大藤峽水利樞紐南木江魚道水力銜接段的研究應用

范穗興，蔣光燦，黃天寶

(1.中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510610；2.廣西大藤峽水利樞紐開發有限責任公司，廣西 桂平 537200)

魚道是供魚類溯河通過閘、壩等建筑物或天然障礙物的一種人工通道[1]。魚道的類型大致分為技術魚道和仿自然魚道，技術魚道主要有池式、隔板式、槽式、特殊結構式，而仿自然魚道主要有仿自然通道和加糙坡道型，魚道外還有魚閘、升魚機、集運魚船等過魚設施[2-5]。中國自從20世紀50年代設計富春江七里瀧水電站時提出魚道這一概念以來，建設歷程可大致分為20世紀60年代至80年代的初步發展期、80年代至20世紀末的停滯期、21世紀以后的二次發展期3個時期[6]。從1960年在安徽修建的第一座新開柳魚道至今，國內建設的魚道已超過100座，但與國外相比，在魚道數量、基礎研究、工程技術和法律法規等方面都尚處在初步發展階段[7-9]。目前我國應用最多的過魚設施是魚道，魚道中以技術魚道為主，其中主要結構為隔板式，而仿自然魚道較少；同時為保證魚道內水流流速、流態的穩定性，魚道設計流量基本固定不變或變幅很小，且普遍不大于7 m3/s[10-12]。南木江魚道作為國內首例大流量變幅下的組合式魚道，運行工況復雜，設計采用技術魚道+仿自然魚道的組合魚道，其中仿自然魚道還兼作生態流量下泄通道，設計流量變幅大，從3.6 m3/s至30 m3/s的流量下都需要滿足過魚要求。南木江魚道在相關規范、前期報告資料和國內已建工程經驗的基礎上，根據工程情況和水流條件，有針對性地對技術魚道和仿自然魚道間的水位落差進行了研究，經過方案研究比選和物理模型試驗驗證，優化確定了最終的水力銜接段設計方案，保證銜接段水流流速和流態的平穩過渡。

1 工程概況

大藤峽水利樞紐位于廣西最大最長的峽谷——大藤峽出口處，作為國務院確定的172項節水供水重大水利工程的標志性工程，它集防洪、航運、發電、水資源配置、灌溉等綜合效益于一體，是珠江流域關鍵控制性水利樞紐。

2 魚道工程布置及設計參數

2.1 南木江魚道工程布置

依據《大藤峽水利樞紐工程初步設計報告》(以下簡稱《初設報告》)，在庫內47.60、57.60、59.60、61.00 m水位設4個出魚口，在下游仿自然魚道末端設1個進魚口，進魚口低水位約為32.0 m。其中57.60、59.60、61.00 m水位對應的3個出魚口布置于1號工程魚道上，汛期水位47.60 m對應的出魚口布置于2號工程魚道上。1號工程魚道總長630 m，底板高程為58.0～51.6 m，底坡1/80；2號工程魚道總長192 m，底板高程為44.6～42.5 m，底坡1/80；1號生態魚道總長1 440 m，底板高程為51.6～42.0 m，底坡1/150；2號生態魚道總長420 m，底板高程為44.8～42.0 m，底坡1/150；1、2號生態魚道在下游匯合口處交匯，下接3號生態魚道，3號生態魚道總長2 750 m，底板高程為42.0～31.0 m，底坡1/250。具體布置見圖1。

圖1 南木江魚道布置

2.2 南木江魚道設計參數

根據《初設報告》《大藤峽水利樞紐主要過魚對象游泳能力測試研究》，確定南木江魚道的設計參數如下。

a)過魚對象。花鰻鱺、鰻鱺、青魚、草魚、鰱、鳙、鳡魚、鳤魚及赤眼鱒魚等為工程的主要過魚種類。

b)過魚季節。花鰻鱺、鰻鱺2—3月溯河，草魚、青魚、鰱、鳙等的繁殖期為5—7月。所以本工程的主要過魚季節為2—7月，同時為保證上下游的遺傳交流，需具備全年過魚條件。

c)設計流量。根據生態環保要求，南木江河道全年要求保證3.0 m3/s的生態基流，同時在4—7月生態敏感期，為維持下游屈甲村至潯江河口段魚類產卵適宜水力條件，要求通過南木江副壩下放生態流量最大為30 m3/s。根據工程布置，技術魚道作為生態基流的下泄通道，設計流量為3.6 m3/s，仿自然魚道作為生態基流和生態流量的下泄通道，設計流量3.6～30.0 m3/s。

