洋溪水利枢纽横隔板式鱼道设计

望燕慧，薛 淑，莫祖韬

（1.广西水利电力勘测设计研究院有限责任公司，南宁 530023；2.南京水利科学研究院，南京 210000）

1 工程概况

洋溪水利枢纽工程是国务院批准的《珠江流域防洪规划》《珠江流域综合规划（2012—2030年）》确定的柳江重要防洪控制性工程，是国务院确定的172 项节水供水重大水利工程之一，工程任务以防洪为主，兼顾发电和航运等综合利用。工程与落久水库联合调度，可将柳州市防洪能力由50年一遇提高到100年一遇，社会效益显著；工程利用上游梅林～下游麻石梯级落差29 m 发电，可缓解柳州缺电局面，促进经济发展。工程建成以后，与上游梅林航电梯级一起（梅林为洋溪的库中库），可渠化贵州省从江航电枢纽至广西壮族自治区洋溪枢纽之间约70 km的航道，为打通西江黄金水道北线通道提供条件。洋溪水利枢纽工程拦河大坝最大坝高75.5 m，大坝的建设隔断了鱼类洄游的通道，枢纽拟同步建设鱼道工程，洋溪鱼道最大设计水头为30 m。

2 过鱼种类特性分析

洋溪水利枢纽所在的柳江干流都柳江有鱼类88种，其中库区所在江段渔获物共捕获其中30种，鱼类以流水或急流型底层鱼类为主。本工程实施过鱼措施主要为满足鲢、草鱼等生殖洄游需求和解决坝上、下游的鱼类基因交流问题，因此过鱼对象应为河道中全部种类，其中重点过鱼对象为鲢、草鱼、银鮈、斑鳠、大鳍鳠等种类。

（1）鲢。栖息于水体的中上层，多于4～6 月进行繁殖产卵，3龄可达性成熟。

（2）草鱼。喜栖息于江河湖泊等水域的中下层和近岸多水草区域，具河湖洄游习性。生殖期为4～7 月，比较集中在5 月间。4 龄鱼达性成熟时，体长约为740 mm。

（3）斑鱯。栖息于江河的底层，以小型水生动物为食。每年4～6月繁殖，躲在砾石中产黏沉性卵。

（4）大鳍鳠。为底栖性鱼类，多栖息于水流较急、底质多石砾的江河干、支流中，6～7 月为繁殖季节，在流水滩上产卵，卵黏附于石块上发育。

（5）银鮈。栖息条件为静水或微流水环境的浅水地带，喜栖息于水体的中、下层。生殖期为5月。

综上所述，根据过鱼对象的生活及繁殖特性，洋溪鱼道主要的过鱼季节为每年的4～7月。过鱼对象中，以草鱼个体最大，因此，考虑设计过鱼对象体长范围为10～70 cm。研究表明，鲢、草鱼等克流能力约为1.0～1.9 m/s，其它种类如斑鳠、大鳍鳠等均为喜流水的种类，具有较强的游泳能力，有的可达2.5 m/s。根据上述特点鱼道的设计流速取1.0 m/s，局部最大流速≤1.1 m/s。

3 鱼道运行水位的确定

鱼道的运行水位包括：上下游最高和最低运行水位、上下游检修水位、上下游设计洪水位、上下游校核洪水位等。鱼道的运行水位区间，受过鱼季节影响，对鱼道边墙高程、鱼道进出口数量、鱼道总长度、鱼道工程投资等都影响较大。鱼道的检修水位、设计洪水位、校核洪水位根据鱼道建筑物的工程级别按相应的洪水标准确定。鱼道的运行水位应根据规范并结合工程特点综合选用。过鱼季节越长上下游运行水位变幅越大，则运行水头越高、工程投资越大。从水生态恢复的角度，为了达到较好的过鱼效果，一般要求过鱼季节越长越好。目前规范和设计导则对保证率没有做硬性要求，需要结合具体的工程特点综合确定鱼道的运行水位，以满足水生态恢复和控制工程成本的双向平衡。

3.1 鱼道上游运行水位选取

每年4～7 月过鱼期间，根据运行调度规则，4月～5 月11 日为非汛期，电站主要维持正常蓄水位163.00 m 运行发电；5 月11 日～7 月为汛期，受防洪调度要求，水库水位绝大部分时段维持在汛限水位153.00 m运行。上游水位变幅高达10 m，从水生态恢复常规思路设计需要设置5个出鱼口。工程根据运行调度特点，统计分析得到：4 月～5 月10 日（非汛期）水库运行水位维持在163.00 m 运行，时间占比为32.13%；5月11日～7月底在153.00 m运行，时间占比为64.13%，在153.00～163.00 m 水位变幅区间运行时间占比很短，为3.64%。因此，鱼道上游最高运行水位取正常蓄水位163.00 m，最低运行水位为汛限水位153.00 m，153.00～163.00 m 区间运行历时很短不考虑过鱼，过鱼历时保证率可达96.26%。

