洋溪水利樞紐橫隔板式魚道設(shè)計(jì)

望燕慧，薛 淑，莫祖韜

（1.廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)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(guó)務(wù)院批準(zhǔn)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(guó)務(wù)院確定的172 項(xiàng)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(yùn)等綜合利用。工程與落久水庫(kù)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(huì)效益顯著；工程利用上游梅林～下游麻石梯級(jí)落差29 m 發(fā)電，可緩解柳州缺電局面，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。工程建成以后，與上游梅林航電梯級(jí)一起（梅林為洋溪的庫(kù)中庫(kù)），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(jì)水頭為30 m。

2 過(guò)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(kù)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(shí)施過(guò)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(wèn)題，因此過(guò)魚對(duì)象應(yīng)為河道中全部種類，其中重點(diǎn)過(guò)魚對(duì)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(jìn)行繁殖產(chǎn)卵，3齡可達(dá)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(dá)性成熟時(shí)，體長(zhǎng)約為740 mm。

（3）斑鱯。棲息于江河的底層，以小型水生動(dòng)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(guò)魚對(duì)象的生活及繁殖特性，洋溪魚道主要的過(guò)魚季節(jié)為每年的4～7月。過(guò)魚對(duì)象中，以草魚個(gè)體最大，因此，考慮設(shè)計(jì)過(guò)魚對(duì)象體長(zhǎng)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(qiáng)的游泳能力，有的可達(dá)2.5 m/s。根據(jù)上述特點(diǎn)魚道的設(shè)計(jì)流速取1.0 m/s，局部最大流速≤1.1 m/s。

3 魚道運(yùn)行水位的確定

魚道的運(yùn)行水位包括：上下游最高和最低運(yùn)行水位、上下游檢修水位、上下游設(shè)計(jì)洪水位、上下游校核洪水位等。魚道的運(yùn)行水位區(qū)間，受過(guò)魚季節(jié)影響，對(duì)魚道邊墻高程、魚道進(jìn)出口數(shù)量、魚道總長(zhǎng)度、魚道工程投資等都影響較大。魚道的檢修水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位根據(jù)魚道建筑物的工程級(jí)別按相應(yīng)的洪水標(biāo)準(zhǔn)確定。魚道的運(yùn)行水位應(yīng)根據(jù)規(guī)范并結(jié)合工程特點(diǎn)綜合選用。過(guò)魚季節(jié)越長(zhǎng)上下游運(yùn)行水位變幅越大，則運(yùn)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(dá)到較好的過(guò)魚效果，一般要求過(guò)魚季節(jié)越長(zhǎng)越好。目前規(guī)范和設(shè)計(jì)導(dǎo)則對(duì)保證率沒(méi)有做硬性要求，需要結(jié)合具體的工程特點(diǎn)綜合確定魚道的運(yùn)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(yùn)行水位選取

每年4～7 月過(guò)魚期間，根據(jù)運(yùn)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(yùn)行發(fā)電；5 月11 日～7 月為汛期，受防洪調(diào)度要求，水庫(kù)水位絕大部分時(shí)段維持在汛限水位153.00 m運(yùn)行。上游水位變幅高達(dá)10 m，從水生態(tài)恢復(fù)常規(guī)思路設(shè)計(jì)需要設(shè)置5個(gè)出魚口。工程根據(jù)運(yùn)行調(diào)度特點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)分析得到：4 月～5 月10 日（非汛期）水庫(kù)運(yùn)行水位維持在163.00 m 運(yùn)行，時(shí)間占比為32.13%；5月11日～7月底在153.00 m運(yùn)行，時(shí)間占比為64.13%，在153.00～163.00 m 水位變幅區(qū)間運(yùn)行時(shí)間占比很短，為3.64%。因此，魚道上游最高運(yùn)行水位取正常蓄水位163.00 m，最低運(yùn)行水位為汛限水位153.00 m，153.00～163.00 m 區(qū)間運(yùn)行歷時(shí)很短不考慮過(guò)魚，過(guò)魚歷時(shí)保證率可達(dá)96.26%。

3.2 魚道下游運(yùn)行水位選取

魚道下游運(yùn)行水位直接受電站發(fā)電和閘壩泄水的影響，同時(shí)受下游麻石電站運(yùn)行回水影響。1～3 臺(tái)機(jī)組滿發(fā)下泄流量，對(duì)應(yīng)下游水位為134.29～135.76 m；過(guò)魚季節(jié)4～7 月，下游水位在137.00 m以下的時(shí)間比例為94.54%（H～Q下包線），因此下游最高運(yùn)行水位取137.00 m。1991—2015 年共25 年間麻石實(shí)際運(yùn)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(yùn)行。按麻石多年運(yùn)行具有90%保證率的實(shí)際運(yùn)行情況，下游最低運(yùn)行水位可取132.77 m；結(jié)合洋溪1 臺(tái)機(jī)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(yùn)行水位取133.00 m。下游運(yùn)行水位為133.00～137.00 m，變幅為4.00 m。

4 魚道池室流場(chǎng)局部模型試驗(yàn)

4.1 研究?jī)?nèi)容

通過(guò)建立大比尺（1∶4）水工物理模型（見(jiàn)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(yùn)行參數(shù)，以達(dá)到提高魚道過(guò)魚效果的目的。研究?jī)?nèi)容包括過(guò)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(yàn)照片

4.2 過(guò)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(jí)池室洄游到上一池室。試驗(yàn)選取3#～17#隔板過(guò)魚豎縫的最大流速進(jìn)行測(cè)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(guò)魚孔（縫）最大流速測(cè)點(diǎn)布置在豎縫后緣，采用旋漿流速儀對(duì)隔板豎縫的不同高程的最大流速進(jìn)行了測(cè)量，每個(gè)隔板豎縫從下到上分別測(cè)量了5個(gè)位置，測(cè)點(diǎn)平面和立面位置見(jiàn)圖2、圖3。流速試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1和圖4、圖5。

