高水头鱼道框架结构体系研究

朱 琳，许凤荣，戴 玉

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

随着生态环境和鱼类保护意识的增强，在水利水电工程中建设鱼道等过鱼设施已经成为一种常态和重要内容[1，2]。鱼道的设计需要考虑过鱼对象种类和习性、河道水流条件、场地条件、枢纽布置及运行方式等因素，涉及鱼类学、生态学和工程学等多学科的内容[3]。近年来，高水头鱼道逐渐出现。由于线路长，水位变幅大，且多位于高山峡谷中，场地限制较多，鱼道工程方案确定过程中面临的挑战更加突出。高水头鱼道的结构体系也成为鱼道研究和设计的关键之一。根据某跨流域调水工程的高水头过鱼设施整体布置情况，系统探讨了鱼道盘升的结构布置方案，提出了基于钢筋混凝土框架结构体系的鱼道盘升设施，并对方案的合理性进行了分析和验证，以期为类似工程设计提供借鉴。

1 项目概况

为优化配置地区水资源，改善周边湖区和湖滨湿地等生态环境，实施了某跨流域调水工程。该工程大坝和电站的建设阻断了河流，会对水库坝址以上河段分布的土著鱼类产生阻隔影响，致使鱼类上溯通道阻断，因此工程设置了过鱼设施。鱼道是在河流中沟通鱼类洄游通道的设施，一般采用溢流堰式、淹没孔口式或竖缝式[4]，主要修建在中、低水头的水工建筑物中。对高水头的鱼类过坝问题，现主要采取了鱼闸、机械升鱼、人工孵化场及产卵槽等措施[5]；当综合条件复杂时，可以采用鱼道、鱼闸、机械升鱼等组合措施。本工程属于高水头大坝，根据环境评价、坝址处地形和枢纽布置情况，过鱼设施的建筑物采用了“鱼道+鱼闸”型式，如图1所示。

图1 枢纽鱼道空间关系

图2 初始方案平面布置

工程枢纽由拦河坝、泄洪洞、排沙洞、发电引水洞、电站、过鱼建筑物和生态放水建筑物组成。拦河坝为沥青混凝土心墙坝，最大坝高60.5 m，正常蓄水位1 199 m，死水位1 185 m。根据坝址处地形和枢纽布置情况，将鱼道布置在河道左岸，进口布置在拦河坝下游与泄洪洞出口之间的左岸岸边。鱼道盘升段初始方案采用填筑毛石混凝土方案，如图2所示。自河床高程盘折上升，至高程1 176.56 m 时向上游延伸穿过坝体，然后继续向上游延伸至坝轴线上游72.35 m 处，与鱼闸相接。鱼道经过试验和比较，采用垂直竖缝式，净宽1.5 m，盘升段鱼道底板起点高程1 136.50 m，穿越坝轴线至高程1 183.00 m，鱼道普通池室底坡1∶35，总爬升高度46.5 m，鱼道池室段总长度1 925.1 m。原有填筑毛石混凝土方案因投资较大，后又优化调整为“回”字形盘升框架体系方案，如图3所示。

图3 优化调整方案平面布置

2 鱼道盘升段方案比较

鱼道盘升段初始方案为填筑毛石混凝土方案，鱼道采用钢筋混凝土“槽”型结构，净宽度1.5 m，盘升段全部坐落在毛石混凝土上。进口段采用引渠与河道相接，方向指向下游，与水流方向成15°夹角，渠道宽3.0 m，渠底高程1 136.50 m。鱼道盘升形成13阶，长度1 696.49 m，后沿山坡向上游延伸228.6 m，穿越大坝至鱼闸进口。盘升段鱼道底板起点高程1 136.50 m，终点高程1 177.59 m，盘升段爬升高度41.09 m。

盘升段优化调整方案采用“回”字形盘升框架体系方案，鱼道型式、进口段和山坡段同初始方案一致，区别主要在盘升段。鱼道盘升形成10 阶，长度1 788.596 m，后沿山坡向上游延伸304.7 m，穿越大坝至鱼闸进口。鱼道进口高程1 136.50 m，在渠道末端采用1∶4升坎从底高程1 136.5 m抬升至1 137.0 m。盘升段鱼道底板起点高程1 137.00 m，终点高程1 178.475 m。盘升段爬升高度41.975 m。

