朱 琳，許鳳榮，戴 玉

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

隨著生態(tài)環(huán)境和魚類保護(hù)意識的增強，在水利水電工程中建設(shè)魚道等過魚設(shè)施已經(jīng)成為一種常態(tài)和重要內(nèi)容[1，2]。魚道的設(shè)計需要考慮過魚對象種類和習(xí)性、河道水流條件、場地條件、樞紐布置及運行方式等因素，涉及魚類學(xué)、生態(tài)學(xué)和工程學(xué)等多學(xué)科的內(nèi)容[3]。近年來，高水頭魚道逐漸出現(xiàn)。由于線路長，水位變幅大，且多位于高山峽谷中，場地限制較多，魚道工程方案確定過程中面臨的挑戰(zhàn)更加突出。高水頭魚道的結(jié)構(gòu)體系也成為魚道研究和設(shè)計的關(guān)鍵之一。根據(jù)某跨流域調(diào)水工程的高水頭過魚設(shè)施整體布置情況，系統(tǒng)探討了魚道盤升的結(jié)構(gòu)布置方案，提出了基于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系的魚道盤升設(shè)施，并對方案的合理性進(jìn)行了分析和驗證，以期為類似工程設(shè)計提供借鑒。

1 項目概況

為優(yōu)化配置地區(qū)水資源，改善周邊湖區(qū)和湖濱濕地等生態(tài)環(huán)境，實施了某跨流域調(diào)水工程。該工程大壩和電站的建設(shè)阻斷了河流，會對水庫壩址以上河段分布的土著魚類產(chǎn)生阻隔影響，致使魚類上溯通道阻斷，因此工程設(shè)置了過魚設(shè)施。魚道是在河流中溝通魚類洄游通道的設(shè)施，一般采用溢流堰式、淹沒孔口式或豎縫式[4]，主要修建在中、低水頭的水工建筑物中。對高水頭的魚類過壩問題，現(xiàn)主要采取了魚閘、機械升魚、人工孵化場及產(chǎn)卵槽等措施[5]；當(dāng)綜合條件復(fù)雜時，可以采用魚道、魚閘、機械升魚等組合措施。本工程屬于高水頭大壩，根據(jù)環(huán)境評價、壩址處地形和樞紐布置情況，過魚設(shè)施的建筑物采用了“魚道+魚閘”型式，如圖1所示。

圖1 樞紐魚道空間關(guān)系

圖2 初始方案平面布置

工程樞紐由攔河壩、泄洪洞、排沙洞、發(fā)電引水洞、電站、過魚建筑物和生態(tài)放水建筑物組成。攔河壩為瀝青混凝土心墻壩，最大壩高60.5 m，正常蓄水位1 199 m，死水位1 185 m。根據(jù)壩址處地形和樞紐布置情況，將魚道布置在河道左岸，進(jìn)口布置在攔河壩下游與泄洪洞出口之間的左岸岸邊。魚道盤升段初始方案采用填筑毛石混凝土方案，如圖2所示。自河床高程盤折上升，至高程1 176.56 m 時向上游延伸穿過壩體，然后繼續(xù)向上游延伸至壩軸線上游72.35 m 處，與魚閘相接。魚道經(jīng)過試驗和比較，采用垂直豎縫式，凈寬1.5 m，盤升段魚道底板起點高程1 136.50 m，穿越壩軸線至高程1 183.00 m，魚道普通池室底坡1∶35，總爬升高度46.5 m，魚道池室段總長度1 925.1 m。原有填筑毛石混凝土方案因投資較大，后又優(yōu)化調(diào)整為“回”字形盤升框架體系方案，如圖3所示。

圖3 優(yōu)化調(diào)整方案平面布置

2 魚道盤升段方案比較

魚道盤升段初始方案為填筑毛石混凝土方案，魚道采用鋼筋混凝土“槽”型結(jié)構(gòu)，凈寬度1.5 m，盤升段全部坐落在毛石混凝土上。進(jìn)口段采用引渠與河道相接，方向指向下游，與水流方向成15°夾角，渠道寬3.0 m，渠底高程1 136.50 m。魚道盤升形成13階，長度1 696.49 m，后沿山坡向上游延伸228.6 m，穿越大壩至魚閘進(jìn)口。盤升段魚道底板起點高程1 136.50 m，終點高程1 177.59 m，盤升段爬升高度41.09 m。

盤升段優(yōu)化調(diào)整方案采用“回”字形盤升框架體系方案，魚道型式、進(jìn)口段和山坡段同初始方案一致，區(qū)別主要在盤升段。魚道盤升形成10 階，長度1 788.596 m，后沿山坡向上游延伸304.7 m，穿越大壩至魚閘進(jìn)口。魚道進(jìn)口高程1 136.50 m，在渠道末端采用1∶4升坎從底高程1 136.5 m抬升至1 137.0 m。盤升段魚道底板起點高程1 137.00 m，終點高程1 178.475 m。盤升段爬升高度41.975 m。

