混凝土面板堆石壩過魚設(shè)施布置方案研究

劉鐔璞，于德雙

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司，湖北 武漢 430000；2.中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)工程研究所，北京 100141)

1 工程概況

某水庫工程位于重慶市云陽縣北部湯溪河流域的團灘河干流上，是一座以城鄉(xiāng)供水和農(nóng)業(yè)灌溉為主，結(jié)合防洪，兼顧發(fā)電，并為當?shù)剜l(xiāng)村振興創(chuàng)造條件的大(2)型水庫工程。大壩采用混凝土面板堆石壩，最大壩高為130 m，溢洪道布置于左岸，坡頂開挖一平臺作為樞紐工程管理平臺，引水兼放空建筑物布置于右岸，壩后式電站廠房布置于壩后河床。因水庫建設(shè)阻斷了河流連通性，使生活其中的魚類生存所需的生境條件、水文情勢發(fā)生變化，對魚類資源產(chǎn)生影響[1]。因此，為了保護魚類資源，恢復(fù)河流生物多樣性，需要進行過魚設(shè)施的建設(shè)。

2 過魚方案選擇

由于大壩建設(shè)對所有魚類產(chǎn)生阻隔效應(yīng)，因此本河段分布的所有魚種均應(yīng)作為過魚設(shè)施過壩種類。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查分析，本河段有魚類14種，主要為適應(yīng)急流、亞冷水性和以藻類為食的魚類，其中寬鰭鱲、馬口魚、齊口裂腹魚、西昌華吸鰍等漁獲物較多的主要魚類作為重點對象。

過魚設(shè)施的目的是促進被大壩隔斷的上下游魚類群體的遺傳交流，因此重點應(yīng)考慮保證主要過魚對象在繁殖季節(jié)的過壩需求。初步確定主要運行季節(jié)在4—7月。在此期間，魚類的活動能力一般較強，對水流的刺激更加敏感，因此，在繁殖期利用水流刺激誘魚，成功率也較高。

過魚設(shè)施主要包括升魚機、魚道和仿自然通道、魚閘、集運魚系統(tǒng)及捕撈過壩等不同形式等[2]。各種過魚措施主要形式及適應(yīng)范圍見圖1。

圖1 過魚設(shè)施主要形式及其應(yīng)用范圍

網(wǎng)捕過壩魚類成活率降低，不適用于大型水利工程，在此不予考慮。其余4類不同過魚設(shè)施方案優(yōu)缺點及可行性進行分析和比較見表1。由表1可知，4種方案中，升魚機方案誘魚系統(tǒng)與魚道方案相同，誘魚效果相似，采用機械提升的方式，過魚效果較好，不涉及主體工程，工程布置、建設(shè)難度較低，投資較少，可較好適應(yīng)工程庫區(qū)水位大幅變動。團灘河分布的土著魚類均屬底層活動魚類，個體偏小，無長距離溯河習性，繁殖期集群不明顯，壩下河段魚類資源量有限，采用升魚機可滿足過魚需求，故推薦采用。

表1 過魚設(shè)施方案綜合比較

3 過魚設(shè)施設(shè)計

升魚機由集魚系統(tǒng)、提升運輸系統(tǒng)、碼頭轉(zhuǎn)運系統(tǒng)、運輸放流系統(tǒng)組成。

3.1 集魚系統(tǒng)

1)集魚系統(tǒng)布置

集魚系統(tǒng)位于大壩下游河床壩后電站左側(cè)，由進魚口段和集魚渠組成，其中進魚口設(shè)有檢修閘門和控流門，集魚通道中設(shè)有驅(qū)魚格柵、集魚渠中設(shè)有集魚箱，集魚渠后為消能調(diào)節(jié)池。集魚系統(tǒng)全長為22 m。

