西藏拉洛水利枢纽工程鱼道设计研究

2022-11-23张文传王改会

水利水电快报 2022年11期

张文传，高乐，王翔，王改会

(1.流域水安全保障湖北省重点实验室，湖北武汉 430010； 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉 430010)

0 引言

随着闸坝工程的建设，鱼类等水生生物的洄游通道将被隔断，对鱼类的上溯洄游、产卵繁殖及基因交流等造成一定的影响[1]。近年来，生态保护越来越受到社会、国家和行业的重视，过鱼设施成为了减缓闸坝工程对河流生态环境影响的重要措施之一[2]。

鱼道是最常见的过鱼设施，为保证鱼道的过鱼效果，进出口的选址设计尤为重要。当前的研究更多聚焦于鱼道进口、池室结构及布置方式，对鱼道出鱼口的研究较少。因此，本文结合拉洛水利枢纽工程上游水位变幅大的情况，开展了多出鱼口的鱼道布置方式研究，以减缓拉洛水利枢纽建成后对鱼类的阻隔影响，并为类似工程提供参考。

1 工程概况

拉洛水利枢纽工程位于西藏日喀则市萨迦县境内，雅鲁藏布江右岸一级支流夏布曲干流上。夏布曲流域面积5 417 km2，全长185 km，天然落差1 618 m，在萨迦县吉定乡出岗汇入雅鲁藏布江。工程坝址海拔高程4 300 m，下距汇入口约50 km。枢纽从左到右依次布置有溢洪道、沥青混凝土心墙砂砾石坝、泄洪发电隧洞和鱼道(图1)等，坝下游建有拉洛水电站(生态水电站)[3]。

图1 拉洛水利枢纽工程布置Fig.1 Layout of Laluo Hydro Project

2 过鱼目标及习性

2.1 过鱼目标

过鱼设施不仅需要考虑洄游鱼类，工程建设对空间迁徙产生影响的所有鱼类也应考虑。选择过鱼对象时，具有洄游特性的鱼类，受到保护的鱼类，珍稀、特有及土著、易危鱼类，具有经济价值的鱼类以及其他具有迁徙特征的鱼类应优先考虑[4]。

依据鱼类资源的调查结果，工程影响区无国家Ⅰ，Ⅱ级保护鱼类，尖裸鲤、黑斑原鮡、巨须裂腹鱼、拉萨裸裂尻鱼、双须叶须鱼、异齿裂腹鱼、拉萨裂腹鱼等7种鱼均为雅鲁藏布江中上游干支流特有鱼类。黑斑原鮡主要分布在坝下游，坝上游河段没有其适宜的产卵场分布，过坝意义不大；尖裸鲤、巨须裂腹鱼在坝上游分布很少。因此，拉洛水利枢纽的主要过鱼对象是双须叶须鱼、异齿裂腹鱼、拉萨裸裂尻鱼和拉萨裂腹鱼等4种。

2.2 过鱼季节

具有生殖洄游习性的鱼类性成熟之后，在春季水温上升时，一般会沿河上溯至具有产卵条件的产卵场进行繁殖，所以对于生殖洄游的鱼类，可以根据主要过鱼对象繁殖时间来确定主要过鱼季节[5]。

根据主要过鱼对象繁殖时间，拉洛水利枢纽过鱼设施过鱼季节取3～8月(表1)。

2.3 游泳能力

鱼道进口、竖缝及出口等关键位置的设计流速是关系到鱼类能否顺利通过的关键因素，这些流速的取值与目标鱼类的游泳能力有着密切的关系[4]。鱼类感应流速反映了鱼类产生趋流行为的最小流速；临界流速也称为最大可持续游泳速度，反映了鱼类有氧代谢时的最大游泳速度；突进游速是鱼类所能达到的最大速度。鱼道最小设计流速必须高于鱼类感应流速，最大设计流速可按过鱼对象中平均规格尺寸鱼类的临界速度以及幼鱼的突进流速来综合确定。

综合对比4种鱼类的特征流速(表2)，感应流速相差不大，均在0.07～0.12 m/s之间；临界游速在0.74～0.98 m/s之间；突进游速差异很小，均在1.14～1.27 m/s之间。随着体长的增加，感应流速随之增大，突进游速变化不大。

