王曉旭

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150000)

1 工程概況

引嫩擴建骨干一期工程由首部取水樞紐工程、總干渠工程、引水干渠工程、配套灌區(qū)工程、調(diào)蓄水庫和排水干渠工程組成。北引供水工程由有壩取水工程和北引總干渠，以及友誼干渠、富裕干渠、紅旗干渠、東湖干渠四條引水干渠，15處灌區(qū)工程和4座反調(diào)節(jié)水庫工程(東城水庫、東湖水庫、大慶水庫、紅旗水庫)組成；中引供水工程由無壩引水工程、中引總干渠、4處灌區(qū)工程和1座反調(diào)節(jié)水庫(龍虎泡水庫)組成。

北引渠首樞紐位于嫩江中游，樞紐軸線總長5592.5m，由土壩、進水閘、預留船閘、泄洪閘、溢流壩、固灘和魚道等組成，兩側(cè)與嫩江堤防銜接[1]。

2 工程設計

2.1 工程等別和標準

根據(jù)已批復的《尼爾基水利樞紐配套項目黑龍江省引嫩擴建骨干一期工程初步設計報告》，北引渠首為Ⅰ等工程，渠首的各子項工程依據(jù)其重要性和作用，以及失事后所造成的損失和影響確定其級別，其中，魚道工程為本供水工程的次要建筑物，根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252-2017)中的相關(guān)規(guī)定，供水工程的主要建筑物級別為1級，次要建筑物級別為3級，因此確定魚道工程的工程級別為3級，其相應設計防洪標準為50a一遇，校核防洪標準為200a一遇。

2.2 過魚種類及習性

魚道的修建主要是解決一些經(jīng)濟魚類如鮈亞科魚類及草魚、青魚、鰱、鳙、鳊、翹嘴鲌和蒙古鲌等，短距離生殖和索餌洄游，時間為春夏兩季(4月-8月)；以及細鱗鮭和哲羅鮭封冰前越冬洄游，時間為秋季(9月中旬-11月上旬)，并兼顧其它魚類。

根據(jù)主要經(jīng)濟魚類的生態(tài)習性和天然河道的流速狀況，北引渠首魚道設計流速采用0.8-1.0m/s，進口流速≥0.2m/s。

2.3 魚道設計

2.3.1 魚道布置比選

根據(jù)現(xiàn)狀渠首工程固灘、泄洪閘側(cè)溢流壩所在位置，對仿生態(tài)魚道的總體布置進行比選。

方案一：魚道穿越固灘方案

魚道工程采用仿自然通道型式，仿自然通道位于泄洪閘右側(cè)導流明渠位置，與樞紐軸線交叉位置樁號為2+888.5，交叉采用開敞閘帶橋型式。仿自然通道全長432m，底坡1/160，通道底寬5m，正常水位運行時水面寬度為13m，池室長度8m。通道共設置4個休息池，休息池半徑為10m。通道的最大設計流速為1m/s，正常運行水位為2m，最小運行水深為1m，池室深度2.5m。魚道進口布置在泄洪閘出口海漫下游287m處，進口底高程172.00m。魚道出口控制閘布置在魚道軸線與固灘軸線位置，閘底板頂高程為174.20m，控制水位176.20m，閘室長度為6m，閘室凈寬為5m。

方案二：魚道穿越溢流壩方案

魚道工程采用仿自然通道型式，仿自然通道軸線與樞紐軸線交叉位置位于泄洪閘右側(cè)溢流壩第三節(jié)，利用現(xiàn)有溢流壩鋪蓋作為出口控制閘底板基礎，閘室段后為涵洞，涵洞為溢流壩壩體采用人工鑿除后形成的5m×2.5m(寬×高)矩形孔洞，涵洞后接仿自然通道，通道總長432m，，底坡1/160，通道底寬5m，正常水位運行時水面寬度為13m，池室長度8m。通道共設置4個休息池，休息池半徑為10m。通道的最大設計流速為1m/s，正常運行水位為2m，最小運行水深為1m，池室深度2.5m。

