槽式鱼道在牛岭水库工程中的应用

戴 伟

(安徽省水利水电勘测设计院，安徽 合肥 230022)

1 工程概况

1.1 工程简介

牛岭水库地处徽水河中下游,控制流域面积850 km2,约占徽水流域总面积的80%。牛岭水库规模为大(2)型水库,工程等别为Ⅱ等,是一座以防洪为主,结合供水,兼顾发电、灌溉等综合利用的水利枢纽工程。水库总库容1.67亿m3,电站装机容量19 MW。枢纽工程由混凝土重力坝、坝顶泄洪表孔、坝身泄洪中孔、坝内埋管式发电引水系统、坝后式发电厂房和升压开关站、鱼道、放空底孔等建筑物组成。

1.2 鱼道简介

过鱼建筑物采用鱼道,槽身采用竖缝式结构。鱼道进口布置在尾水渠末端,进口底高程70.0 m,沿尾水渠左侧墙上升至73.0 m高程,至鱼道进口坝下约180.0 m处,设置塔式回旋鱼道,上升至94.9 m高程,通过渡槽式鱼道穿越进厂道路至左岸台地,沿左岸台地等高线上升至113.5 m高程后至左岸鱼道坝内控制段,鱼道穿坝出口在左岸坝块设3层,分别为113.5 m、114.5 m、115.5 m高程,坝后段长2 575.6 m;穿坝后沿左侧库岸延伸至上游冲沟边,坝前段长152.0 m。

2 鱼道设计

2.1 过鱼方案选择

大坝过鱼的措施较多,可采用技术上实用的方法(技术型过鱼设施)或模仿自然的方法(仿自然型过鱼设施)来构造,主要包括仿自然通道、鱼道、鱼闸、升鱼机、集运鱼系统等,过鱼措施的的方式选择需对枢纽工程区地形条件、工程特性(枢纽布置、坝型、坝高)、鱼类生物学特性等方面进行综合比选。考虑牛岭水库工程所在地两岸均为山地,地形陡峻及坝下河段水深较浅,通航能力较差及鱼闸等投资大等因素,本工程过鱼设施采用鱼道方案(图1)。

图1 鱼道槽身结构图

2.2 鱼道进出口

鱼道进口布置在发电尾水渠末端,进口底高程约70.0 m,进口设计水深1.0 m。鱼道进口设置侧向进鱼口,与尾水渠顺水流向轴线成30.0°角布置,底高程70.0 m,孔口尺寸1.0 m×0.5 m(宽×高)。鱼道出口布置在左岸连接坝段,坝块穿坝,根据上游水位变幅设置3个出口,底高程分别为115.5 m、114.5 m、113.5 m,穿坝孔口尺寸1.5 m×1.8 m(宽×高),坝前各设2道闸门,工作、检修闸门互为备用。

2.3 槽身设计

根据“现场鱼类游泳能力试验”结论:“为保证不同种类过鱼对象的过坝需要,一般以游泳能力较弱的鱼类突进速度作为取值依据,……,本次分析采用吻鰕虎鱼的突进游泳速度作为主要的参考对象。……最小性成熟个体吻鰕虎鱼突进有用速度约为0.84 m/s,因此建议过鱼断面最大流速小于0.84 m/s。”

槽身采用矩形断面,宽1.5 m,池室长2.0 m,每隔10 块隔板设一个休息池,休息池为平底,长4.0 m。鱼道休息池布置在转弯处时,鱼道休息池长度适当加大。鱼道底部铺设0.2 m厚砂卵石。