3.2 鱼道下游运行水位选取

鱼道下游运行水位直接受电站发电和闸坝泄水的影响，同时受下游麻石电站运行回水影响。1～3 台机组满发下泄流量，对应下游水位为134.29～135.76 m；过鱼季节4～7 月，下游水位在137.00 m以下的时间比例为94.54%（H～Q下包线），因此下游最高运行水位取137.00 m。1991—2015 年共25 年间麻石实际运行水位在130.20～134.00 m之间，其中具有90%保证率以上都是在132.77 m 运行。按麻石多年运行具有90%保证率的实际运行情况，下游最低运行水位可取132.77 m；结合洋溪1 台机组发电下游水位为134.29 m，综合考虑后，选取鱼道下游最低运行水位取133.00 m。下游运行水位为133.00～137.00 m，变幅为4.00 m。

4 鱼道池室流场局部模型试验

4.1 研究内容

通过建立大比尺（1∶4）水工物理模型（见图1），分析了各隔板之间的水流流态和局部水流现象，全面了解鱼道水池内水流的平面和空间分布，优化鱼道的结构及运行参数，以达到提高鱼道过鱼效果的目的。研究内容包括过鱼孔（缝）最大流速、普通池室流态特性、180°转弯段流态特性等。

图1 鱼道池室局部模型试验照片

4.2 过鱼孔（缝）最大流速

鱼道池室隔板竖缝的最大流速直接关系到鱼类能否顺利由下一级池室洄游到上一池室。试验选取3#～17#隔板过鱼竖缝的最大流速进行测量。一般池室内最大流速出现在竖缝前缘或后缘，在局部物理模型中将过鱼孔（缝）最大流速测点布置在竖缝后缘，采用旋浆流速仪对隔板竖缝的不同高程的最大流速进行了测量，每个隔板竖缝从下到上分别测量了5个位置，测点平面和立面位置见图2、图3。流速试验结果见表1和图4、图5。

表1 各过鱼孔测点流速m/s

图2 隔板过鱼缝流速测点平面位置

图3 隔板过鱼缝流速测点立面位置

图4 池室沿程隔板竖缝流速

图5 典型池室隔板竖缝流速分布

由表1和图4、图5可知：

（1）推荐坡度1∶45 下，L 型隔板鱼道竖缝平均流速为0.94 m/s，竖缝最大流速Vx为1.05 m/s，局部物理模型测量的鱼道竖缝流速平均值和流速最大值与三维数值模拟结果基本一致。

（2）从隔板竖缝垂向最大流速变化看，竖缝内最大流速值沿水深变化较小，3#～17#隔板实测的竖缝垂向最大流速变化为0.14 m/s，竖缝内不同水深的流速基本一致。

（3）3#～17#隔板竖缝沿程最大流速为0.93～1.05 m/s。10#～12#隔板位于180°弯道平底休息池交界前后，竖缝流速均匀度稍差；沿程各隔板过鱼竖缝最大流速平均值无明显增大或减小现象，说明鱼道底坡和过鱼竖缝尺寸设计合理。

4.3 普通池室流态特性

采用ADV 流速仪测量了一个典型池室不同水深处的流场分布情况，典型池室内测量了6个断面，池室内各断面测点位置见图6。池室内不同深度测点流速见表2，典型池室流场分布见图7。

表2 典型池室内实测流速

图6 池室流态测点位置图

图7 典型池室流场分布图

由表2和图7可知，在坡度1∶45下，L型隔板鱼道池室内大部分区域流速大于鱼类的感知流速0.2 m/s，池室内主流流速在0.35～0.80 m/s 之间；主流流向变化较平顺，无明显的扭曲，水流主流在池室内成相对较缓的“S”形流线，有利于目标鱼类沿着主流上溯洄游；竖缝表面水流流向明确，无明显水位跌落，竖缝出口附近最大流速约为0.94 m/s；主流到池室中间3#～4#断面，主流区最大流速0.7 m/s，且范围较小，有利于鱼类持续上溯洄游。

4.4 180°转弯段休息池流态特性

采用ADV 流速仪测量了一典型180°弯道休息池流场分布情况。休息池局部物理模型采用L型隔板、竖缝异侧布置，并在池室中间设置长隔墙的休息池型式。休息池内测量了5 个断面，池室内各断面测点位置见图8。弯道休息池内不同测点流速见表3，休息池池室水流流态见图9。

表3 180°弯道休息池内流速指标

图8 180°休息池池室测点位置图

图9 休息池池室水流流态

由表3和图9可知，在坡度1∶45下，推荐的180°弯道休息池内主流流速在0.35～0.55 m/s之间，并在弯道处形成较为明显的180°的环流曲线。休息池中间无大尺度大回流，有利于目标鱼类找到上溯的方向。休息池内小于0.2 m/s的低流速区域较大，可供鱼类上溯过程中暂时休息，恢复体力，有利于提高目标鱼类的通过效率。