經(jīng)對比，2 種方案均按要求設(shè)置普通池、休息池等，能實現(xiàn)魚類的盤升洄游，從而實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境和魚類資源保護(hù)。但盤升段初始方案需采取地基處理、山體穩(wěn)固等措施，同時占用大面積場地、依山澆筑大量毛石混凝土，施工周期長，工程量較大，造價較高。而盤升段優(yōu)化調(diào)整方案采用框架體系，魚道盤旋上升，占用場地面積小，整體建筑物重量輕巧，僅需少量地基處理，施工作業(yè)面和難度都較小，工程量少，造價較低，但后期對整體結(jié)構(gòu)的檢測和維護(hù)稍多。經(jīng)綜合考慮，最終選擇后者。

3 框架體系魚道設(shè)計總結(jié)

3.1 最大適用高度規(guī)定

魚道是水利水電行業(yè)特有的建筑形式，尚沒有真正實施的高水頭魚道框架結(jié)構(gòu)體系，因此從安全和經(jīng)濟方面綜合考慮，有必要對采用鋼筋混凝土材料的魚道框架體系最大適用高度做出限制。魚道處于深“V”型河谷的左岸岸邊，盤升段結(jié)構(gòu)形式與民用框架結(jié)構(gòu)體系較相似，可以參考《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[6]有關(guān)規(guī)定來控制魚道盤升段框架高度和計算指標(biāo)要求。

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》，現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋適用的最大高度詳見表1。本工程所處地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為8 度，設(shè)計基本地震加速度為0.229 g，地震烈度較高，普通現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋不超過40 m。魚道盤升框架是沒有填充墻等外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的通透框架，承受水平風(fēng)荷載較小，同時也沒有大面積樓板用于承擔(dān)滿布的豎向荷載，僅在框架中設(shè)置穿梭的魚道，而且魚道框架在正常情況下很少有人類活動，屬于水工構(gòu)筑物范疇，最大適用高度可適當(dāng)放寬。綜合考慮，本工程魚道框架最大適用高度可按照表1中的地震烈度7度采用，即50 m。本次設(shè)計魚道框架頂部高程為1 178.475 m，底部高程1 137.00 m，框架高度41.475 m，滿足50 m的限值要求。

表1 現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋適用的最大高度

3.2 設(shè)計方案和結(jié)果分析

魚道盤升段布置在攔河壩下游壩腳和泄洪洞出口之間的靠河床位置，魚道盤升形成10 階，長度1 788.596 m，后沿山坡向上游延伸304.7 m，穿越大壩至魚閘進(jìn)口。魚道進(jìn)口高程1 136.50 m，在渠道末端采用1∶4 升坎從底高程1 136.50 m 抬升至1 137.00 m，結(jié)合生態(tài)放水系統(tǒng)在魚道進(jìn)口區(qū)域布置補水設(shè)施，以利于誘魚。盤升段魚道底板起點高程1 137.00 m，終點高程1 178.475 m?？蚣苁紧~道每階盤升2 圈，外圈隔20 或7 個普通池設(shè)1 個休息池，內(nèi)圈隔17 或7 個普通池設(shè)1 個休息池，所有90°和180°轉(zhuǎn)彎處均設(shè)置休息池，休息池長6 m 左右，魚道池室段總長1 788.596 m，共設(shè)819 個普通池室和57個轉(zhuǎn)彎休息池。框架式魚道每階盤升高度4.456 m，盤升10 階至終點高程1 178.475 m 與山體相接向上游延伸穿越壩軸線至高程1 183.00 m，然后采用1∶4反坡與魚閘進(jìn)口底板高程1 183.45 m 順暢銜接。魚道凈寬1.5 m，池室之間采用狹縫隔板分隔，魚道普通池室底坡1∶35，單個普通池室長1.8 m，休息池平底。魚道下構(gòu)架采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，由鋼筋混凝土框架架起呈“回”字形旋轉(zhuǎn)盤升。魚道以結(jié)構(gòu)樓板作為底板，外壁和底板厚度均為200 mm?！盎亍弊中伪P升框架結(jié)構(gòu)體系魚道的典型平面布置，如圖4所示。

圖4 魚道框架典型平面布置

現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系基本軸網(wǎng)尺寸為3 m×3 m、3 m×6 m，最大高度為37～41.5 m。主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸：框架柱截面為1 200 mm×1 200 mm、900 mm×900 mm，框架梁截面為600 mm×600 mm，魚道下鋼筋混凝土板厚度為200 mm。結(jié)構(gòu)的安全等級為二級，設(shè)計使用年限100 a?？拐鹪O(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度為0.229 g，水平地震影響系數(shù)最大值為0.184，設(shè)計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類。整體框架參照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[7]進(jìn)行各控制指標(biāo)計算分析，具體結(jié)果如下。

