貊皮嶺魚(yú)道水力特性的模型試驗(yàn)研究

杜永江

(廣東珠榮工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610)

1 工程概況

信江位于江西省東北部，屬鄱陽(yáng)湖水系，八字嘴航電樞紐工程位于信江下游河段，是界牌航電樞紐以下至鄱陽(yáng)湖段二級(jí)開(kāi)發(fā)方案中的一個(gè)梯級(jí)，八字嘴航電樞紐工程下距余干縣城約12 km(見(jiàn)圖1)。

圖1 樞紐位置示意

壩線處河面開(kāi)闊，樞紐總體布置采用集中布置的方式，由虎山嘴樞紐和貊皮嶺樞紐及中間土壩共同組成(見(jiàn)圖2)。兩個(gè)樞紐均為左岸布置船閘，右岸布置廠房及魚(yú)道，河床中間布置泄水閘,管理區(qū)布置在兩河中間島上壩軸線的下游側(cè)。樞紐分別由西、東大河上的通航、擋水、泄水、發(fā)電及過(guò)魚(yú)設(shè)施等建筑物共同組成[1-2]。

圖2 樞紐總體布置示意

2 樞紐區(qū)段主要保護(hù)魚(yú)類

信江魚(yú)類資源豐富，經(jīng)濟(jì)魚(yú)種類較多，樞紐的過(guò)魚(yú)保護(hù)對(duì)象主要是信江干流洄游魚(yú)類和江湖洄游魚(yú)類，以“四大家魚(yú)”和赤眼鱒、鳤、鳡、鳊等經(jīng)濟(jì)魚(yú)類為主，同時(shí)為原有珍稀魚(yú)類(如鰣魚(yú))重新回到信江中下游創(chuàng)造基本條件。

魚(yú)道主要過(guò)魚(yú)對(duì)象需要通過(guò)該魚(yú)道溯河上行的時(shí)段如下：鰣魚(yú)產(chǎn)卵時(shí)間多在6—7月間12:00至18:00；青魚(yú)在5—7月，常由長(zhǎng)江中、下游溯游至流速較高的場(chǎng)所產(chǎn)卵繁殖；草魚(yú)一般在4月下旬開(kāi)始產(chǎn)卵；鰱魚(yú)在4月中旬開(kāi)始繁殖；鳙魚(yú)的產(chǎn)卵期在4—6月。據(jù)此，設(shè)計(jì)中確定魚(yú)道的主要過(guò)魚(yú)季節(jié)為4—7月。

3 貊皮嶺魚(yú)道設(shè)計(jì)

八字嘴航電樞紐貊皮嶺壩址位于樞紐西大河一側(cè)，距上游河道分岔口約900 m。魚(yú)道布置在樞紐中部的洲灘之上，場(chǎng)地空間相對(duì)較為充裕，具有良好的魚(yú)道布置條件，魚(yú)道采用仿生態(tài)魚(yú)道形式，利用電站尾水進(jìn)行誘魚(yú)[3-5]。魚(yú)道進(jìn)口布置在電站廠房尾水渠右岸灘地，魚(yú)道出口布置在中間河灘地的最上游。魚(yú)道有效爬升段總長(zhǎng)度約為1 265 m，平均坡度為1/250，平均糙率為0.08，魚(yú)道每級(jí)池室長(zhǎng)為10.0 m，底寬為4 m，邊坡不陡于 1:2，隔墻采用人工石籠或卵石堆砌，厚為0.6 m，長(zhǎng)短隔墻(板)交錯(cuò)布置，隔墻(板)豎縫為0.5 m，兩豎縫中心線之間偏移1.5 m，進(jìn)、出口均布置檢修閘門，穿土壩位置設(shè)置擋洪閘門[6-8]。魚(yú)道平面布置見(jiàn)圖3，剖面示意見(jiàn)圖4。

圖3 魚(yú)道平面布置示意

圖4 魚(yú)道剖面示意(單位：mm)

魚(yú)道上下游運(yùn)行水位直接影響到魚(yú)道在過(guò)魚(yú)季節(jié)中是否有適宜的過(guò)魚(yú)條件；上下游的水位變幅也會(huì)影響魚(yú)道出口和進(jìn)口的水面銜接和池室水流條件[9-12]。

貊皮嶺魚(yú)道過(guò)魚(yú)季節(jié)出口設(shè)計(jì)水位為正常蓄水位18.0 m，魚(yú)道進(jìn)口設(shè)計(jì)低水位取樞紐區(qū)過(guò)魚(yú)季節(jié) 4 —7月1臺(tái)機(jī)發(fā)電水位，為 12.95 m；高水位取八字嘴樞紐1 100 m3/s停機(jī)流量所對(duì)應(yīng)的貊皮嶺壩址下游水位，為14.23 m，下游水位變幅為1.28 m。魚(yú)道進(jìn)出口水頭差為5.05～3.77 m。

