引嫩擴(kuò)建骨干一期工程渠首魚道工程設(shè)計(jì)

王曉旭

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150000)

1 工程概況

引嫩擴(kuò)建骨干一期工程由首部取水樞紐工程、總干渠工程、引水干渠工程、配套灌區(qū)工程、調(diào)蓄水庫和排水干渠工程組成。北引供水工程由有壩取水工程和北引總干渠，以及友誼干渠、富裕干渠、紅旗干渠、東湖干渠四條引水干渠，15處灌區(qū)工程和4座反調(diào)節(jié)水庫工程(東城水庫、東湖水庫、大慶水庫、紅旗水庫)組成；中引供水工程由無壩引水工程、中引總干渠、4處灌區(qū)工程和1座反調(diào)節(jié)水庫(龍虎泡水庫)組成。

北引渠首樞紐位于嫩江中游，樞紐軸線總長(zhǎng)5592.5m，由土壩、進(jìn)水閘、預(yù)留船閘、泄洪閘、溢流壩、固灘和魚道等組成，兩側(cè)與嫩江堤防銜接[1]。

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 工程等別和標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)已批復(fù)的《尼爾基水利樞紐配套項(xiàng)目黑龍江省引嫩擴(kuò)建骨干一期工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，北引渠首為Ⅰ等工程，渠首的各子項(xiàng)工程依據(jù)其重要性和作用，以及失事后所造成的損失和影響確定其級(jí)別，其中，魚道工程為本供水工程的次要建筑物，根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2017)中的相關(guān)規(guī)定，供水工程的主要建筑物級(jí)別為1級(jí)，次要建筑物級(jí)別為3級(jí)，因此確定魚道工程的工程級(jí)別為3級(jí)，其相應(yīng)設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇，校核防洪標(biāo)準(zhǔn)為200a一遇。

2.2 過魚種類及習(xí)性

魚道的修建主要是解決一些經(jīng)濟(jì)魚類如鮈亞科魚類及草魚、青魚、鰱、鳙、鳊、翹嘴鲌和蒙古鲌等，短距離生殖和索餌洄游，時(shí)間為春夏兩季(4月-8月)；以及細(xì)鱗鮭和哲羅鮭封冰前越冬洄游，時(shí)間為秋季(9月中旬-11月上旬)，并兼顧其它魚類。

根據(jù)主要經(jīng)濟(jì)魚類的生態(tài)習(xí)性和天然河道的流速狀況，北引渠首魚道設(shè)計(jì)流速采用0.8-1.0m/s，進(jìn)口流速≥0.2m/s。

2.3 魚道設(shè)計(jì)

2.3.1 魚道布置比選

根據(jù)現(xiàn)狀渠首工程固灘、泄洪閘側(cè)溢流壩所在位置，對(duì)仿生態(tài)魚道的總體布置進(jìn)行比選。

方案一：魚道穿越固灘方案

魚道工程采用仿自然通道型式，仿自然通道位于泄洪閘右側(cè)導(dǎo)流明渠位置，與樞紐軸線交叉位置樁號(hào)為2+888.5，交叉采用開敞閘帶橋型式。仿自然通道全長(zhǎng)432m，底坡1/160，通道底寬5m，正常水位運(yùn)行時(shí)水面寬度為13m，池室長(zhǎng)度8m。通道共設(shè)置4個(gè)休息池，休息池半徑為10m。通道的最大設(shè)計(jì)流速為1m/s，正常運(yùn)行水位為2m，最小運(yùn)行水深為1m，池室深度2.5m。魚道進(jìn)口布置在泄洪閘出口海漫下游287m處，進(jìn)口底高程172.00m。魚道出口控制閘布置在魚道軸線與固灘軸線位置，閘底板頂高程為174.20m，控制水位176.20m，閘室長(zhǎng)度為6m，閘室凈寬為5m。