3 鱼道设计

过鱼设施主要有鱼道、仿生态式鱼道、升鱼机、鱼闸和集运鱼设施等。鱼道能充分利用鱼类自身的溯游能力过坝，是目前应用最广泛的过鱼设施。根据拉洛水利枢纽工程特点并结合生态环保部意见，对鱼道和升鱼机两种过鱼设施进行比选后采用鱼道。

3.1 设计主要参数

3.1.1 运行水位

拉洛水利枢纽过鱼期鱼道上游最高运行水位为正常蓄水位4 298.00 m，最低运行水位为死水位4 287.00 m；下游最高运行水位为4 260.51 m，最低运行水位为4 258.10 m。鱼道的最大工作水头为39.90 m，最小工作水头为26.49 m；上游水位变幅11.00 m，下游水位变幅2.41 m。

3.1.2 设计流速

鱼道的设计流速主要根据主要过鱼对象的克流能力而定，为保证不同种类过鱼对象的过坝需求，通常以游泳能力较弱的鱼类突进游度作为取值依据。根据克流能力试验成果，测试突进游泳速度最小的为双须叶须鱼，其突进游速范围为0.98～1.33 m/s，平均值为1.14 m/s。因此过鱼断面最大流速宜小于1.14 m/s，最大设计流速取1.10 m /s。

3.1.3 特征尺寸

根据SL 609-2013《水利水电工程鱼道设计导则》与NB/T 35054-2015《水电工程过鱼设施设计规范》，鱼道主要结构尺寸视鱼类习性和过鱼规模而定。鱼道池室宽度不应小于最大过鱼目标体长的2倍；池室长度不应小于最大过鱼目标体长的2.5倍；池室长宽比宜取1.2～1.5。

拉洛水利枢纽鱼道(简称“拉洛鱼道”)主要过鱼对象性成熟个体平均体长在30～40 cm，根据已建工程经验，鱼道池室净宽取2.0 m，单个过鱼池长度取2.5 m。由于过鱼对象主要为底层鱼，池室水深宜取大值。综合考虑过鱼对象习性，兼顾上下游水位变幅情况，池室水深为1.0～3.4 m。

3.2 鱼道线路选择

鱼道通常沿河道岸边布置，进鱼口一般布置在经常有水流下泄、鱼类洄游路线及经常集群的地方，且尽量靠近鱼类能上溯到达的最前沿[6]。

拉洛水利枢纽工程坝区近岸分布有8个滑坡体，左岸坝下游HB12号(图2)为体积大于100万m3的大型滑坡，其余为中、小型滑坡；另外，在左岸坝上游存在325万m3堆积体。从地质条件考虑，鱼道若布置在左岸，将给滑坡体处理带来较大难题。

图2 坝址滑坡体分布示意Fig.2 Sketch of distribution of slope at dam site

根据拉洛水利枢纽工程建筑物布置方案，拉洛水电站布置在右岸，主要利用泄放生态水流发电，电站尾水渠有常泄水流，且流速大小适宜；左岸为溢洪道，其下游区域或为静水，或流速过大。因此右岸具备诱导鱼类上溯的条件，鱼道线路布置选在右岸。

3.3 鱼道布置

鱼道布置在右岸电站厂房尾水渠左侧边坡上，全长约为2 194 m，设有1个进鱼口和6个出鱼口。主要建筑物包括进鱼口、过鱼池、休息池和出鱼口等(图3)。

图3 过鱼池布置示意(尺寸单位：cm)Fig.3 Sketch of fish pond

3.3.1 鱼道进口

进鱼口的布置需结合电站尾水渠的水位变化、水力学特性、鱼类洄游路线以及河岸地形条件等因素进行考虑。因此，鱼道进鱼口布置于拉洛电厂尾水渠左侧末端，利用电站尾水诱鱼。进鱼口宽2.0 m，底板顶高程4 257.20 m，轴线与尾水渠轴线交角为30°。

3.3.2 过鱼池和休息池

过鱼池和休息池结构为整体“U”形结构，单个过鱼池净宽2.0 m，长2.5 m，底坡1∶50，每间隔20个过鱼池设置一个长5.0 m、底坡为1∶100的休息池。过鱼池及休息池隔板采用单侧导竖式，隔板厚20 cm，竖缝宽度为35 cm。