经对比，2 种方案均按要求设置普通池、休息池等，能实现鱼类的盘升洄游，从而实现生态环境和鱼类资源保护。但盘升段初始方案需采取地基处理、山体稳固等措施，同时占用大面积场地、依山浇筑大量毛石混凝土，施工周期长，工程量较大，造价较高。而盘升段优化调整方案采用框架体系，鱼道盘旋上升，占用场地面积小，整体建筑物重量轻巧，仅需少量地基处理，施工作业面和难度都较小，工程量少，造价较低，但后期对整体结构的检测和维护稍多。经综合考虑，最终选择后者。

3 框架体系鱼道设计总结

3.1 最大适用高度规定

鱼道是水利水电行业特有的建筑形式，尚没有真正实施的高水头鱼道框架结构体系，因此从安全和经济方面综合考虑，有必要对采用钢筋混凝土材料的鱼道框架体系最大适用高度做出限制。鱼道处于深“V”型河谷的左岸岸边，盘升段结构形式与民用框架结构体系较相似，可以参考《建筑抗震设计规范》[6]有关规定来控制鱼道盘升段框架高度和计算指标要求。

依据《建筑抗震设计规范》，现浇钢筋混凝土框架结构房屋适用的最大高度详见表1。本工程所处地区的抗震设防烈度为8 度，设计基本地震加速度为0.229 g，地震烈度较高，普通现浇钢筋混凝土框架结构房屋不超过40 m。鱼道盘升框架是没有填充墙等外围护结构的通透框架，承受水平风荷载较小，同时也没有大面积楼板用于承担满布的竖向荷载，仅在框架中设置穿梭的鱼道，而且鱼道框架在正常情况下很少有人类活动，属于水工构筑物范畴，最大适用高度可适当放宽。综合考虑，本工程鱼道框架最大适用高度可按照表1中的地震烈度7度采用，即50 m。本次设计鱼道框架顶部高程为1 178.475 m，底部高程1 137.00 m，框架高度41.475 m，满足50 m的限值要求。

表1 现浇钢筋混凝土框架结构房屋适用的最大高度

3.2 设计方案和结果分析

鱼道盘升段布置在拦河坝下游坝脚和泄洪洞出口之间的靠河床位置，鱼道盘升形成10 阶，长度1 788.596 m，后沿山坡向上游延伸304.7 m，穿越大坝至鱼闸进口。鱼道进口高程1 136.50 m，在渠道末端采用1∶4 升坎从底高程1 136.50 m 抬升至1 137.00 m，结合生态放水系统在鱼道进口区域布置补水设施，以利于诱鱼。盘升段鱼道底板起点高程1 137.00 m，终点高程1 178.475 m。框架式鱼道每阶盘升2 圈，外圈隔20 或7 个普通池设1 个休息池，内圈隔17 或7 个普通池设1 个休息池，所有90°和180°转弯处均设置休息池，休息池长6 m 左右，鱼道池室段总长1 788.596 m，共设819 个普通池室和57个转弯休息池。框架式鱼道每阶盘升高度4.456 m，盘升10 阶至终点高程1 178.475 m 与山体相接向上游延伸穿越坝轴线至高程1 183.00 m，然后采用1∶4反坡与鱼闸进口底板高程1 183.45 m 顺畅衔接。鱼道净宽1.5 m，池室之间采用狭缝隔板分隔，鱼道普通池室底坡1∶35，单个普通池室长1.8 m，休息池平底。鱼道下构架采用现浇钢筋混凝土框架结构，由钢筋混凝土框架架起呈“回”字形旋转盘升。鱼道以结构楼板作为底板，外壁和底板厚度均为200 mm。“回”字形盘升框架结构体系鱼道的典型平面布置，如图4所示。