方案二：魚道穿越溢流壩方案

魚道工程采用仿自然通道型式，仿自然通道軸線與樞紐軸線交叉位置位于泄洪閘右側(cè)溢流壩第三節(jié)，利用現(xiàn)有溢流壩鋪蓋作為出口控制閘底板基礎(chǔ)，閘室段后為涵洞，涵洞為溢流壩壩體采用人工鑿除后形成的5m×2.5m(寬×高)矩形孔洞，涵洞后接仿自然通道，通道總長(zhǎng)432m，，底坡1/160，通道底寬5m，正常水位運(yùn)行時(shí)水面寬度為13m，池室長(zhǎng)度8m。通道共設(shè)置4個(gè)休息池，休息池半徑為10m。通道的最大設(shè)計(jì)流速為1m/s，正常運(yùn)行水位為2m，最小運(yùn)行水深為1m，池室深度2.5m。

方案一、方案二技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、施工、管理等各方面優(yōu)缺點(diǎn)詳見表1。

表1 魚道布置方案比較一覽表

綜上所述，通過對(duì)魚道布置的方案一、方案二的比較，在技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、和施工條件上來看，方案一均優(yōu)于方案二，在地形地質(zhì)條件和運(yùn)行管理角度來看，方案一和方案二基本一致。因此，本次設(shè)計(jì)通過方案比較后，確定方案一作為選定方案，即仿生態(tài)魚道與固灘交叉方案。

2.3.2 魚道布置

魚道上游設(shè)計(jì)水位采用北引渠首正常引水位176.20m，下游設(shè)計(jì)水位采用過魚季節(jié)多年平均低水位173.00m。下游設(shè)計(jì)水位根據(jù)松遼委提供的尼爾基水庫下泄流量及下游水位觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄及北引渠首多年觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄確定魚道進(jìn)口處的過魚季節(jié)多年平均低水位為173.00m，根據(jù)規(guī)范要求魚道進(jìn)口水深≥1m，因此確定魚道進(jìn)口底高程為172.00m。

根據(jù)《水利水電工程魚道設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(SL609-2013)中的相關(guān)規(guī)定，池室凈寬不宜小于主要過魚對(duì)象體長(zhǎng)的2倍，結(jié)合魚道主要過魚對(duì)象的習(xí)性及對(duì)魚道流速的要求，并參照相似工程實(shí)例，魚道采用底寬為5m的梯形斷面，可滿足過魚要求。池室凈長(zhǎng)可取池室凈寬的1.25-1.5倍，本次設(shè)計(jì)魚道池長(zhǎng)采用8m。池室水深應(yīng)依據(jù)過魚對(duì)象體長(zhǎng)及池室消能要求確定，設(shè)計(jì)水深可取1.5-2.5m，魚道設(shè)計(jì)水深采用2m。休息池宜為平底，長(zhǎng)度不宜小于池室長(zhǎng)度的2倍，魚道休息池直徑設(shè)計(jì)為20m，每隔10個(gè)池室設(shè)置一個(gè)休息池。

本次設(shè)計(jì)仿自然通道位于泄洪閘右側(cè)導(dǎo)流明渠位置，與樞紐軸線交叉位置樁號(hào)為2+888.5，交叉采用開敞閘帶橋型式。

魚道由進(jìn)口、通道及休息池、出口控制閘等組成。魚道進(jìn)口布置在泄洪閘出口海漫下游287m處，進(jìn)口底高程172.00m，進(jìn)口底寬5m。

進(jìn)口底板與河床平緩相接，為使底層魚類可以沿河床找到仿自然通道進(jìn)口，進(jìn)口處通道底部鋪設(shè)一些原河床的礫石，以模擬自然河床的底質(zhì)和色澤，制造誘使魚類進(jìn)入的流場(chǎng)，進(jìn)口控制流速≥0.2m/s。

