貊皮嶺魚道水力特性的模型試驗研究

杜永江

(廣東珠榮工程設計有限公司，廣東 廣州 510610)

1 工程概況

信江位于江西省東北部，屬鄱陽湖水系，八字嘴航電樞紐工程位于信江下游河段，是界牌航電樞紐以下至鄱陽湖段二級開發(fā)方案中的一個梯級，八字嘴航電樞紐工程下距余干縣城約12 km(見圖1)。

圖1 樞紐位置示意

壩線處河面開闊，樞紐總體布置采用集中布置的方式，由虎山嘴樞紐和貊皮嶺樞紐及中間土壩共同組成(見圖2)。兩個樞紐均為左岸布置船閘，右岸布置廠房及魚道，河床中間布置泄水閘,管理區(qū)布置在兩河中間島上壩軸線的下游側(cè)。樞紐分別由西、東大河上的通航、擋水、泄水、發(fā)電及過魚設施等建筑物共同組成[1-2]。

圖2 樞紐總體布置示意

2 樞紐區(qū)段主要保護魚類

信江魚類資源豐富，經(jīng)濟魚種類較多，樞紐的過魚保護對象主要是信江干流洄游魚類和江湖洄游魚類，以“四大家魚”和赤眼鱒、鳤、鳡、鳊等經(jīng)濟魚類為主，同時為原有珍稀魚類(如鰣魚)重新回到信江中下游創(chuàng)造基本條件。

魚道主要過魚對象需要通過該魚道溯河上行的時段如下：鰣魚產(chǎn)卵時間多在6—7月間12:00至18:00；青魚在5—7月，常由長江中、下游溯游至流速較高的場所產(chǎn)卵繁殖；草魚一般在4月下旬開始產(chǎn)卵；鰱魚在4月中旬開始繁殖；鳙魚的產(chǎn)卵期在4—6月。據(jù)此，設計中確定魚道的主要過魚季節(jié)為4—7月。

3 貊皮嶺魚道設計

八字嘴航電樞紐貊皮嶺壩址位于樞紐西大河一側(cè)，距上游河道分岔口約900 m。魚道布置在樞紐中部的洲灘之上，場地空間相對較為充裕，具有良好的魚道布置條件，魚道采用仿生態(tài)魚道形式，利用電站尾水進行誘魚[3-5]。魚道進口布置在電站廠房尾水渠右岸灘地，魚道出口布置在中間河灘地的最上游。魚道有效爬升段總長度約為1 265 m，平均坡度為1/250，平均糙率為0.08，魚道每級池室長為10.0 m，底寬為4 m，邊坡不陡于 1:2，隔墻采用人工石籠或卵石堆砌，厚為0.6 m，長短隔墻(板)交錯布置，隔墻(板)豎縫為0.5 m，兩豎縫中心線之間偏移1.5 m，進、出口均布置檢修閘門，穿土壩位置設置擋洪閘門[6-8]。魚道平面布置見圖3，剖面示意見圖4。

圖3 魚道平面布置示意

圖4 魚道剖面示意(單位：mm)

魚道上下游運行水位直接影響到魚道在過魚季節(jié)中是否有適宜的過魚條件；上下游的水位變幅也會影響魚道出口和進口的水面銜接和池室水流條件[9-12]。

貊皮嶺魚道過魚季節(jié)出口設計水位為正常蓄水位18.0 m，魚道進口設計低水位取樞紐區(qū)過魚季節(jié) 4 —7月1臺機發(fā)電水位，為 12.95 m；高水位取八字嘴樞紐1 100 m3/s停機流量所對應的貊皮嶺壩址下游水位，為14.23 m，下游水位變幅為1.28 m。魚道進出口水頭差為5.05～3.77 m。

4 魚道準整體水工物理模型

貊皮嶺魚道準整體水工試驗模型包含魚道進口段、普通池室段、穿壩平段、休息池及魚道出口等，通過開展試驗研究可對魚道池室內(nèi)部整體水動力特性以及穿壩平段、魚道進口等關鍵部位水流條件進行全面分析[2]。

模型按照重力相似準則設計，長度比尺L=10。模型與原型各物理量的換算關系為：流速及時間比尺為：L1/2=3.16；流量比尺為：L5/2=316.23。魚道整體模型見圖5。

圖5 魚道整體水工試驗模型示意

整體模型對魚道各特征部位及不同隔墻布置形式進行了細致模擬，主要包括：魚道主體段、魚道進出口段、穿壩平段以及休息池段等。仿生態(tài)魚道與工程魚道存在較大差別，其建筑材料可選用天然卵石塊，以便營造更好的、貼近自然的水力生境，其斷面型式亦多采用與原河道較為契合的梯形過水斷面。在模型中，為了對這一池室結(jié)構(gòu)進行準確模擬，也采用特定的卵石鋪設，并設置了不同的隔墻布置形式(卵石子堆砌或石籠隔墻、混凝土隔墻表面鑲嵌卵石、不透水混凝土隔墻等)，以便為設計部門選擇實施方案提供更為全面的基礎資料。模型總長度約為88 m，共設置了82道隔墻(包括穿壩段對稱隔墻)，在魚道轉(zhuǎn)向彎折段設置休息池，休息池約兩倍普通池室長度。為了便于對比分析，將魚道隔墻自下游進魚口到上游依次進行編號，除了穿壩平段5塊隔墻(板)單獨編號為A#～E#，其余豎縫式隔墻依次為1#～77#。其中穿壩平段兩側(cè)的豎縫隔墻號為28#、29#，休息池兩側(cè)的隔墻編號分別為21#、22#和47#、48#。為了準確模擬實際設計方案中的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)，模型中第34#～44#隔墻采用卵石子堆砌(或石籠)的形式，第58#～67#采用磚砌(混凝土)隔墻表面鑲嵌卵石的形式，其余隔墻采用不透水的混凝土隔墻形式(見圖6)。在模型上下游均設置調(diào)控裝置，可對不同水位組合進行精確模擬。

