CN110552335B - 一种带有底部消力池的鱼道进口分散补水***布置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种带有底部消力池的鱼道进口分散补水***布置方法，包括以下步骤：自上游水库设置补水管道，通过钢管引水至鱼道进口附近；在鱼道进口矩形渠道段的底部开挖设置补水消力池；利用补水管道引流至消力池，补水水流经消能后从顶部冒出，对鱼道进口补水，满足诱鱼需求。本发明的优点在于：不额外占用整体场地空间；兼具传统集中补水和分散补水的优点，达到了既增大进口水流流速，又对上溯鱼类影响甚小的效果；补水消力***结构布置简单，可根据具体工程进行适当调整。

Description

一种带有底部消力池的鱼道进口分散补水***布置方法
技术领域
本发明提出一种带有底部消力池的鱼道进口分散补水***布置方法，属于过坝建筑物中的鱼道工程领域。
背景技术
我国现有水库大坝9.8万座，这些水库大坝给人类带来了巨大的社会、经济效益，但也对枢纽上下游鱼类洄游形成阻隔，造成生境破碎化和鱼类栖息环境的变化。随着我国经济的发展，国家对生态保护日益重视，在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006～2020年)》重点发展的“环境”领域中，明确将“生态脆弱区域生态***功能的恢复重建”列为优先主题。在水利建设中重视保护洄游性水生物的洄游路线，实现人与自然的和谐共处，对实现水利的可持续发展极其重要。而在保护洄游性水生物的工程措施方面，建设鱼道工程是解决该问题的重要手段和措施。
鱼道承担着沟通坝址上下游鱼类洄游通道、保障流域水生态环境的重任，而鱼道除了池室内部水流条件满足目标鱼类上溯要求之外，鱼道进口的水力设计至关重要。鱼道进口能够为鱼类较快的发觉和顺利地进入，是鱼道成败的关键；如若进口水流条件不好，纵然鱼道内部有良好的过鱼条件也是徒然。
与整条河道宽度相比，鱼道进口尺度十分狭小，是名副其实的“针眼工程”，鱼道进口设计的一个重要任务是强化其诱鱼、导鱼、集鱼效应，以提高进鱼能力。相对于声、光、电，鱼类对水流感知更加敏感，因此，良好的鱼道进口设计应能够产生足够水流流速，被附近鱼类感知，从而进入鱼道洄游上溯。然而在实际设计时，为了满足沿程能量耗散的要求，鱼道常常设计成带有收缩控制断面的多级池室，现在我国工程设计中广泛采用的竖缝式鱼道即是这一原理，且这一控制断面宽度通常较窄，仅几十厘米。这就直接导致了一个相互矛盾，互相制约的难题：鱼道进口宽度越大，河道中鱼类越容易发现并进入鱼道；而进口越宽，其断面流速相对于鱼道内部控制断面而言则越小，加之鱼道自身运行流量甚小，很可能造成鱼道进口流速低于河道中鱼类的感应流速，对诱鱼极为不利。部分专家学者已注意到这一点，也提出了一些鱼道补水的措施，但仍存在以下亟需解决的问题：1、传统的集中补水方式将补水管直接布置在鱼道进口，补水管出口形成集中出流，水流流速较大，常造成鱼道进口附近水流流态紊乱，产生漩涡水流，使鱼类方向感迷失，影响过鱼；2、鱼道沿程分散补水***则存在较为复杂的补水管网，各支管管路亦需配备阀门、流量监测控制仪器等繁杂设备，不仅运行繁琐，且各支管出流均匀程度，出口水流流态难以控制；此外，在鱼道池室内部的补水会加大局部鱼道池室流量，导致补水区域下游鱼道控制断面水流流速增大，甚至超标的情况，不利于鱼类顺利上溯。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：在不影响鱼道池室内部水流条件，且保证鱼道进口存在适宜水流流态的前提下，提高鱼道进口水流流速，形成良好的诱鱼水流条件。
本发明公开一种带有消力池的鱼道进口分散补水消能***布置方法，补水流量自消力池表面沿程出流，形成相对分散且稳定、均匀的补水水流，以提高鱼道进口段水流流速。
具体而言包括以下步骤：
(1)自上游水库设置补水管道，通过钢管引水至鱼道进口附近；
(2)在鱼道进口矩形渠道段的底部开挖设置补水消力池；
(3)利用补水管道引流至补水消力池，补水水流经消能后从顶部冒出，对鱼道进口补水；
(4)在补水消力池中设置消能措施，消减钢管集中出流能量，并调整沿程出流量；