2)流速設(shè)計

壩后生態(tài)電站的運行工況包括：枯水期2臺機運行，生態(tài)流量為1.31 m3/s；汛期3臺機運行，生態(tài)流量為2.63 m3/s；4臺機組同時運行，生態(tài)流量為 4.68 m3/s；機組同時檢修或停機，生態(tài)流量為放水管下泄流量。集魚系統(tǒng)的運行工況為：枯水期2臺機運行，生態(tài)流量為1.31 m3/s；汛期3臺機運行，生態(tài)流量為2.63 m3/s。結(jié)合主要過魚對象的游泳能力，集魚通道內(nèi)水流速度的取值范圍調(diào)整為：0.25～0.75 m/s[7]，進口流速按0.3～1.0 m/s設(shè)計。通過對各工況下集魚通道和進魚口流速計算，各工況下流速均可滿足設(shè)計要求。

3)進魚口及集魚渠結(jié)構(gòu)設(shè)計

進魚口的水深應(yīng)滿足每年4—7月主要過魚季節(jié)內(nèi)，進魚口內(nèi)的水深不低于0.6 m，亦即為本河段內(nèi)最大魚類體高的2倍。

表2 各流量工況下流速水位關(guān)系

為不影響底層魚類及表層魚類的通過，進魚口應(yīng)為矩形結(jié)構(gòu)，底板與河道平緩銜接，這種結(jié)構(gòu)還可以適應(yīng)下游水位變化。進魚口開口越大，越容易被上溯的魚類發(fā)現(xiàn)，但是同時也會增加工程量、施工難度和投資，因此根據(jù)目前魚道等過魚設(shè)施設(shè)計的經(jīng)驗分析，進魚口的開口寬度設(shè)為2 m。

集魚渠的主要功能為將進入的魚類暫時保存在池內(nèi)，因此集魚渠不可過小，以免引起魚類的脅迫而使得其逃逸。根據(jù)《水利水電工程魚道設(shè)計導(dǎo)則》(SL 609—2013)，渠道寬度不應(yīng)小于最大過魚目標體長的2倍；設(shè)計水深可取1.5～2.0 m，對于體長超過 0.2 m的魚類，最小水深應(yīng)大于最大過魚體長的2.5倍。本工程過魚設(shè)施主要過魚均為中小型魚類，按照過魚對象規(guī)格，渠道寬度取2.0 m可滿足要求。

進魚口和集魚渠采用敞開式矩形斷面，根據(jù)下泄流量，主河道的最低水位為329.69 m，集魚渠凈寬為 2 m，底板頂高程為328.00 m，采用鋼筋砼襯砌，底板及邊墻襯砌厚1.0 m。集魚渠結(jié)構(gòu)示意見圖2，進魚口布置示意見圖3。

圖2 集魚渠結(jié)構(gòu)示意 圖3 進魚口布置示意

集魚渠底部鋪仿生態(tài)鵝卵石，渠道中不設(shè)置擋板，通道內(nèi)設(shè)驅(qū)魚格柵，驅(qū)魚格柵采用鋼結(jié)構(gòu)，局部格柵采用不銹鋼結(jié)構(gòu)，并采用魚類不易逃逸的漸進束窄結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)魚類的收集。另外，驅(qū)魚格柵在魚類收集狀態(tài)中可以完全關(guān)閉，以防止魚類逃逸。

4)驅(qū)魚格柵設(shè)計

集魚渠內(nèi)的驅(qū)趕設(shè)施為驅(qū)魚格柵。驅(qū)魚格柵布置于防逃籠前方，尺寸與通魚通道尺寸相適應(yīng)。拖拽格柵采用對開門形式，平時集魚時段，拖拽格柵開啟，目標魚類可以通過過魚通道[8]。在收集到一定數(shù)量的魚類后，拖拽格柵的對開門關(guān)閉。通過系統(tǒng)控制設(shè)置在集魚通道端部的卷揚機及滑輪裝置牽引拖曳格柵系向前平行移動，將目標魚類驅(qū)趕入集魚池中。等待集魚池內(nèi)的提升艙將魚提升后。系統(tǒng)控制拖拽格柵沿通魚通道向后平行移動，回到原位置后，對開門開啟。驅(qū)魚格柵實例見圖4。

