洋溪水利樞紐橫隔板式魚道設計

望燕慧，薛 淑，莫祖韜

（1.廣西水利電力勘測設計研究院有限責任公司，南寧 530023；2.南京水利科學研究院，南京 210000）

1 工程概況

洋溪水利樞紐工程是國務院批準的《珠江流域防洪規劃》《珠江流域綜合規劃（2012—2030年）》確定的柳江重要防洪控制性工程，是國務院確定的172 項節水供水重大水利工程之一，工程任務以防洪為主，兼顧發電和航運等綜合利用。工程與落久水庫聯合調度，可將柳州市防洪能力由50年一遇提高到100年一遇，社會效益顯著；工程利用上游梅林～下游麻石梯級落差29 m 發電，可緩解柳州缺電局面，促進經濟發展。工程建成以后，與上游梅林航電梯級一起（梅林為洋溪的庫中庫），可渠化貴州省從江航電樞紐至廣西壯族自治區洋溪樞紐之間約70 km的航道，為打通西江黃金水道北線通道提供條件。洋溪水利樞紐工程攔河大壩最大壩高75.5 m，大壩的建設隔斷了魚類洄游的通道，樞紐擬同步建設魚道工程，洋溪魚道最大設計水頭為30 m。

2 過魚種類特性分析

洋溪水利樞紐所在的柳江干流都柳江有魚類88種，其中庫區所在江段漁獲物共捕獲其中30種，魚類以流水或急流型底層魚類為主。本工程實施過魚措施主要為滿足鰱、草魚等生殖洄游需求和解決壩上、下游的魚類基因交流問題，因此過魚對象應為河道中全部種類，其中重點過魚對象為鰱、草魚、銀鮈、斑鳠、大鰭鳠等種類。

（1）鰱。棲息于水體的中上層，多于4～6 月進行繁殖產卵，3齡可達性成熟。

（2）草魚。喜棲息于江河湖泊等水域的中下層和近岸多水草區域，具河湖洄游習性。生殖期為4～7 月，比較集中在5 月間。4 齡魚達性成熟時，體長約為740 mm。

（3）斑鱯。棲息于江河的底層，以小型水生動物為食。每年4～6月繁殖，躲在礫石中產黏沉性卵。

（4）大鰭鳠。為底棲性魚類，多棲息于水流較急、底質多石礫的江河干、支流中，6～7 月為繁殖季節，在流水灘上產卵，卵黏附于石塊上發育。

（5）銀鮈。棲息條件為靜水或微流水環境的淺水地帶，喜棲息于水體的中、下層。生殖期為5月。

綜上所述，根據過魚對象的生活及繁殖特性，洋溪魚道主要的過魚季節為每年的4～7月。過魚對象中，以草魚個體最大，因此，考慮設計過魚對象體長范圍為10～70 cm。研究表明，鰱、草魚等克流能力約為1.0～1.9 m/s，其它種類如斑鳠、大鰭鳠等均為喜流水的種類，具有較強的游泳能力，有的可達2.5 m/s。根據上述特點魚道的設計流速取1.0 m/s，局部最大流速≤1.1 m/s。

3 魚道運行水位的確定

魚道的運行水位包括：上下游最高和最低運行水位、上下游檢修水位、上下游設計洪水位、上下游校核洪水位等。魚道的運行水位區間，受過魚季節影響，對魚道邊墻高程、魚道進出口數量、魚道總長度、魚道工程投資等都影響較大。魚道的檢修水位、設計洪水位、校核洪水位根據魚道建筑物的工程級別按相應的洪水標準確定。魚道的運行水位應根據規范并結合工程特點綜合選用。過魚季節越長上下游運行水位變幅越大，則運行水頭越高、工程投資越大。從水生態恢復的角度，為了達到較好的過魚效果，一般要求過魚季節越長越好。目前規范和設計導則對保證率沒有做硬性要求，需要結合具體的工程特點綜合確定魚道的運行水位，以滿足水生態恢復和控制工程成本的雙向平衡。

3.1 魚道上游運行水位選取

每年4～7 月過魚期間，根據運行調度規則，4月～5 月11 日為非汛期，電站主要維持正常蓄水位163.00 m 運行發電；5 月11 日～7 月為汛期，受防洪調度要求，水庫水位絕大部分時段維持在汛限水位153.00 m運行。上游水位變幅高達10 m，從水生態恢復常規思路設計需要設置5個出魚口。工程根據運行調度特點，統計分析得到：4 月～5 月10 日（非汛期）水庫運行水位維持在163.00 m 運行，時間占比為32.13%；5月11日～7月底在153.00 m運行，時間占比為64.13%，在153.00～163.00 m 水位變幅區間運行時間占比很短，為3.64%。因此，魚道上游最高運行水位取正常蓄水位163.00 m，最低運行水位為汛限水位153.00 m，153.00～163.00 m 區間運行歷時很短不考慮過魚，過魚歷時保證率可達96.26%。

