范穗興，蔣光燦，黃天寶

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

魚(yú)道是供魚(yú)類(lèi)溯河通過(guò)閘、壩等建筑物或天然障礙物的一種人工通道[1]。魚(yú)道的類(lèi)型大致分為技術(shù)魚(yú)道和仿自然魚(yú)道，技術(shù)魚(yú)道主要有池式、隔板式、槽式、特殊結(jié)構(gòu)式，而仿自然魚(yú)道主要有仿自然通道和加糙坡道型，魚(yú)道外還有魚(yú)閘、升魚(yú)機(jī)、集運(yùn)魚(yú)船等過(guò)魚(yú)設(shè)施[2-5]。中國(guó)自從20世紀(jì)50年代設(shè)計(jì)富春江七里瀧水電站時(shí)提出魚(yú)道這一概念以來(lái)，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(gè)時(shí)期[6]。從1960年在安徽修建的第一座新開(kāi)柳魚(yú)道至今，國(guó)內(nèi)建設(shè)的魚(yú)道已超過(guò)100座，但與國(guó)外相比，在魚(yú)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(guó)應(yīng)用最多的過(guò)魚(yú)設(shè)施是魚(yú)道，魚(yú)道中以技術(shù)魚(yú)道為主，其中主要結(jié)構(gòu)為隔板式，而仿自然魚(yú)道較少；同時(shí)為保證魚(yú)道內(nèi)水流流速、流態(tài)的穩(wěn)定性，魚(yú)道設(shè)計(jì)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(yú)道作為國(guó)內(nèi)首例大流量變幅下的組合式魚(yú)道，運(yùn)行工況復(fù)雜，設(shè)計(jì)采用技術(shù)魚(yú)道+仿自然魚(yú)道的組合魚(yú)道，其中仿自然魚(yú)道還兼作生態(tài)流量下泄通道，設(shè)計(jì)流量變幅大，從3.6 m3/s至30 m3/s的流量下都需要滿足過(guò)魚(yú)要求。南木江魚(yú)道在相關(guān)規(guī)范、前期報(bào)告資料和國(guó)內(nèi)已建工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)工程情況和水流條件，有針對(duì)性地對(duì)技術(shù)魚(yú)道和仿自然魚(yú)道間的水位落差進(jìn)行了研究，經(jīng)過(guò)方案研究比選和物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化確定了最終的水力銜接段設(shè)計(jì)方案，保證銜接段水流流速和流態(tài)的平穩(wěn)過(guò)渡。

1 工程概況

大藤峽水利樞紐位于廣西最大最長(zhǎng)的峽谷——大藤峽出口處，作為國(guó)務(wù)院確定的172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程的標(biāo)志性工程，它集防洪、航運(yùn)、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(yú)道工程布置及設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 南木江魚(yú)道工程布置

依據(jù)《大藤峽水利樞紐工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》(以下簡(jiǎn)稱《初設(shè)報(bào)告》)，在庫(kù)內(nèi)47.60、57.60、59.60、61.00 m水位設(shè)4個(gè)出魚(yú)口，在下游仿自然魚(yú)道末端設(shè)1個(gè)進(jìn)魚(yú)口，進(jìn)魚(yú)口低水位約為32.0 m。其中57.60、59.60、61.00 m水位對(duì)應(yīng)的3個(gè)出魚(yú)口布置于1號(hào)工程魚(yú)道上，汛期水位47.60 m對(duì)應(yīng)的出魚(yú)口布置于2號(hào)工程魚(yú)道上。1號(hào)工程魚(yú)道總長(zhǎng)630 m，底板高程為58.0～51.6 m，底坡1/80；2號(hào)工程魚(yú)道總長(zhǎng)192 m，底板高程為44.6～42.5 m，底坡1/80；1號(hào)生態(tài)魚(yú)道總長(zhǎng)1 440 m，底板高程為51.6～42.0 m，底坡1/150；2號(hào)生態(tài)魚(yú)道總長(zhǎng)420 m，底板高程為44.8～42.0 m，底坡1/150；1、2號(hào)生態(tài)魚(yú)道在下游匯合口處交匯，下接3號(hào)生態(tài)魚(yú)道，3號(hào)生態(tài)魚(yú)道總長(zhǎng)2 750 m，底板高程為42.0～31.0 m，底坡1/250。具體布置見(jiàn)圖1。