圖6 模型整體布置及典型斷面隔墻(板)示意

1) 魚道池室采用梯形斷面形式，隔墻整體交錯布置，在長隔墻下部開有40 cm高的孔洞。

2) 考慮到仿生態(tài)魚道施工布置時可能會受到實際地形、地貌條件等影響，因此在模型中亦對天然彎曲形態(tài)、池室隔墻變化等因素進行了考慮，便于調(diào)整魚道池室結(jié)構(gòu)。

3) 在穿壩段，為了便于工程施工及其他水工建筑物布置，采用規(guī)則矩形斷面，對稱隔墻(板)布置形式。

5 試驗工況

八字嘴航電樞紐為徑流式電站不承擔防洪任務，故對洪水無調(diào)節(jié)作用。在魚道主要過魚季節(jié)，八字嘴上游水位通過樞紐發(fā)電和泄水閘泄水相結(jié)合的方式進行調(diào)控，當魚道開啟運行時，可保持上游水位 18.0 m。而對于貊皮嶺魚道下游進口附近，則存在 3 種典型水位：1臺機組發(fā)電水位 12.95 m；2臺機組發(fā)電水位13.53 m；八字嘴樞紐1 100 m3/s停機流量所對應的貊皮嶺河道下游水位14.23 m。豎縫+貼坡底孔綜合考慮各種水位組合，本研究在數(shù)值模擬研究成果的基礎上制定物理模型主要試驗工況如下所示：

工況一：魚道進口水深1 m，1 臺機組發(fā)電；

工況二：魚道進口水深1.58 m，2 臺機組發(fā)電；

工況三：魚道進口水深2.28 m，最大過機流量。

6 測點布置

在貊皮嶺魚道水工模型試驗中分別在魚道進口、穿壩平段、隔墻(板)豎縫、貼坡底孔等關鍵部位布設了流速測點，以便全面掌握魚道池室內(nèi)部水力特性。自模型下游至上游共布置26個測控斷面，其中魚道進口平段布設1個測控斷面、穿壩平段布設4個測控斷面，其余布置在魚道爬升段(見圖7)。每個測控斷面上沿水深方向布置3個流速測點，同時在貼坡底孔位置再分別布設1個流速測點，模型中流速測點共計125個。

圖7 魚道測點位置示意

7 試驗結(jié)果

工況一：魚道內(nèi)整體水面較為平穩(wěn)，無大幅度突變現(xiàn)象，表明魚道內(nèi)無明顯水流能量累積現(xiàn)象，隔墻(板)布置形式較為合理；在魚道普通池室與各平段(穿壩平段、休息池、魚道進口)交接位置附近存在一定的水面雍高現(xiàn)象，這一現(xiàn)象主要是由于魚道底坡坡度變化引起，其中由于穿壩平段較長，其上游側(cè)水面雍高影響范圍亦較大；模型中存在3種不同隔墻(板)建設形式，不同隔墻形式變化時會產(chǎn)生一定的水面線波動現(xiàn)象，但程度較?。霍~道內(nèi)的局部水面雍高變化對魚類上溯無不良影響，且由于水面雍高會減小局部水流流速，對上溯有利。

工況二：魚道內(nèi)整體水面較為平穩(wěn)，由于下游水位較高，自上游至下游水深逐漸增加，無大幅度突變現(xiàn)象，表明魚道隔墻(板)布置形式較為合理；在魚道內(nèi)坡度變化的位置存在一定的水位雍高現(xiàn)象，如穿壩平段、休息池等。鑒于穿壩段水平段較長，因此在其上游側(cè)水面雍高較為明顯，但壅高值不大；與工況一類似，由于模型中存在3種不同隔墻(板)建設形式，不同隔墻形式變化時會產(chǎn)生一定的水面線波動現(xiàn)象，但程度較??；該魚道內(nèi)沒有顯著的水流能量累積現(xiàn)象，水流整體平穩(wěn)，且由于下游水深升高，會減小過魚隔墻(板)斷面的最大水流流速，利于魚類上溯。

工況三：與工況二類似，魚道內(nèi)水面線變化整體較為平順，由于下游水位較高，自上游至下游水深逐漸增加；同樣在魚道內(nèi)坡度變化的位置存在一定的水位雍高現(xiàn)象，但壅高值不大；該工況下魚道內(nèi)沒有明顯的水流能量累積現(xiàn)象，且由于下游水深較大，會顯著減小過魚隔墻(板)斷面的最大水流流速。

各工況下各測點流速統(tǒng)計見表1。試驗結(jié)果表明，在推薦魚道隔墻(板)布置形式下，魚道內(nèi)最大水流流速指標為0.80～0.90 m/s，能夠較好的滿足魚類上溯需求。10 m休息池內(nèi)均存在較大范圍小流速區(qū)，可為上溯魚類提供較好休息空間。

表1 各工況下各測點流速統(tǒng)計

8 結(jié)語

貊皮嶺魚道采用仿生態(tài)魚道方案，研究推薦魚道池室采用梯形斷面形式，池室邊坡不陡于 1:2，魚道底坡為 1:250，池室長為10.0 m，底寬為4.0 m；魚道隔墻(板)豎縫寬為0.5 m，隔墻整體交錯布置，兩隔墻豎縫中心線之間偏移1.5 m，在長隔墻(板)下部開有0.4 m 高的孔洞，便于底層魚類鉆孔上溯。通過模型試驗的驗證，本工程采用的生態(tài)隔墻(板)布置形式，可為魚類上溯提供良好水流條件。