3.3.3 鱼道出口

鱼道出口应近岸布置，并远离泄水建筑物、发电厂房的进水口，出口高程应能适应上游水位涨落的变化。鱼道上游设6个出鱼口，出鱼口净宽2.0 m，按照底高程由低至高编号为1～6号。1～6号出鱼口的底板顶高程依次为4 285.80，4 288.00，4 290.20，4 292.40，4 294.60，4 296.80 m，相邻出口的高差为2.20 m。1～4号进口闸门上部设胸墙挡水，并在门前设检修门槽；5号、6号闸门由于底部高程较高，可利用库水位低于出鱼口底高程的期间检修工作闸门，不设检修门槽。

当水位在死水位4 287.00 m至正常蓄水位4 298.00 m变化时，可根据水位启、闭相应出口的闸门，使运行的出鱼口水深在1.2～3.4 m之间。1～6号出口距坝轴线的距离分别为59.91，102.22，142.60，186.67，189.42 m。

3.3.4 防冻胀设计

拉洛水利枢纽工程位于海拔4 000 m以上的严寒地区，多年平均气温4.8 ℃，月平均气温最高为12.7 ℃(7月)，月平均气温最低为-4.8 ℃(1月)，极端最高气温28.2 ℃，极端最低气温-23.9 ℃，多年平均日照时数3 201.3 h，最大冻土深101 cm。鱼道建筑物防冻胀设计采用C25F200W6抗冻混凝土，水位变幅区部位采用防冻涂料涂抹，鱼道外侧自建基面起铺设砂卵石，厚度不小于1.5 m，防止地基冻胀对结构造成破坏。

3.4 水力学计算及模型试验

3.4.1 鱼道进鱼口流场计算

根据枢纽下游河道实际地形数据，建立进鱼口水域二维自由表面流场计算模型。

影响拉洛鱼道进鱼口水域流场形态和流速分布的主要因素包括：下游河道的水位、电站下泄流量和鱼道下泄流量。根据上述3个因素的组合，得出的进鱼口流场计算工况见表3，鱼道进鱼口流场分布见图4。

表3 鱼道进鱼口流场计算工况Tab.3 Calculation of flow field in entrance of fishway

图4 鱼道进鱼口流场分布Fig.4 Flow field of entrance of fishway

根据计算结果，电站和鱼道水流与岸线呈30°夹角斜射向下游，并形成比较明显的流速带，主流流速在0.1～0.6 m/s之间，适宜鱼类上溯。依据鱼类克流上溯的习性，推断鱼道的进鱼口布置可诱导洄游至坝下游水域的鱼类上溯。

3.4.2 1∶10局部模型试验

(1) 模型布置及设计。模型比尺1∶10，按重力相似准则设计[7]。模拟长度包括约50个池室、3个休息室以及鱼道进口部分(总长度约200 m)，并模拟了鱼道进口和河道地形相连接的部位、电厂尾水下游部分地形。模型布置中，鱼道池室以及隔板采用有机玻璃进行制作，闸室上游量水堰及水库采用砖混凝土进行制作，下游部分地形利用水泥砂浆进行制作。模型鱼道布置见图5。

图5 鱼道模型布置Fig.5 Layout of fishway model

(2) 试验工况。根据拉洛鱼道上下游水位变化情况，对水位进行了组合，形成相应的试验控制工况，具体工况见表4。

表4 模型试验工况Tab.4 Condition of model test

(3) 试验成果。当鱼道上游出口水深逐渐抬高时，鱼道下泄流量随之增大。当鱼道出口水深从1.2 m升高到3.4 m时，鱼道下泄流量从0.31 m3/s增加到0.93 m3/s。

鱼道设计水深条件下，隔板前水位略有壅高，竖缝处形成跌落，水流经竖缝调整后，主要顺竖缝向右以45°角进入第一级池室，在池室内的形态主要呈“S”形，主流流线较为顺直、简单，池室内两侧边墙附近水流为弱回流，较宽隔板(右侧)上下游较小范围内为流速较小或呈静水状态。整个池室内水流较为平稳，流态良好，比较适合鱼类不间歇地洄游上溯。

在沿程池室内水深均匀相同时，上下级池室内水位差均为0.05 m，基本和池室底板坡度1/50相同。池室竖缝测点流速在1.0～1.1 m/s，池室内主流流速0.4～0.8 m/s，主流流速变化也比较顺畅，且池室流速较小和静水的区域面积比较适中，有适合鱼群洄游上溯的空间。