4 魚(yú)道準(zhǔn)整體水工物理模型

貊皮嶺魚(yú)道準(zhǔn)整體水工試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶~(yú)道進(jìn)口段、普通池室段、穿壩平段、休息池及魚(yú)道出口等，通過(guò)開(kāi)展試驗(yàn)研究可對(duì)魚(yú)道池室內(nèi)部整體水動(dòng)力特性以及穿壩平段、魚(yú)道進(jìn)口等關(guān)鍵部位水流條件進(jìn)行全面分析[2]。

模型按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，長(zhǎng)度比尺L=10。模型與原型各物理量的換算關(guān)系為：流速及時(shí)間比尺為：L1/2=3.16；流量比尺為：L5/2=316.23。魚(yú)道整體模型見(jiàn)圖5。

圖5 魚(yú)道整體水工試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽?/p>

整體模型對(duì)魚(yú)道各特征部位及不同隔墻布置形式進(jìn)行了細(xì)致模擬，主要包括：魚(yú)道主體段、魚(yú)道進(jìn)出口段、穿壩平段以及休息池段等。仿生態(tài)魚(yú)道與工程魚(yú)道存在較大差別，其建筑材料可選用天然卵石塊，以便營(yíng)造更好的、貼近自然的水力生境，其斷面型式亦多采用與原河道較為契合的梯形過(guò)水?dāng)嗝妗Ｔ谀Ｐ椭校瑸榱藢?duì)這一池室結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，也采用特定的卵石鋪設(shè)，并設(shè)置了不同的隔墻布置形式(卵石子堆砌或石籠隔墻、混凝土隔墻表面鑲嵌卵石、不透水混凝土隔墻等)，以便為設(shè)計(jì)部門選擇實(shí)施方案提供更為全面的基礎(chǔ)資料。模型總長(zhǎng)度約為88 m，共設(shè)置了82道隔墻(包括穿壩段對(duì)稱隔墻)，在魚(yú)道轉(zhuǎn)向彎折段設(shè)置休息池，休息池約兩倍普通池室長(zhǎng)度。為了便于對(duì)比分析，將魚(yú)道隔墻自下游進(jìn)魚(yú)口到上游依次進(jìn)行編號(hào)，除了穿壩平段5塊隔墻(板)單獨(dú)編號(hào)為A#～E#，其余豎縫式隔墻依次為1#～77#。其中穿壩平段兩側(cè)的豎縫隔墻號(hào)為28#、29#，休息池兩側(cè)的隔墻編號(hào)分別為21#、22#和47#、48#。為了準(zhǔn)確模擬實(shí)際設(shè)計(jì)方案中的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)，模型中第34#～44#隔墻采用卵石子堆砌(或石籠)的形式，第58#～67#采用磚砌(混凝土)隔墻表面鑲嵌卵石的形式，其余隔墻采用不透水的混凝土隔墻形式(見(jiàn)圖6)。在模型上下游均設(shè)置調(diào)控裝置，可對(duì)不同水位組合進(jìn)行精確模擬。

圖6 模型整體布置及典型斷面隔墻(板)示意

1) 魚(yú)道池室采用梯形斷面形式，隔墻整體交錯(cuò)布置，在長(zhǎng)隔墻下部開(kāi)有40 cm高的孔洞。

2) 考慮到仿生態(tài)魚(yú)道施工布置時(shí)可能會(huì)受到實(shí)際地形、地貌條件等影響，因此在模型中亦對(duì)天然彎曲形態(tài)、池室隔墻變化等因素進(jìn)行了考慮，便于調(diào)整魚(yú)道池室結(jié)構(gòu)。

3) 在穿壩段，為了便于工程施工及其他水工建筑物布置，采用規(guī)則矩形斷面，對(duì)稱隔墻(板)布置形式。

5 試驗(yàn)工況

八字嘴航電樞紐為徑流式電站不承擔(dān)防洪任務(wù)，故對(duì)洪水無(wú)調(diào)節(jié)作用。在魚(yú)道主要過(guò)魚(yú)季節(jié)，八字嘴上游水位通過(guò)樞紐發(fā)電和泄水閘泄水相結(jié)合的方式進(jìn)行調(diào)控，當(dāng)魚(yú)道開(kāi)啟運(yùn)行時(shí)，可保持上游水位 18.0 m。而對(duì)于貊皮嶺魚(yú)道下游進(jìn)口附近，則存在 3 種典型水位：1臺(tái)機(jī)組發(fā)電水位 12.95 m；2臺(tái)機(jī)組發(fā)電水位13.53 m；八字嘴樞紐1 100 m3/s停機(jī)流量所對(duì)應(yīng)的貊皮嶺河道下游水位14.23 m。豎縫+貼坡底孔綜合考慮各種水位組合，本研究在數(shù)值模擬研究成果的基礎(chǔ)上制定物理模型主要試驗(yàn)工況如下所示：

