大藤峡水利枢纽南木江鱼道水力衔接段的研究应用

范穗兴，蒋光灿，黄天宝

(1.中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610；2.广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，广西 桂平 537200)

鱼道是供鱼类溯河通过闸、坝等建筑物或天然障碍物的一种人工通道[1]。鱼道的类型大致分为技术鱼道和仿自然鱼道，技术鱼道主要有池式、隔板式、槽式、特殊结构式，而仿自然鱼道主要有仿自然通道和加糙坡道型，鱼道外还有鱼闸、升鱼机、集运鱼船等过鱼设施[2-5]。中国自从20世纪50年代设计富春江七里泷水电站时提出鱼道这一概念以来，建设历程可大致分为20世纪60年代至80年代的初步发展期、80年代至20世纪末的停滞期、21世纪以后的二次发展期3个时期[6]。从1960年在安徽修建的第一座新开柳鱼道至今，国内建设的鱼道已超过100座，但与国外相比，在鱼道数量、基础研究、工程技术和法律法规等方面都尚处在初步发展阶段[7-9]。目前我国应用最多的过鱼设施是鱼道，鱼道中以技术鱼道为主，其中主要结构为隔板式，而仿自然鱼道较少；同时为保证鱼道内水流流速、流态的稳定性，鱼道设计流量基本固定不变或变幅很小，且普遍不大于7 m3/s[10-12]。南木江鱼道作为国内首例大流量变幅下的组合式鱼道，运行工况复杂，设计采用技术鱼道+仿自然鱼道的组合鱼道，其中仿自然鱼道还兼作生态流量下泄通道，设计流量变幅大，从3.6 m3/s至30 m3/s的流量下都需要满足过鱼要求。南木江鱼道在相关规范、前期报告资料和国内已建工程经验的基础上，根据工程情况和水流条件，有针对性地对技术鱼道和仿自然鱼道间的水位落差进行了研究，经过方案研究比选和物理模型试验验证，优化确定了最终的水力衔接段设计方案，保证衔接段水流流速和流态的平稳过渡。

1 工程概况

大藤峡水利枢纽位于广西最大最长的峡谷——大藤峡出口处，作为国务院确定的172项节水供水重大水利工程的标志性工程，它集防洪、航运、发电、水资源配置、灌溉等综合效益于一体，是珠江流域关键控制性水利枢纽。

2 鱼道工程布置及设计参数

2.1 南木江鱼道工程布置

依据《大藤峡水利枢纽工程初步设计报告》(以下简称《初设报告》)，在库内47.60、57.60、59.60、61.00 m水位设4个出鱼口，在下游仿自然鱼道末端设1个进鱼口，进鱼口低水位约为32.0 m。其中57.60、59.60、61.00 m水位对应的3个出鱼口布置于1号工程鱼道上，汛期水位47.60 m对应的出鱼口布置于2号工程鱼道上。1号工程鱼道总长630 m，底板高程为58.0～51.6 m，底坡1/80；2号工程鱼道总长192 m，底板高程为44.6～42.5 m，底坡1/80；1号生态鱼道总长1 440 m，底板高程为51.6～42.0 m，底坡1/150；2号生态鱼道总长420 m，底板高程为44.8～42.0 m，底坡1/150；1、2号生态鱼道在下游汇合口处交汇，下接3号生态鱼道，3号生态鱼道总长2 750 m，底板高程为42.0～31.0 m，底坡1/250。具体布置见图1。

图1 南木江鱼道布置

2.2 南木江鱼道设计参数

根据《初设报告》《大藤峡水利枢纽主要过鱼对象游泳能力测试研究》，确定南木江鱼道的设计参数如下。

a)过鱼对象。花鳗鲡、鳗鲡、青鱼、草鱼、鲢、鳙、鳡鱼、鳤鱼及赤眼鳟鱼等为工程的主要过鱼种类。

b)过鱼季节。花鳗鲡、鳗鲡2—3月溯河，草鱼、青鱼、鲢、鳙等的繁殖期为5—7月。所以本工程的主要过鱼季节为2—7月，同时为保证上下游的遗传交流，需具备全年过鱼条件。

c)设计流量。根据生态环保要求，南木江河道全年要求保证3.0 m3/s的生态基流，同时在4—7月生态敏感期，为维持下游屈甲村至浔江河口段鱼类产卵适宜水力条件，要求通过南木江副坝下放生态流量最大为30 m3/s。根据工程布置，技术鱼道作为生态基流的下泄通道，设计流量为3.6 m3/s，仿自然鱼道作为生态基流和生态流量的下泄通道，设计流量3.6～30.0 m3/s。