通道及休息池全長(zhǎng)432m，通道底坡1/160，通道底寬5m，正常水位運(yùn)行時(shí)水面寬度為13m，池室長(zhǎng)度8m，即每隔8m設(shè)一處堆砌體，堆砌體采用錯(cuò)縫堆砌，堆砌體采用格賓石籠寶塔式結(jié)構(gòu)。通道共設(shè)置4個(gè)休息池，即每隔10個(gè)池室設(shè)一個(gè)休息池，休息池半徑為10m，池底為水平底面。根據(jù)工程所在地主要過魚種類及其習(xí)性和天然河道的流速狀況，魚道設(shè)計(jì)流速采用0.8m/s-1.0m/s，進(jìn)口流速≥0.2m/s，確定通道的最大設(shè)計(jì)流速為1m/s，正常運(yùn)行水深為2m，最小運(yùn)行水深為1m，池室深度2.5m。

魚道出口底高程為174.20m。為適應(yīng)上下游水位的較大變幅，通道的出口設(shè)置控制閘門，以調(diào)節(jié)和控制通道內(nèi)的水流流量和流速，保證下游進(jìn)口的水深不會(huì)過高或過低，確保通道水流能滿足魚類的上溯要求。出口控制閘為開敞式閘帶橋型式，閘室長(zhǎng)度為12.5m，閘室凈寬為3m，共一孔[2]。

2.3.3 出口控制閘布置

出口控制閘位于泄洪閘右側(cè)導(dǎo)流明渠與固灘交叉位置，閘上交通和固灘交通是聯(lián)系黑龍江與內(nèi)蒙莫力達(dá)瓦旗的主要交通通道。

出口控制閘由進(jìn)口段、閘室段、消力池段組成。進(jìn)口段長(zhǎng)12.24m，由喇叭口進(jìn)口和平順段組成，喇叭口段由10.6m漸變至3m，進(jìn)口段采用雷諾護(hù)墊型式護(hù)砌，雷諾護(hù)墊厚度30cm，下設(shè)厚10cm砂礫石墊層。閘室段為開敞式閘帶橋結(jié)構(gòu)，閘室長(zhǎng)12.5m，閘室凈寬3m，為單孔。底板頂高程為174.20m，底板厚1.2m，交通橋設(shè)置在閘墩上，交通橋?qū)?m，與固灘路面寬度相同。上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土排架加工作橋型式，上部結(jié)構(gòu)設(shè)鋼樓梯。閘室進(jìn)口采用一字墻結(jié)構(gòu)與兩側(cè)堤坡連接；消力池段為鋼筋混凝土U型槽結(jié)構(gòu)，進(jìn)口底寬3m，出口底寬5m，底板頂高程為173.70m，池深0.5m，底板厚0.7m，出口采用鋼筋混凝土懸臂式擋土墻與兩側(cè)渠道連接，擋土墻長(zhǎng)4m。閘門采用單吊點(diǎn)露頂式平板滑動(dòng)鋼閘門，啟閉機(jī)采用QL150kN手電兩用螺桿式啟閉機(jī)。

2.3.4 護(hù)砌型式

魚道座落在嫩江右岸河灘地上，河灘地土料性質(zhì)均為級(jí)配良好中礫，滲透系數(shù)大，為保證魚道內(nèi)水體不外漏，魚道渠底及內(nèi)邊坡采用防滲膜進(jìn)行防滲。渠底、渠內(nèi)邊坡的護(hù)砌型式采用格賓石籠40cm，下設(shè)厚10cm砂礫石墊層及防滲膜一層；為保護(hù)魚道兩側(cè)渠堤堤頂及外邊坡土體不被洪水水流沖刷、淘涮而造成安全隱患，渠頂及渠外邊坡的護(hù)砌型式采用雷諾護(hù)墊，雷諾護(hù)墊厚23cm，下設(shè)砂礫石墊層5cm及無紡布一層。

2.3.5 土料設(shè)計(jì)

