混凝土面板堆石壩過魚設(shè)施布置方案研究

劉鐔璞，于德雙

(1.長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430000；2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)工程研究所，北京 100141)

1 工程概況

某水庫工程位于重慶市云陽縣北部湯溪河流域的團(tuán)灘河干流上，是一座以城鄉(xiāng)供水和農(nóng)業(yè)灌溉為主，結(jié)合防洪，兼顧發(fā)電，并為當(dāng)?shù)剜l(xiāng)村振興創(chuàng)造條件的大(2)型水庫工程。大壩采用混凝土面板堆石壩，最大壩高為130 m，溢洪道布置于左岸，坡頂開挖一平臺(tái)作為樞紐工程管理平臺(tái)，引水兼放空建筑物布置于右岸，壩后式電站廠房布置于壩后河床。因水庫建設(shè)阻斷了河流連通性，使生活其中的魚類生存所需的生境條件、水文情勢(shì)發(fā)生變化，對(duì)魚類資源產(chǎn)生影響[1]。因此，為了保護(hù)魚類資源，恢復(fù)河流生物多樣性，需要進(jìn)行過魚設(shè)施的建設(shè)。

2 過魚方案選擇

由于大壩建設(shè)對(duì)所有魚類產(chǎn)生阻隔效應(yīng)，因此本河段分布的所有魚種均應(yīng)作為過魚設(shè)施過壩種類。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，本河段有魚類14種，主要為適應(yīng)急流、亞冷水性和以藻類為食的魚類，其中寬鰭鱲、馬口魚、齊口裂腹魚、西昌華吸鰍等漁獲物較多的主要魚類作為重點(diǎn)對(duì)象。

過魚設(shè)施的目的是促進(jìn)被大壩隔斷的上下游魚類群體的遺傳交流，因此重點(diǎn)應(yīng)考慮保證主要過魚對(duì)象在繁殖季節(jié)的過壩需求。初步確定主要運(yùn)行季節(jié)在4—7月。在此期間，魚類的活動(dòng)能力一般較強(qiáng)，對(duì)水流的刺激更加敏感，因此，在繁殖期利用水流刺激誘魚，成功率也較高。

過魚設(shè)施主要包括升魚機(jī)、魚道和仿自然通道、魚閘、集運(yùn)魚系統(tǒng)及捕撈過壩等不同形式等[2]。各種過魚措施主要形式及適應(yīng)范圍見圖1。

圖1 過魚設(shè)施主要形式及其應(yīng)用范圍

網(wǎng)捕過壩魚類成活率降低，不適用于大型水利工程，在此不予考慮。其余4類不同過魚設(shè)施方案優(yōu)缺點(diǎn)及可行性進(jìn)行分析和比較見表1。由表1可知，4種方案中，升魚機(jī)方案誘魚系統(tǒng)與魚道方案相同，誘魚效果相似，采用機(jī)械提升的方式，過魚效果較好，不涉及主體工程，工程布置、建設(shè)難度較低，投資較少，可較好適應(yīng)工程庫區(qū)水位大幅變動(dòng)。團(tuán)灘河分布的土著魚類均屬底層活動(dòng)魚類，個(gè)體偏小，無長距離溯河習(xí)性，繁殖期集群不明顯，壩下河段魚類資源量有限，采用升魚機(jī)可滿足過魚需求，故推薦采用。

表1 過魚設(shè)施方案綜合比較

3 過魚設(shè)施設(shè)計(jì)

升魚機(jī)由集魚系統(tǒng)、提升運(yùn)輸系統(tǒng)、碼頭轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)、運(yùn)輸放流系統(tǒng)組成。

3.1 集魚系統(tǒng)

1)集魚系統(tǒng)布置

集魚系統(tǒng)位于大壩下游河床壩后電站左側(cè)，由進(jìn)魚口段和集魚渠組成，其中進(jìn)魚口設(shè)有檢修閘門和控流門，集魚通道中設(shè)有驅(qū)魚格柵、集魚渠中設(shè)有集魚箱，集魚渠后為消能調(diào)節(jié)池。集魚系統(tǒng)全長為22 m。

2)流速設(shè)計(jì)

