洋溪水利樞紐橫隔板式魚道設(shè)計

望燕慧，薛 淑，莫祖韜

（1.廣西水利電力勘測設(shè)計研究院有限責任公司，南寧 530023；2.南京水利科學(xué)研究院，南京 210000）

1 工程概況

洋溪水利樞紐工程是國務(wù)院批準的《珠江流域防洪規(guī)劃》《珠江流域綜合規(guī)劃（2012—2030年）》確定的柳江重要防洪控制性工程，是國務(wù)院確定的172 項節(jié)水供水重大水利工程之一，工程任務(wù)以防洪為主，兼顧發(fā)電和航運等綜合利用。工程與落久水庫聯(lián)合調(diào)度，可將柳州市防洪能力由50年一遇提高到100年一遇，社會效益顯著；工程利用上游梅林～下游麻石梯級落差29 m 發(fā)電，可緩解柳州缺電局面，促進經(jīng)濟發(fā)展。工程建成以后，與上游梅林航電梯級一起（梅林為洋溪的庫中庫），可渠化貴州省從江航電樞紐至廣西壯族自治區(qū)洋溪樞紐之間約70 km的航道，為打通西江黃金水道北線通道提供條件。洋溪水利樞紐工程攔河大壩最大壩高75.5 m，大壩的建設(shè)隔斷了魚類洄游的通道，樞紐擬同步建設(shè)魚道工程，洋溪魚道最大設(shè)計水頭為30 m。

2 過魚種類特性分析

洋溪水利樞紐所在的柳江干流都柳江有魚類88種，其中庫區(qū)所在江段漁獲物共捕獲其中30種，魚類以流水或急流型底層魚類為主。本工程實施過魚措施主要為滿足鰱、草魚等生殖洄游需求和解決壩上、下游的魚類基因交流問題，因此過魚對象應(yīng)為河道中全部種類，其中重點過魚對象為鰱、草魚、銀鮈、斑鳠、大鰭鳠等種類。

（1）鰱。棲息于水體的中上層，多于4～6 月進行繁殖產(chǎn)卵，3齡可達性成熟。

（2）草魚。喜棲息于江河湖泊等水域的中下層和近岸多水草區(qū)域，具河湖洄游習(xí)性。生殖期為4～7 月，比較集中在5 月間。4 齡魚達性成熟時，體長約為740 mm。

（3）斑鱯。棲息于江河的底層，以小型水生動物為食。每年4～6月繁殖，躲在礫石中產(chǎn)黏沉性卵。

（4）大鰭鳠。為底棲性魚類，多棲息于水流較急、底質(zhì)多石礫的江河干、支流中，6～7 月為繁殖季節(jié)，在流水灘上產(chǎn)卵，卵黏附于石塊上發(fā)育。

（5）銀鮈。棲息條件為靜水或微流水環(huán)境的淺水地帶，喜棲息于水體的中、下層。生殖期為5月。

綜上所述，根據(jù)過魚對象的生活及繁殖特性，洋溪魚道主要的過魚季節(jié)為每年的4～7月。過魚對象中，以草魚個體最大，因此，考慮設(shè)計過魚對象體長范圍為10～70 cm。研究表明，鰱、草魚等克流能力約為1.0～1.9 m/s，其它種類如斑鳠、大鰭鳠等均為喜流水的種類，具有較強的游泳能力，有的可達2.5 m/s。根據(jù)上述特點魚道的設(shè)計流速取1.0 m/s，局部最大流速≤1.1 m/s。

3 魚道運行水位的確定

魚道的運行水位包括：上下游最高和最低運行水位、上下游檢修水位、上下游設(shè)計洪水位、上下游校核洪水位等。魚道的運行水位區(qū)間，受過魚季節(jié)影響，對魚道邊墻高程、魚道進出口數(shù)量、魚道總長度、魚道工程投資等都影響較大。魚道的檢修水位、設(shè)計洪水位、校核洪水位根據(jù)魚道建筑物的工程級別按相應(yīng)的洪水標準確定。魚道的運行水位應(yīng)根據(jù)規(guī)范并結(jié)合工程特點綜合選用。過魚季節(jié)越長上下游運行水位變幅越大，則運行水頭越高、工程投資越大。從水生態(tài)恢復(fù)的角度，為了達到較好的過魚效果，一般要求過魚季節(jié)越長越好。目前規(guī)范和設(shè)計導(dǎo)則對保證率沒有做硬性要求，需要結(jié)合具體的工程特點綜合確定魚道的運行水位，以滿足水生態(tài)恢復(fù)和控制工程成本的雙向平衡。

