混凝土面板堆石坝过鱼设施布置方案研究

刘镡璞，于德双

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430000；2.中国水产科学研究院渔业工程研究所，北京 100141)

1 工程概况

某水库工程位于重庆市云阳县北部汤溪河流域的团滩河干流上，是一座以城乡供水和农业灌溉为主，结合防洪，兼顾发电，并为当地乡村振兴创造条件的大(2)型水库工程。大坝采用混凝土面板堆石坝，最大坝高为130 m，溢洪道布置于左岸，坡顶开挖一平台作为枢纽工程管理平台，引水兼放空建筑物布置于右岸，坝后式电站厂房布置于坝后河床。因水库建设阻断了河流连通性，使生活其中的鱼类生存所需的生境条件、水文情势发生变化，对鱼类资源产生影响[1]。因此，为了保护鱼类资源，恢复河流生物多样性，需要进行过鱼设施的建设。

2 过鱼方案选择

由于大坝建设对所有鱼类产生阻隔效应，因此本河段分布的所有鱼种均应作为过鱼设施过坝种类。根据现场调查分析，本河段有鱼类14种，主要为适应急流、亚冷水性和以藻类为食的鱼类，其中宽鳍鱲、马口鱼、齐口裂腹鱼、西昌华吸鳅等渔获物较多的主要鱼类作为重点对象。

过鱼设施的目的是促进被大坝隔断的上下游鱼类群体的遗传交流，因此重点应考虑保证主要过鱼对象在繁殖季节的过坝需求。初步确定主要运行季节在4—7月。在此期间，鱼类的活动能力一般较强，对水流的刺激更加敏感，因此，在繁殖期利用水流刺激诱鱼，成功率也较高。

过鱼设施主要包括升鱼机、鱼道和仿自然通道、鱼闸、集运鱼系统及捕捞过坝等不同形式等[2]。各种过鱼措施主要形式及适应范围见图1。

图1 过鱼设施主要形式及其应用范围

网捕过坝鱼类成活率降低，不适用于大型水利工程，在此不予考虑。其余4类不同过鱼设施方案优缺点及可行性进行分析和比较见表1。由表1可知，4种方案中，升鱼机方案诱鱼系统与鱼道方案相同，诱鱼效果相似，采用机械提升的方式，过鱼效果较好，不涉及主体工程，工程布置、建设难度较低，投资较少，可较好适应工程库区水位大幅变动。团滩河分布的土著鱼类均属底层活动鱼类，个体偏小，无长距离溯河习性，繁殖期集群不明显，坝下河段鱼类资源量有限，采用升鱼机可满足过鱼需求，故推荐采用。

表1 过鱼设施方案综合比较

3 过鱼设施设计

升鱼机由集鱼系统、提升运输系统、码头转运系统、运输放流系统组成。

3.1 集鱼系统

1)集鱼系统布置

集鱼系统位于大坝下游河床坝后电站左侧，由进鱼口段和集鱼渠组成，其中进鱼口设有检修闸门和控流门，集鱼通道中设有驱鱼格栅、集鱼渠中设有集鱼箱，集鱼渠后为消能调节池。集鱼系统全长为22 m。

2)流速设计

坝后生态电站的运行工况包括：枯水期2台机运行，生态流量为1.31 m3/s；汛期3台机运行，生态流量为2.63 m3/s；4台机组同时运行，生态流量为 4.68 m3/s；机组同时检修或停机，生态流量为放水管下泄流量。集鱼系统的运行工况为：枯水期2台机运行，生态流量为1.31 m3/s；汛期3台机运行，生态流量为2.63 m3/s。结合主要过鱼对象的游泳能力，集鱼通道内水流速度的取值范围调整为：0.25～0.75 m/s[7]，进口流速按0.3～1.0 m/s设计。通过对各工况下集鱼通道和进鱼口流速计算，各工况下流速均可满足设计要求。

3)进鱼口及集鱼渠结构设计

进鱼口的水深应满足每年4—7月主要过鱼季节内，进鱼口内的水深不低于0.6 m，亦即为本河段内最大鱼类体高的2倍。

表2 各流量工况下流速水位关系

为不影响底层鱼类及表层鱼类的通过，进鱼口应为矩形结构，底板与河道平缓衔接，这种结构还可以适应下游水位变化。进鱼口开口越大，越容易被上溯的鱼类发现，但是同时也会增加工程量、施工难度和投资，因此根据目前鱼道等过鱼设施设计的经验分析，进鱼口的开口宽度设为2 m。