壩后生態(tài)電站的運(yùn)行工況包括：枯水期2臺(tái)機(jī)運(yùn)行，生態(tài)流量為1.31 m3/s；汛期3臺(tái)機(jī)運(yùn)行，生態(tài)流量為2.63 m3/s；4臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行，生態(tài)流量為 4.68 m3/s；機(jī)組同時(shí)檢修或停機(jī)，生態(tài)流量為放水管下泄流量。集魚系統(tǒng)的運(yùn)行工況為：枯水期2臺(tái)機(jī)運(yùn)行，生態(tài)流量為1.31 m3/s；汛期3臺(tái)機(jī)運(yùn)行，生態(tài)流量為2.63 m3/s。結(jié)合主要過魚對(duì)象的游泳能力，集魚通道內(nèi)水流速度的取值范圍調(diào)整為：0.25～0.75 m/s[7]，進(jìn)口流速按0.3～1.0 m/s設(shè)計(jì)。通過對(duì)各工況下集魚通道和進(jìn)魚口流速計(jì)算，各工況下流速均可滿足設(shè)計(jì)要求。

3)進(jìn)魚口及集魚渠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

進(jìn)魚口的水深應(yīng)滿足每年4—7月主要過魚季節(jié)內(nèi)，進(jìn)魚口內(nèi)的水深不低于0.6 m，亦即為本河段內(nèi)最大魚類體高的2倍。

表2 各流量工況下流速水位關(guān)系

為不影響底層魚類及表層魚類的通過，進(jìn)魚口應(yīng)為矩形結(jié)構(gòu)，底板與河道平緩銜接，這種結(jié)構(gòu)還可以適應(yīng)下游水位變化。進(jìn)魚口開口越大，越容易被上溯的魚類發(fā)現(xiàn)，但是同時(shí)也會(huì)增加工程量、施工難度和投資，因此根據(jù)目前魚道等過魚設(shè)施設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)分析，進(jìn)魚口的開口寬度設(shè)為2 m。

集魚渠的主要功能為將進(jìn)入的魚類暫時(shí)保存在池內(nèi)，因此集魚渠不可過小，以免引起魚類的脅迫而使得其逃逸。根據(jù)《水利水電工程魚道設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(SL 609—2013)，渠道寬度不應(yīng)小于最大過魚目標(biāo)體長的2倍；設(shè)計(jì)水深可取1.5～2.0 m，對(duì)于體長超過 0.2 m的魚類，最小水深應(yīng)大于最大過魚體長的2.5倍。本工程過魚設(shè)施主要過魚均為中小型魚類，按照過魚對(duì)象規(guī)格，渠道寬度取2.0 m可滿足要求。

進(jìn)魚口和集魚渠采用敞開式矩形斷面，根據(jù)下泄流量，主河道的最低水位為329.69 m，集魚渠凈寬為 2 m，底板頂高程為328.00 m，采用鋼筋砼襯砌，底板及邊墻襯砌厚1.0 m。集魚渠結(jié)構(gòu)示意見圖2，進(jìn)魚口布置示意見圖3。

圖2 集魚渠結(jié)構(gòu)示意 圖3 進(jìn)魚口布置示意

集魚渠底部鋪仿生態(tài)鵝卵石，渠道中不設(shè)置擋板，通道內(nèi)設(shè)驅(qū)魚格柵，驅(qū)魚格柵采用鋼結(jié)構(gòu)，局部格柵采用不銹鋼結(jié)構(gòu)，并采用魚類不易逃逸的漸進(jìn)束窄結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)魚類的收集。另外，驅(qū)魚格柵在魚類收集狀態(tài)中可以完全關(guān)閉，以防止魚類逃逸。

4)驅(qū)魚格柵設(shè)計(jì)

集魚渠內(nèi)的驅(qū)趕設(shè)施為驅(qū)魚格柵。驅(qū)魚格柵布置于防逃籠前方，尺寸與通魚通道尺寸相適應(yīng)。拖拽格柵采用對(duì)開門形式，平時(shí)集魚時(shí)段，拖拽格柵開啟，目標(biāo)魚類可以通過過魚通道[8]。在收集到一定數(shù)量的魚類后，拖拽格柵的對(duì)開門關(guān)閉。通過系統(tǒng)控制設(shè)置在集魚通道端部的卷揚(yáng)機(jī)及滑輪裝置牽引拖曳格柵系向前平行移動(dòng)，將目標(biāo)魚類驅(qū)趕入集魚池中。等待集魚池內(nèi)的提升艙將魚提升后。系統(tǒng)控制拖拽格柵沿通魚通道向后平行移動(dòng)，回到原位置后，對(duì)開門開啟。驅(qū)魚格柵實(shí)例見圖4。

圖4 驅(qū)魚格柵實(shí)例示意

5)集魚箱設(shè)計(jì)