（1）結(jié)構(gòu)剛重比均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于20，所以結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性滿足要求。

（2）結(jié)構(gòu)抗傾覆力矩均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傾覆力矩，且零應(yīng)力區(qū)百分比為0，所以結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗算滿足要求，驗算結(jié)果詳見表2。

（3）魚道框架結(jié)構(gòu)體系模型周期比小于0.9，結(jié)構(gòu)體系抗扭剛度滿足設(shè)計要求，即有足夠的抗扭剛度保證結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)在可控范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)平面布置合理，結(jié)果詳見表3。

（4）魚道框架最大結(jié)構(gòu)位移約44 mm，最大樓層位移角1/882，滿足規(guī)范要求。從位移變形角度出發(fā)，所提出的魚道構(gòu)架結(jié)構(gòu)體系剛度滿足設(shè)計要求。

表2 結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗算

表3 自振周期

此外，限制結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則性，避免產(chǎn)生過大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；魚道框架結(jié)構(gòu)體系最大位移比和最大層間位移比均小于1.5，從結(jié)構(gòu)位移比角度出發(fā)，結(jié)構(gòu)抗扭剛度也滿足設(shè)計要求。

綜上，魚道框架結(jié)構(gòu)的剛重比、抗傾覆驗算、周期比、位移和位移比均滿足規(guī)范要求，因此魚道結(jié)構(gòu)平面布置是合理的，框架結(jié)構(gòu)體系對于高水頭魚道盤升結(jié)構(gòu)是適用的。

3.3 特殊技術(shù)措施

3.3.1 錯層結(jié)構(gòu)處理措施

魚道在盤升過程中會形成錯層結(jié)構(gòu)。錯層結(jié)構(gòu)屬于豎向布置不規(guī)則結(jié)構(gòu)，錯層部位的豎向抗側(cè)力構(gòu)件受力復(fù)雜，易形成多處應(yīng)力集中?？蚣苠e層更為不利，容易形成長、短柱沿豎向交替出現(xiàn)的不規(guī)則體系，錯層處的框架柱受力復(fù)雜，易發(fā)生短柱受剪破壞。

對于本工程魚道框架的錯層結(jié)構(gòu)，采取以下措施，以提高其抗震承載力和延性，保證結(jié)構(gòu)安全：錯層處框架柱截面高度不應(yīng)小于600 mm，混凝土強度等級不應(yīng)低于C30，箍筋應(yīng)全柱段加密配置；抗震等級應(yīng)提高一級采用，一級應(yīng)提高至特一級，但抗震等級已經(jīng)為特一級時允許不再提高；當(dāng)錯層處高差大于850 mm 時，錯層處采用雙梁處理，高差相差不大于850 mm時，錯層處雙梁合并為一根梁。

3.3.2 魚道框架與山體連接方式

框架體系魚道和山體魚道分屬不同結(jié)構(gòu)體系，框架與山體的連接較為特殊，既要保證魚道的連續(xù)性、使用的合理性，也要保證結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟性。本工程參考建筑工程中對于連體結(jié)構(gòu)連接處理方式，采用“弱連接”[8]，即滑動連接或設(shè)置黏滯阻尼及限位系統(tǒng)的彈性連接。

本工程魚道框架與山體相距11.5 m，連接體采用焊接鋼管組成的鋼桁架結(jié)構(gòu)，魚道從桁架內(nèi)部穿過，采用焊接鋼板防腐魚道方案。鋼桁架兩端連接節(jié)點可以采用滑動連接方案或彈性連接方案。前者是桁架兩端分別設(shè)置滑動支座和固定鉸支座；后者是在桁架兩端均設(shè)置黏滯阻尼及限位系統(tǒng)的夾層鋼板橡膠支座?？紤]后者既能減輕桁架及其支座受力，又能控制桁架的振動在合理允許范圍之內(nèi)，本工程采用的是設(shè)置黏滯阻尼及限位系統(tǒng)的彈性連接，如圖5所示。

4 結(jié)語

圖5 彈性連接節(jié)點示意

魚道作為一種生態(tài)友好的水利設(shè)施，不僅要滿足過魚對象的種類和習(xí)性的功能需要，真正形成魚類洄游的上溯通道，同時也應(yīng)兼顧整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和經(jīng)濟性。本文系統(tǒng)探討了魚道“回”字形盤升框架體系方案的整體布置，并對方案的合理性進(jìn)行了分析和驗證，同時針對設(shè)計難點提出了解決方案。本方案適應(yīng)高山深“V”形的狹窄河谷，為高水頭穿越樞紐的過魚設(shè)施設(shè)置提供了一種新思路，為今后的類似工程設(shè)計提供了有益借鑒。