适应上游高水位变幅的升鱼塔结构设计及运行流程

2022-12-19杨智周昀辛立光孟勇

东北水利水电 2022年12期

杨智，周昀，辛立光，孟勇

（1.四川省水利水电勘测设计研究院有限公司，四川成都 610000；2.四川省水利规划研究院，四川成都 610000）

0 引言

在当今水利水电工程造福人类的同时，拦河大坝也阻隔了鱼类洄游繁殖，故在新建水利水电工程中，需设计和施工过鱼设施。常用的过鱼设施主要有集运鱼系统[1]和岸边旋转式鱼道。集运鱼系统主要是通过人工集鱼和运输的手段实现鱼类从下游转运过坝至上游，运行期成本较高且费时费力。岸边旋转式鱼道结构在上下游水位差一定的前提下，可以延长鱼道的过流长度，减小纵坡，降低鱼槽内水流流速，以利于鱼类过坝。此结构土建工程量浩大，且对岸坡地形地质条件要求较高，同时使鱼类洄游长度及时间变长，过鱼效率低下，不利于鱼类过坝。故需设计出一个新型过鱼结构，以达到提高过鱼效率、节省投资、方便运行管理的目的。

1 设计原理及结构优势

新建拦河大坝后，河道水流往往被束缚在鱼道一侧，低水位时的低流速区在高水位条件下可能不复存在。对于高水位变幅鱼道工程，顺岸分散布置进鱼口很难实现在不同运行水位下均有较好的诱鱼水力条件[2]。为了解决鱼类过坝的上下游水位落差问题，降低鱼槽内水流流速，以便鱼类通过鱼槽洄游，应尽可能地缩短鱼类过坝通道长度，提高过鱼效率。鱼道出口附近和鱼道内部流态及流速分布是鱼道设计中的关键水力学问题[3]，故鱼道出口设计十分关键。在鱼道末端出口处设计出一种类似于船闸的升鱼塔结构，可实现以上目的。鱼类通过单一通道过坝进入库内鱼道末端的升鱼塔内部集鱼池区域，集鱼池上下游闸门通过自动化控制系统启闭，同时，池内充放水阀对集鱼池进行充放水，以调节集鱼池内水位高程。塔内集鱼池的水位和上游库水位平顺衔接后，打开集鱼池上游闸门，通过集鱼池的驱鱼格栅转动将鱼类驱赶出鱼道进入上游水库，以便鱼类繁殖。该结构的鱼类洄游路径较短、操作运行自动化程度较高、运行管理方便，能解决集运鱼系统方案及岸坡旋转式鱼道的过鱼效率低下、投资较高、运行管理不便的缺点。

2 升鱼塔结构功能分区

升鱼塔主体结构从下游至上游依次为下游鱼槽通道、升鱼塔尾部3 号尾水防洪门、集鱼池下游2 号工作门、集鱼池、集鱼池1～3 号充放水阀门系统、集鱼池旋转式驱鱼格栅系统、集鱼池上游1 号工作门、升鱼塔出口拦污栅系统组成。升鱼塔高程从下往上分别设置集水井、鱼道鱼槽层、观察室平台层、锥形阀室操作层、锥形阀室交通层、闸门检修层、顶部驱鱼格栅液压机设备层，以及塔顶交通和设备房层。升鱼塔1～3 号工作门由闸顶移动台车式启闭机控制，升鱼塔顶部设置交通桥与岸坡升鱼塔道路相连，详见图1。

图1 升鱼塔结构图

升鱼塔主体结构功能分区如下。

1）下游鱼道：位于升鱼塔下游侧，提供鱼类从坝下天然河道洄游的过坝通道。

2）3 号尾水防洪门：位于升鱼塔与下游鱼道之间，坝下水位较高时，为了避免下游河道水位倒灌影响升鱼塔，下游采用防洪节制闸门。

3）2 号工作门：位于集鱼池下游侧，在诱鱼期处于打开状态。诱鱼结束后，集鱼池水位和上游库水位平压期时处于关闭状态。2 号工作门和上游1 号工作门联合工作，在集鱼池鱼类达到一定数量后，关闭1～2 号工作门，使集鱼池水位与上游库水位衔接。