集鱼渠的主要功能为将进入的鱼类暂时保存在池内，因此集鱼渠不可过小，以免引起鱼类的胁迫而使得其逃逸。根据《水利水电工程鱼道设计导则》(SL 609—2013)，渠道宽度不应小于最大过鱼目标体长的2倍；设计水深可取1.5～2.0 m，对于体长超过 0.2 m的鱼类，最小水深应大于最大过鱼体长的2.5倍。本工程过鱼设施主要过鱼均为中小型鱼类，按照过鱼对象规格，渠道宽度取2.0 m可满足要求。

进鱼口和集鱼渠采用敞开式矩形断面，根据下泄流量，主河道的最低水位为329.69 m，集鱼渠净宽为 2 m，底板顶高程为328.00 m，采用钢筋砼衬砌，底板及边墙衬砌厚1.0 m。集鱼渠结构示意见图2，进鱼口布置示意见图3。

图2 集鱼渠结构示意 图3 进鱼口布置示意

集鱼渠底部铺仿生态鹅卵石，渠道中不设置挡板，通道内设驱鱼格栅，驱鱼格栅采用钢结构，局部格栅采用不锈钢结构，并采用鱼类不易逃逸的渐进束窄结构，以实现鱼类的收集。另外，驱鱼格栅在鱼类收集状态中可以完全关闭，以防止鱼类逃逸。

4)驱鱼格栅设计

集鱼渠内的驱赶设施为驱鱼格栅。驱鱼格栅布置于防逃笼前方，尺寸与通鱼通道尺寸相适应。拖拽格栅采用对开门形式，平时集鱼时段，拖拽格栅开启，目标鱼类可以通过过鱼通道[8]。在收集到一定数量的鱼类后，拖拽格栅的对开门关闭。通过系统控制设置在集鱼通道端部的卷扬机及滑轮装置牵引拖曳格栅系向前平行移动，将目标鱼类驱赶入集鱼池中。等待集鱼池内的提升舱将鱼提升后。系统控制拖拽格栅沿通鱼通道向后平行移动，回到原位置后，对开门开启。驱鱼格栅实例见图4。

图4 驱鱼格栅实例示意

5)集鱼箱设计

集鱼箱长宽均为2.0 m，高为1.5 m，上半部分为透水格栅，格栅间距为3 cm，下半部分为不透水结构，集鱼箱底板呈一定角度倾斜，侧面的最低点，设有一个0.5 m×0.5 m的放鱼孔，放鱼孔设有闸门[9]。集鱼箱设计如图5所示。

3.2 提升运输系统

1)提升过坝方式比选

升鱼机的直接提升过坝方式通常有3种形式：垂直提升、轨道提升和索道提升。3种提升过坝方式比选见表3，图例见图6～8。

图5 集鱼箱设计示意(左：立视示意，右：俯视示意)

通过表3分析，索道提升方式较适用于本工程，能保证过鱼设施的可靠运行，并尽量减少对环境的影响，从工程和环保角度推荐采用索道提升方式。

2)索道设计

① 索道布置

本工程进鱼口位于河床电站厂房左侧，索道起点位于厂房尾水平台上，高程为340.20 m，沿山体布置，方向与坝轴线呈49°夹角，上行跨越溢洪道泄槽和开挖边坡，上升至管理平台，高程为495.00 m，通过管理平台后，呈下行方向，到达终点索道卸载站，位于坝上游约250 m 处，索道总长度约为693 m，提升最大高度为155.20 m。在索道上，每隔一定距离布设1个塔架，确保索道的稳定运行[10]。索道系统布置剖面示意见图9。

表3 3种提升过坝方式比选

图6 垂直提升型示意 图7 轨道提升型示意 图8 索道提升型示意

图9 某水库升鱼机索道系统布置剖面示意

② 索道结构

索道由装载站、卸载站、支架、承载索、牵引索、驱动装置、锚固装置和张紧装置、电气设备等主要部分组成。在装载和卸载站间架设的钢丝绳作承载索，承载索一端锚固、另一端张紧，中间由若干支架支承。牵引索上用抱索器固接集鱼箱，集鱼箱以承载索为轨道被牵引索拉动运行。在装载站，集鱼箱经过站口的偏斜鞍座从承载索上过渡到站内的架空扁轨上，同时脱开器使抱索器松开，集鱼箱与牵引索脱离，用其他机械将提升箱移至停放点。要运送的集鱼箱推至发车处，抱索器抱紧牵引索，向卸载站方向运行。集鱼箱到达卸载站后，与上述一样过渡到架空扁轨上并与牵引索脱开，然后卸载。卸载后，空提升箱被发往装载站，完成一个循环，可实现就地控制。