表1 各過(guò)魚孔測(cè)點(diǎn)流速m/s

圖2 隔板過(guò)魚縫流速測(cè)點(diǎn)平面位置

圖3 隔板過(guò)魚縫流速測(cè)點(diǎn)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(cè)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(shí)測(cè)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(guò)魚豎縫最大流速平均值無(wú)明顯增大或減小現(xiàn)象，說(shuō)明魚道底坡和過(guò)魚豎縫尺寸設(shè)計(jì)合理。

4.3 普通池室流態(tài)特性

采用ADV 流速儀測(cè)量了一個(gè)典型池室不同水深處的流場(chǎng)分布情況，典型池室內(nèi)測(cè)量了6個(gè)斷面，池室內(nèi)各斷面測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖6。池室內(nèi)不同深度測(cè)點(diǎn)流速見(jiàn)表2，典型池室流場(chǎng)分布見(jiàn)圖7。

表2 典型池室內(nèi)實(shí)測(cè)流速

圖6 池室流態(tài)測(cè)點(diǎn)位置圖

圖7 典型池室流場(chǎng)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(wú)明顯的扭曲，水流主流在池室內(nèi)成相對(duì)較緩的“S”形流線，有利于目標(biāo)魚類沿著主流上溯洄游；豎縫表面水流流向明確，無(wú)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(cè)量了一典型180°彎道休息池流場(chǎng)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(zhǎng)隔墻的休息池型式。休息池內(nèi)測(cè)量了5 個(gè)斷面，池室內(nèi)各斷面測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖8。彎道休息池內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)流速見(jiàn)表3，休息池池室水流流態(tài)見(jiàn)圖9。

表3 180°彎道休息池內(nèi)流速指標(biāo)

圖8 180°休息池池室測(cè)點(diǎn)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(wú)大尺度大回流，有利于目標(biāo)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(guò)程中暫時(shí)休息，恢復(fù)體力，有利于提高目標(biāo)魚類的通過(guò)效率。

4.5 研究結(jié)論

對(duì)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(jìn)行驗(yàn)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(jì)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(wú)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(guò)魚豎縫最大流速平均值無(wú)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(biāo)魚類沿著主流上溯洄游。

5 魚道整體物理模型試驗(yàn)

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(jì)2 個(gè)進(jìn)魚口、2 個(gè)出魚口，隔板數(shù)量255道，整體模型包含了2個(gè)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(jìn)魚口布置橫斷面為矩形，寬1 m，通過(guò)45°漸擴(kuò)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(jiàn)圖10。

圖10 魚道整體物理模型照片

試驗(yàn)內(nèi)容：多個(gè)運(yùn)行工況下的隔板豎縫流速指標(biāo)，沿程水面線分布、進(jìn)魚口補(bǔ)水流量等。

整體模型試驗(yàn)的目的在于測(cè)量整個(gè)魚道內(nèi)的水流條件，分析不同水位組合下的過(guò)魚效果，對(duì)于進(jìn)口流速過(guò)小的工況提出合理的補(bǔ)水措施以達(dá)到誘魚條件。

整體物理模型試驗(yàn)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(wú)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(jì)滿足要求。

（2）各工況下魚道進(jìn)口段水流流速整體偏小，除魚道進(jìn)口水深為1.5 m 的工況進(jìn)魚口流速達(dá)到0.3 m/s，滿足進(jìn)魚口感應(yīng)流速要求，其余進(jìn)口水深＞1.5 m 的工況，均需采取補(bǔ)水措施，人為提高進(jìn)魚口流速，改善誘魚效果。試驗(yàn)報(bào)告提出了進(jìn)魚口補(bǔ)水系統(tǒng)布置方案，并通過(guò)試驗(yàn)提出補(bǔ)水系統(tǒng)進(jìn)行0.75 m3/s 不間斷補(bǔ)水的方式，在進(jìn)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(jìn)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(jìn)口閘、出口閘、觀測(cè)室、魚池等。

魚道進(jìn)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(guò)魚季節(jié)為每年的4～7 月，魚道下游運(yùn)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(gè)魚道進(jìn)口，即1#、2#進(jìn)口，兩個(gè)進(jìn)口閘聯(lián)合集中布置，進(jìn)口高程分別為131.5、133.5 m。

魚道出口布置在廠房進(jìn)水口壩段上游約100 m處的河岸左側(cè)，兩個(gè)出口閘聯(lián)合布置，出口處水流平穩(wěn)，流速較小。考慮按不同的過(guò)魚水位設(shè)置2 個(gè)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(jī)房。壩內(nèi)設(shè)高低錯(cuò)開(kāi)的兩個(gè)穿壩孔口，設(shè)計(jì)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?jiǎn)㈤]機(jī)房?jī)?nèi)的固定式卷?yè)P(yáng)機(jī)對(duì)閘門進(jìn)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(guò)渡段、暗涵、進(jìn)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(gè)，休息室長(zhǎng)5 m。

為觀測(cè)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(kāi)關(guān)站之間的魚道水池頂部設(shè)觀察室。觀測(cè)室凈寬6.4 m，凈長(zhǎng)10.0 m。觀測(cè)室地面高程158.5 m，觀測(cè)人員可透過(guò)玻璃窗直觀觀察高孔過(guò)魚情況，還可通過(guò)樓梯下到150.0 m 高程，觀察低孔過(guò)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(lái)放置攝像機(jī)屏幕等儀器。