槽式魚道在牛嶺水庫(kù)工程中的應(yīng)用

戴 偉

(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230022)

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

牛嶺水庫(kù)地處徽水河中下游,控制流域面積850 km2,約占徽水流域總面積的80%。牛嶺水庫(kù)規(guī)模為大(2)型水庫(kù),工程等別為Ⅱ等,是一座以防洪為主,結(jié)合供水,兼顧發(fā)電、灌溉等綜合利用的水利樞紐工程。水庫(kù)總庫(kù)容1.67億m3,電站裝機(jī)容量19 MW。樞紐工程由混凝土重力壩、壩頂泄洪表孔、壩身泄洪中孔、壩內(nèi)埋管式發(fā)電引水系統(tǒng)、壩后式發(fā)電廠房和升壓開關(guān)站、魚道、放空底孔等建筑物組成。

1.2 魚道簡(jiǎn)介

過魚建筑物采用魚道,槽身采用豎縫式結(jié)構(gòu)。魚道進(jìn)口布置在尾水渠末端,進(jìn)口底高程70.0 m,沿尾水渠左側(cè)墻上升至73.0 m高程,至魚道進(jìn)口壩下約180.0 m處,設(shè)置塔式回旋魚道,上升至94.9 m高程,通過渡槽式魚道穿越進(jìn)廠道路至左岸臺(tái)地,沿左岸臺(tái)地等高線上升至113.5 m高程后至左岸魚道壩內(nèi)控制段,魚道穿壩出口在左岸壩塊設(shè)3層,分別為113.5 m、114.5 m、115.5 m高程,壩后段長(zhǎng)2 575.6 m;穿壩后沿左側(cè)庫(kù)岸延伸至上游沖溝邊,壩前段長(zhǎng)152.0 m。

2 魚道設(shè)計(jì)

2.1 過魚方案選擇

大壩過魚的措施較多,可采用技術(shù)上實(shí)用的方法(技術(shù)型過魚設(shè)施)或模仿自然的方法(仿自然型過魚設(shè)施)來構(gòu)造,主要包括仿自然通道、魚道、魚閘、升魚機(jī)、集運(yùn)魚系統(tǒng)等,過魚措施的的方式選擇需對(duì)樞紐工程區(qū)地形條件、工程特性(樞紐布置、壩型、壩高)、魚類生物學(xué)特性等方面進(jìn)行綜合比選?？紤]牛嶺水庫(kù)工程所在地兩岸均為山地,地形陡峻及壩下河段水深較淺,通航能力較差及魚閘等投資大等因素,本工程過魚設(shè)施采用魚道方案(圖1)。

圖1 魚道槽身結(jié)構(gòu)圖

2.2 魚道進(jìn)出口

魚道進(jìn)口布置在發(fā)電尾水渠末端,進(jìn)口底高程約70.0 m,進(jìn)口設(shè)計(jì)水深1.0 m。魚道進(jìn)口設(shè)置側(cè)向進(jìn)魚口,與尾水渠順?biāo)飨蜉S線成30.0°角布置,底高程70.0 m,孔口尺寸1.0 m×0.5 m(寬×高)。魚道出口布置在左岸連接壩段,壩塊穿壩,根據(jù)上游水位變幅設(shè)置3個(gè)出口,底高程分別為115.5 m、114.5 m、113.5 m,穿壩孔口尺寸1.5 m×1.8 m(寬×高),壩前各設(shè)2道閘門,工作、檢修閘門互為備用。

2.3 槽身設(shè)計(jì)

根據(jù)“現(xiàn)場(chǎng)魚類游泳能力試驗(yàn)”結(jié)論:“為保證不同種類過魚對(duì)象的過壩需要,一般以游泳能力較弱的魚類突進(jìn)速度作為取值依據(jù),……,本次分析采用吻鰕虎魚的突進(jìn)游泳速度作為主要的參考對(duì)象?！钚⌒猿墒靷€(gè)體吻鰕虎魚突進(jìn)有用速度約為0.84 m/s,因此建議過魚斷面最大流速小于0.84 m/s。”

槽身采用矩形斷面,寬1.5 m,池室長(zhǎng)2.0 m,每隔10 塊隔板設(shè)一個(gè)休息池,休息池為平底,長(zhǎng)4.0 m。魚道休息池布置在轉(zhuǎn)彎處時(shí),魚道休息池長(zhǎng)度適當(dāng)加大。魚道底部鋪設(shè)0.2 m厚砂卵石。

2.3.1 魚道池室結(jié)構(gòu)

(1) 池室凈寬b:池室凈寬不宜小于主要過魚對(duì)象體長(zhǎng)的2倍,本工程魚道過魚種類體長(zhǎng)不超過0.5 m,綜合考慮過魚量,池室凈寬b取1.5 m。

(2) 池室凈長(zhǎng)l:池室凈長(zhǎng)一般取池室凈寬的1.25～1.5倍,因此,池室凈長(zhǎng)度l取2.0 m。池室隔板d取0.2 m。