3.1 魚道上游運行水位選取

每年4～7 月過魚期間，根據(jù)運行調(diào)度規(guī)則，4月～5 月11 日為非汛期，電站主要維持正常蓄水位163.00 m 運行發(fā)電；5 月11 日～7 月為汛期，受防洪調(diào)度要求，水庫水位絕大部分時段維持在汛限水位153.00 m運行。上游水位變幅高達10 m，從水生態(tài)恢復(fù)常規(guī)思路設(shè)計需要設(shè)置5個出魚口。工程根據(jù)運行調(diào)度特點，統(tǒng)計分析得到：4 月～5 月10 日（非汛期）水庫運行水位維持在163.00 m 運行，時間占比為32.13%；5月11日～7月底在153.00 m運行，時間占比為64.13%，在153.00～163.00 m 水位變幅區(qū)間運行時間占比很短，為3.64%。因此，魚道上游最高運行水位取正常蓄水位163.00 m，最低運行水位為汛限水位153.00 m，153.00～163.00 m 區(qū)間運行歷時很短不考慮過魚，過魚歷時保證率可達96.26%。

3.2 魚道下游運行水位選取

魚道下游運行水位直接受電站發(fā)電和閘壩泄水的影響，同時受下游麻石電站運行回水影響。1～3 臺機組滿發(fā)下泄流量，對應(yīng)下游水位為134.29～135.76 m；過魚季節(jié)4～7 月，下游水位在137.00 m以下的時間比例為94.54%（H～Q下包線），因此下游最高運行水位取137.00 m。1991—2015 年共25 年間麻石實際運行水位在130.20～134.00 m之間，其中具有90%保證率以上都是在132.77 m 運行。按麻石多年運行具有90%保證率的實際運行情況，下游最低運行水位可取132.77 m；結(jié)合洋溪1 臺機組發(fā)電下游水位為134.29 m，綜合考慮后，選取魚道下游最低運行水位取133.00 m。下游運行水位為133.00～137.00 m，變幅為4.00 m。

4 魚道池室流場局部模型試驗

4.1 研究內(nèi)容

通過建立大比尺（1∶4）水工物理模型（見圖1），分析了各隔板之間的水流流態(tài)和局部水流現(xiàn)象，全面了解魚道水池內(nèi)水流的平面和空間分布，優(yōu)化魚道的結(jié)構(gòu)及運行參數(shù)，以達到提高魚道過魚效果的目的。研究內(nèi)容包括過魚孔（縫）最大流速、普通池室流態(tài)特性、180°轉(zhuǎn)彎段流態(tài)特性等。

圖1 魚道池室局部模型試驗照片

4.2 過魚孔（縫）最大流速

魚道池室隔板豎縫的最大流速直接關(guān)系到魚類能否順利由下一級池室洄游到上一池室。試驗選取3#～17#隔板過魚豎縫的最大流速進行測量。一般池室內(nèi)最大流速出現(xiàn)在豎縫前緣或后緣，在局部物理模型中將過魚孔（縫）最大流速測點布置在豎縫后緣，采用旋漿流速儀對隔板豎縫的不同高程的最大流速進行了測量，每個隔板豎縫從下到上分別測量了5個位置，測點平面和立面位置見圖2、圖3。流速試驗結(jié)果見表1和圖4、圖5。

表1 各過魚孔測點流速m/s

圖2 隔板過魚縫流速測點平面位置

圖3 隔板過魚縫流速測點立面位置

圖4 池室沿程隔板豎縫流速

圖5 典型池室隔板豎縫流速分布

由表1和圖4、圖5可知：

（1）推薦坡度1∶45 下，L 型隔板魚道豎縫平均流速為0.94 m/s，豎縫最大流速Vx為1.05 m/s，局部物理模型測量的魚道豎縫流速平均值和流速最大值與三維數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。