圖1 南木江魚(yú)道布置

2.2 南木江魚(yú)道設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)《初設(shè)報(bào)告》《大藤峽水利樞紐主要過(guò)魚(yú)對(duì)象游泳能力測(cè)試研究》，確定南木江魚(yú)道的設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

a)過(guò)魚(yú)對(duì)象?；狑~、鰻鱺、青魚(yú)、草魚(yú)、鰱、鳙、鳡魚(yú)、鳤魚(yú)及赤眼鱒魚(yú)等為工程的主要過(guò)魚(yú)種類(lèi)。

b)過(guò)魚(yú)季節(jié)。花鰻鱺、鰻鱺2—3月溯河，草魚(yú)、青魚(yú)、鰱、鳙等的繁殖期為5—7月。所以本工程的主要過(guò)魚(yú)季節(jié)為2—7月，同時(shí)為保證上下游的遺傳交流，需具備全年過(guò)魚(yú)條件。

c)設(shè)計(jì)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(shí)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(yú)類(lèi)產(chǎn)卵適宜水力條件，要求通過(guò)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(yú)道作為生態(tài)基流的下泄通道，設(shè)計(jì)流量為3.6 m3/s，仿自然魚(yú)道作為生態(tài)基流和生態(tài)流量的下泄通道，設(shè)計(jì)流量3.6～30.0 m3/s。

d)設(shè)計(jì)流速。本工程設(shè)計(jì)過(guò)魚(yú)流速為1.2 m/s，魚(yú)道內(nèi)最小流速取值為魚(yú)類(lèi)感應(yīng)流速中的最大值0.35 m/s。

3 魚(yú)道斷面設(shè)計(jì)

本工程中運(yùn)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(jì)流量為30 mm3/s，用于下放生態(tài)流量。南木江魚(yú)道不同部位要求的設(shè)計(jì)流量不同，且變幅較大，單一的魚(yú)道型式無(wú)法滿足要求，所以采用技術(shù)魚(yú)道和仿自然魚(yú)道的組合式魚(yú)道，其中技術(shù)魚(yú)道作為生態(tài)基流的下泄通道，設(shè)計(jì)流量為3.6 m3/s，仿自然魚(yú)道作為生態(tài)基流和生態(tài)流量的下泄通道，設(shè)計(jì)流量3.6～30.0 m3/s。

技術(shù)魚(yú)道設(shè)計(jì)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(yú)道水力學(xué)模型試驗(yàn)研究報(bào)告》，結(jié)合國(guó)內(nèi)成熟的工程經(jīng)驗(yàn)，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(yú)道底坡為1/80，池室凈寬5 m，池室長(zhǎng)度6 m，設(shè)計(jì)水深為3 m，每隔120 m設(shè)一個(gè)休息池。具體斷面見(jiàn)圖2。

中國(guó)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(diǎn)，逐漸開(kāi)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(zhǎng)，最后成為包括文學(xué)、音樂(lè)、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(lèi)。

a)南木江技術(shù)魚(yú)道斷面

仿自然魚(yú)道需適應(yīng)3.6～30.0 m3/s的設(shè)計(jì)流量跨度，設(shè)計(jì)采用復(fù)式梯形斷面，小流量3.6 m3/s時(shí)通過(guò)主槽過(guò)魚(yú)，大流量13.3～30.0 m3/s時(shí)通過(guò)漫灘過(guò)魚(yú)，其中1、2號(hào)生態(tài)魚(yú)道底坡為1/150，設(shè)計(jì)水深為0.7～1.2 m，3號(hào)生態(tài)魚(yú)道底坡為1/250，設(shè)計(jì)水深為0.8～1.4 m。具體斷面見(jiàn)圖3。