图4 鱼道框架典型平面布置

现浇钢筋混凝土框架结构体系基本轴网尺寸为3 m×3 m、3 m×6 m，最大高度为37～41.5 m。主要结构构件尺寸：框架柱截面为1 200 mm×1 200 mm、900 mm×900 mm，框架梁截面为600 mm×600 mm，鱼道下钢筋混凝土板厚度为200 mm。结构的安全等级为二级，设计使用年限100 a。抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.229 g，水平地震影响系数最大值为0.184，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类。整体框架参照《建筑抗震设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》[7]进行各控制指标计算分析，具体结果如下。

（1）结构刚重比均远远大于20，所以结构整体稳定性满足要求。

（2）结构抗倾覆力矩均远远大于倾覆力矩，且零应力区百分比为0，所以结构整体抗倾覆验算满足要求，验算结果详见表2。

（3）鱼道框架结构体系模型周期比小于0.9，结构体系抗扭刚度满足设计要求，即有足够的抗扭刚度保证结构的扭转效应在可控范围之内，结构平面布置合理，结果详见表3。

（4）鱼道框架最大结构位移约44 mm，最大楼层位移角1/882，满足规范要求。从位移变形角度出发，所提出的鱼道构架结构体系刚度满足设计要求。

表2 结构整体抗倾覆验算

表3 自振周期

此外，限制结构平面布置的不规则性，避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应；鱼道框架结构体系最大位移比和最大层间位移比均小于1.5，从结构位移比角度出发，结构抗扭刚度也满足设计要求。

综上，鱼道框架结构的刚重比、抗倾覆验算、周期比、位移和位移比均满足规范要求，因此鱼道结构平面布置是合理的，框架结构体系对于高水头鱼道盘升结构是适用的。

3.3 特殊技术措施

3.3.1 错层结构处理措施

鱼道在盘升过程中会形成错层结构。错层结构属于竖向布置不规则结构，错层部位的竖向抗侧力构件受力复杂，易形成多处应力集中。框架错层更为不利，容易形成长、短柱沿竖向交替出现的不规则体系，错层处的框架柱受力复杂，易发生短柱受剪破坏。

对于本工程鱼道框架的错层结构，采取以下措施，以提高其抗震承载力和延性，保证结构安全：错层处框架柱截面高度不应小于600 mm，混凝土强度等级不应低于C30，箍筋应全柱段加密配置；抗震等级应提高一级采用，一级应提高至特一级，但抗震等级已经为特一级时允许不再提高；当错层处高差大于850 mm 时，错层处采用双梁处理，高差相差不大于850 mm时，错层处双梁合并为一根梁。

3.3.2 鱼道框架与山体连接方式

框架体系鱼道和山体鱼道分属不同结构体系，框架与山体的连接较为特殊，既要保证鱼道的连续性、使用的合理性，也要保证结构的安全性和经济性。本工程参考建筑工程中对于连体结构连接处理方式，采用“弱连接”[8]，即滑动连接或设置黏滞阻尼及限位系统的弹性连接。

本工程鱼道框架与山体相距11.5 m，连接体采用焊接钢管组成的钢桁架结构，鱼道从桁架内部穿过，采用焊接钢板防腐鱼道方案。钢桁架两端连接节点可以采用滑动连接方案或弹性连接方案。前者是桁架两端分别设置滑动支座和固定铰支座；后者是在桁架两端均设置黏滞阻尼及限位系统的夹层钢板橡胶支座。考虑后者既能减轻桁架及其支座受力，又能控制桁架的振动在合理允许范围之内，本工程采用的是设置黏滞阻尼及限位系统的弹性连接，如图5所示。

4 结语

图5 弹性连接节点示意

鱼道作为一种生态友好的水利设施，不仅要满足过鱼对象的种类和习性的功能需要，真正形成鱼类洄游的上溯通道，同时也应兼顾整体结构设计的合理性和经济性。本文系统探讨了鱼道“回”字形盘升框架体系方案的整体布置，并对方案的合理性进行了分析和验证，同时针对设计难点提出了解决方案。本方案适应高山深“V”形的狭窄河谷，为高水头穿越枢纽的过鱼设施设置提供了一种新思路，为今后的类似工程设计提供了有益借鉴。