圖4 驅(qū)魚格柵實例示意

5)集魚箱設(shè)計

集魚箱長寬均為2.0 m，高為1.5 m，上半部分為透水格柵，格柵間距為3 cm，下半部分為不透水結(jié)構(gòu)，集魚箱底板呈一定角度傾斜，側(cè)面的最低點，設(shè)有一個0.5 m×0.5 m的放魚孔，放魚孔設(shè)有閘門[9]。集魚箱設(shè)計如圖5所示。

3.2 提升運輸系統(tǒng)

1)提升過壩方式比選

升魚機的直接提升過壩方式通常有3種形式：垂直提升、軌道提升和索道提升。3種提升過壩方式比選見表3，圖例見圖6～8。

圖5 集魚箱設(shè)計示意(左：立視示意，右：俯視示意)

通過表3分析，索道提升方式較適用于本工程，能保證過魚設(shè)施的可靠運行，并盡量減少對環(huán)境的影響，從工程和環(huán)保角度推薦采用索道提升方式。

2)索道設(shè)計

① 索道布置

本工程進魚口位于河床電站廠房左側(cè)，索道起點位于廠房尾水平臺上，高程為340.20 m，沿山體布置，方向與壩軸線呈49°夾角，上行跨越溢洪道泄槽和開挖邊坡，上升至管理平臺，高程為495.00 m，通過管理平臺后，呈下行方向，到達終點索道卸載站，位于壩上游約250 m 處，索道總長度約為693 m，提升最大高度為155.20 m。在索道上，每隔一定距離布設(shè)1個塔架，確保索道的穩(wěn)定運行[10]。索道系統(tǒng)布置剖面示意見圖9。

表3 3種提升過壩方式比選

圖6 垂直提升型示意 圖7 軌道提升型示意 圖8 索道提升型示意

圖9 某水庫升魚機索道系統(tǒng)布置剖面示意

② 索道結(jié)構(gòu)

索道由裝載站、卸載站、支架、承載索、牽引索、驅(qū)動裝置、錨固裝置和張緊裝置、電氣設(shè)備等主要部分組成。在裝載和卸載站間架設(shè)的鋼絲繩作承載索，承載索一端錨固、另一端張緊，中間由若干支架支承。牽引索上用抱索器固接集魚箱，集魚箱以承載索為軌道被牽引索拉動運行。在裝載站，集魚箱經(jīng)過站口的偏斜鞍座從承載索上過渡到站內(nèi)的架空扁軌上，同時脫開器使抱索器松開，集魚箱與牽引索脫離，用其他機械將提升箱移至停放點。要運送的集魚箱推至發(fā)車處，抱索器抱緊牽引索，向卸載站方向運行。集魚箱到達卸載站后，與上述一樣過渡到架空扁軌上并與牽引索脫開，然后卸載。卸載后，空提升箱被發(fā)往裝載站，完成一個循環(huán)，可實現(xiàn)就地控制。

③ 索道運行

過魚季節(jié)為4—7月，索道在此時段運行。根據(jù)索道提升高度和長度計算分析，初步估算索道循環(huán)能力為1次/h。在下階段將開展索道設(shè)計專題研究，結(jié)合模型試驗確定索道運行能力。

在索道運行過程中，還需采取以下措施：

a) 養(yǎng)護措施

索道在運行過程中，應(yīng)經(jīng)常注意保養(yǎng)，在纜車車輪抹黃油，減小車輪與承載索間的摩阻力，降低承載索的磨損程度；同時，索道由專人管理，裝卸端用對講機聯(lián)絡(luò)，經(jīng)常檢查索道的承載力及牽引力，發(fā)現(xiàn)問題及時處理[11]。

b) 防擺防風措施

本流域多年平均風速為1.5 m/s，多年平均年最大風速為11.2 m/s，在纜車上部設(shè)有防擺器，利用液壓活塞桿的伸縮平衡車廂的擺動。在裝載站和卸載站裝設(shè)緩沖器，纜車上裝有導(dǎo)靶，確保車廂難以脫軌，并防止產(chǎn)生大的擺動。利用風向測速儀確保風速超過規(guī)定值時報警、停車[12]。

c) 防雷措施

在各塔架上布設(shè)避雷器。

3.3 碼頭轉(zhuǎn)運系統(tǒng)