d)设计流速。本工程设计过鱼流速为1.2 m/s，鱼道内最小流速取值为鱼类感应流速中的最大值0.35 m/s。

3 鱼道断面设计

本工程中运行条件复杂，根据生态环保要求，南木江河道既要全年保证3.0 m3/s的生态基流，又要在4—7月生态敏感期保证最大为30 m3/s的生态流量。根据工程布置，在南木江副坝混凝土坝段设生态泄水口，其最大设计流量为30 mm3/s，用于下放生态流量。南木江鱼道不同部位要求的设计流量不同，且变幅较大，单一的鱼道型式无法满足要求，所以采用技术鱼道和仿自然鱼道的组合式鱼道，其中技术鱼道作为生态基流的下泄通道，设计流量为3.6 m3/s，仿自然鱼道作为生态基流和生态流量的下泄通道，设计流量3.6～30.0 m3/s。

技术鱼道设计流量为3.6 m3/s，流量较稳定，根据《大藤峡水利枢纽工程南木江鱼道水力学模型试验研究报告》，结合国内成熟的工程经验，采用隔板竖缝结构，竖缝视宽为0.85 m，净宽度为1.0 m，鱼道底坡为1/80，池室净宽5 m，池室长度6 m，设计水深为3 m，每隔120 m设一个休息池。具体断面见图2。

中国的戏曲和曲艺，吸收了这些原始歌舞、祭祀和表演的各种特点，逐渐开始萌芽。在之后的数千年岁月里，戏曲和曲艺一直吸收各家所长，最后成为包括文学、音乐、美术、舞蹈、武术、杂技和表演等艺术在内的文化种类。

a)南木江技术鱼道断面

仿自然鱼道需适应3.6～30.0 m3/s的设计流量跨度，设计采用复式梯形断面，小流量3.6 m3/s时通过主槽过鱼，大流量13.3～30.0 m3/s时通过漫滩过鱼，其中1、2号生态鱼道底坡为1/150，设计水深为0.7～1.2 m，3号生态鱼道底坡为1/250，设计水深为0.8～1.4 m。具体断面见图3。

图3 南木江仿自然鱼道典型断面(mm)

4 鱼道水力衔接段方案研究比选

在相同设计流量和流速下，技术鱼道是通过竖缝过流，过流宽度小水深大，而仿自然鱼道采用复式梯形断面，过流宽度大水深小，技术鱼道和仿自然鱼道连接处会存在跌水，需要专门设置水力过渡段，保证水流流态和流速的平稳过渡。本工程共有2处需要设水力衔接段。一是1号工程鱼道和1号生态鱼道连接处，在3.6 m3/s的设计流量下，1号工程鱼道设计水深约为3.0 m，1号生态鱼道水深约为0.8 m，有2.2 m的水位落差。二是景观湖和2号生态鱼道连接处，景观湖上接2号工程鱼道和生态泄水口，下接2号生态鱼道，景观湖底高程同2号工程鱼道进鱼口底高程一致，均为42.5 m。根据前期报告资料，为保证2号工程鱼道内的流速和流态，景观湖内水深需大于3.0 m，而2号生态鱼道在3.6 m3/s的设计流量下水深仅为0.7 m，景观湖和2号鱼道生态段间存在2.3 m水位落差。针对2处衔接段设计流量、所处位置，参考以往工程经验，对每处水力衔接段均提出了两种不同的设计方案以供对比，从工程投资、工程难度、可行性、景观规划等方面进行了综合比选，选定初步设计方案。

4.1 1号工程鱼道和1号生态鱼道衔接段设计

1号工程鱼道和1号生态鱼道连接处，设计流量为3.6 m3/s，设计流量、水位单一稳定，设计拟定了2个水位衔接方案。方案一为100 m长格宾石笼隔板竖缝衔接段；方案二为100 m长溢流堰衔接段。

格宾石笼隔墙竖缝方案衔接段长100 m，每隔10 m设置1道隔墙，共11道，形成10个水池。格宾石笼隔墙厚1 m，高度从3 m渐变为1 m，过流底宽从1 m渐变为1.5 m，过流底部铺设大卵石改善水流条件，隔板分左右岸交错布置。具体断面见图2。

溢流堰方案衔接段长100 m，每隔10 m设置1级溢流堰，共11道，形成10个水池。溢流堰为钢筋混凝土结构，顶宽0.4 m，背坡1.00∶0.15，高度从2.5 m渐变为0.3 m。具体断面见图2。