集魚箱長寬均為2.0 m，高為1.5 m，上半部分為透水格柵，格柵間距為3 cm，下半部分為不透水結(jié)構(gòu)，集魚箱底板呈一定角度傾斜，側(cè)面的最低點(diǎn)，設(shè)有一個(gè)0.5 m×0.5 m的放魚孔，放魚孔設(shè)有閘門[9]。集魚箱設(shè)計(jì)如圖5所示。

3.2 提升運(yùn)輸系統(tǒng)

1)提升過壩方式比選

升魚機(jī)的直接提升過壩方式通常有3種形式：垂直提升、軌道提升和索道提升。3種提升過壩方式比選見表3，圖例見圖6～8。

圖5 集魚箱設(shè)計(jì)示意(左：立視示意，右：俯視示意)

通過表3分析，索道提升方式較適用于本工程，能保證過魚設(shè)施的可靠運(yùn)行，并盡量減少對(duì)環(huán)境的影響，從工程和環(huán)保角度推薦采用索道提升方式。

2)索道設(shè)計(jì)

① 索道布置

本工程進(jìn)魚口位于河床電站廠房左側(cè)，索道起點(diǎn)位于廠房尾水平臺(tái)上，高程為340.20 m，沿山體布置，方向與壩軸線呈49°夾角，上行跨越溢洪道泄槽和開挖邊坡，上升至管理平臺(tái)，高程為495.00 m，通過管理平臺(tái)后，呈下行方向，到達(dá)終點(diǎn)索道卸載站，位于壩上游約250 m 處，索道總長度約為693 m，提升最大高度為155.20 m。在索道上，每隔一定距離布設(shè)1個(gè)塔架，確保索道的穩(wěn)定運(yùn)行[10]。索道系統(tǒng)布置剖面示意見圖9。

表3 3種提升過壩方式比選

圖6 垂直提升型示意 圖7 軌道提升型示意 圖8 索道提升型示意

圖9 某水庫升魚機(jī)索道系統(tǒng)布置剖面示意

② 索道結(jié)構(gòu)

索道由裝載站、卸載站、支架、承載索、牽引索、驅(qū)動(dòng)裝置、錨固裝置和張緊裝置、電氣設(shè)備等主要部分組成。在裝載和卸載站間架設(shè)的鋼絲繩作承載索，承載索一端錨固、另一端張緊，中間由若干支架支承。牽引索上用抱索器固接集魚箱，集魚箱以承載索為軌道被牽引索拉動(dòng)運(yùn)行。在裝載站，集魚箱經(jīng)過站口的偏斜鞍座從承載索上過渡到站內(nèi)的架空扁軌上，同時(shí)脫開器使抱索器松開，集魚箱與牽引索脫離，用其他機(jī)械將提升箱移至停放點(diǎn)。要運(yùn)送的集魚箱推至發(fā)車處，抱索器抱緊牽引索，向卸載站方向運(yùn)行。集魚箱到達(dá)卸載站后，與上述一樣過渡到架空扁軌上并與牽引索脫開，然后卸載。卸載后，空提升箱被發(fā)往裝載站，完成一個(gè)循環(huán)，可實(shí)現(xiàn)就地控制。

③ 索道運(yùn)行

過魚季節(jié)為4—7月，索道在此時(shí)段運(yùn)行。根據(jù)索道提升高度和長度計(jì)算分析，初步估算索道循環(huán)能力為1次/h。在下階段將開展索道設(shè)計(jì)專題研究，結(jié)合模型試驗(yàn)確定索道運(yùn)行能力。

在索道運(yùn)行過程中，還需采取以下措施：

a) 養(yǎng)護(hù)措施

索道在運(yùn)行過程中，應(yīng)經(jīng)常注意保養(yǎng)，在纜車車輪抹黃油，減小車輪與承載索間的摩阻力，降低承載索的磨損程度；同時(shí)，索道由專人管理，裝卸端用對(duì)講機(jī)聯(lián)絡(luò)，經(jīng)常檢查索道的承載力及牽引力，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理[11]。

b) 防擺防風(fēng)措施

本流域多年平均風(fēng)速為1.5 m/s，多年平均年最大風(fēng)速為11.2 m/s，在纜車上部設(shè)有防擺器，利用液壓活塞桿的伸縮平衡車廂的擺動(dòng)。在裝載站和卸載站裝設(shè)緩沖器，纜車上裝有導(dǎo)靶，確保車廂難以脫軌，并防止產(chǎn)生大的擺動(dòng)。利用風(fēng)向測(cè)速儀確保風(fēng)速超過規(guī)定值時(shí)報(bào)警、停車[12]。

c) 防雷措施

在各塔架上布設(shè)避雷器。

3.3 碼頭轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)