（2）從隔板豎縫垂向最大流速變化看，豎縫內(nèi)最大流速值沿水深變化較小，3#～17#隔板實測的豎縫垂向最大流速變化為0.14 m/s，豎縫內(nèi)不同水深的流速基本一致。

（3）3#～17#隔板豎縫沿程最大流速為0.93～1.05 m/s。10#～12#隔板位于180°彎道平底休息池交界前后，豎縫流速均勻度稍差；沿程各隔板過魚豎縫最大流速平均值無明顯增大或減小現(xiàn)象，說明魚道底坡和過魚豎縫尺寸設(shè)計合理。

4.3 普通池室流態(tài)特性

采用ADV 流速儀測量了一個典型池室不同水深處的流場分布情況，典型池室內(nèi)測量了6個斷面，池室內(nèi)各斷面測點位置見圖6。池室內(nèi)不同深度測點流速見表2，典型池室流場分布見圖7。

表2 典型池室內(nèi)實測流速

圖6 池室流態(tài)測點位置圖

圖7 典型池室流場分布圖

由表2和圖7可知，在坡度1∶45下，L型隔板魚道池室內(nèi)大部分區(qū)域流速大于魚類的感知流速0.2 m/s，池室內(nèi)主流流速在0.35～0.80 m/s 之間；主流流向變化較平順，無明顯的扭曲，水流主流在池室內(nèi)成相對較緩的“S”形流線，有利于目標魚類沿著主流上溯洄游；豎縫表面水流流向明確，無明顯水位跌落，豎縫出口附近最大流速約為0.94 m/s；主流到池室中間3#～4#斷面，主流區(qū)最大流速0.7 m/s，且范圍較小，有利于魚類持續(xù)上溯洄游。

4.4 180°轉(zhuǎn)彎段休息池流態(tài)特性

采用ADV 流速儀測量了一典型180°彎道休息池流場分布情況。休息池局部物理模型采用L型隔板、豎縫異側(cè)布置，并在池室中間設(shè)置長隔墻的休息池型式。休息池內(nèi)測量了5 個斷面，池室內(nèi)各斷面測點位置見圖8。彎道休息池內(nèi)不同測點流速見表3，休息池池室水流流態(tài)見圖9。

表3 180°彎道休息池內(nèi)流速指標

圖8 180°休息池池室測點位置圖

圖9 休息池池室水流流態(tài)

由表3和圖9可知，在坡度1∶45下，推薦的180°彎道休息池內(nèi)主流流速在0.35～0.55 m/s之間，并在彎道處形成較為明顯的180°的環(huán)流曲線。休息池中間無大尺度大回流，有利于目標魚類找到上溯的方向。休息池內(nèi)小于0.2 m/s的低流速區(qū)域較大，可供魚類上溯過程中暫時休息，恢復(fù)體力，有利于提高目標魚類的通過效率。

4.5 研究結(jié)論

對魚道隔板豎縫流速、一般池室和180°彎道休息池的流速流態(tài)特性進行驗證，并得出以下結(jié)論：

（1）三維紊流數(shù)學(xué)模型推薦采用的魚道底坡、隔板豎縫、水池尺度等主要參數(shù)是合理的，能夠滿足設(shè)計要求。

（2）三維紊流數(shù)學(xué)模型推薦采用的L型隔板型式下，洋溪樞紐魚道池室內(nèi)主流流向變化較為平順，主流無明顯的扭曲，水池內(nèi)流態(tài)平穩(wěn)。

（3）推薦方案下魚道豎縫出口附近最大流速約為1.05 m/s，滿足魚道最大流速≤1.1 m/s 的要求，沿程隔板過魚豎縫最大流速平均值無明顯增大或減小現(xiàn)象。池室內(nèi)主流流速在0.35～0.80 m/s之間，有利于目標魚類沿著主流上溯洄游。