工程魚道兩側(cè)堤防的填筑材料采用當(dāng)?shù)靥烊徊牧希醇?jí)配良好中礫，根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-2013)中的相應(yīng)規(guī)定，砂礫石的填筑標(biāo)準(zhǔn)以相對(duì)密度為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，即相對(duì)密度≥0.60。因此，魚道砂礫填筑標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)為0.60。

相對(duì)密度與設(shè)計(jì)干密度的換算按下式：

無黏性土：

(1)

式中：Dr為相對(duì)密度，0.6；γmax為最大干密度；γmin為最小干密度。

實(shí)際施工中應(yīng)根據(jù)碾壓試驗(yàn)進(jìn)行分析校正設(shè)計(jì)土料填筑指標(biāo)。

2.3.6 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.3.6.1 仿自然通道計(jì)算

1)魚道流速、底坡等參數(shù)確定

過魚斷面的流速V，是由上下游水頭差Δh來決定：

Δh=V2/2g

(2)

通道的最大設(shè)計(jì)流速為1m/s,所以：

Δh=V2/2g=(1)2/(2×9.81)=0.05m

(3)

仿自然通道進(jìn)口底板高程為172.00m,出口底板高程為174.20m，

普通池室數(shù)量N=H/Δh-1=(174.20-172.00)/0.05-1=43

仿自然通道底坡i=Δh/L=0.05/8=1/160

仿自然通道主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 仿自然通道方案主要參數(shù)一覽表

2)仿自然通道滲流量計(jì)算

滲流計(jì)算分析采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院編制的理正滲流分析軟件進(jìn)行計(jì)算，該程序計(jì)算方法依據(jù)非飽和土理論、根據(jù)基本的滲流理論―達(dá)西定律等，采用有限元方法分析穩(wěn)定流及非穩(wěn)定流中多種邊界條件、多種材料的堤、壩或土體的滲流分析。

計(jì)算工況：魚道內(nèi)水深為2m，外側(cè)無水；為較準(zhǔn)確估算魚道滲流量，選擇具有代表性的典型剖面0+180進(jìn)行魚道滲流量計(jì)算。

滲透系數(shù)取值主要依據(jù)工程地質(zhì)勘探資料，計(jì)算中近似認(rèn)為水平滲透系數(shù)與垂直滲透系數(shù)相等。級(jí)配良好中礫的滲透系數(shù)為1.5×10-1cm/s。

魚道0+180剖面滲流量計(jì)算成果為9.8×10-4m3/s.m，魚道0+000-0+432的總滲流量為0.84m3/s。

3)仿自然通道抗滑穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)工程地質(zhì)勘探和土工試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合地形條件、設(shè)計(jì)水位、堤體、堤基結(jié)構(gòu)和填筑材料等，選取堤防較高的典型斷面進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。各計(jì)算斷面樁號(hào)、設(shè)計(jì)水位及堤防斷面特征值見表3。

表3 典型斷面特性表

堤體和堤基土體物理力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)值根據(jù)工程地質(zhì)勘察和土工試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)分析后采用值見表4。

表4 穩(wěn)定計(jì)算土類物理力學(xué)特性指標(biāo)設(shè)計(jì)取值

正常運(yùn)用條件：設(shè)計(jì)水位穩(wěn)定滲流期背水坡、臨水坡的穩(wěn)定計(jì)算；非常運(yùn)用條件Ⅰ：完建工況的背水坡、臨水坡的穩(wěn)定計(jì)算。

邊坡穩(wěn)定計(jì)算按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-2013)等有關(guān)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算。

采用瑞典圓弧法：進(jìn)行堤防背水坡、臨水坡穩(wěn)定計(jì)算。

計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 邊坡穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖

典型斷面穩(wěn)定計(jì)算公式如下：

(4)

式中：b為條塊寬度，m；W為土條重量，kN；Q、V為水平和垂直地震慣性力(V向上為負(fù)，向下為正)，kN；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角；u為作用于土條底面的孔隙壓力，kN/m2；c′、ψ′為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；Mc為水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩，kN·m；R為圓弧半徑，m。

