大藤峽水利樞紐南木江魚道水力銜接段的研究應(yīng)用

范穗興，蔣光燦，黃天寶

(1.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510610；2.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，廣西 桂平 537200)

魚道是供魚類溯河通過閘、壩等建筑物或天然障礙物的一種人工通道[1]。魚道的類型大致分為技術(shù)魚道和仿自然魚道，技術(shù)魚道主要有池式、隔板式、槽式、特殊結(jié)構(gòu)式，而仿自然魚道主要有仿自然通道和加糙坡道型，魚道外還有魚閘、升魚機、集運魚船等過魚設(shè)施[2-5]。中國自從20世紀(jì)50年代設(shè)計富春江七里瀧水電站時提出魚道這一概念以來，建設(shè)歷程可大致分為20世紀(jì)60年代至80年代的初步發(fā)展期、80年代至20世紀(jì)末的停滯期、21世紀(jì)以后的二次發(fā)展期3個時期[6]。從1960年在安徽修建的第一座新開柳魚道至今，國內(nèi)建設(shè)的魚道已超過100座，但與國外相比，在魚道數(shù)量、基礎(chǔ)研究、工程技術(shù)和法律法規(guī)等方面都尚處在初步發(fā)展階段[7-9]。目前我國應(yīng)用最多的過魚設(shè)施是魚道，魚道中以技術(shù)魚道為主，其中主要結(jié)構(gòu)為隔板式，而仿自然魚道較少；同時為保證魚道內(nèi)水流流速、流態(tài)的穩(wěn)定性，魚道設(shè)計流量基本固定不變或變幅很小，且普遍不大于7 m3/s[10-12]。南木江魚道作為國內(nèi)首例大流量變幅下的組合式魚道，運行工況復(fù)雜，設(shè)計采用技術(shù)魚道+仿自然魚道的組合魚道，其中仿自然魚道還兼作生態(tài)流量下泄通道，設(shè)計流量變幅大，從3.6 m3/s至30 m3/s的流量下都需要滿足過魚要求。南木江魚道在相關(guān)規(guī)范、前期報告資料和國內(nèi)已建工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)工程情況和水流條件，有針對性地對技術(shù)魚道和仿自然魚道間的水位落差進行了研究，經(jīng)過方案研究比選和物理模型試驗驗證，優(yōu)化確定了最終的水力銜接段設(shè)計方案，保證銜接段水流流速和流態(tài)的平穩(wěn)過渡。

1 工程概況

大藤峽水利樞紐位于廣西最大最長的峽谷——大藤峽出口處，作為國務(wù)院確定的172項節(jié)水供水重大水利工程的標(biāo)志性工程，它集防洪、航運、發(fā)電、水資源配置、灌溉等綜合效益于一體，是珠江流域關(guān)鍵控制性水利樞紐。

2 魚道工程布置及設(shè)計參數(shù)

2.1 南木江魚道工程布置

依據(jù)《大藤峽水利樞紐工程初步設(shè)計報告》(以下簡稱《初設(shè)報告》)，在庫內(nèi)47.60、57.60、59.60、61.00 m水位設(shè)4個出魚口，在下游仿自然魚道末端設(shè)1個進魚口，進魚口低水位約為32.0 m。其中57.60、59.60、61.00 m水位對應(yīng)的3個出魚口布置于1號工程魚道上，汛期水位47.60 m對應(yīng)的出魚口布置于2號工程魚道上。1號工程魚道總長630 m，底板高程為58.0～51.6 m，底坡1/80；2號工程魚道總長192 m，底板高程為44.6～42.5 m，底坡1/80；1號生態(tài)魚道總長1 440 m，底板高程為51.6～42.0 m，底坡1/150；2號生態(tài)魚道總長420 m，底板高程為44.8～42.0 m，底坡1/150；1、2號生態(tài)魚道在下游匯合口處交匯，下接3號生態(tài)魚道，3號生態(tài)魚道總長2 750 m，底板高程為42.0～31.0 m，底坡1/250。具體布置見圖1。

圖1 南木江魚道布置

2.2 南木江魚道設(shè)計參數(shù)