(5)上述的消能措施包括：在补水消力池中上部设置纵向出水支孔，出水支孔上方留有一定厚度稳水层，以便水流均匀、稳定冒出；
(6)上述的补水消力池顶部设置拦鱼格栅，避免上溯鱼类钻进补水消力池内；
(7)上述的补水管道上设置补水调节阀，以便在不同水位工况下均能进行适量补水，满足诱鱼需求。
本发明所提出技术方案的原理及具体控制参数如下：
本发明提出技术方案的原理为：将鱼道补水流量集中在鱼道进口附近，在不影响鱼道池室内部水流流态的前提下，尽量提高鱼道进口区域的水流流速；通过设置补水消力池，控制补水管道出水水流自补水消力池顶部均匀冒出，使得消力池出口处流速小于鱼类感应流速中值，不产生紊乱水流流态，不对上溯鱼类产生干扰；并在鱼道进口处流速大于等于鱼类感应流速的中值，达到无干扰有吸引的补水效果。
本发明所提技术方案具体控制参数为：
(1)设计补水量Qb
鱼道补水量Qb需按照鱼道进口水流流速Vj的要求进行调整。在工程运行过程中，鱼道进口水流流速Vj宜不小于主要过鱼对象的感应流速中值Vg，同时控制不大于主要过鱼对象的临界泳速中值Vl，以便在节省补水量的前提下达到最佳诱鱼效果，即
Vg≤Vj≤Vl (1)
假定鱼道进口矩形渠道宽Bj，鱼道进口运行水深Hj，鱼道内部正常运行流量Qy，则鱼道进口水流流速为
Vj＝(Qb+Qy)/(Bj×Hj) (2)
代入式(1)，则鱼道进口补水量大小按式(3)进行控制：
(Bj×Hj×Vg-Qy)≤Qb≤(Bj×Hj×Vl-Qy) (3)
(2)补水管最小管径dmin
合理的补水管管径应是在满足鱼道进口补水运行要求的基础上尽可能小，从而达到最经济合理的投资效果。本发明根据管道水力学计算分析，提出了补水管最小管径的设计原则，如式(4)所示：
Figure GDA0003044670220000031
式中：g为重力加速度，Hk为上游水库库水位(引水管道上游进口水位)，Hy为下游鱼道进口运行水位，多个运行水位时取最高值，Qb为鱼道补水流量，多个补水量时，取最大补水量，dmin为输水管道最小管径，l为输水管道长度，∑ξ为输水管道局部阻力系数估计值。
在实际布置时，按照式(4)，通过试算求得最小管径dmin并预留一定流量富裕度进行补水管管径选择。
(3)补水消力池布置
本发明提出的补水消力池中消力池布置原则为：保证补水水流充分消能，顶部出水水流均匀、稳定，形成整个表面分散出流，且出水水流流速小于主要过鱼对象感应流速中值。
a)上述补水消力池设置在鱼道进口矩形渠道段，通过在渠道底部开挖布置；
b)补水消力池深度取1.5～2.0m，且不小于2倍管径；
c)补水消力池宽度与进口渠道宽度等宽；长度沿水流方向布置，并在长度方向适当加长，从而在鱼道进口渠道段形成自鱼道进口至内部略减小的流速分布，上溯鱼类在前进过程中逐渐减小体力消耗，便于进入鱼道的鱼类能够适当调整休息后继续沿鱼道池室上溯；
d)鱼道进行补水时，通过补水钢管自上游库区引水，将管道出口与补水消力池底部相连，让管道中大流速集中水流在补水消力池内充分消能；
e)调整补水消力池内消能措施布置，保证补水消力池顶部冒出水流均匀稳定，且水流流速宜控制在目标鱼类感应流速中值以下。
另外，本发明还提出一种具有底部消力池的鱼道进口补水消能工，
具体包括：
进水口，蓄水池，底部平坡，平坡消能坎，底部斜坡，斜坡消能坎，出水支孔，所述的进水口下游接一段底部平坡，平坡末端设置一个平坡消能坎，斜坡消能坎设置在斜坡中段。
补水水流从进水口进入蓄水池，在底部平坡和平坡消能坎上消能然后流向底部斜坡和斜坡消能坎，整个蓄水池蓄满后，水流从出水支孔向上流出。
上述的出水支孔顶面位于鱼道进口底面设计底面线以下30cm。
上述的底部斜坡的底坡为3～10°，对于四大家鱼最优的底坡为4°。
由于进水口端蓄水池较深因此水流平均流速略低，远离进口端蓄水池较浅因此水流平均流速略高。
(4)补水消力池出水表面积Amin
补水消力池冒出的水流流速宜控制在目标鱼类中值感应流速以下，避免上溯鱼类受补水水流影响，徘徊不前，达到补水于无形的目的。由此，补水消力池表面积应满足式(5)要求：
Figure GDA0003044670220000041
式中：Amin为补水消力池最小出水面积，B为补水消力池有效池宽，L为补水消力池有效池长，Qb为鱼道补水流量，若有多个补水量时取最大值，Vg为鱼道主要过鱼对象的感应流速中值。
