貊皮岭鱼道水力特性的模型试验研究

杜永江

(广东珠荣工程设计有限公司，广东 广州 510610)

1 工程概况

信江位于江西省东北部，属鄱阳湖水系，八字嘴航电枢纽工程位于信江下游河段，是界牌航电枢纽以下至鄱阳湖段二级开发方案中的一个梯级，八字嘴航电枢纽工程下距余干县城约12 km(见图1)。

图1 枢纽位置示意

坝线处河面开阔，枢纽总体布置采用集中布置的方式，由虎山嘴枢纽和貊皮岭枢纽及中间土坝共同组成(见图2)。两个枢纽均为左岸布置船闸，右岸布置厂房及鱼道，河床中间布置泄水闸,管理区布置在两河中间岛上坝轴线的下游侧。枢纽分别由西、东大河上的通航、挡水、泄水、发电及过鱼设施等建筑物共同组成[1-2]。

图2 枢纽总体布置示意

2 枢纽区段主要保护鱼类

信江鱼类资源丰富，经济鱼种类较多，枢纽的过鱼保护对象主要是信江干流洄游鱼类和江湖洄游鱼类，以“四大家鱼”和赤眼鳟、鳤、鳡、鳊等经济鱼类为主，同时为原有珍稀鱼类(如鲥鱼)重新回到信江中下游创造基本条件。

鱼道主要过鱼对象需要通过该鱼道溯河上行的时段如下：鰣鱼产卵时间多在6—7月间12:00至18:00；青鱼在5—7月，常由长江中、下游溯游至流速较高的场所产卵繁殖；草鱼一般在4月下旬开始产卵；鲢鱼在4月中旬开始繁殖；鳙鱼的产卵期在4—6月。据此，设计中确定鱼道的主要过鱼季节为4—7月。

3 貊皮岭鱼道设计

八字嘴航电枢纽貊皮岭坝址位于枢纽西大河一侧，距上游河道分岔口约900 m。鱼道布置在枢纽中部的洲滩之上，场地空间相对较为充裕，具有良好的鱼道布置条件，鱼道采用仿生态鱼道形式，利用电站尾水进行诱鱼[3-5]。鱼道进口布置在电站厂房尾水渠右岸滩地，鱼道出口布置在中间河滩地的最上游。鱼道有效爬升段总长度约为1 265 m，平均坡度为1/250，平均糙率为0.08，鱼道每级池室长为10.0 m，底宽为4 m，边坡不陡于 1:2，隔墙采用人工石笼或卵石堆砌，厚为0.6 m，长短隔墙(板)交错布置，隔墙(板)竖缝为0.5 m，两竖缝中心线之间偏移1.5 m，进、出口均布置检修闸门，穿土坝位置设置挡洪闸门[6-8]。鱼道平面布置见图3，剖面示意见图4。

图3 鱼道平面布置示意

图4 鱼道剖面示意(单位：mm)

鱼道上下游运行水位直接影响到鱼道在过鱼季节中是否有适宜的过鱼条件；上下游的水位变幅也会影响鱼道出口和进口的水面衔接和池室水流条件[9-12]。

貊皮岭鱼道过鱼季节出口设计水位为正常蓄水位18.0 m，鱼道进口设计低水位取枢纽区过鱼季节 4 —7月1台机发电水位，为 12.95 m；高水位取八字嘴枢纽1 100 m3/s停机流量所对应的貊皮岭坝址下游水位，为14.23 m，下游水位变幅为1.28 m。鱼道进出口水头差为5.05～3.77 m。

4 鱼道准整体水工物理模型

貊皮岭鱼道准整体水工试验模型包含鱼道进口段、普通池室段、穿坝平段、休息池及鱼道出口等，通过开展试验研究可对鱼道池室内部整体水动力特性以及穿坝平段、鱼道进口等关键部位水流条件进行全面分析[2]。

模型按照重力相似准则设计，长度比尺L=10。模型与原型各物理量的换算关系为：流速及时间比尺为：L1/2=3.16；流量比尺为：L5/2=316.23。鱼道整体模型见图5。

图5 鱼道整体水工试验模型示意

整体模型对鱼道各特征部位及不同隔墙布置形式进行了细致模拟，主要包括：鱼道主体段、鱼道进出口段、穿坝平段以及休息池段等。仿生态鱼道与工程鱼道存在较大差别，其建筑材料可选用天然卵石块，以便营造更好的、贴近自然的水力生境，其断面型式亦多采用与原河道较为契合的梯形过水断面。在模型中，为了对这一池室结构进行准确模拟，也采用特定的卵石铺设，并设置了不同的隔墙布置形式(卵石子堆砌或石笼隔墙、混凝土隔墙表面镶嵌卵石、不透水混凝土隔墙等)，以便为设计部门选择实施方案提供更为全面的基础资料。模型总长度约为88 m，共设置了82道隔墙(包括穿坝段对称隔墙)，在鱼道转向弯折段设置休息池，休息池约两倍普通池室长度。为了便于对比分析，将鱼道隔墙自下游进鱼口到上游依次进行编号，除了穿坝平段5块隔墙(板)单独编号为A#～E#，其余竖缝式隔墙依次为1#～77#。其中穿坝平段两侧的竖缝隔墙号为28#、29#，休息池两侧的隔墙编号分别为21#、22#和47#、48#。为了准确模拟实际设计方案中的结构和材质，模型中第34#～44#隔墙采用卵石子堆砌(或石笼)的形式，第58#～67#采用砖砌(混凝土)隔墙表面镶嵌卵石的形式，其余隔墙采用不透水的混凝土隔墙形式(见图6)。在模型上下游均设置调控装置，可对不同水位组合进行精确模拟。

