適應(yīng)上游高水位變幅的升魚塔結(jié)構(gòu)設(shè)計及運行流程

楊智，周昀，辛立光，孟勇

（1.四川省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610000；2.四川省水利規(guī)劃研究院，四川 成都 610000）

0 引言

在當今水利水電工程造福人類的同時，攔河大壩也阻隔了魚類洄游繁殖，故在新建水利水電工程中，需設(shè)計和施工過魚設(shè)施。常用的過魚設(shè)施主要有集運魚系統(tǒng)[1]和岸邊旋轉(zhuǎn)式魚道。集運魚系統(tǒng)主要是通過人工集魚和運輸?shù)氖侄螌崿F(xiàn)魚類從下游轉(zhuǎn)運過壩至上游，運行期成本較高且費時費力。岸邊旋轉(zhuǎn)式魚道結(jié)構(gòu)在上下游水位差一定的前提下，可以延長魚道的過流長度，減小縱坡，降低魚槽內(nèi)水流流速，以利于魚類過壩。此結(jié)構(gòu)土建工程量浩大，且對岸坡地形地質(zhì)條件要求較高，同時使魚類洄游長度及時間變長，過魚效率低下，不利于魚類過壩。故需設(shè)計出一個新型過魚結(jié)構(gòu)，以達到提高過魚效率、節(jié)省投資、方便運行管理的目的。

1 設(shè)計原理及結(jié)構(gòu)優(yōu)勢

新建攔河大壩后，河道水流往往被束縛在魚道一側(cè)，低水位時的低流速區(qū)在高水位條件下可能不復(fù)存在。對于高水位變幅魚道工程，順岸分散布置進魚口很難實現(xiàn)在不同運行水位下均有較好的誘魚水力條件[2]。為了解決魚類過壩的上下游水位落差問題，降低魚槽內(nèi)水流流速，以便魚類通過魚槽洄游，應(yīng)盡可能地縮短魚類過壩通道長度，提高過魚效率。魚道出口附近和魚道內(nèi)部流態(tài)及流速分布是魚道設(shè)計中的關(guān)鍵水力學問題[3]，故魚道出口設(shè)計十分關(guān)鍵。在魚道末端出口處設(shè)計出一種類似于船閘的升魚塔結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)以上目的。魚類通過單一通道過壩進入庫內(nèi)魚道末端的升魚塔內(nèi)部集魚池區(qū)域，集魚池上下游閘門通過自動化控制系統(tǒng)啟閉，同時，池內(nèi)充放水閥對集魚池進行充放水，以調(diào)節(jié)集魚池內(nèi)水位高程。塔內(nèi)集魚池的水位和上游庫水位平順銜接后，打開集魚池上游閘門，通過集魚池的驅(qū)魚格柵轉(zhuǎn)動將魚類驅(qū)趕出魚道進入上游水庫，以便魚類繁殖。該結(jié)構(gòu)的魚類洄游路徑較短、操作運行自動化程度較高、運行管理方便，能解決集運魚系統(tǒng)方案及岸坡旋轉(zhuǎn)式魚道的過魚效率低下、投資較高、運行管理不便的缺點。

2 升魚塔結(jié)構(gòu)功能分區(qū)

升魚塔主體結(jié)構(gòu)從下游至上游依次為下游魚槽通道、升魚塔尾部3 號尾水防洪門、集魚池下游2 號工作門、集魚池、集魚池1～3 號充放水閥門系統(tǒng)、集魚池旋轉(zhuǎn)式驅(qū)魚格柵系統(tǒng)、集魚池上游1 號工作門、升魚塔出口攔污柵系統(tǒng)組成。升魚塔高程從下往上分別設(shè)置集水井、魚道魚槽層、觀察室平臺層、錐形閥室操作層、錐形閥室交通層、閘門檢修層、頂部驅(qū)魚格柵液壓機設(shè)備層，以及塔頂交通和設(shè)備房層。升魚塔1～3 號工作門由閘頂移動臺車式啟閉機控制，升魚塔頂部設(shè)置交通橋與岸坡升魚塔道路相連，詳見圖1。

圖1 升魚塔結(jié)構(gòu)圖

升魚塔主體結(jié)構(gòu)功能分區(qū)如下。

1）下游魚道：位于升魚塔下游側(cè)，提供魚類從壩下天然河道洄游的過壩通道。

2）3 號尾水防洪門：位于升魚塔與下游魚道之間，壩下水位較高時，為了避免下游河道水位倒灌影響升魚塔，下游采用防洪節(jié)制閘門。

3）2 號工作門：位于集魚池下游側(cè)，在誘魚期處于打開狀態(tài)。誘魚結(jié)束后，集魚池水位和上游庫水位平壓期時處于關(guān)閉狀態(tài)。2 號工作門和上游1 號工作門聯(lián)合工作，在集魚池魚類達到一定數(shù)量后，關(guān)閉1～2 號工作門，使集魚池水位與上游庫水位銜接。

4）1 號工作門：位于集魚池上游側(cè)，在誘魚期和集魚池平壓期處于關(guān)閉狀態(tài)。誘魚和平壓過程結(jié)束后，集魚池水位和上游庫水位處于打開狀態(tài)，便于魚類洄游至庫內(nèi)。