4.5 研究结论

对鱼道隔板竖缝流速、一般池室和180°弯道休息池的流速流态特性进行验证，并得出以下结论：

（1）三维紊流数学模型推荐采用的鱼道底坡、隔板竖缝、水池尺度等主要参数是合理的，能够满足设计要求。

（2）三维紊流数学模型推荐采用的L型隔板型式下，洋溪枢纽鱼道池室内主流流向变化较为平顺，主流无明显的扭曲，水池内流态平稳。

（3）推荐方案下鱼道竖缝出口附近最大流速约为1.05 m/s，满足鱼道最大流速≤1.1 m/s 的要求，沿程隔板过鱼竖缝最大流速平均值无明显增大或减小现象。池室内主流流速在0.35～0.80 m/s之间，有利于目标鱼类沿着主流上溯洄游。

5 鱼道整体物理模型试验

洋溪水利枢纽鱼道整体物理模型比尺1∶10，鱼道底坡坡度为1∶45，设计2 个进鱼口、2 个出鱼口，隔板数量255道，整体模型包含了2个分流口，底坡为平底的暗涵段、穿坝段，若干180°转弯休息池、140°转弯休息池、90°转弯休息池、顺直段休息池。

进鱼口布置横断面为矩形，宽1 m，通过45°渐扩断面与鱼道等宽（2.0 m）的矩形断面连接。鱼道整体模型照片见图10。

图10 鱼道整体物理模型照片

试验内容：多个运行工况下的隔板竖缝流速指标，沿程水面线分布、进鱼口补水流量等。

整体模型试验的目的在于测量整个鱼道内的水流条件，分析不同水位组合下的过鱼效果，对于进口流速过小的工况提出合理的补水措施以达到诱鱼条件。

整体物理模型试验成果表明：

（1）洋溪枢纽鱼道在各水位组合工况下各隔板之间水流流态较好，水流消能较为充分，且无明显水流跌落现象，推荐的L型隔板型式和1∶45的池室坡度合理，鱼道池室设计满足要求。

（2）各工况下鱼道进口段水流流速整体偏小，除鱼道进口水深为1.5 m 的工况进鱼口流速达到0.3 m/s，满足进鱼口感应流速要求，其余进口水深＞1.5 m 的工况，均需采取补水措施，人为提高进鱼口流速，改善诱鱼效果。试验报告提出了进鱼口补水系统布置方案，并通过试验提出补水系统进行0.75 m3/s 不间断补水的方式，在进鱼口可形成较好的诱鱼流速条件。

6 洋溪鱼道总体布置方案

洋溪鱼道穿坝段轴线位于厂房进水口和左岸非溢流坝之间的5#非溢流坝，主要建筑物包括挡洪闸、进口闸、出口闸、观测室、鱼池等。

鱼道进口布置在厂房尾水出口下游约50 m处，发电尾水水流流经该处。主要过鱼季节为每年的4～7 月，鱼道下游运行水位区间为133.0～137.0 m，水位变幅4.0 m。共设置2 个鱼道进口，即1#、2#进口，两个进口闸联合集中布置，进口高程分别为131.5、133.5 m。

鱼道出口布置在厂房进水口坝段上游约100 m处的河岸左侧，两个出口闸联合布置，出口处水流平稳，流速较小。考虑按不同的过鱼水位设置2 个鱼道出口即1#出口、2#出口，出口底板高程分别为151.50、161.50 m。

鱼道挡洪闸结合左岸5#非溢流坝布置，挡洪闸顶高程190.5 m，与坝顶相同。闸顶设启闭机房。坝内设高低错开的两个穿坝孔口，设计水深1.5 m。1#孔口设1扇工作闸门和1扇检修闸门，2#孔口设1扇工作闸门。采用液压启闭机房内的固定式卷扬机对闸门进行启闭。

鱼道池室分为平段和斜坡段。平段主要布置在休息池、过渡段、暗涵、进出口闸段和分流闸段位置。斜坡段坡度1∶45，穿插平段布置，每隔15～20块隔板设鱼道休息池1个，休息室长5 m。

为观测鱼道中鱼类洄游的数量、种类，结合鱼道平面布置，在左岸非溢流坝段下游坝坡与开关站之间的鱼道水池顶部设观察室。观测室净宽6.4 m，净长10.0 m。观测室地面高程158.5 m，观测人员可透过玻璃窗直观观察高孔过鱼情况，还可通过楼梯下到150.0 m 高程，观察低孔过鱼情况。设备仪器室布设在低孔鱼道上部楼板上，主要用来放置摄像机屏幕等仪器。