圖3 南木江仿自然魚(yú)道典型斷面(mm)

4 魚(yú)道水力銜接段方案研究比選

在相同設(shè)計(jì)流量和流速下，技術(shù)魚(yú)道是通過(guò)豎縫過(guò)流，過(guò)流寬度小水深大，而仿自然魚(yú)道采用復(fù)式梯形斷面，過(guò)流寬度大水深小，技術(shù)魚(yú)道和仿自然魚(yú)道連接處會(huì)存在跌水，需要專(zhuān)門(mén)設(shè)置水力過(guò)渡段，保證水流流態(tài)和流速的平穩(wěn)過(guò)渡。本工程共有2處需要設(shè)水力銜接段。一是1號(hào)工程魚(yú)道和1號(hào)生態(tài)魚(yú)道連接處，在3.6 m3/s的設(shè)計(jì)流量下，1號(hào)工程魚(yú)道設(shè)計(jì)水深約為3.0 m，1號(hào)生態(tài)魚(yú)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(hào)生態(tài)魚(yú)道連接處，景觀湖上接2號(hào)工程魚(yú)道和生態(tài)泄水口，下接2號(hào)生態(tài)魚(yú)道，景觀湖底高程同2號(hào)工程魚(yú)道進(jìn)魚(yú)口底高程一致，均為42.5 m。根據(jù)前期報(bào)告資料，為保證2號(hào)工程魚(yú)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(hào)生態(tài)魚(yú)道在3.6 m3/s的設(shè)計(jì)流量下水深僅為0.7 m，景觀湖和2號(hào)魚(yú)道生態(tài)段間存在2.3 m水位落差。針對(duì)2處銜接段設(shè)計(jì)流量、所處位置，參考以往工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)每處水力銜接段均提出了兩種不同的設(shè)計(jì)方案以供對(duì)比，從工程投資、工程難度、可行性、景觀規(guī)劃等方面進(jìn)行了綜合比選，選定初步設(shè)計(jì)方案。

4.1 1號(hào)工程魚(yú)道和1號(hào)生態(tài)魚(yú)道銜接段設(shè)計(jì)

1號(hào)工程魚(yú)道和1號(hào)生態(tài)魚(yú)道連接處，設(shè)計(jì)流量為3.6 m3/s，設(shè)計(jì)流量、水位單一穩(wěn)定，設(shè)計(jì)擬定了2個(gè)水位銜接方案。方案一為100 m長(zhǎng)格賓石籠隔板豎縫銜接段；方案二為100 m長(zhǎng)溢流堰銜接段。

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

溢流堰方案銜接段長(zhǎng)100 m，每隔10 m設(shè)置1級(jí)溢流堰，共11道，形成10個(gè)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(jiàn)圖2。

2種方案都屬于常見(jiàn)的技術(shù)魚(yú)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(huì)露出水面，且本工程技術(shù)魚(yú)道已為隔板豎縫結(jié)構(gòu)，所以設(shè)計(jì)初步采用溢流堰方案，可以將研究成果同前期報(bào)告資料成果進(jìn)行對(duì)比。

4.2 景觀湖與2號(hào)生態(tài)魚(yú)道銜接段設(shè)計(jì)

景觀湖與2號(hào)生態(tài)魚(yú)道連接處，設(shè)計(jì)流量變幅大，為3.6～30.0 m3/s，設(shè)計(jì)擬定了2個(gè)水位銜接方案。①方案一為復(fù)合方案，共設(shè)置150 m長(zhǎng)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(hào)魚(yú)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(jiàn)圖4；②方案二為寬頂堰方案，在景觀湖出口設(shè)置 10 m長(zhǎng)度的寬頂堰，寬頂堰斷面同2號(hào)生態(tài)魚(yú)道，為復(fù)式梯形斷面，寬頂堰高程為 44.8 m，上游通過(guò)1∶10的倒坡與景觀湖底高程42.5 m進(jìn)行銜接，下游接 2號(hào)魚(yú)道生態(tài)段，具體布置見(jiàn)圖5。