3.2 魚道下游運行水位選取

魚道下游運行水位直接受電站發電和閘壩泄水的影響，同時受下游麻石電站運行回水影響。1～3 臺機組滿發下泄流量，對應下游水位為134.29～135.76 m；過魚季節4～7 月，下游水位在137.00 m以下的時間比例為94.54%（H～Q下包線），因此下游最高運行水位取137.00 m。1991—2015 年共25 年間麻石實際運行水位在130.20～134.00 m之間，其中具有90%保證率以上都是在132.77 m 運行。按麻石多年運行具有90%保證率的實際運行情況，下游最低運行水位可取132.77 m；結合洋溪1 臺機組發電下游水位為134.29 m，綜合考慮后，選取魚道下游最低運行水位取133.00 m。下游運行水位為133.00～137.00 m，變幅為4.00 m。

4 魚道池室流場局部模型試驗

4.1 研究內容

通過建立大比尺（1∶4）水工物理模型（見圖1），分析了各隔板之間的水流流態和局部水流現象，全面了解魚道水池內水流的平面和空間分布，優化魚道的結構及運行參數，以達到提高魚道過魚效果的目的。研究內容包括過魚孔（縫）最大流速、普通池室流態特性、180°轉彎段流態特性等。

圖1 魚道池室局部模型試驗照片

4.2 過魚孔（縫）最大流速

魚道池室隔板豎縫的最大流速直接關系到魚類能否順利由下一級池室洄游到上一池室。試驗選取3#～17#隔板過魚豎縫的最大流速進行測量。一般池室內最大流速出現在豎縫前緣或后緣，在局部物理模型中將過魚孔（縫）最大流速測點布置在豎縫后緣，采用旋漿流速儀對隔板豎縫的不同高程的最大流速進行了測量，每個隔板豎縫從下到上分別測量了5個位置，測點平面和立面位置見圖2、圖3。流速試驗結果見表1和圖4、圖5。

表1 各過魚孔測點流速m/s

圖2 隔板過魚縫流速測點平面位置

圖3 隔板過魚縫流速測點立面位置

圖4 池室沿程隔板豎縫流速

圖5 典型池室隔板豎縫流速分布

由表1和圖4、圖5可知：

（1）推薦坡度1∶45 下，L 型隔板魚道豎縫平均流速為0.94 m/s，豎縫最大流速Vx為1.05 m/s，局部物理模型測量的魚道豎縫流速平均值和流速最大值與三維數值模擬結果基本一致。

（2）從隔板豎縫垂向最大流速變化看，豎縫內最大流速值沿水深變化較小，3#～17#隔板實測的豎縫垂向最大流速變化為0.14 m/s，豎縫內不同水深的流速基本一致。

（3）3#～17#隔板豎縫沿程最大流速為0.93～1.05 m/s。10#～12#隔板位于180°彎道平底休息池交界前后，豎縫流速均勻度稍差；沿程各隔板過魚豎縫最大流速平均值無明顯增大或減小現象，說明魚道底坡和過魚豎縫尺寸設計合理。

4.3 普通池室流態特性

采用ADV 流速儀測量了一個典型池室不同水深處的流場分布情況，典型池室內測量了6個斷面，池室內各斷面測點位置見圖6。池室內不同深度測點流速見表2，典型池室流場分布見圖7。

表2 典型池室內實測流速

圖6 池室流態測點位置圖

圖7 典型池室流場分布圖

由表2和圖7可知，在坡度1∶45下，L型隔板魚道池室內大部分區域流速大于魚類的感知流速0.2 m/s，池室內主流流速在0.35～0.80 m/s 之間；主流流向變化較平順，無明顯的扭曲，水流主流在池室內成相對較緩的“S”形流線，有利于目標魚類沿著主流上溯洄游；豎縫表面水流流向明確，無明顯水位跌落，豎縫出口附近最大流速約為0.94 m/s；主流到池室中間3#～4#斷面，主流區最大流速0.7 m/s，且范圍較小，有利于魚類持續上溯洄游。

4.4 180°轉彎段休息池流態特性

采用ADV 流速儀測量了一典型180°彎道休息池流場分布情況。休息池局部物理模型采用L型隔板、豎縫異側布置，并在池室中間設置長隔墻的休息池型式。休息池內測量了5 個斷面，池室內各斷面測點位置見圖8。彎道休息池內不同測點流速見表3，休息池池室水流流態見圖9。

表3 180°彎道休息池內流速指標

圖8 180°休息池池室測點位置圖

圖9 休息池池室水流流態

由表3和圖9可知，在坡度1∶45下，推薦的180°彎道休息池內主流流速在0.35～0.55 m/s之間，并在彎道處形成較為明顯的180°的環流曲線。休息池中間無大尺度大回流，有利于目標魚類找到上溯的方向。休息池內小于0.2 m/s的低流速區域較大，可供魚類上溯過程中暫時休息，恢復體力，有利于提高目標魚類的通過效率。