根據(jù)《初設(shè)報告》《大藤峽水利樞紐主要過魚對象游泳能力測試研究》，確定南木江魚道的設(shè)計參數(shù)如下。

a)過魚對象?；狑~、鰻鱺、青魚、草魚、鰱、鳙、鳡魚、鳤魚及赤眼鱒魚等為工程的主要過魚種類。

b)過魚季節(jié)?；狑~、鰻鱺2—3月溯河，草魚、青魚、鰱、鳙等的繁殖期為5—7月。所以本工程的主要過魚季節(jié)為2—7月，同時為保證上下游的遺傳交流，需具備全年過魚條件。

c)設(shè)計流量。根據(jù)生態(tài)環(huán)保要求，南木江河道全年要求保證3.0 m3/s的生態(tài)基流，同時在4—7月生態(tài)敏感期，為維持下游屈甲村至潯江河口段魚類產(chǎn)卵適宜水力條件，要求通過南木江副壩下放生態(tài)流量最大為30 m3/s。根據(jù)工程布置，技術(shù)魚道作為生態(tài)基流的下泄通道，設(shè)計流量為3.6 m3/s，仿自然魚道作為生態(tài)基流和生態(tài)流量的下泄通道，設(shè)計流量3.6～30.0 m3/s。

d)設(shè)計流速。本工程設(shè)計過魚流速為1.2 m/s，魚道內(nèi)最小流速取值為魚類感應(yīng)流速中的最大值0.35 m/s。

3 魚道斷面設(shè)計

本工程中運行條件復(fù)雜，根據(jù)生態(tài)環(huán)保要求，南木江河道既要全年保證3.0 m3/s的生態(tài)基流，又要在4—7月生態(tài)敏感期保證最大為30 m3/s的生態(tài)流量。根據(jù)工程布置，在南木江副壩混凝土壩段設(shè)生態(tài)泄水口，其最大設(shè)計流量為30 mm3/s，用于下放生態(tài)流量。南木江魚道不同部位要求的設(shè)計流量不同，且變幅較大，單一的魚道型式無法滿足要求，所以采用技術(shù)魚道和仿自然魚道的組合式魚道，其中技術(shù)魚道作為生態(tài)基流的下泄通道，設(shè)計流量為3.6 m3/s，仿自然魚道作為生態(tài)基流和生態(tài)流量的下泄通道，設(shè)計流量3.6～30.0 m3/s。

技術(shù)魚道設(shè)計流量為3.6 m3/s，流量較穩(wěn)定，根據(jù)《大藤峽水利樞紐工程南木江魚道水力學(xué)模型試驗研究報告》，結(jié)合國內(nèi)成熟的工程經(jīng)驗，采用隔板豎縫結(jié)構(gòu)，豎縫視寬為0.85 m，凈寬度為1.0 m，魚道底坡為1/80，池室凈寬5 m，池室長度6 m，設(shè)計水深為3 m，每隔120 m設(shè)一個休息池。具體斷面見圖2。

中國的戲曲和曲藝，吸收了這些原始歌舞、祭祀和表演的各種特點，逐漸開始萌芽。在之后的數(shù)千年歲月里，戲曲和曲藝一直吸收各家所長，最后成為包括文學(xué)、音樂、美術(shù)、舞蹈、武術(shù)、雜技和表演等藝術(shù)在內(nèi)的文化種類。

a)南木江技術(shù)魚道斷面

仿自然魚道需適應(yīng)3.6～30.0 m3/s的設(shè)計流量跨度，設(shè)計采用復(fù)式梯形斷面，小流量3.6 m3/s時通過主槽過魚，大流量13.3～30.0 m3/s時通過漫灘過魚，其中1、2號生態(tài)魚道底坡為1/150，設(shè)計水深為0.7～1.2 m，3號生態(tài)魚道底坡為1/250，設(shè)計水深為0.8～1.4 m。具體斷面見圖3。

圖3 南木江仿自然魚道典型斷面(mm)