(5)拦鱼格栅布置
所述的补水消力池顶面，补水支孔以上设置拦鱼格栅，拦鱼格栅采用钢制格栅，格栅孔大小根据主要过鱼季节过鱼对象体型设置，若河道中鱼类体型较小，则取较小格栅孔，若鱼道中鱼类体型较大，则取较大格栅孔，格栅孔不大于2cm×2cm，避免体型较小的鱼类钻入消力池中。
本发明的有益效果在于：
1、本发明设计充分利用鱼道进口渠道段底部进行补水消力池布置，不额外占用整体场地空间；
2、兼具传统集中补水和分散补水的优点，即在不扰动鱼道内部池室水流条件的前提下，在鱼道进口区域形成了分散的均匀稳定补水水流，且补水水流流速小于目标鱼类感应流速，达到了既增大进口水流流速，又对上溯鱼类影响甚小的效果；
3、该补水消力***结构布置相对简单，操作方便，且消力池内消力措施可根据具体工程进行适当调整，通用借鉴性高。
附图说明
图1本发明设置带补水消能***的鱼道进口总体布置示意图；
图2本发明补水消力池立面布置示意图；
图3本发明补水消力池平面俯视示意图；
其中，1补水管道，2鱼道，3补水调节阀，4补水消力池，5检修门，6鱼道进口，拦鱼格栅，8出水支孔，9进水口，10蓄水池，11底部平坡，12平坡消能坎，13底部斜坡，14斜坡消能坎。
具体实施方式
下面结合附图给出实施例并对本发明进行具体描述。
实施例一
我国某水利枢纽工程过鱼设施采用工程鱼道型式，鱼道池室底宽3.0m，池长3.6m，进鱼口运行水深1.5～2.3m，主要过鱼对象为“四大家鱼”，主要过鱼季节每年4月～7月。
在不补水情况下，下游高水位运行时鱼道进口水流流速小于0.2m/s(四大家鱼感应流速统计值),流速过小，目标鱼类很难发现鱼道入口，极大影响过鱼效果。为了增大鱼道进口水流流速，形成良好诱鱼水流条件，需在进口进行补水，但如何控制补水水流不造成鱼道进口和池室内部水流流态紊乱是需要克服的技术难点。
采用本发明设计提出的带有消力池的鱼道进口分散补水***可有效解决该难题，同时，为了减小补水流量，将补水平段下游侧的鱼道进口宽度调整为1.5m。
按照本发明设计提出的技术方案，带有(分散)消力池的补水***各参数确定如下：
(1)设计补水量Qb
鱼道设计最大补水量对应鱼道进口最大运行水深工况，对于本工程而言为2.3m，按照式(3)进行计算，可得鱼道内设计补水量应介于0.16m3/s～1.89m3/s之间，为了增加过鱼效果，取最大补水量，在该工程中取1.89m3/s。
(2)补水管最小管径dmin
该工程鱼道进口6布置在电站尾水附近，通过较短的引水钢管即可从上游水库引水至鱼道进口6，并通过流量调节阀调控补水流量。估计管道局部阻力损失，并将上下游水头差6.0m，引水设计流量1.89m3/s，引水管长度100m代入式(4)中进行试算可得补水管1最小管径约0.7m。
(3)补水消力池具体尺度
补水消力池4池深最大2.0m，宽度3.0m，在鱼道进口段底部顺水流方向开挖。
消力池4表面积按照式(5)计算，可得A不小于13.5～22.5m，按照消力池4在长度方向宜适当加长以营造更好鱼类上溯水流条件的原则，并为今后增加补水量留有充足消能空间，该鱼道工程取消力池4有效长度10.0m，其表面积30m2，满足要求。
(4)拦鱼格栅布置
该鱼道主要过鱼对象为四大家鱼，体型相对较大，但鱼道所在河道中有较多体型较小的兼顾鱼类，因此，综合分析，确定消力池顶部拦鱼格栅尺度为1cm×1cm，有效防止上溯鱼类钻进消力池内。
(5)消力池消力设施布置
按照本发明设计要求，消力池内布置消力措施，并在消力池4中上部布置出水支孔8和一定厚度的稳水层。整个消力池布置如图2和图3所示，其中出水支孔8宽度5cm，在出水孔板8和拦鱼格栅之间留有30cm稳水层，消力池4底部底坡角度为4°。
采用本发明设计思路进行布置后，通过物理模型试验对鱼道进口附近水力特性进行了细致研究，试验实测鱼道进口补水段水流均匀稳定，水流顺直，流态良好；进口段补水对鱼道池室内部水流条件无不良影响；补水1.89m3/s后，鱼道进口段水流流速指标如表1所示，能够较好的满足诱鱼要求。此外，在下游较低水位工况时，可通过流量调节阀控制补水流量，达到理想的补水状态。
具体而言，本发明提出一种具有底部消力池的鱼道进口补水消能工，
具体包括：