1)放流碼頭

結(jié)合樞紐布置方案，目前推薦碼頭布置在壩上左岸約250 m處。此處坡度適宜，改造為碼頭較為便利。同時也在魚類防逃網(wǎng)以內(nèi)。

2)轉(zhuǎn)運碼頭布置

轉(zhuǎn)運碼頭布置1個集運魚泊位。集運魚泊位采用下河公路與躉船相結(jié)合方案，下河公路依托現(xiàn)有左岸復(fù)建公路改造而成，對現(xiàn)有道路向江側(cè)進行分叉，道路臨江側(cè)布置擋土墻，水位在409.96～448.16 m(頻率為20%～80%的枯水保證率)之間變動時，躉船可沿道路臨江側(cè)停靠，通過設(shè)置在躉船上的輪胎式起重機可進行運魚箱的裝船卸船作業(yè)。

3)裝卸設(shè)施及工藝

進行裝卸作業(yè)時，運魚船停靠在躉船的裝卸泊位，纜車將集魚箱放在下河公路上，利用輪胎式起重機將集魚箱轉(zhuǎn)移至運魚船上。運魚船完成放流后行駛回轉(zhuǎn)運碼頭，纜車將集魚箱吊回繼續(xù)使用。

3.4 運輸放流系統(tǒng)

運輸放流系統(tǒng)主要由運魚放流船及放流輔助設(shè)施組成。一般情況下，集魚箱在轉(zhuǎn)運碼頭轉(zhuǎn)入運魚放流船后，船舶行駛至庫區(qū)具有一定流速(平均流速>魚類感應(yīng)流速0.19 m/s)的水域?qū)Ⅳ~類放流至江中。

1)運魚放流船

運魚放流船主甲板可放置2個集魚箱。船上并配置有氧氣瓶、循環(huán)泵、水質(zhì)監(jiān)控設(shè)備等魚類維生設(shè)備，可與集魚箱相應(yīng)接口進行連接。

運魚放流船安裝有GPS定位跟蹤系統(tǒng)，能夠?qū)Υ暗男旭傑壽E做到實時跟蹤、記錄和監(jiān)控。

另外，為兼顧遠期的魚類下行溝通需求，運魚船遠期配備深水魚籠及深水網(wǎng)箔，可進行庫區(qū)集魚所作業(yè)，搜集魚類通過碼頭轉(zhuǎn)入集魚箱，通過纜車運輸至壩下放流。

2)放流地點

初擬放流地點為庫區(qū)上游流水河段或支流匯口等餌料資源豐富、適宜魚類覓食生存且人為干擾較少的水域。同時根據(jù)魚類的生活習性、當?shù)厮摹⑺|(zhì)特點以及周邊環(huán)境特點確定放流時段。

3)放流方式

運魚船中有接口可與運魚箱對接，接口對接口，利用水自身重力將魚和水通過滑道放流，滑道采用PE材質(zhì)，表面光滑，不易損傷魚類，并在放流時保持滑道濕潤。

4 結(jié)語

本文結(jié)合某水庫工程高混凝土面板堆石壩，對多種過魚設(shè)施方案進行了研究，研究得出升魚機是較為適宜的方式，不僅適于高壩過魚，同時能較好適應(yīng)水庫水位的較大變幅，因此工程推薦采用升魚機。目前國內(nèi)外尚無提升高度超過100 m的升魚機先例，本工程的設(shè)計是升魚機提升高度的一項突破，同時，集魚系統(tǒng)的集魚效果和索道提升運行效果是保證升魚機正常運行的關(guān)鍵，在后期設(shè)計中還需要開展相關(guān)模型試驗進一步論證和改進。