③ 索道运行

过鱼季节为4—7月，索道在此时段运行。根据索道提升高度和长度计算分析，初步估算索道循环能力为1次/h。在下阶段将开展索道设计专题研究，结合模型试验确定索道运行能力。

在索道运行过程中，还需采取以下措施：

a) 养护措施

索道在运行过程中，应经常注意保养，在缆车车轮抹黄油，减小车轮与承载索间的摩阻力，降低承载索的磨损程度；同时，索道由专人管理，装卸端用对讲机联络，经常检查索道的承载力及牵引力，发现问题及时处理[11]。

b) 防摆防风措施

本流域多年平均风速为1.5 m/s，多年平均年最大风速为11.2 m/s，在缆车上部设有防摆器，利用液压活塞杆的伸缩平衡车厢的摆动。在装载站和卸载站装设缓冲器，缆车上装有导靶，确保车厢难以脱轨，并防止产生大的摆动。利用风向测速仪确保风速超过规定值时报警、停车[12]。

c) 防雷措施

在各塔架上布设避雷器。

3.3 码头转运系统

1)放流码头

结合枢纽布置方案，目前推荐码头布置在坝上左岸约250 m处。此处坡度适宜，改造为码头较为便利。同时也在鱼类防逃网以内。

2)转运码头布置

转运码头布置1个集运鱼泊位。集运鱼泊位采用下河公路与趸船相结合方案，下河公路依托现有左岸复建公路改造而成，对现有道路向江侧进行分叉，道路临江侧布置挡土墙，水位在409.96～448.16 m(频率为20%～80%的枯水保证率)之间变动时，趸船可沿道路临江侧停靠，通过设置在趸船上的轮胎式起重机可进行运鱼箱的装船卸船作业。

3)装卸设施及工艺

进行装卸作业时，运鱼船停靠在趸船的装卸泊位，缆车将集鱼箱放在下河公路上，利用轮胎式起重机将集鱼箱转移至运鱼船上。运鱼船完成放流后行驶回转运码头，缆车将集鱼箱吊回继续使用。

3.4 运输放流系统

运输放流系统主要由运鱼放流船及放流辅助设施组成。一般情况下，集鱼箱在转运码头转入运鱼放流船后，船舶行驶至库区具有一定流速(平均流速>鱼类感应流速0.19 m/s)的水域将鱼类放流至江中。

1)运鱼放流船

运鱼放流船主甲板可放置2个集鱼箱。船上并配置有氧气瓶、循环泵、水质监控设备等鱼类维生设备，可与集鱼箱相应接口进行连接。

运鱼放流船安装有GPS定位跟踪系统，能够对船舶的行驶轨迹做到实时跟踪、记录和监控。

另外，为兼顾远期的鱼类下行沟通需求，运鱼船远期配备深水鱼笼及深水网箔，可进行库区集鱼所作业，搜集鱼类通过码头转入集鱼箱，通过缆车运输至坝下放流。

2)放流地点

初拟放流地点为库区上游流水河段或支流汇口等饵料资源丰富、适宜鱼类觅食生存且人为干扰较少的水域。同时根据鱼类的生活习性、当地水文、水质特点以及周边环境特点确定放流时段。

3)放流方式

运鱼船中有接口可与运鱼箱对接，接口对接口，利用水自身重力将鱼和水通过滑道放流，滑道采用PE材质，表面光滑，不易损伤鱼类，并在放流时保持滑道湿润。

4 结语

本文结合某水库工程高混凝土面板堆石坝，对多种过鱼设施方案进行了研究，研究得出升鱼机是较为适宜的方式，不仅适于高坝过鱼，同时能较好适应水库水位的较大变幅，因此工程推荐采用升鱼机。目前国内外尚无提升高度超过100 m的升鱼机先例，本工程的设计是升鱼机提升高度的一项突破，同时，集鱼系统的集鱼效果和索道提升运行效果是保证升鱼机正常运行的关键，在后期设计中还需要开展相关模型试验进一步论证和改进。