进水口9，蓄水池10，底部平坡11，平坡消能坎12，底部斜坡13，斜坡消能坎14，出水支孔8，所述的进水口9下游接一段底部平坡11，平坡11末端设置一个平坡消能坎12，斜坡消能坎14设置在斜坡13中段。
所述的平坡消能坎12的高度为进水口9高度的一半。
所述的斜坡消能坎14的顶高程与进水口9顶高程一致。
补水水流从进水口9进入蓄水池10，在底部平坡11和平坡消能坎12上消能然后流向底部斜坡13和斜坡消能坎14，整个蓄水池10蓄满后，水流从出水支孔8向上流出。
上述的出水支孔8顶面位于鱼道进口6底面设计底面线以下30cm。
上述的底部斜坡13的底坡为3～10°，对于四大家鱼最优的底坡为4°。
由于进水口端蓄水池10较深因此水流平均流速略低，远离进口端蓄水池较浅因此水流平均流速略高。
表1补水1.89m3/s时鱼道进口水流流速指标
Figure GDA0003044670220000071
在原型鱼实验中，使用带有底部消力池的鱼道进口分散补水***布置方法进行布置的工程，进鱼口诱鱼数量超过普通两侧补水方案30％。

Claims (2)

1.一种带有底部消力池的鱼道进口分散补水***布置方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)自上游水库设置补水管道，通过钢管引水至鱼道进口附近；
(2)在鱼道进口矩形渠道段的底部开挖设置补水消力池；
(3)利用补水管道将设计补水量引流至补水消力池，补水水流经消能后从顶部冒出，对鱼道进口补水；
(4)在补水消力池中设置消能措施，消减钢管集中出流能量，并调整沿程出流量；
(5)上述的消能措施包括：在补水消力池中上部设置纵向出水支孔，出水支孔上方留有一定厚度稳水层，以便水流均匀、稳定冒出；
(6)上述的补水消力池顶部设置拦鱼格栅，避免上溯鱼类钻进补水消力池内；
(7)上述的补水管道上设置补水调节阀，以便在不同水位工况下均能进行适量补水，满足诱鱼需求；
所述的设计补水量计算式为：
假定鱼道进口矩形渠道宽Bj，鱼道进口运行水深Hj，鱼道内部正常运行流量Qy，鱼道补水流量Qb，多个补水量时，取最大补水量，Vl为主要过鱼对象的临界泳速中值，Vg为主要过鱼对象的感应流速中值，则鱼道进口水流流速为：
Vj＝(Qb+Qy)/(Bj×Hj)
(Bj×Hj×Vg-Qy)≤Qb≤(Bj×Hj×Vl-Qy)；
所述的补水管道最小管径dmin计算式为：
Figure FDA0003067296670000011
式中：g为重力加速度，Hk为上游水库库水位，即引水管道上游进口水位，Hy为下游鱼道进口运行水位，多个运行水位时取最高值，dmin为输水管道最小管径，l为输水管道长度，∑ξ为输水管道局部阻力系数估计值；
所述的补水消力池布置原则为：
a)补水消力池设置在鱼道进口矩形渠道段，通过在渠道底部开挖消力池进行布置；
b)消力池深度取1.5～2.0m，且不小于2倍管径；
c)消力池宽度与进口渠道宽度等宽；长度沿水流方向布置；
d)通过补水钢管自上游库区引水，将管道出口与补水消力池底部相连，让管道中大流速集中水流在消力池内充分消能；
e)消力池顶部冒出水流均匀稳定，且水流流速控制在目标鱼类感应流速中值以下；
所述的补水消力池表面积Amin计算式：
Figure FDA0003067296670000021
式中：B为补水消力池有效池宽，L为补水消力池有效池长；所述的拦鱼格栅布置方式为：
在补水消力池表面设置拦鱼格栅，拦鱼格栅采用钢制格栅，格栅孔大小根据主要过鱼季节过鱼对象体型设置，以阻挡最小过鱼对象为原则。
2.根据权利要求1所述的一种带有底部消力池的鱼道进口分散补水***布置方法，其特征在于：所述的补水消力池中的补水消能工采用如下布置：
所述的补水消能工包括：进水口，蓄水池，底部平坡，平坡消能坎，底部斜坡，斜坡消能坎，出水支孔，所述的进水口下游接一段底部平坡，平坡末端设置一个平坡消能坎，斜坡消能坎设置在斜坡中段；底部斜坡的底坡为3～10°，对于四大家鱼最优的底坡为4°；
补水水流从进水口进入蓄水池，在底部平坡和平坡消能坎上消能然后流向底部斜坡和斜坡消能坎，整个蓄水池蓄满后，水流从出水支孔向上流出。
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