4）1 号工作门：位于集鱼池上游侧，在诱鱼期和集鱼池平压期处于关闭状态。诱鱼和平压过程结束后，集鱼池水位和上游库水位处于打开状态，便于鱼类洄游至库内。

5）集鱼池内驱鱼格栅：主动驱赶集鱼池中的鱼类至上游水库的金属结构装置。

6）升鱼塔拦污栅：拦挡上游库内浮漂物的金属结构装置。

7）1 号充水锥形阀：在集鱼池水位需要抬升时，且在1～2 号工作门处于关闭状态时，给集鱼池充水使用。

8）2 号工作锥形阀：在集鱼池2 号工作门处于关闭状态时，为了防止下游鱼槽不断流，给下游鱼槽补水使用。

9）3 号放水锥形阀：在集鱼池水位需要降低时，提供放水的装置。

10）鱼道闸门、阀门操作检修层、驱鱼格栅液压机设备层：给1～3 号充放水阀、集鱼池内驱鱼格栅、1～3 号闸门设备提供操作检修的平台空间。

11）升鱼塔底板的集水井：集中排出升鱼塔内部渗水，配置有自动排水阀。

3 升鱼塔运行流程

根据鱼类洄游繁殖的规律，在鱼类非繁殖期，升鱼塔3 号尾水防洪门处于关闭状态；鱼类处于洄游繁殖期时，下游鱼道段联合上游出口段升鱼塔的阀门系统运行，期间升鱼塔3 号尾水防洪门打开并由液压机设备层锁定梁锁定，其他闸、阀依序操作。升鱼塔自动化控制系统控制塔内各闸门及各充放水阀的启闭运行，以调节塔内集鱼池区域的水位高程。集鱼池内水位和上游库水位顺接后，驱赶池内集聚的鱼类洄游至上游库内。升鱼塔运行流程如下。

1）升鱼塔上游1 号工作门处于关闭状态，拦挡上游库水位，升鱼塔2 号工作门、3 号防洪门处于开启状态。逐步开启升鱼塔1 号充水锥形阀，维持锥形阀出口流量约等于鱼道的设计诱鱼流量，通过1 号充水阀下放流量使整个鱼道完成充水且鱼道下游段流态达到稳定，下游鱼类通过大坝下游鱼道段洄游至鱼道末端升鱼塔内。

2）在集鱼池中鱼的数量达到一定程度后（或者固定时间段后），逐步关闭升鱼塔2 号工作门，并根据监测数据逐步开启2 号工作锥形阀，达到下游鱼道不断流，最终保证2 号工作门下游鱼槽内水深、流量、流速，维持下游鱼道的过鱼要求。在完全关闭升鱼塔2 号工作门后，维持2 号锥形阀出口流量约等于鱼道的设计诱鱼流量，保证下游鱼槽满足流量要求。

3）完全关闭升鱼塔2 号工作门后，加大1 号充水锥形阀开度，使得1 号充水锥形阀的流量逐步增加，以抬高集鱼池内水位，使集鱼池中的水位逐渐与库水位齐平，完成升鱼塔集鱼池平压过程。1 号充水锥形阀具体流量上限可根据实际运行过程中消力池内的流态和集鱼池内的鱼类生存状态确定，集鱼池内的水位上升速度不能对鱼类造成危害。

4）集鱼池完成基本平压后，依次关闭1 号充水锥形阀，开启升鱼塔1 号工作门，工作门完全开启后顺时针旋转驱鱼格栅，将集鱼池中的鱼类驱离集鱼池至上游库区。在驱鱼网格到达最大行程后，逐步关闭1 号工作门。

5）1 号工作门完全关闭后，逐步开启3 号放水锥形阀同时逐步关闭2 号工作锥形阀，使3 号锥形阀逐步代替2 号锥形阀向下游鱼槽供水的同时，降低集鱼池水位并将水流排向下游鱼池内。控制下游鱼槽水位和流量在设计诱鱼水位和流量范围内。驱鱼格栅在这个过程中反向运行，复位到格栅旋转起点。

6）待集鱼池水深降低至与下游鱼槽设计水深相等时，关闭3 号放水锥形阀，维持2 号锥形阀开启，开启升鱼塔2 号工作门。逐步开启1 号充水锥形阀的同时，逐步关闭2 号锥形阀，控制1 号锥形阀与2 号锥形阀的流量总和约等于下游设计诱鱼流量，直至2 号锥形阀全部关闭，最终1 号充水锥形阀完全代替2 号工作阀进行充水。

7）重复运行以上步骤，进入下一个过鱼周期。