4 魚道水力銜接段方案研究比選

在相同設(shè)計流量和流速下，技術(shù)魚道是通過豎縫過流，過流寬度小水深大，而仿自然魚道采用復(fù)式梯形斷面，過流寬度大水深小，技術(shù)魚道和仿自然魚道連接處會存在跌水，需要專門設(shè)置水力過渡段，保證水流流態(tài)和流速的平穩(wěn)過渡。本工程共有2處需要設(shè)水力銜接段。一是1號工程魚道和1號生態(tài)魚道連接處，在3.6 m3/s的設(shè)計流量下，1號工程魚道設(shè)計水深約為3.0 m，1號生態(tài)魚道水深約為0.8 m，有2.2 m的水位落差。二是景觀湖和2號生態(tài)魚道連接處，景觀湖上接2號工程魚道和生態(tài)泄水口，下接2號生態(tài)魚道，景觀湖底高程同2號工程魚道進魚口底高程一致，均為42.5 m。根據(jù)前期報告資料，為保證2號工程魚道內(nèi)的流速和流態(tài)，景觀湖內(nèi)水深需大于3.0 m，而2號生態(tài)魚道在3.6 m3/s的設(shè)計流量下水深僅為0.7 m，景觀湖和2號魚道生態(tài)段間存在2.3 m水位落差。針對2處銜接段設(shè)計流量、所處位置，參考以往工程經(jīng)驗，對每處水力銜接段均提出了兩種不同的設(shè)計方案以供對比，從工程投資、工程難度、可行性、景觀規(guī)劃等方面進行了綜合比選，選定初步設(shè)計方案。

4.1 1號工程魚道和1號生態(tài)魚道銜接段設(shè)計

1號工程魚道和1號生態(tài)魚道連接處，設(shè)計流量為3.6 m3/s，設(shè)計流量、水位單一穩(wěn)定，設(shè)計擬定了2個水位銜接方案。方案一為100 m長格賓石籠隔板豎縫銜接段；方案二為100 m長溢流堰銜接段。

格賓石籠隔墻豎縫方案銜接段長100 m，每隔10 m設(shè)置1道隔墻，共11道，形成10個水池。格賓石籠隔墻厚1 m，高度從3 m漸變?yōu)? m，過流底寬從1 m漸變?yōu)?.5 m，過流底部鋪設(shè)大卵石改善水流條件，隔板分左右岸交錯布置。具體斷面見圖2。

溢流堰方案銜接段長100 m，每隔10 m設(shè)置1級溢流堰，共11道，形成10個水池。溢流堰為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，頂寬0.4 m，背坡1.00∶0.15，高度從2.5 m漸變?yōu)?.3 m。具體斷面見圖2。

2種方案都屬于常見的技術(shù)魚道型式，且在許多工程中都取得了成果的應(yīng)用，在工程投資、工程可行性、工程難度均相當(dāng)，考慮到格賓石籠隔墻會露出水面，且本工程技術(shù)魚道已為隔板豎縫結(jié)構(gòu)，所以設(shè)計初步采用溢流堰方案，可以將研究成果同前期報告資料成果進行對比。

4.2 景觀湖與2號生態(tài)魚道銜接段設(shè)計

景觀湖與2號生態(tài)魚道連接處，設(shè)計流量變幅大，為3.6～30.0 m3/s，設(shè)計擬定了2個水位銜接方案。①方案一為復(fù)合方案，共設(shè)置150 m長銜接段，其中在景觀湖末端設(shè)置50 m銜接段，采用溢流堰和親水樁群，在2號魚道生態(tài)段起始設(shè)置100 m銜接段，采用格賓石籠隔板豎縫結(jié)構(gòu)，具體布置見圖4；②方案二為寬頂堰方案，在景觀湖出口設(shè)置 10 m長度的寬頂堰，寬頂堰斷面同2號生態(tài)魚道，為復(fù)式梯形斷面，寬頂堰高程為 44.8 m，上游通過1∶10的倒坡與景觀湖底高程42.5 m進行銜接，下游接 2號魚道生態(tài)段，具體布置見圖5。

圖4 復(fù)合方案布置(m)

經(jīng)過詳細比較，寬頂堰方案工程難度遠小于復(fù)合方案，考慮到復(fù)合方案過魚效果未知、工程化痕跡嚴重，且工程投資基本持平，本次設(shè)計選定寬頂堰方案。具體比較情況見表1。