工況一：魚(yú)道進(jìn)口水深1 m，1 臺(tái)機(jī)組發(fā)電；

工況二：魚(yú)道進(jìn)口水深1.58 m，2 臺(tái)機(jī)組發(fā)電；

工況三：魚(yú)道進(jìn)口水深2.28 m，最大過(guò)機(jī)流量。

6 測(cè)點(diǎn)布置

在貊皮嶺魚(yú)道水工模型試驗(yàn)中分別在魚(yú)道進(jìn)口、穿壩平段、隔墻(板)豎縫、貼坡底孔等關(guān)鍵部位布設(shè)了流速測(cè)點(diǎn)，以便全面掌握魚(yú)道池室內(nèi)部水力特性。自模型下游至上游共布置26個(gè)測(cè)控?cái)嗝妫渲恤~(yú)道進(jìn)口平段布設(shè)1個(gè)測(cè)控?cái)嗝妗⒋纹蕉尾荚O(shè)4個(gè)測(cè)控?cái)嗝妫溆嗖贾迷隰~(yú)道爬升段(見(jiàn)圖7)。每個(gè)測(cè)控?cái)嗝嫔涎厮罘较虿贾?個(gè)流速測(cè)點(diǎn)，同時(shí)在貼坡底孔位置再分別布設(shè)1個(gè)流速測(cè)點(diǎn)，模型中流速測(cè)點(diǎn)共計(jì)125個(gè)。

圖7 魚(yú)道測(cè)點(diǎn)位置示意

7 試驗(yàn)結(jié)果

工況一：魚(yú)道內(nèi)整體水面較為平穩(wěn)，無(wú)大幅度突變現(xiàn)象，表明魚(yú)道內(nèi)無(wú)明顯水流能量累積現(xiàn)象，隔墻(板)布置形式較為合理；在魚(yú)道普通池室與各平段(穿壩平段、休息池、魚(yú)道進(jìn)口)交接位置附近存在一定的水面雍高現(xiàn)象，這一現(xiàn)象主要是由于魚(yú)道底坡坡度變化引起，其中由于穿壩平段較長(zhǎng)，其上游側(cè)水面雍高影響范圍亦較大；模型中存在3種不同隔墻(板)建設(shè)形式，不同隔墻形式變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的水面線波動(dòng)現(xiàn)象，但程度較小；魚(yú)道內(nèi)的局部水面雍高變化對(duì)魚(yú)類上溯無(wú)不良影響，且由于水面雍高會(huì)減小局部水流流速，對(duì)上溯有利。

工況二：魚(yú)道內(nèi)整體水面較為平穩(wěn)，由于下游水位較高，自上游至下游水深逐漸增加，無(wú)大幅度突變現(xiàn)象，表明魚(yú)道隔墻(板)布置形式較為合理；在魚(yú)道內(nèi)坡度變化的位置存在一定的水位雍高現(xiàn)象，如穿壩平段、休息池等。鑒于穿壩段水平段較長(zhǎng)，因此在其上游側(cè)水面雍高較為明顯，但壅高值不大；與工況一類似，由于模型中存在3種不同隔墻(板)建設(shè)形式，不同隔墻形式變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的水面線波動(dòng)現(xiàn)象，但程度較小；該魚(yú)道內(nèi)沒(méi)有顯著的水流能量累積現(xiàn)象，水流整體平穩(wěn)，且由于下游水深升高，會(huì)減小過(guò)魚(yú)隔墻(板)斷面的最大水流流速，利于魚(yú)類上溯。

工況三：與工況二類似，魚(yú)道內(nèi)水面線變化整體較為平順，由于下游水位較高，自上游至下游水深逐漸增加；同樣在魚(yú)道內(nèi)坡度變化的位置存在一定的水位雍高現(xiàn)象，但壅高值不大；該工況下魚(yú)道內(nèi)沒(méi)有明顯的水流能量累積現(xiàn)象，且由于下游水深較大，會(huì)顯著減小過(guò)魚(yú)隔墻(板)斷面的最大水流流速。

各工況下各測(cè)點(diǎn)流速統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。試驗(yàn)結(jié)果表明，在推薦魚(yú)道隔墻(板)布置形式下，魚(yú)道內(nèi)最大水流流速指標(biāo)為0.80～0.90 m/s，能夠較好的滿足魚(yú)類上溯需求。10 m休息池內(nèi)均存在較大范圍小流速區(qū)，可為上溯魚(yú)類提供較好休息空間。

表1 各工況下各測(cè)點(diǎn)流速統(tǒng)計(jì)

8 結(jié)語(yǔ)

貊皮嶺魚(yú)道采用仿生態(tài)魚(yú)道方案，研究推薦魚(yú)道池室采用梯形斷面形式，池室邊坡不陡于 1:2，魚(yú)道底坡為 1:250，池室長(zhǎng)為10.0 m，底寬為4.0 m；魚(yú)道隔墻(板)豎縫寬為0.5 m，隔墻整體交錯(cuò)布置，兩隔墻豎縫中心線之間偏移1.5 m，在長(zhǎng)隔墻(板)下部開(kāi)有0.4 m 高的孔洞，便于底層魚(yú)類鉆孔上溯。通過(guò)模型試驗(yàn)的驗(yàn)證，本工程采用的生態(tài)隔墻(板)布置形式，可為魚(yú)類上溯提供良好水流條件。