1)放流碼頭

結(jié)合樞紐布置方案，目前推薦碼頭布置在壩上左岸約250 m處。此處坡度適宜，改造為碼頭較為便利。同時(shí)也在魚類防逃網(wǎng)以內(nèi)。

2)轉(zhuǎn)運(yùn)碼頭布置

轉(zhuǎn)運(yùn)碼頭布置1個(gè)集運(yùn)魚泊位。集運(yùn)魚泊位采用下河公路與躉船相結(jié)合方案，下河公路依托現(xiàn)有左岸復(fù)建公路改造而成，對(duì)現(xiàn)有道路向江側(cè)進(jìn)行分叉，道路臨江側(cè)布置擋土墻，水位在409.96～448.16 m(頻率為20%～80%的枯水保證率)之間變動(dòng)時(shí)，躉船可沿道路臨江側(cè)停靠，通過設(shè)置在躉船上的輪胎式起重機(jī)可進(jìn)行運(yùn)魚箱的裝船卸船作業(yè)。

3)裝卸設(shè)施及工藝

進(jìn)行裝卸作業(yè)時(shí)，運(yùn)魚船停靠在躉船的裝卸泊位，纜車將集魚箱放在下河公路上，利用輪胎式起重機(jī)將集魚箱轉(zhuǎn)移至運(yùn)魚船上。運(yùn)魚船完成放流后行駛回轉(zhuǎn)運(yùn)碼頭，纜車將集魚箱吊回繼續(xù)使用。

3.4 運(yùn)輸放流系統(tǒng)

運(yùn)輸放流系統(tǒng)主要由運(yùn)魚放流船及放流輔助設(shè)施組成。一般情況下，集魚箱在轉(zhuǎn)運(yùn)碼頭轉(zhuǎn)入運(yùn)魚放流船后，船舶行駛至庫區(qū)具有一定流速(平均流速>魚類感應(yīng)流速0.19 m/s)的水域?qū)Ⅳ~類放流至江中。

1)運(yùn)魚放流船

運(yùn)魚放流船主甲板可放置2個(gè)集魚箱。船上并配置有氧氣瓶、循環(huán)泵、水質(zhì)監(jiān)控設(shè)備等魚類維生設(shè)備，可與集魚箱相應(yīng)接口進(jìn)行連接。

運(yùn)魚放流船安裝有GPS定位跟蹤系統(tǒng)，能夠?qū)Υ暗男旭傑壽E做到實(shí)時(shí)跟蹤、記錄和監(jiān)控。

另外，為兼顧遠(yuǎn)期的魚類下行溝通需求，運(yùn)魚船遠(yuǎn)期配備深水魚籠及深水網(wǎng)箔，可進(jìn)行庫區(qū)集魚所作業(yè)，搜集魚類通過碼頭轉(zhuǎn)入集魚箱，通過纜車運(yùn)輸至壩下放流。

2)放流地點(diǎn)

初擬放流地點(diǎn)為庫區(qū)上游流水河段或支流匯口等餌料資源豐富、適宜魚類覓食生存且人為干擾較少的水域。同時(shí)根據(jù)魚類的生活習(xí)性、當(dāng)?shù)厮摹⑺|(zhì)特點(diǎn)以及周邊環(huán)境特點(diǎn)確定放流時(shí)段。

3)放流方式

運(yùn)魚船中有接口可與運(yùn)魚箱對(duì)接，接口對(duì)接口，利用水自身重力將魚和水通過滑道放流，滑道采用PE材質(zhì)，表面光滑，不易損傷魚類，并在放流時(shí)保持滑道濕潤。

4 結(jié)語

本文結(jié)合某水庫工程高混凝土面板堆石壩，對(duì)多種過魚設(shè)施方案進(jìn)行了研究，研究得出升魚機(jī)是較為適宜的方式，不僅適于高壩過魚，同時(shí)能較好適應(yīng)水庫水位的較大變幅，因此工程推薦采用升魚機(jī)。目前國內(nèi)外尚無提升高度超過100 m的升魚機(jī)先例，本工程的設(shè)計(jì)是升魚機(jī)提升高度的一項(xiàng)突破，同時(shí)，集魚系統(tǒng)的集魚效果和索道提升運(yùn)行效果是保證升魚機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵，在后期設(shè)計(jì)中還需要開展相關(guān)模型試驗(yàn)進(jìn)一步論證和改進(jìn)。