方案一、方案二技術(shù)、經(jīng)濟、施工、管理等各方面優(yōu)缺點詳見表1。

表1 魚道布置方案比較一覽表

綜上所述，通過對魚道布置的方案一、方案二的比較，在技術(shù)可行性、經(jīng)濟指標、和施工條件上來看，方案一均優(yōu)于方案二，在地形地質(zhì)條件和運行管理角度來看，方案一和方案二基本一致。因此，本次設計通過方案比較后，確定方案一作為選定方案，即仿生態(tài)魚道與固灘交叉方案。

2.3.2 魚道布置

魚道上游設計水位采用北引渠首正常引水位176.20m，下游設計水位采用過魚季節(jié)多年平均低水位173.00m。下游設計水位根據(jù)松遼委提供的尼爾基水庫下泄流量及下游水位觀測數(shù)據(jù)記錄及北引渠首多年觀測數(shù)據(jù)記錄確定魚道進口處的過魚季節(jié)多年平均低水位為173.00m，根據(jù)規(guī)范要求魚道進口水深≥1m，因此確定魚道進口底高程為172.00m。

根據(jù)《水利水電工程魚道設計導則》(SL609-2013)中的相關(guān)規(guī)定，池室凈寬不宜小于主要過魚對象體長的2倍，結(jié)合魚道主要過魚對象的習性及對魚道流速的要求，并參照相似工程實例，魚道采用底寬為5m的梯形斷面，可滿足過魚要求。池室凈長可取池室凈寬的1.25-1.5倍，本次設計魚道池長采用8m。池室水深應依據(jù)過魚對象體長及池室消能要求確定，設計水深可取1.5-2.5m，魚道設計水深采用2m。休息池宜為平底，長度不宜小于池室長度的2倍，魚道休息池直徑設計為20m，每隔10個池室設置一個休息池。

本次設計仿自然通道位于泄洪閘右側(cè)導流明渠位置，與樞紐軸線交叉位置樁號為2+888.5，交叉采用開敞閘帶橋型式。

魚道由進口、通道及休息池、出口控制閘等組成。魚道進口布置在泄洪閘出口海漫下游287m處，進口底高程172.00m，進口底寬5m。

進口底板與河床平緩相接，為使底層魚類可以沿河床找到仿自然通道進口，進口處通道底部鋪設一些原河床的礫石，以模擬自然河床的底質(zhì)和色澤，制造誘使魚類進入的流場，進口控制流速≥0.2m/s。

通道及休息池全長432m，通道底坡1/160，通道底寬5m，正常水位運行時水面寬度為13m，池室長度8m，即每隔8m設一處堆砌體，堆砌體采用錯縫堆砌，堆砌體采用格賓石籠寶塔式結(jié)構(gòu)。通道共設置4個休息池，即每隔10個池室設一個休息池，休息池半徑為10m，池底為水平底面。根據(jù)工程所在地主要過魚種類及其習性和天然河道的流速狀況，魚道設計流速采用0.8m/s-1.0m/s，進口流速≥0.2m/s，確定通道的最大設計流速為1m/s，正常運行水深為2m，最小運行水深為1m，池室深度2.5m。

魚道出口底高程為174.20m。為適應上下游水位的較大變幅，通道的出口設置控制閘門，以調(diào)節(jié)和控制通道內(nèi)的水流流量和流速，保證下游進口的水深不會過高或過低，確保通道水流能滿足魚類的上溯要求。出口控制閘為開敞式閘帶橋型式，閘室長度為12.5m，閘室凈寬為3m，共一孔[2]。