d)設計流速。本工程設計過魚流速為1.2 m/s，魚道內最小流速取值為魚類感應流速中的最大值0.35 m/s。

3 魚道斷面設計

本工程中運行條件復雜，根據生態環保要求，南木江河道既要全年保證3.0 m3/s的生態基流，又要在4—7月生態敏感期保證最大為30 m3/s的生態流量。根據工程布置，在南木江副壩混凝土壩段設生態泄水口，其最大設計流量為30 mm3/s，用于下放生態流量。南木江魚道不同部位要求的設計流量不同，且變幅較大，單一的魚道型式無法滿足要求，所以采用技術魚道和仿自然魚道的組合式魚道，其中技術魚道作為生態基流的下泄通道，設計流量為3.6 m3/s，仿自然魚道作為生態基流和生態流量的下泄通道，設計流量3.6～30.0 m3/s。

技術魚道設計流量為3.6 m3/s，流量較穩定，根據《大藤峽水利樞紐工程南木江魚道水力學模型試驗研究報告》，結合國內成熟的工程經驗，采用隔板豎縫結構，豎縫視寬為0.85 m，凈寬度為1.0 m，魚道底坡為1/80，池室凈寬5 m，池室長度6 m，設計水深為3 m，每隔120 m設一個休息池。具體斷面見圖2。

中國的戲曲和曲藝，吸收了這些原始歌舞、祭祀和表演的各種特點，逐漸開始萌芽。在之后的數千年歲月里，戲曲和曲藝一直吸收各家所長，最后成為包括文學、音樂、美術、舞蹈、武術、雜技和表演等藝術在內的文化種類。

a)南木江技術魚道斷面

仿自然魚道需適應3.6～30.0 m3/s的設計流量跨度，設計采用復式梯形斷面，小流量3.6 m3/s時通過主槽過魚，大流量13.3～30.0 m3/s時通過漫灘過魚，其中1、2號生態魚道底坡為1/150，設計水深為0.7～1.2 m，3號生態魚道底坡為1/250，設計水深為0.8～1.4 m。具體斷面見圖3。

圖3 南木江仿自然魚道典型斷面(mm)

4 魚道水力銜接段方案研究比選

在相同設計流量和流速下，技術魚道是通過豎縫過流，過流寬度小水深大，而仿自然魚道采用復式梯形斷面，過流寬度大水深小，技術魚道和仿自然魚道連接處會存在跌水，需要專門設置水力過渡段，保證水流流態和流速的平穩過渡。本工程共有2處需要設水力銜接段。一是1號工程魚道和1號生態魚道連接處，在3.6 m3/s的設計流量下，1號工程魚道設計水深約為3.0 m，1號生態魚道水深約為0.8 m，有2.2 m的水位落差。二是景觀湖和2號生態魚道連接處，景觀湖上接2號工程魚道和生態泄水口，下接2號生態魚道，景觀湖底高程同2號工程魚道進魚口底高程一致，均為42.5 m。根據前期報告資料，為保證2號工程魚道內的流速和流態，景觀湖內水深需大于3.0 m，而2號生態魚道在3.6 m3/s的設計流量下水深僅為0.7 m，景觀湖和2號魚道生態段間存在2.3 m水位落差。針對2處銜接段設計流量、所處位置，參考以往工程經驗，對每處水力銜接段均提出了兩種不同的設計方案以供對比，從工程投資、工程難度、可行性、景觀規劃等方面進行了綜合比選，選定初步設計方案。

4.1 1號工程魚道和1號生態魚道銜接段設計

1號工程魚道和1號生態魚道連接處，設計流量為3.6 m3/s，設計流量、水位單一穩定，設計擬定了2個水位銜接方案。方案一為100 m長格賓石籠隔板豎縫銜接段；方案二為100 m長溢流堰銜接段。

格賓石籠隔墻豎縫方案銜接段長100 m，每隔10 m設置1道隔墻，共11道，形成10個水池。格賓石籠隔墻厚1 m，高度從3 m漸變為1 m，過流底寬從1 m漸變為1.5 m，過流底部鋪設大卵石改善水流條件，隔板分左右岸交錯布置。具體斷面見圖2。

溢流堰方案銜接段長100 m，每隔10 m設置1級溢流堰，共11道，形成10個水池。溢流堰為鋼筋混凝土結構，頂寬0.4 m，背坡1.00∶0.15，高度從2.5 m漸變為0.3 m。具體斷面見圖2。

2種方案都屬于常見的技術魚道型式，且在許多工程中都取得了成果的應用，在工程投資、工程可行性、工程難度均相當，考慮到格賓石籠隔墻會露出水面，且本工程技術魚道已為隔板豎縫結構，所以設計初步采用溢流堰方案，可以將研究成果同前期報告資料成果進行對比。