5 魚道整體物理模型試驗

洋溪水利樞紐魚道整體物理模型比尺1∶10，魚道底坡坡度為1∶45，設(shè)計2 個進魚口、2 個出魚口，隔板數(shù)量255道，整體模型包含了2個分流口，底坡為平底的暗涵段、穿壩段，若干180°轉(zhuǎn)彎休息池、140°轉(zhuǎn)彎休息池、90°轉(zhuǎn)彎休息池、順直段休息池。

進魚口布置橫斷面為矩形，寬1 m，通過45°漸擴斷面與魚道等寬（2.0 m）的矩形斷面連接。魚道整體模型照片見圖10。

圖10 魚道整體物理模型照片

試驗內(nèi)容：多個運行工況下的隔板豎縫流速指標，沿程水面線分布、進魚口補水流量等。

整體模型試驗的目的在于測量整個魚道內(nèi)的水流條件，分析不同水位組合下的過魚效果，對于進口流速過小的工況提出合理的補水措施以達到誘魚條件。

整體物理模型試驗成果表明：

（1）洋溪樞紐魚道在各水位組合工況下各隔板之間水流流態(tài)較好，水流消能較為充分，且無明顯水流跌落現(xiàn)象，推薦的L型隔板型式和1∶45的池室坡度合理，魚道池室設(shè)計滿足要求。

（2）各工況下魚道進口段水流流速整體偏小，除魚道進口水深為1.5 m 的工況進魚口流速達到0.3 m/s，滿足進魚口感應(yīng)流速要求，其余進口水深＞1.5 m 的工況，均需采取補水措施，人為提高進魚口流速，改善誘魚效果。試驗報告提出了進魚口補水系統(tǒng)布置方案，并通過試驗提出補水系統(tǒng)進行0.75 m3/s 不間斷補水的方式，在進魚口可形成較好的誘魚流速條件。

6 洋溪魚道總體布置方案

洋溪魚道穿壩段軸線位于廠房進水口和左岸非溢流壩之間的5#非溢流壩，主要建筑物包括擋洪閘、進口閘、出口閘、觀測室、魚池等。

魚道進口布置在廠房尾水出口下游約50 m處，發(fā)電尾水水流流經(jīng)該處。主要過魚季節(jié)為每年的4～7 月，魚道下游運行水位區(qū)間為133.0～137.0 m，水位變幅4.0 m。共設(shè)置2 個魚道進口，即1#、2#進口，兩個進口閘聯(lián)合集中布置，進口高程分別為131.5、133.5 m。

魚道出口布置在廠房進水口壩段上游約100 m處的河岸左側(cè)，兩個出口閘聯(lián)合布置，出口處水流平穩(wěn)，流速較小?？紤]按不同的過魚水位設(shè)置2 個魚道出口即1#出口、2#出口，出口底板高程分別為151.50、161.50 m。

魚道擋洪閘結(jié)合左岸5#非溢流壩布置，擋洪閘頂高程190.5 m，與壩頂相同。閘頂設(shè)啟閉機房。壩內(nèi)設(shè)高低錯開的兩個穿壩孔口，設(shè)計水深1.5 m。1#孔口設(shè)1扇工作閘門和1扇檢修閘門，2#孔口設(shè)1扇工作閘門。采用液壓啟閉機房內(nèi)的固定式卷揚機對閘門進行啟閉。

魚道池室分為平段和斜坡段。平段主要布置在休息池、過渡段、暗涵、進出口閘段和分流閘段位置。斜坡段坡度1∶45，穿插平段布置，每隔15～20塊隔板設(shè)魚道休息池1個，休息室長5 m。

為觀測魚道中魚類洄游的數(shù)量、種類，結(jié)合魚道平面布置，在左岸非溢流壩段下游壩坡與開關(guān)站之間的魚道水池頂部設(shè)觀察室。觀測室凈寬6.4 m，凈長10.0 m。觀測室地面高程158.5 m，觀測人員可透過玻璃窗直觀觀察高孔過魚情況，還可通過樓梯下到150.0 m 高程，觀察低孔過魚情況。設(shè)備儀器室布設(shè)在低孔魚道上部樓板上，主要用來放置攝像機屏幕等儀器。