(3) 豎縫寬度:豎縫寬度宜取0.3～0.5 m,考慮過魚對(duì)象體型均不大,豎縫寬度取0.3 m。豎縫縫口方向宜與隔板呈45°夾角。

2.3.2 池室水深

池室水深應(yīng)視過魚對(duì)象的體高和習(xí)性確定,可取0.5～1.5m,考慮本工程過魚對(duì)象中有底層魚類,水深取1 m。

2.3.3 魚道池室數(shù)量

(1) 池間水位差,按下式計(jì)算：

式中:ΔH為隔板水位差,m;V為魚道設(shè)計(jì)流速,m/s,取0.8 m/s;φ為隔板流速系數(shù),可取0.85～1.0;

(2) 隔板水位差在0.033～0.045 m,設(shè)計(jì)取0.04 m。

式中：n為魚道池室總數(shù)量;H為魚道最大設(shè)計(jì)水位差,m。

2.3.4 魚道坡降I

2.3.5 魚道流量

垂直豎縫式魚道內(nèi)流量可按下式計(jì)算:

式中：h0為池室內(nèi)下游水深,m;μ為流量系數(shù),m;s為豎縫寬,m。池室內(nèi)下游水深h0取1.0m,豎縫寬s取0.3m,流量系數(shù)μ取0.3,則魚道內(nèi)流量Q約為0.25m3/s。

2.3.6 魚道有效長(zhǎng)度L

魚道有效長(zhǎng)度L=1 149×(2+0.2)=2 527.8m。

2.3.7 單位水體消耗功率E

池室內(nèi)單位水體消耗功率E按下式計(jì)算:

式中：E為池室內(nèi)單位水體消耗功率,W/m3;V為池室水體體積,m3;Q為魚道流量,m3/s。

計(jì)算得魚道單位水體消耗功率為35.32W/m3,小于規(guī)范要求的200W/m3。

3 結(jié)束語(yǔ)

3.1 我國(guó)魚道建設(shè)及發(fā)展

我國(guó)魚道設(shè)計(jì)起步較晚,至20世紀(jì)80年代相繼建設(shè)了40余座魚道。自葛洲壩水利樞紐中采取建設(shè)增殖放流站的措施來解決中華鱘等珍稀魚類的保護(hù)問題至此后的30余年,我國(guó)在建設(shè)水利水電工程時(shí)很少修建過魚設(shè)施。近年隨著天然漁業(yè)資源嚴(yán)重退化,甚至危及到國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)珍稀特有魚類,過魚設(shè)施的研究和建設(shè)才重新受到重視,一批過魚設(shè)施已建成運(yùn)行或在規(guī)劃建設(shè)中。但相關(guān)原型觀測(cè)及規(guī)范性指導(dǎo)文件積累相對(duì)較少,《魚道設(shè)計(jì)導(dǎo)則》在總結(jié)國(guó)內(nèi)外魚道設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,僅給出了原則性的指導(dǎo),對(duì)高水頭差魚道設(shè)計(jì)論述較少,可操作性不高。

3.2 槽式魚道設(shè)計(jì)重點(diǎn)

槽式魚道設(shè)計(jì)應(yīng)掌握四個(gè)重點(diǎn):魚道進(jìn)口位置的選擇、槽內(nèi)流速的控制、休息魚池的設(shè)置、上下游水面銜接。

(1)魚道進(jìn)口是引導(dǎo)魚類進(jìn)入魚道的起點(diǎn),只有在水流動(dòng)性好的地方布置魚道進(jìn)口,魚兒才容易被吸引到魚道中去。本工程魚道進(jìn)口設(shè)置在廠房尾水側(cè),利用發(fā)電尾水引魚,根據(jù)下游流場(chǎng)數(shù)模分析,確定了魚道進(jìn)口的合適位置,并在魚道進(jìn)口設(shè)置了攔魚電柵,確保了引魚效果。

(2)魚道過魚品種較多,為滿足不同魚類的過魚要求,同一魚道斷面需要形成不同的流速區(qū),且該流速區(qū)內(nèi)水的流速必須小于魚的克流能力。因此,槽內(nèi)流速是決定上溯魚類能否成功通過的關(guān)鍵。魚類克流能力可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)魚類游泳能力試驗(yàn)確定,槽身尺寸、魚道坡度、隔板及豎縫型式的選擇除應(yīng)根據(jù)模型計(jì)算,還應(yīng)在水工模型試驗(yàn)輔助下進(jìn)行優(yōu)化。

(3)魚道水頭差大,在滿足坡度要求的前提下,坡面比較長(zhǎng),魚道中如果沒有供魚類休息的地方,中、小型魚類很可能由于體力不夠而無法抵達(dá)上游。因此,本工程每隔10 塊隔板設(shè)一個(gè)休息池,休息池為平底,長(zhǎng)4.0m。

(4)在多魚種洄游型魚道設(shè)計(jì)中,應(yīng)考慮到各魚種洄游季節(jié)不一,在上、下游水位落差較大時(shí),應(yīng)特別注意水面線的銜接?？蓞⒖急竟こ虒Ⅳ~道出口設(shè)置為多層,根據(jù)不同季節(jié)及庫(kù)水位情況人工干預(yù),啟用不同高程魚道。