4.2 景觀湖與2號生態魚道銜接段設計

景觀湖與2號生態魚道連接處，設計流量變幅大，為3.6～30.0 m3/s，設計擬定了2個水位銜接方案。①方案一為復合方案，共設置150 m長銜接段，其中在景觀湖末端設置50 m銜接段，采用溢流堰和親水樁群，在2號魚道生態段起始設置100 m銜接段，采用格賓石籠隔板豎縫結構，具體布置見圖4；②方案二為寬頂堰方案，在景觀湖出口設置 10 m長度的寬頂堰，寬頂堰斷面同2號生態魚道，為復式梯形斷面，寬頂堰高程為 44.8 m，上游通過1∶10的倒坡與景觀湖底高程42.5 m進行銜接，下游接 2號魚道生態段，具體布置見圖5。

圖4 復合方案布置(m)

經過詳細比較，寬頂堰方案工程難度遠小于復合方案，考慮到復合方案過魚效果未知、工程化痕跡嚴重，且工程投資基本持平，本次設計選定寬頂堰方案。具體比較情況見表1。

表1 方案比選情況

5 物理模型試驗驗證結果

1號工程魚道和1號生態魚道銜接段，經模型試驗驗證后發現，溢流堰方案雖然使水流銜接得到很大改善，但各級堰頂處過水流態為跌水，流速較快，堰頂流速為1.8～2.7 m/s，不適宜魚類上溯，需要調整方案給魚類創造適宜的水流條件及流態。基于以往工程經驗，增設了3種措施調整流態：①在各級溢流堰底部設置過魚孔，底層流速較表層慢，底孔可以滿足克流能力差的魚類上溯，同時可以減緩堰頂流速，利于克流能力或跳躍能力較強的魚類上溯；②在原兩道坎之間增設一道溢流堰，一共21道溢流堰，形成20個水池，可以減小每級水池的水位落差，降低流速；③在銜接段前后及每級水池底部設置加糙石塊調整流態，進一步可以降低底層流速。優化后為孔堰結合+加糙石方案，具體斷面見圖6。

圖6 孔堰結合+加糙石方案典型斷面(mm)

優化后銜接段孔堰+加糙石方案經物理模型試驗的實測資料表明：銜接段水流連續平緩，進口水流順暢；孔口流速為0.8～1.2 m/s，均已滿足過魚要求；加糙石塊背后都有一個局部靜水區可供上溯魚棲身休憩；過渡段出口水流與1號生態魚道明渠段也銜接平順；堰頂流速降低，為1.6～1.9 m/s。試驗成果數據見表2。

表2 1號工程魚道后銜接段優化后流速、水深實測

景觀湖與2號生態魚道銜接段寬頂堰方案，根據物理模型試驗的實測資料表明：在3.6～30.0 m3/s時，景觀湖水位為3.0～3.4 m，滿足要求，使2號工程魚道內的流速和流態均滿足要求。寬頂堰處過堰水流平順，流態相對平緩，不同設計流量下的水深、流速如下：流量為3.6 m3/s時主槽水深為0.73 m，流速為0.90～1.14 m/s；流量為13.3～16.9 m3/s時主槽水深為0.8～0.9 m，流速為0.64～1.31 m/s，漫灘水深為0.30～0.35 m，流速為1.01～1.13 m/s；流量為26.4～30.0 m3/s時主槽水深為1.05～1.10 m，流速為0.74～1.49 m/s，漫灘水深為0.50～0.55 m，流速為1.16～1.23 m/s，均能滿足過魚要求。

6 結語

通過設計方案的研究比選和物理模型試驗驗證，完成了大藤峽水利樞紐南木江魚道水力銜接段設計，解決了大藤峽南木江魚道技術魚道和仿自然魚道間的水位落差問題，保證銜接段水流流速和流態的平穩過渡。其中孔堰結合+加糙石的方案適合單一小流量情況，而寬頂堰方案適用于大流量變幅的情況，希望對后續類似魚道設計有一定的借鑒作用。現大藤峽樞紐南木江魚道已經實施完成，通過完工驗收，正在試運行階段，根據現場試運行情況，景觀湖與2號生態魚道銜接處寬頂堰能夠達到預期效果，1號工程魚道和1號生態魚道銜接段因水位未達到設計運行條件，效果有待實踐驗證。建議下一步根據工程實際運行情況和監測數據，與物理模型試驗成果對比，對水力銜接段的設計方案進行分析優化。