高水頭魚道框架結構體系研究

朱 琳，許鳳榮，戴 玉

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

隨著生態環境和魚類保護意識的增強，在水利水電工程中建設魚道等過魚設施已經成為一種常態和重要內容[1，2]。魚道的設計需要考慮過魚對象種類和習性、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、生態學和工程學等多學科的內容[3]。近年來，高水頭魚道逐漸出現。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更加突出。高水頭魚道的結構體系也成為魚道研究和設計的關鍵之一。根據某跨流域調水工程的高水頭過魚設施整體布置情況，系統探討了魚道盤升的結構布置方案，提出了基于鋼筋混凝土框架結構體系的魚道盤升設施，并對方案的合理性進行了分析和驗證，以期為類似工程設計提供借鑒。

1 項目概況

為優化配置地區水資源，改善周邊湖區和湖濱濕地等生態環境，實施了某跨流域調水工程。該工程大壩和電站的建設阻斷了河流，會對水庫壩址以上河段分布的土著魚類產生阻隔影響，致使魚類上溯通道阻斷，因此工程設置了過魚設施。魚道是在河流中溝通魚類洄游通道的設施，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，現主要采取了魚閘、機械升魚、人工孵化場及產卵槽等措施[5]；當綜合條件復雜時，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，根據環境評價、壩址處地形和樞紐布置情況，過魚設施的建筑物采用了“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、發電引水洞、電站、過魚建筑物和生態放水建筑物組成。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。根據壩址處地形和樞紐布置情況，將魚道布置在河道左岸，進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，然后繼續向上游延伸至壩軸線上游72.35 m 處，與魚閘相接。魚道經過試驗和比較，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，后又優化調整為“回”字形盤升框架體系方案，如圖3所示。

圖3 優化調整方案平面布置

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”型結構，凈寬度1.5 m，盤升段全部坐落在毛石混凝土上。進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。

盤升段優化調整方案采用“回”字形盤升框架體系方案，魚道型式、進口段和山坡段同初始方案一致，區別主要在盤升段。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，穿越大壩至魚閘進口。魚道進口高程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。

經對比，2 種方案均按要求設置普通池、休息池等，能實現魚類的盤升洄游，從而實現生態環境和魚類資源保護。但盤升段初始方案需采取地基處理、山體穩固等措施，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。而盤升段優化調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，施工作業面和難度都較小，工程量少，造價較低，但后期對整體結構的檢測和維護稍多。經綜合考慮，最終選擇后者。

3 框架體系魚道設計總結

3.1 最大適用高度規定

魚道是水利水電行業特有的建筑形式，尚沒有真正實施的高水頭魚道框架結構體系，因此從安全和經濟方面綜合考慮，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，盤升段結構形式與民用框架結構體系較相似，可以參考《建筑抗震設計規范》[6]有關規定來控制魚道盤升段框架高度和計算指標要求。

依據《建筑抗震設計規范》，現澆鋼筋混凝土框架結構房屋適用的最大高度詳見表1。本工程所處地區的抗震設防烈度為8 度，設計基本地震加速度為0.229 g，地震烈度較高，普通現澆鋼筋混凝土框架結構房屋不超過40 m。魚道盤升框架是沒有填充墻等外圍護結構的通透框架，承受水平風荷載較小，同時也沒有大面積樓板用于承擔滿布的豎向荷載，僅在框架中設置穿梭的魚道，而且魚道框架在正常情況下很少有人類活動，屬于水工構筑物范疇，最大適用高度可適當放寬。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 現澆鋼筋混凝土框架結構房屋適用的最大高度