采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院編制的《巖土邊坡穩(wěn)定分析軟件》進(jìn)行計(jì)算。典型斷面穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 典型斷面堤體穩(wěn)定計(jì)算成果表

由表5可見，根據(jù)《堤防設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-2013)土堤瑞典圓弧法抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，各段堤防典型斷面上、下游堤坡抗滑安全系數(shù)均滿足抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)要求。

2.3.6.2 出口控制閘計(jì)算

1)閘基滲透穩(wěn)定計(jì)算

出口控制閘滲透穩(wěn)定采用阻力系數(shù)法進(jìn)行驗(yàn)算，按地質(zhì)勘察成果，基礎(chǔ)為級(jí)配良好的中礫。

由于設(shè)計(jì)洪水位及校核洪水位工況下上下游水頭差較小，因此，設(shè)計(jì)復(fù)核上下游水位差較大的情況即上游引水水位176.20m工況對(duì)應(yīng)魚道流量水位，此工況也為經(jīng)常運(yùn)用工況和不利工況，計(jì)算公式如下：

a)地基有效深度計(jì)算：

當(dāng)

(5)

當(dāng)

(6)

式中：Te為土基上水閘的地基有效深度，m；L0為地下輪廓的水平投影長(zhǎng)度，m；S0為地下輪廓的垂直投影長(zhǎng)度，m。

b)分段阻力系數(shù)計(jì)算

a、進(jìn)、出口段

(7)

式中：ξ0為進(jìn)、出口段的阻力系數(shù)；S為板樁或齒墻的入土深度，m；T為地基透水層深度，m。

b、內(nèi)部垂直段

(8)

式中：ξy為內(nèi)部垂直段的阻力系數(shù)。

c、水平段

(9)

式中：ξx為水平段阻力系數(shù)；Lx為水平段長(zhǎng)度，m；S1、S2為進(jìn)、出口板樁或齒墻的入土深度，m。

c)各分段水頭損失值

(10)

式中：hi為各分段水頭損失值，m；ξi為各分段的阻力系數(shù)；n為總分段數(shù)。

d)進(jìn)、出口段修正后的損失值

(11)

式中：h0′為進(jìn)、出口段修正后的水頭損失值，m；h0為進(jìn)、出口段水頭損失值，m；β′為阻力修正系數(shù)，當(dāng)計(jì)算的β′≥1.0時(shí)，采用β′=1.0；S′為底板埋深與板樁入土深度之和，m；T′為板樁令一側(cè)地基透水地基深度，m。

e)水平比降

(12)

式中：Jx為水平比降；hx為水平水頭損失，m。

f)出逸比降

(13)

式中：J0為出逸比降(m)。

經(jīng)計(jì)算水平比降J=0.004，出口段滲流比降J0=0.03，小于允許水力比降[J允許]=0.15，出口控制閘基礎(chǔ)及出口段滲透穩(wěn)定滿足要求。

出口控制閘左右兩側(cè)閘墩與固灘連接采用刺墻形式，刺墻單側(cè)長(zhǎng)度3m，延長(zhǎng)出口控制閘連接段的滲徑長(zhǎng)度，同時(shí)在出口控制閘出口設(shè)反濾保護(hù)措施，即采用無紡布上設(shè)雷諾護(hù)墊防護(hù)。工程建成后，在運(yùn)行期間應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理[3]。

2)閘室穩(wěn)定計(jì)算

荷載按單孔計(jì)算，穩(wěn)定計(jì)算采用抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)公式，計(jì)算公式如下：

(14)

