部位，提高了消能效率，降低了水流紊亂程度；且在流量可控範圍內，其流速、流態較接近自然情況，故放魚實驗符合實際情況。
文檔編號G09B25/04GK102176295SQ20111000430
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月11日 優先權日2011年1月11日
發明者安瑞冬, 易文敏, 李克鋒, 李嘉, 李然, 毛熹, 鄧雲 申請人:四川大學