图6 模型整体布置及典型断面隔墙(板)示意

1) 鱼道池室采用梯形断面形式，隔墙整体交错布置，在长隔墙下部开有40 cm高的孔洞。

2) 考虑到仿生态鱼道施工布置时可能会受到实际地形、地貌条件等影响，因此在模型中亦对天然弯曲形态、池室隔墙变化等因素进行了考虑，便于调整鱼道池室结构。

3) 在穿坝段，为了便于工程施工及其他水工建筑物布置，采用规则矩形断面，对称隔墙(板)布置形式。

5 试验工况

八字嘴航电枢纽为径流式电站不承担防洪任务，故对洪水无调节作用。在鱼道主要过鱼季节，八字嘴上游水位通过枢纽发电和泄水闸泄水相结合的方式进行调控，当鱼道开启运行时，可保持上游水位 18.0 m。而对于貊皮岭鱼道下游进口附近，则存在 3 种典型水位：1台机组发电水位 12.95 m；2台机组发电水位13.53 m；八字嘴枢纽1 100 m3/s停机流量所对应的貊皮岭河道下游水位14.23 m。竖缝+贴坡底孔综合考虑各种水位组合，本研究在数值模拟研究成果的基础上制定物理模型主要试验工况如下所示：

工况一：鱼道进口水深1 m，1 台机组发电；

工况二：鱼道进口水深1.58 m，2 台机组发电；

工况三：鱼道进口水深2.28 m，最大过机流量。

6 测点布置

在貊皮岭鱼道水工模型试验中分别在鱼道进口、穿坝平段、隔墙(板)竖缝、贴坡底孔等关键部位布设了流速测点，以便全面掌握鱼道池室内部水力特性。自模型下游至上游共布置26个测控断面，其中鱼道进口平段布设1个测控断面、穿坝平段布设4个测控断面，其余布置在鱼道爬升段(见图7)。每个测控断面上沿水深方向布置3个流速测点，同时在贴坡底孔位置再分别布设1个流速测点，模型中流速测点共计125个。

图7 鱼道测点位置示意

7 试验结果

工况一：鱼道内整体水面较为平稳，无大幅度突变现象，表明鱼道内无明显水流能量累积现象，隔墙(板)布置形式较为合理；在鱼道普通池室与各平段(穿坝平段、休息池、鱼道进口)交接位置附近存在一定的水面雍高现象，这一现象主要是由于鱼道底坡坡度变化引起，其中由于穿坝平段较长，其上游侧水面雍高影响范围亦较大；模型中存在3种不同隔墙(板)建设形式，不同隔墙形式变化时会产生一定的水面线波动现象，但程度较小；鱼道内的局部水面雍高变化对鱼类上溯无不良影响，且由于水面雍高会减小局部水流流速，对上溯有利。

工况二：鱼道内整体水面较为平稳，由于下游水位较高，自上游至下游水深逐渐增加，无大幅度突变现象，表明鱼道隔墙(板)布置形式较为合理；在鱼道内坡度变化的位置存在一定的水位雍高现象，如穿坝平段、休息池等。鉴于穿坝段水平段较长，因此在其上游侧水面雍高较为明显，但壅高值不大；与工况一类似，由于模型中存在3种不同隔墙(板)建设形式，不同隔墙形式变化时会产生一定的水面线波动现象，但程度较小；该鱼道内没有显著的水流能量累积现象，水流整体平稳，且由于下游水深升高，会减小过鱼隔墙(板)断面的最大水流流速，利于鱼类上溯。

工况三：与工况二类似，鱼道内水面线变化整体较为平顺，由于下游水位较高，自上游至下游水深逐渐增加；同样在鱼道内坡度变化的位置存在一定的水位雍高现象，但壅高值不大；该工况下鱼道内没有明显的水流能量累积现象，且由于下游水深较大，会显著减小过鱼隔墙(板)断面的最大水流流速。

各工况下各测点流速统计见表1。试验结果表明，在推荐鱼道隔墙(板)布置形式下，鱼道内最大水流流速指标为0.80～0.90 m/s，能够较好的满足鱼类上溯需求。10 m休息池内均存在较大范围小流速区，可为上溯鱼类提供较好休息空间。

表1 各工况下各测点流速统计

8 结语

貊皮岭鱼道采用仿生态鱼道方案，研究推荐鱼道池室采用梯形断面形式，池室边坡不陡于 1:2，鱼道底坡为 1:250，池室长为10.0 m，底宽为4.0 m；鱼道隔墙(板)竖缝宽为0.5 m，隔墙整体交错布置，两隔墙竖缝中心线之间偏移1.5 m，在长隔墙(板)下部开有0.4 m 高的孔洞，便于底层鱼类钻孔上溯。通过模型试验的验证，本工程采用的生态隔墙(板)布置形式，可为鱼类上溯提供良好水流条件。