4.5 研究結論

對魚道隔板豎縫流速、一般池室和180°彎道休息池的流速流態特性進行驗證，并得出以下結論：

（1）三維紊流數學模型推薦采用的魚道底坡、隔板豎縫、水池尺度等主要參數是合理的，能夠滿足設計要求。

（2）三維紊流數學模型推薦采用的L型隔板型式下，洋溪樞紐魚道池室內主流流向變化較為平順，主流無明顯的扭曲，水池內流態平穩。

（3）推薦方案下魚道豎縫出口附近最大流速約為1.05 m/s，滿足魚道最大流速≤1.1 m/s 的要求，沿程隔板過魚豎縫最大流速平均值無明顯增大或減小現象。池室內主流流速在0.35～0.80 m/s之間，有利于目標魚類沿著主流上溯洄游。

5 魚道整體物理模型試驗

洋溪水利樞紐魚道整體物理模型比尺1∶10，魚道底坡坡度為1∶45，設計2 個進魚口、2 個出魚口，隔板數量255道，整體模型包含了2個分流口，底坡為平底的暗涵段、穿壩段，若干180°轉彎休息池、140°轉彎休息池、90°轉彎休息池、順直段休息池。

進魚口布置橫斷面為矩形，寬1 m，通過45°漸擴斷面與魚道等寬（2.0 m）的矩形斷面連接。魚道整體模型照片見圖10。

圖10 魚道整體物理模型照片

試驗內容：多個運行工況下的隔板豎縫流速指標，沿程水面線分布、進魚口補水流量等。

整體模型試驗的目的在于測量整個魚道內的水流條件，分析不同水位組合下的過魚效果，對于進口流速過小的工況提出合理的補水措施以達到誘魚條件。

整體物理模型試驗成果表明：

（1）洋溪樞紐魚道在各水位組合工況下各隔板之間水流流態較好，水流消能較為充分，且無明顯水流跌落現象，推薦的L型隔板型式和1∶45的池室坡度合理，魚道池室設計滿足要求。

（2）各工況下魚道進口段水流流速整體偏小，除魚道進口水深為1.5 m 的工況進魚口流速達到0.3 m/s，滿足進魚口感應流速要求，其余進口水深＞1.5 m 的工況，均需采取補水措施，人為提高進魚口流速，改善誘魚效果。試驗報告提出了進魚口補水系統布置方案，并通過試驗提出補水系統進行0.75 m3/s 不間斷補水的方式，在進魚口可形成較好的誘魚流速條件。

6 洋溪魚道總體布置方案

洋溪魚道穿壩段軸線位于廠房進水口和左岸非溢流壩之間的5#非溢流壩，主要建筑物包括擋洪閘、進口閘、出口閘、觀測室、魚池等。

魚道進口布置在廠房尾水出口下游約50 m處，發電尾水水流流經該處。主要過魚季節為每年的4～7 月，魚道下游運行水位區間為133.0～137.0 m，水位變幅4.0 m。共設置2 個魚道進口，即1#、2#進口，兩個進口閘聯合集中布置，進口高程分別為131.5、133.5 m。

魚道出口布置在廠房進水口壩段上游約100 m處的河岸左側，兩個出口閘聯合布置，出口處水流平穩，流速較小?？紤]按不同的過魚水位設置2 個魚道出口即1#出口、2#出口，出口底板高程分別為151.50、161.50 m。

魚道擋洪閘結合左岸5#非溢流壩布置，擋洪閘頂高程190.5 m，與壩頂相同。閘頂設啟閉機房。壩內設高低錯開的兩個穿壩孔口，設計水深1.5 m。1#孔口設1扇工作閘門和1扇檢修閘門，2#孔口設1扇工作閘門。采用液壓啟閉機房內的固定式卷揚機對閘門進行啟閉。

魚道池室分為平段和斜坡段。平段主要布置在休息池、過渡段、暗涵、進出口閘段和分流閘段位置。斜坡段坡度1∶45，穿插平段布置，每隔15～20塊隔板設魚道休息池1個，休息室長5 m。

為觀測魚道中魚類洄游的數量、種類，結合魚道平面布置，在左岸非溢流壩段下游壩坡與開關站之間的魚道水池頂部設觀察室。觀測室凈寬6.4 m，凈長10.0 m。觀測室地面高程158.5 m，觀測人員可透過玻璃窗直觀觀察高孔過魚情況，還可通過樓梯下到150.0 m 高程，觀察低孔過魚情況。設備儀器室布設在低孔魚道上部樓板上，主要用來放置攝像機屏幕等儀器。