2种方案都属于常见的技术鱼道型式，且在许多工程中都取得了成果的应用，在工程投资、工程可行性、工程难度均相当，考虑到格宾石笼隔墙会露出水面，且本工程技术鱼道已为隔板竖缝结构，所以设计初步采用溢流堰方案，可以将研究成果同前期报告资料成果进行对比。

4.2 景观湖与2号生态鱼道衔接段设计

景观湖与2号生态鱼道连接处，设计流量变幅大，为3.6～30.0 m3/s，设计拟定了2个水位衔接方案。①方案一为复合方案，共设置150 m长衔接段，其中在景观湖末端设置50 m衔接段，采用溢流堰和亲水桩群，在2号鱼道生态段起始设置100 m衔接段，采用格宾石笼隔板竖缝结构，具体布置见图4；②方案二为宽顶堰方案，在景观湖出口设置 10 m长度的宽顶堰，宽顶堰断面同2号生态鱼道，为复式梯形断面，宽顶堰高程为 44.8 m，上游通过1∶10的倒坡与景观湖底高程42.5 m进行衔接，下游接 2号鱼道生态段，具体布置见图5。

图4 复合方案布置(m)

经过详细比较，宽顶堰方案工程难度远小于复合方案，考虑到复合方案过鱼效果未知、工程化痕迹严重，且工程投资基本持平，本次设计选定宽顶堰方案。具体比较情况见表1。

表1 方案比选情况

5 物理模型试验验证结果

1号工程鱼道和1号生态鱼道衔接段，经模型试验验证后发现，溢流堰方案虽然使水流衔接得到很大改善，但各级堰顶处过水流态为跌水，流速较快，堰顶流速为1.8～2.7 m/s，不适宜鱼类上溯，需要调整方案给鱼类创造适宜的水流条件及流态。基于以往工程经验，增设了3种措施调整流态：①在各级溢流堰底部设置过鱼孔，底层流速较表层慢，底孔可以满足克流能力差的鱼类上溯，同时可以减缓堰顶流速，利于克流能力或跳跃能力较强的鱼类上溯；②在原两道坎之间增设一道溢流堰，一共21道溢流堰，形成20个水池，可以减小每级水池的水位落差，降低流速；③在衔接段前后及每级水池底部设置加糙石块调整流态，进一步可以降低底层流速。优化后为孔堰结合+加糙石方案，具体断面见图6。

图6 孔堰结合+加糙石方案典型断面(mm)

优化后衔接段孔堰+加糙石方案经物理模型试验的实测资料表明：衔接段水流连续平缓，进口水流顺畅；孔口流速为0.8～1.2 m/s，均已满足过鱼要求；加糙石块背后都有一个局部静水区可供上溯鱼栖身休憩；过渡段出口水流与1号生态鱼道明渠段也衔接平顺；堰顶流速降低，为1.6～1.9 m/s。试验成果数据见表2。

表2 1号工程鱼道后衔接段优化后流速、水深实测

景观湖与2号生态鱼道衔接段宽顶堰方案，根据物理模型试验的实测资料表明：在3.6～30.0 m3/s时，景观湖水位为3.0～3.4 m，满足要求，使2号工程鱼道内的流速和流态均满足要求。宽顶堰处过堰水流平顺，流态相对平缓，不同设计流量下的水深、流速如下：流量为3.6 m3/s时主槽水深为0.73 m，流速为0.90～1.14 m/s；流量为13.3～16.9 m3/s时主槽水深为0.8～0.9 m，流速为0.64～1.31 m/s，漫滩水深为0.30～0.35 m，流速为1.01～1.13 m/s；流量为26.4～30.0 m3/s时主槽水深为1.05～1.10 m，流速为0.74～1.49 m/s，漫滩水深为0.50～0.55 m，流速为1.16～1.23 m/s，均能满足过鱼要求。

6 结语

通过设计方案的研究比选和物理模型试验验证，完成了大藤峡水利枢纽南木江鱼道水力衔接段设计，解决了大藤峡南木江鱼道技术鱼道和仿自然鱼道间的水位落差问题，保证衔接段水流流速和流态的平稳过渡。其中孔堰结合+加糙石的方案适合单一小流量情况，而宽顶堰方案适用于大流量变幅的情况，希望对后续类似鱼道设计有一定的借鉴作用。现大藤峡枢纽南木江鱼道已经实施完成，通过完工验收，正在试运行阶段，根据现场试运行情况，景观湖与2号生态鱼道衔接处宽顶堰能够达到预期效果，1号工程鱼道和1号生态鱼道衔接段因水位未达到设计运行条件，效果有待实践验证。建议下一步根据工程实际运行情况和监测数据，与物理模型试验成果对比，对水力衔接段的设计方案进行分析优化。