2.3.1 鱼道池室结构

(1) 池室净宽b:池室净宽不宜小于主要过鱼对象体长的2倍,本工程鱼道过鱼种类体长不超过0.5 m,综合考虑过鱼量,池室净宽b取1.5 m。

(2) 池室净长l:池室净长一般取池室净宽的1.25～1.5倍,因此,池室净长度l取2.0 m。池室隔板d取0.2 m。

(3) 竖缝宽度:竖缝宽度宜取0.3～0.5 m,考虑过鱼对象体型均不大,竖缝宽度取0.3 m。竖缝缝口方向宜与隔板呈45°夹角。

2.3.2 池室水深

池室水深应视过鱼对象的体高和习性确定,可取0.5～1.5m,考虑本工程过鱼对象中有底层鱼类,水深取1 m。

2.3.3 鱼道池室数量

(1) 池间水位差,按下式计算：

式中:ΔH为隔板水位差,m;V为鱼道设计流速,m/s,取0.8 m/s;φ为隔板流速系数,可取0.85～1.0;

(2) 隔板水位差在0.033～0.045 m,设计取0.04 m。

式中：n为鱼道池室总数量;H为鱼道最大设计水位差,m。

2.3.4 鱼道坡降I

2.3.5 鱼道流量

垂直竖缝式鱼道内流量可按下式计算:

式中：h0为池室内下游水深,m;μ为流量系数,m;s为竖缝宽,m。池室内下游水深h0取1.0m,竖缝宽s取0.3m,流量系数μ取0.3,则鱼道内流量Q约为0.25m3/s。

2.3.6 鱼道有效长度L

鱼道有效长度L=1 149×(2+0.2)=2 527.8m。

2.3.7 单位水体消耗功率E

池室内单位水体消耗功率E按下式计算:

式中：E为池室内单位水体消耗功率,W/m3;V为池室水体体积,m3;Q为鱼道流量,m3/s。

计算得鱼道单位水体消耗功率为35.32W/m3,小于规范要求的200W/m3。

3 结束语

3.1 我国鱼道建设及发展

我国鱼道设计起步较晚,至20世纪80年代相继建设了40余座鱼道。自葛洲坝水利枢纽中采取建设增殖放流站的措施来解决中华鲟等珍稀鱼类的保护问题至此后的30余年,我国在建设水利水电工程时很少修建过鱼设施。近年随着天然渔业资源严重退化,甚至危及到国家级自然保护区珍稀特有鱼类,过鱼设施的研究和建设才重新受到重视,一批过鱼设施已建成运行或在规划建设中。但相关原型观测及规范性指导文件积累相对较少,《鱼道设计导则》在总结国内外鱼道设计经验的基础上,仅给出了原则性的指导,对高水头差鱼道设计论述较少,可操作性不高。

3.2 槽式鱼道设计重点

槽式鱼道设计应掌握四个重点:鱼道进口位置的选择、槽内流速的控制、休息鱼池的设置、上下游水面衔接。

(1)鱼道进口是引导鱼类进入鱼道的起点,只有在水流动性好的地方布置鱼道进口,鱼儿才容易被吸引到鱼道中去。本工程鱼道进口设置在厂房尾水侧,利用发电尾水引鱼,根据下游流场数模分析,确定了鱼道进口的合适位置,并在鱼道进口设置了拦鱼电栅,确保了引鱼效果。

(2)鱼道过鱼品种较多,为满足不同鱼类的过鱼要求,同一鱼道断面需要形成不同的流速区,且该流速区内水的流速必须小于鱼的克流能力。因此,槽内流速是决定上溯鱼类能否成功通过的关键。鱼类克流能力可根据现场鱼类游泳能力试验确定,槽身尺寸、鱼道坡度、隔板及竖缝型式的选择除应根据模型计算,还应在水工模型试验辅助下进行优化。

(3)鱼道水头差大,在满足坡度要求的前提下,坡面比较长,鱼道中如果没有供鱼类休息的地方,中、小型鱼类很可能由于体力不够而无法抵达上游。因此,本工程每隔10 块隔板设一个休息池,休息池为平底,长4.0m。

(4)在多鱼种洄游型鱼道设计中,应考虑到各鱼种洄游季节不一,在上、下游水位落差较大时,应特别注意水面线的衔接。可参考本工程将鱼道出口设置为多层,根据不同季节及库水位情况人工干预,启用不同高程鱼道。