表1 方案比選情況

5 物理模型試驗驗證結(jié)果

1號工程魚道和1號生態(tài)魚道銜接段，經(jīng)模型試驗驗證后發(fā)現(xiàn)，溢流堰方案雖然使水流銜接得到很大改善，但各級堰頂處過水流態(tài)為跌水，流速較快，堰頂流速為1.8～2.7 m/s，不適宜魚類上溯，需要調(diào)整方案給魚類創(chuàng)造適宜的水流條件及流態(tài)。基于以往工程經(jīng)驗，增設(shè)了3種措施調(diào)整流態(tài)：①在各級溢流堰底部設(shè)置過魚孔，底層流速較表層慢，底孔可以滿足克流能力差的魚類上溯，同時可以減緩堰頂流速，利于克流能力或跳躍能力較強的魚類上溯；②在原兩道坎之間增設(shè)一道溢流堰，一共21道溢流堰，形成20個水池，可以減小每級水池的水位落差，降低流速；③在銜接段前后及每級水池底部設(shè)置加糙石塊調(diào)整流態(tài)，進一步可以降低底層流速。優(yōu)化后為孔堰結(jié)合+加糙石方案，具體斷面見圖6。

圖6 孔堰結(jié)合+加糙石方案典型斷面(mm)

優(yōu)化后銜接段孔堰+加糙石方案經(jīng)物理模型試驗的實測資料表明：銜接段水流連續(xù)平緩，進口水流順暢；孔口流速為0.8～1.2 m/s，均已滿足過魚要求；加糙石塊背后都有一個局部靜水區(qū)可供上溯魚棲身休憩；過渡段出口水流與1號生態(tài)魚道明渠段也銜接平順；堰頂流速降低，為1.6～1.9 m/s。試驗成果數(shù)據(jù)見表2。

表2 1號工程魚道后銜接段優(yōu)化后流速、水深實測

景觀湖與2號生態(tài)魚道銜接段寬頂堰方案，根據(jù)物理模型試驗的實測資料表明：在3.6～30.0 m3/s時，景觀湖水位為3.0～3.4 m，滿足要求，使2號工程魚道內(nèi)的流速和流態(tài)均滿足要求。寬頂堰處過堰水流平順，流態(tài)相對平緩，不同設(shè)計流量下的水深、流速如下：流量為3.6 m3/s時主槽水深為0.73 m，流速為0.90～1.14 m/s；流量為13.3～16.9 m3/s時主槽水深為0.8～0.9 m，流速為0.64～1.31 m/s，漫灘水深為0.30～0.35 m，流速為1.01～1.13 m/s；流量為26.4～30.0 m3/s時主槽水深為1.05～1.10 m，流速為0.74～1.49 m/s，漫灘水深為0.50～0.55 m，流速為1.16～1.23 m/s，均能滿足過魚要求。

6 結(jié)語

通過設(shè)計方案的研究比選和物理模型試驗驗證，完成了大藤峽水利樞紐南木江魚道水力銜接段設(shè)計，解決了大藤峽南木江魚道技術(shù)魚道和仿自然魚道間的水位落差問題，保證銜接段水流流速和流態(tài)的平穩(wěn)過渡。其中孔堰結(jié)合+加糙石的方案適合單一小流量情況，而寬頂堰方案適用于大流量變幅的情況，希望對后續(xù)類似魚道設(shè)計有一定的借鑒作用?，F(xiàn)大藤峽樞紐南木江魚道已經(jīng)實施完成，通過完工驗收，正在試運行階段，根據(jù)現(xiàn)場試運行情況，景觀湖與2號生態(tài)魚道銜接處寬頂堰能夠達到預(yù)期效果，1號工程魚道和1號生態(tài)魚道銜接段因水位未達到設(shè)計運行條件，效果有待實踐驗證。建議下一步根據(jù)工程實際運行情況和監(jiān)測數(shù)據(jù)，與物理模型試驗成果對比，對水力銜接段的設(shè)計方案進行分析優(yōu)化。