2.3.3 出口控制閘布置

出口控制閘位于泄洪閘右側(cè)導流明渠與固灘交叉位置，閘上交通和固灘交通是聯(lián)系黑龍江與內(nèi)蒙莫力達瓦旗的主要交通通道。

出口控制閘由進口段、閘室段、消力池段組成。進口段長12.24m，由喇叭口進口和平順段組成，喇叭口段由10.6m漸變至3m，進口段采用雷諾護墊型式護砌，雷諾護墊厚度30cm，下設厚10cm砂礫石墊層。閘室段為開敞式閘帶橋結(jié)構(gòu)，閘室長12.5m，閘室凈寬3m，為單孔。底板頂高程為174.20m，底板厚1.2m，交通橋設置在閘墩上，交通橋?qū)?m，與固灘路面寬度相同。上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土排架加工作橋型式，上部結(jié)構(gòu)設鋼樓梯。閘室進口采用一字墻結(jié)構(gòu)與兩側(cè)堤坡連接；消力池段為鋼筋混凝土U型槽結(jié)構(gòu)，進口底寬3m，出口底寬5m，底板頂高程為173.70m，池深0.5m，底板厚0.7m，出口采用鋼筋混凝土懸臂式擋土墻與兩側(cè)渠道連接，擋土墻長4m。閘門采用單吊點露頂式平板滑動鋼閘門，啟閉機采用QL150kN手電兩用螺桿式啟閉機。

2.3.4 護砌型式

魚道座落在嫩江右岸河灘地上，河灘地土料性質(zhì)均為級配良好中礫，滲透系數(shù)大，為保證魚道內(nèi)水體不外漏，魚道渠底及內(nèi)邊坡采用防滲膜進行防滲。渠底、渠內(nèi)邊坡的護砌型式采用格賓石籠40cm，下設厚10cm砂礫石墊層及防滲膜一層；為保護魚道兩側(cè)渠堤堤頂及外邊坡土體不被洪水水流沖刷、淘涮而造成安全隱患，渠頂及渠外邊坡的護砌型式采用雷諾護墊，雷諾護墊厚23cm，下設砂礫石墊層5cm及無紡布一層。

2.3.5 土料設計

工程魚道兩側(cè)堤防的填筑材料采用當?shù)靥烊徊牧?，即級配良好中礫，根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》(GB 50286-2013)中的相應規(guī)定，砂礫石的填筑標準以相對密度為設計控制指標，即相對密度≥0.60。因此，魚道砂礫填筑標準的設計控制指標為0.60。

相對密度與設計干密度的換算按下式：

無黏性土：

(1)

式中：Dr為相對密度，0.6；γmax為最大干密度；γmin為最小干密度。

實際施工中應根據(jù)碾壓試驗進行分析校正設計土料填筑指標。

2.3.6 設計計算

2.3.6.1 仿自然通道計算

1)魚道流速、底坡等參數(shù)確定

過魚斷面的流速V，是由上下游水頭差Δh來決定：

Δh=V2/2g

(2)

通道的最大設計流速為1m/s,所以：

Δh=V2/2g=(1)2/(2×9.81)=0.05m

(3)

仿自然通道進口底板高程為172.00m,出口底板高程為174.20m，

普通池室數(shù)量N=H/Δh-1=(174.20-172.00)/0.05-1=43

仿自然通道底坡i=Δh/L=0.05/8=1/160

仿自然通道主要設計參數(shù)見表2。

表2 仿自然通道方案主要參數(shù)一覽表

2)仿自然通道滲流量計算

滲流計算分析采用北京理正軟件設計研究院編制的理正滲流分析軟件進行計算，該程序計算方法依據(jù)非飽和土理論、根據(jù)基本的滲流理論―達西定律等，采用有限元方法分析穩(wěn)定流及非穩(wěn)定流中多種邊界條件、多種材料的堤、壩或土體的滲流分析。

計算工況：魚道內(nèi)水深為2m，外側(cè)無水；為較準確估算魚道滲流量，選擇具有代表性的典型剖面0+180進行魚道滲流量計算。

滲透系數(shù)取值主要依據(jù)工程地質(zhì)勘探資料，計算中近似認為水平滲透系數(shù)與垂直滲透系數(shù)相等。級配良好中礫的滲透系數(shù)為1.5×10-1cm/s。