5）集魚池內(nèi)驅(qū)魚格柵：主動驅(qū)趕集魚池中的魚類至上游水庫的金屬結(jié)構(gòu)裝置。

6）升魚塔攔污柵：攔擋上游庫內(nèi)浮漂物的金屬結(jié)構(gòu)裝置。

7）1 號充水錐形閥：在集魚池水位需要抬升時，且在1～2 號工作門處于關(guān)閉狀態(tài)時，給集魚池充水使用。

8）2 號工作錐形閥：在集魚池2 號工作門處于關(guān)閉狀態(tài)時，為了防止下游魚槽不斷流，給下游魚槽補水使用。

9）3 號放水錐形閥：在集魚池水位需要降低時，提供放水的裝置。

10）魚道閘門、閥門操作檢修層、驅(qū)魚格柵液壓機設(shè)備層：給1～3 號充放水閥、集魚池內(nèi)驅(qū)魚格柵、1～3 號閘門設(shè)備提供操作檢修的平臺空間。

11）升魚塔底板的集水井：集中排出升魚塔內(nèi)部滲水，配置有自動排水閥。

3 升魚塔運行流程

根據(jù)魚類洄游繁殖的規(guī)律，在魚類非繁殖期，升魚塔3 號尾水防洪門處于關(guān)閉狀態(tài)；魚類處于洄游繁殖期時，下游魚道段聯(lián)合上游出口段升魚塔的閥門系統(tǒng)運行，期間升魚塔3 號尾水防洪門打開并由液壓機設(shè)備層鎖定梁鎖定，其他閘、閥依序操作。升魚塔自動化控制系統(tǒng)控制塔內(nèi)各閘門及各充放水閥的啟閉運行，以調(diào)節(jié)塔內(nèi)集魚池區(qū)域的水位高程。集魚池內(nèi)水位和上游庫水位順接后，驅(qū)趕池內(nèi)集聚的魚類洄游至上游庫內(nèi)。升魚塔運行流程如下。

1）升魚塔上游1 號工作門處于關(guān)閉狀態(tài)，攔擋上游庫水位，升魚塔2 號工作門、3 號防洪門處于開啟狀態(tài)。逐步開啟升魚塔1 號充水錐形閥，維持錐形閥出口流量約等于魚道的設(shè)計誘魚流量，通過1 號充水閥下放流量使整個魚道完成充水且魚道下游段流態(tài)達到穩(wěn)定，下游魚類通過大壩下游魚道段洄游至魚道末端升魚塔內(nèi)。

2）在集魚池中魚的數(shù)量達到一定程度后（或者固定時間段后），逐步關(guān)閉升魚塔2 號工作門，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)逐步開啟2 號工作錐形閥，達到下游魚道不斷流，最終保證2 號工作門下游魚槽內(nèi)水深、流量、流速，維持下游魚道的過魚要求。在完全關(guān)閉升魚塔2 號工作門后，維持2 號錐形閥出口流量約等于魚道的設(shè)計誘魚流量，保證下游魚槽滿足流量要求。

3）完全關(guān)閉升魚塔2 號工作門后，加大1 號充水錐形閥開度，使得1 號充水錐形閥的流量逐步增加，以抬高集魚池內(nèi)水位，使集魚池中的水位逐漸與庫水位齊平，完成升魚塔集魚池平壓過程。1 號充水錐形閥具體流量上限可根據(jù)實際運行過程中消力池內(nèi)的流態(tài)和集魚池內(nèi)的魚類生存狀態(tài)確定，集魚池內(nèi)的水位上升速度不能對魚類造成危害。

4）集魚池完成基本平壓后，依次關(guān)閉1 號充水錐形閥，開啟升魚塔1 號工作門，工作門完全開啟后順時針旋轉(zhuǎn)驅(qū)魚格柵，將集魚池中的魚類驅(qū)離集魚池至上游庫區(qū)。在驅(qū)魚網(wǎng)格到達最大行程后，逐步關(guān)閉1 號工作門。

5）1 號工作門完全關(guān)閉后，逐步開啟3 號放水錐形閥同時逐步關(guān)閉2 號工作錐形閥，使3 號錐形閥逐步代替2 號錐形閥向下游魚槽供水的同時，降低集魚池水位并將水流排向下游魚池內(nèi)?？刂葡掠昔~槽水位和流量在設(shè)計誘魚水位和流量范圍內(nèi)。驅(qū)魚格柵在這個過程中反向運行，復(fù)位到格柵旋轉(zhuǎn)起點。

6）待集魚池水深降低至與下游魚槽設(shè)計水深相等時，關(guān)閉3 號放水錐形閥，維持2 號錐形閥開啟，開啟升魚塔2 號工作門。逐步開啟1 號充水錐形閥的同時，逐步關(guān)閉2 號錐形閥，控制1 號錐形閥與2 號錐形閥的流量總和約等于下游設(shè)計誘魚流量，直至2 號錐形閥全部關(guān)閉，最終1 號充水錐形閥完全代替2 號工作閥進行充水。

7）重復(fù)運行以上步驟，進入下一個過魚周期。

4 結(jié)語

本文提出了一個新型過魚結(jié)構(gòu)升魚塔，并詳細論述了升魚塔的自動化操作運行流程。該結(jié)構(gòu)魚類洄游路徑較短、操作運行自動化程度較高、運行管理方便，能解決集運魚系統(tǒng)方案及岸坡旋轉(zhuǎn)式魚道的過魚效率低下、投資較高、運行管理不便等問題，其成果對于水利水電工程過魚設(shè)施建設(shè)有較大的借鑒作用。