式中：Kc為沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為閘室基底面與地基之間的摩擦系數(shù)；A為閘室基底面的面積，m2；∑G為作用于閘室上的全部豎向荷載；(包括閘室基礎(chǔ)底面上的揚(yáng)壓力在內(nèi)，kN；∑H為作用于閘室上的全部水平向荷載，kN；φ0為閘室基底面與土質(zhì)地基之間的摩擦角?！?；C0為閘室基底面與土質(zhì)地基之間的黏結(jié)力，kPa；[Kc]為閘室沿基礎(chǔ)底面的容許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，[Kc]=1.25。

2)閘室段應(yīng)力計(jì)算

計(jì)算公式：

(15)

式中：B為閘室段長(zhǎng)，m；e為偏心距，m；σmax、σmin為最大最小應(yīng)力，kPa；∑G為作用于堰體上的全部豎向荷載，kN；∑m為作用于堰體上的全部豎向荷載和水平荷載對(duì)地基面垂直水流方向的形心力矩，kN·m；η為不均勻系數(shù)，建筑物穩(wěn)定及應(yīng)力成果表，見表6。

表6 建筑物穩(wěn)定及應(yīng)力成果表

經(jīng)以上計(jì)算，閘室抗滑穩(wěn)定及閘室應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

2.4 運(yùn)行條件及檢修期

魚道過魚時(shí)間為每年的4月-11月，因此確定魚道的運(yùn)行期為每年的4月-11月，與引嫩工程每年的4月-10月引水期間基本重合。在每年4月份開始運(yùn)行，運(yùn)行水位與渠首引水水位相同，即為176.20m。當(dāng)發(fā)生洪水通過泄洪閘開敞泄流調(diào)節(jié)上游水位穩(wěn)定在176.20m，此時(shí)魚道正常運(yùn)行；當(dāng)上游水位超過正常運(yùn)行水位176.20m并持續(xù)上漲時(shí)，關(guān)閉魚道出口控制閘，洪水由泄洪閘、固灘、溢流壩等聯(lián)合泄流。冬季魚道不運(yùn)行，由于冬季河面冰封，此時(shí)將魚道出口控制閘關(guān)閉。為減少冬季控制閘閘門受冰凍而造成的凍脹力及冰推力，應(yīng)在河流冰封期間，每隔15天將閘前冰層鑿出隔離槽，槽寬0.5m，槽深1m。

魚道工程調(diào)度應(yīng)在保證工程安全的條件下，服從渠首樞紐及流域的防洪調(diào)度，防洪和運(yùn)行協(xié)調(diào)控制、聯(lián)合運(yùn)用。

魚道在每年的11月末至次年的4月初進(jìn)行維護(hù)和檢修。

3 結(jié) 語

引嫩渠首所在河段一般在10月下旬開始?xì)鉁亟档?，至攝氏零度以下出現(xiàn)流冰，持續(xù)時(shí)間一般為10-16天，11月中旬開始封江，穩(wěn)定封凍期104-175d，平均為135-155d；第二年春季氣溫回升，于4月上中旬開江，一般流冰在10天左右，最遲在4月末流冰結(jié)束。嫩干春季和秋季流冰期歷時(shí)較長(zhǎng)，冰塊尺寸較大。 冰層升溫膨脹產(chǎn)生的靜冰壓力會(huì)對(duì)控制閘產(chǎn)生冰推破壞，對(duì)控制閘的閘門、閘墩、擋土墻等不同部位剪切斷裂或傾斜；冰層和護(hù)坡凍結(jié)在一起時(shí)，在冰面上升或下降時(shí)也會(huì)對(duì)護(hù)坡產(chǎn)生冰拔破壞，造成結(jié)構(gòu)的拔起、旋轉(zhuǎn)或松動(dòng)；流冰期冰層在風(fēng)力及水力的作用下向控制閘及護(hù)坡涌進(jìn)，造成沖擊破壞。

當(dāng)嫩江水位超過177.00m時(shí)，水流攜帶泥沙進(jìn)入仿生態(tài)魚道，造成魚道泥沙淤積，對(duì)今后的魚道清淤及運(yùn)行管理造成一定困難。