3.2 設計方案和結果分析

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，穿越大壩至魚閘進口。魚道進口高程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，結合生態放水系統在魚道進口區域布置補水設施，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。框架式魚道每階盤升2 圈，外圈隔20 或7 個普通池設1 個休息池，內圈隔17 或7 個普通池設1 個休息池，所有90°和180°轉彎處均設置休息池，休息池長6 m 左右，魚道池室段總長1 788.596 m，共設819 個普通池室和57個轉彎休息池。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。魚道下構架采用現澆鋼筋混凝土框架結構，由鋼筋混凝土框架架起呈“回”字形旋轉盤升。魚道以結構樓板作為底板，外壁和底板厚度均為200 mm。“回”字形盤升框架結構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

現澆鋼筋混凝土框架結構體系基本軸網尺寸為3 m×3 m、3 m×6 m，最大高度為37～41.5 m。主要結構構件尺寸：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。結構的安全等級為二級，設計使用年限100 a。抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.229 g，水平地震影響系數最大值為0.184，設計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類。整體框架參照《建筑抗震設計規范》和《高層建筑混凝土結構技術規程》[7]進行各控制指標計算分析，具體結果如下。

（1）結構剛重比均遠遠大于20，所以結構整體穩定性滿足要求。

（2）結構抗傾覆力矩均遠遠大于傾覆力矩，且零應力區百分比為0，所以結構整體抗傾覆驗算滿足要求，驗算結果詳見表2。

（3）魚道框架結構體系模型周期比小于0.9，結構體系抗扭剛度滿足設計要求，即有足夠的抗扭剛度保證結構的扭轉效應在可控范圍之內，結構平面布置合理，結果詳見表3。

（4）魚道框架最大結構位移約44 mm，最大樓層位移角1/882，滿足規范要求。從位移變形角度出發，所提出的魚道構架結構體系剛度滿足設計要求。

表2 結構整體抗傾覆驗算

表3 自振周期

此外，限制結構平面布置的不規則性，避免產生過大的偏心而導致結構產生較大的扭轉效應；魚道框架結構體系最大位移比和最大層間位移比均小于1.5，從結構位移比角度出發，結構抗扭剛度也滿足設計要求。

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

3.3 特殊技術措施

3.3.1 錯層結構處理措施

魚道在盤升過程中會形成錯層結構。錯層結構屬于豎向布置不規則結構，錯層部位的豎向抗側力構件受力復雜，易形成多處應力集中。框架錯層更為不利，容易形成長、短柱沿豎向交替出現的不規則體系，錯層處的框架柱受力復雜，易發生短柱受剪破壞。

對于本工程魚道框架的錯層結構，采取以下措施，以提高其抗震承載力和延性，保證結構安全：錯層處框架柱截面高度不應小于600 mm，混凝土強度等級不應低于C30，箍筋應全柱段加密配置；抗震等級應提高一級采用，一級應提高至特一級，但抗震等級已經為特一級時允許不再提高；當錯層處高差大于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構體系，框架與山體的連接較為特殊，既要保證魚道的連續性、使用的合理性，也要保證結構的安全性和經濟性。本工程參考建筑工程中對于連體結構連接處理方式，采用“弱連接”[8]，即滑動連接或設置黏滯阻尼及限位系統的彈性連接。

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構，魚道從桁架內部穿過，采用焊接鋼板防腐魚道方案。鋼桁架兩端連接節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置滑動支座和固定鉸支座；后者是在桁架兩端均設置黏滯阻尼及限位系統的夾層鋼板橡膠支座。考慮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，本工程采用的是設置黏滯阻尼及限位系統的彈性連接，如圖5所示。

4 結語

圖5 彈性連接節點示意

魚道作為一種生態友好的水利設施，不僅要滿足過魚對象的種類和習性的功能需要，真正形成魚類洄游的上溯通道，同時也應兼顧整體結構設計的合理性和經濟性。本文系統探討了魚道“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行了分析和驗證，同時針對設計難點提出了解決方案。本方案適應高山深“V”形的狹窄河谷，為高水頭穿越樞紐的過魚設施設置提供了一種新思路，為今后的類似工程設計提供了有益借鑒。