圖4 復(fù)合方案布置(m)

經(jīng)過(guò)詳細(xì)比較，寬頂堰方案工程難度遠(yuǎn)小于復(fù)合方案，考慮到復(fù)合方案過(guò)魚(yú)效果未知、工程化痕跡嚴(yán)重，且工程投資基本持平，本次設(shè)計(jì)選定寬頂堰方案。具體比較情況見(jiàn)表1。

表1 方案比選情況

5 物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

1號(hào)工程魚(yú)道和1號(hào)生態(tài)魚(yú)道銜接段，經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)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(jí)堰頂處過(guò)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(yú)類(lèi)上溯，需要調(diào)整方案給魚(yú)類(lèi)創(chuàng)造適宜的水流條件及流態(tài)。基于以往工程經(jīng)驗(yàn)，增設(shè)了3種措施調(diào)整流態(tài)：①在各級(jí)溢流堰底部設(shè)置過(guò)魚(yú)孔，底層流速較表層慢，底孔可以滿足克流能力差的魚(yú)類(lèi)上溯，同時(shí)可以減緩堰頂流速，利于克流能力或跳躍能力較強(qiáng)的魚(yú)類(lèi)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(gè)水池，可以減小每級(jí)水池的水位落差，降低流速；③在銜接段前后及每級(jí)水池底部設(shè)置加糙石塊調(diào)整流態(tài)，進(jìn)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(jiàn)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(yàn)的實(shí)測(cè)資料表明：銜接段水流連續(xù)平緩，進(jìn)口水流順暢；孔口流速為0.8～1.2 m/s，均已滿足過(guò)魚(yú)要求；加糙石塊背后都有一個(gè)局部靜水區(qū)可供上溯魚(yú)棲身休憩；過(guò)渡段出口水流與1號(hào)生態(tài)魚(yú)道明渠段也銜接平順；堰頂流速降低，為1.6～1.9 m/s。試驗(yàn)成果數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 1號(hào)工程魚(yú)道后銜接段優(yōu)化后流速、水深實(shí)測(cè)

景觀湖與2號(hào)生態(tài)魚(yú)道銜接段寬頂堰方案，根據(jù)物理模型試驗(yàn)的實(shí)測(cè)資料表明：在3.6～30.0 m3/s時(shí)，景觀湖水位為3.0～3.4 m，滿足要求，使2號(hào)工程魚(yú)道內(nèi)的流速和流態(tài)均滿足要求。寬頂堰處過(guò)堰水流平順，流態(tài)相對(duì)平緩，不同設(shè)計(jì)流量下的水深、流速如下：流量為3.6 m3/s時(shí)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(shí)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(shí)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(guò)魚(yú)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)方案的研究比選和物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證，完成了大藤峽水利樞紐南木江魚(yú)道水力銜接段設(shè)計(jì)，解決了大藤峽南木江魚(yú)道技術(shù)魚(yú)道和仿自然魚(yú)道間的水位落差問(wèn)題，保證銜接段水流流速和流態(tài)的平穩(wěn)過(guò)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(duì)后續(xù)類(lèi)似魚(yú)道設(shè)計(jì)有一定的借鑒作用。現(xiàn)大藤峽樞紐南木江魚(yú)道已經(jīng)實(shí)施完成，通過(guò)完工驗(yàn)收，正在試運(yùn)行階段，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行情況，景觀湖與2號(hào)生態(tài)魚(yú)道銜接處寬頂堰能夠達(dá)到預(yù)期效果，1號(hào)工程魚(yú)道和1號(hào)生態(tài)魚(yú)道銜接段因水位未達(dá)到設(shè)計(jì)運(yùn)行條件，效果有待實(shí)踐驗(yàn)證。建議下一步根據(jù)工程實(shí)際運(yùn)行情況和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，與物理模型試驗(yàn)成果對(duì)比，對(duì)水力銜接段的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析優(yōu)化。