魚道0+180剖面滲流量計算成果為9.8×10-4m3/s.m，魚道0+000-0+432的總滲流量為0.84m3/s。

3)仿自然通道抗滑穩(wěn)定計算

根據(jù)工程地質(zhì)勘探和土工試驗結(jié)果，結(jié)合地形條件、設計水位、堤體、堤基結(jié)構(gòu)和填筑材料等，選取堤防較高的典型斷面進行穩(wěn)定計算。各計算斷面樁號、設計水位及堤防斷面特征值見表3。

表3 典型斷面特性表

堤體和堤基土體物理力學指標設計值根據(jù)工程地質(zhì)勘察和土工試驗結(jié)果，經(jīng)分析后采用值見表4。

表4 穩(wěn)定計算土類物理力學特性指標設計取值

正常運用條件：設計水位穩(wěn)定滲流期背水坡、臨水坡的穩(wěn)定計算；非常運用條件Ⅰ：完建工況的背水坡、臨水坡的穩(wěn)定計算。

邊坡穩(wěn)定計算按《堤防工程設計規(guī)范》(GB 50286-2013)等有關(guān)規(guī)范進行計算。

采用瑞典圓弧法：進行堤防背水坡、臨水坡穩(wěn)定計算。

計算簡圖見圖1。

圖1 邊坡穩(wěn)定計算簡圖

典型斷面穩(wěn)定計算公式如下：

(4)

式中：b為條塊寬度，m；W為土條重量，kN；Q、V為水平和垂直地震慣性力(V向上為負，向下為正)，kN；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角；u為作用于土條底面的孔隙壓力，kN/m2；c′、ψ′為土條底面的有效應力抗剪強度指標；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩，kN·m；R為圓弧半徑，m。

采用北京理正軟件設計研究院編制的《巖土邊坡穩(wěn)定分析軟件》進行計算。典型斷面穩(wěn)定計算結(jié)果見表5。

表5 典型斷面堤體穩(wěn)定計算成果表

由表5可見，根據(jù)《堤防設計規(guī)范》(GB 50286-2013)土堤瑞典圓弧法抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，各段堤防典型斷面上、下游堤坡抗滑安全系數(shù)均滿足抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)要求。

2.3.6.2 出口控制閘計算

1)閘基滲透穩(wěn)定計算

出口控制閘滲透穩(wěn)定采用阻力系數(shù)法進行驗算，按地質(zhì)勘察成果，基礎為級配良好的中礫。

由于設計洪水位及校核洪水位工況下上下游水頭差較小，因此，設計復核上下游水位差較大的情況即上游引水水位176.20m工況對應魚道流量水位，此工況也為經(jīng)常運用工況和不利工況，計算公式如下：

a)地基有效深度計算：

當

(5)

當

(6)

式中：Te為土基上水閘的地基有效深度，m；L0為地下輪廓的水平投影長度，m；S0為地下輪廓的垂直投影長度，m。

b)分段阻力系數(shù)計算

a、進、出口段

(7)

式中：ξ0為進、出口段的阻力系數(shù)；S為板樁或齒墻的入土深度，m；T為地基透水層深度，m。

b、內(nèi)部垂直段

(8)

式中：ξy為內(nèi)部垂直段的阻力系數(shù)。

c、水平段

(9)

式中：ξx為水平段阻力系數(shù)；Lx為水平段長度，m；S1、S2為進、出口板樁或齒墻的入土深度，m。

c)各分段水頭損失值

(10)

式中：hi為各分段水頭損失值，m；ξi為各分段的阻力系數(shù)；n為總分段數(shù)。

d)進、出口段修正后的損失值

(11)

式中：h0′為進、出口段修正后的水頭損失值，m；h0為進、出口段水頭損失值，m；β′為阻力修正系數(shù)，當計算的β′≥1.0時，采用β′=1.0；S′為底板埋深與板樁入土深度之和，m；T′為板樁令一側(cè)地基透水地基深度，m。

e)水平比降

(12)

式中：Jx為水平比降；hx為水平水頭損失，m。

f)出逸比降

(13)

式中：J0為出逸比降(m)。

經(jīng)計算水平比降J=0.004，出口段滲流比降J0=0.03，小于允許水力比降[J允許]=0.15，出口控制閘基礎及出口段滲透穩(wěn)定滿足要求。

出口控制閘左右兩側(cè)閘墩與固灘連接采用刺墻形式，刺墻單側(cè)長度3m，延長出口控制閘連接段的滲徑長度，同時在出口控制閘出口設反濾保護措施，即采用無紡布上設雷諾護墊防護。工程建成后，在運行期間應加強監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題及時處理[3]。

2)閘室穩(wěn)定計算

荷載按單孔計算，穩(wěn)定計算采用抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)公式，計算公式如下：

(14)

式中：Kc為沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為閘室基底面與地基之間的摩擦系數(shù)；A為閘室基底面的面積，m2；∑G為作用于閘室上的全部豎向荷載；(包括閘室基礎底面上的揚壓力在內(nèi)，kN；∑H為作用于閘室上的全部水平向荷載，kN；φ0為閘室基底面與土質(zhì)地基之間的摩擦角?！悖籆0為閘室基底面與土質(zhì)地基之間的黏結(jié)力，kPa；[Kc]為閘室沿基礎底面的容許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，[Kc]=1.25。

2)閘室段應力計算

計算公式：

(15)

式中：B為閘室段長，m；e為偏心距，m；σmax、σmin為最大最小應力，kPa；∑G為作用于堰體上的全部豎向荷載，kN；∑m為作用于堰體上的全部豎向荷載和水平荷載對地基面垂直水流方向的形心力矩，kN·m；η為不均勻系數(shù)，建筑物穩(wěn)定及應力成果表，見表6。

表6 建筑物穩(wěn)定及應力成果表

經(jīng)以上計算，閘室抗滑穩(wěn)定及閘室應力均滿足規(guī)范要求。

2.4 運行條件及檢修期

魚道過魚時間為每年的4月-11月，因此確定魚道的運行期為每年的4月-11月，與引嫩工程每年的4月-10月引水期間基本重合。在每年4月份開始運行，運行水位與渠首引水水位相同，即為176.20m。當發(fā)生洪水通過泄洪閘開敞泄流調(diào)節(jié)上游水位穩(wěn)定在176.20m，此時魚道正常運行；當上游水位超過正常運行水位176.20m并持續(xù)上漲時，關(guān)閉魚道出口控制閘，洪水由泄洪閘、固灘、溢流壩等聯(lián)合泄流。冬季魚道不運行，由于冬季河面冰封，此時將魚道出口控制閘關(guān)閉。為減少冬季控制閘閘門受冰凍而造成的凍脹力及冰推力，應在河流冰封期間，每隔15天將閘前冰層鑿出隔離槽，槽寬0.5m，槽深1m。

魚道工程調(diào)度應在保證工程安全的條件下，服從渠首樞紐及流域的防洪調(diào)度，防洪和運行協(xié)調(diào)控制、聯(lián)合運用。

魚道在每年的11月末至次年的4月初進行維護和檢修。

3 結(jié) 語

引嫩渠首所在河段一般在10月下旬開始氣溫降低，至攝氏零度以下出現(xiàn)流冰，持續(xù)時間一般為10-16天，11月中旬開始封江，穩(wěn)定封凍期104-175d，平均為135-155d；第二年春季氣溫回升，于4月上中旬開江，一般流冰在10天左右，最遲在4月末流冰結(jié)束。嫩干春季和秋季流冰期歷時較長，冰塊尺寸較大。 冰層升溫膨脹產(chǎn)生的靜冰壓力會對控制閘產(chǎn)生冰推破壞，對控制閘的閘門、閘墩、擋土墻等不同部位剪切斷裂或傾斜；冰層和護坡凍結(jié)在一起時，在冰面上升或下降時也會對護坡產(chǎn)生冰拔破壞，造成結(jié)構(gòu)的拔起、旋轉(zhuǎn)或松動；流冰期冰層在風力及水力的作用下向控制閘及護坡涌進，造成沖擊破壞。

當嫩江水位超過177.00m時，水流攜帶泥沙進入仿生態(tài)魚道，造成魚道泥沙淤積，對今后的魚道清淤及運行管理造成一定困難。