一种能够适应上游大水位变幅的混合型鱼道的制作方法

本发明是一种能够适应上游大水位变幅的混合型鱼道，用于水利水电工程过鱼设施建设，属于水利工程领域。

背景技术：

鱼道是沟通鱼类洄游路线的一种重要设施，在低水头水利枢纽上沟通鱼类洄游路线中，具有不可替代的重要地位，是水利工程生态保护与修复技术的关键内容之一。

建国60年来，我国修建了大量的水库大坝工程，这些水库大坝在防洪、灌溉、发电、供水、航运、水产养殖等方面发挥了巨大的作用，取得了显著的社会和经济效益。然而，大量水库与闸坝的存在阻断了河流的连续性，改变了河流水沙自然状态与自然水文过程，破坏了水生生物的栖息地，由于上溯与降河都受到严重抑制，造成鱼类种群数量大幅减少，许多珍稀鱼类资源濒临灭绝。如我国长江下游苏北地区，1959年开始修建的万福闸等一系列水利工程，切断了蟹苗、幼鳗、刀鱼等的洄游路线，使高邮湖、洪泽湖等地区的上述经济鱼类迅速减少，1973年修建太平闸鱼道后，重新恢复了鱼类洄游路线，加之其他辅助措施，使这些湖区的渔业产量才逐渐得到恢复。国外鱼道成功案例更多，如美国邦纳维尔坝鱼道，年平均过鱼65万尾；美国麦克纳里坝鱼道，年均过鱼106万尾，这些鱼道的建设为渔业生产、河流生态的修复创造了良好的条件。

《水利水电工程鱼道设计导则(sl609-2013)》规定：主要过鱼季节上游水位变幅较大时，应设置不同位置与高程的多个鱼道出口。联合国粮农组织出版的《fishpasses–design,dimensionsandmonitoring》规定，鱼道出口宜设计成竖缝式，若水位变幅超过1m则应设置多个出口。我国水库众多，一些水库受电站日调节影响，水库水位变幅达10多米，如此巨大的水位变幅给鱼道出口的设计带来巨大的困难。若依据常规设计，鱼道出口将多达10个以上，无论从设计还是从管理角度，都是非常困难的。为此本发明提出一种能够适应上游大水位变幅的混合型鱼道，能够使鱼道多出口的复杂出口型式简化为简单的鱼道单出口型式，可简化鱼道设计，方便鱼道管理，对于我国鱼道建设具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够适应上游大水位变幅的混合型鱼道型式，该鱼道能够适应上游的大水位变幅，简化鱼道设计，方便鱼道运行与管理。

该适应上游大水位变幅的混合型鱼道自下游至上游依次包括：鱼道隔板段、鱼道驻留池段、鱼道闸室段；

其中鱼道隔板段内部为正常鱼道，属于正常鱼道与鱼道驻留池段的过渡段，其下游连接正常鱼道；

鱼道驻留池段连接鱼道隔板段与鱼道闸室段，为一矩形渠槽，供通过鱼道上溯的鱼类暂时驻留休息；所述的鱼道驻留池段设置有驻留池消力池和驻留池补水管，所述的驻留池补水管通向上游库区，并设置有自适应输水阀门，提供稳定、恒定的水量，实现持续诱鱼；

所述的鱼道驻留池段为平底并配有驻留池段赶鱼栅格，用来将驻留池段的鱼赶入鱼道闸室段；

所述的驻留池段赶鱼栅格为整体升降式赶鱼栅格；

具体而言，包括：栅格、水平滑杆、驱动杆、驱动电机、栅格辐条，两端支架，滑轮，垂向卷扬机，驱动电机固定在一端的支架上，通过链条与驱动杆相连，驱动杆为螺纹杆，穿过运动螺栓，运动螺栓与栅格固定连接，栅格四角设置四个定位孔，水平滑杆穿过上述定位孔，栅格辐条连接运动螺栓和定位孔。

所述的两端支架为固定在驻留池段上下游的4个钢桩，钢桩高度为驻留池段高度的2.2倍，钢桩外有滑动套，滑动套外侧与水平滑杆焊接，滑动套套在钢桩上；位于上部的两个水平滑杆两端设有吊环，连接锁链，锁链绕过定滑轮，连在垂直卷扬机上。

当驻留池段赶鱼栅格提出驻留池段时，垂向卷扬机工作收紧锁链，栅格、水平滑杆、驱动杆、驱动电机、栅格辐条、两端支架整体被拉出水面，滑动套在钢桩上滑动，钢桩最高点设置有通断限位器，当滑动套到达最高点时，垂向卷扬机断电并自动锁死，整个框架并最终被限制在钢桩最高点；驱动电机工作推动螺纹杆旋转，带动运动螺栓，使得栅格沿水平滑杆向下游滑动，使得赶鱼栅格进入复位状态。

当驻留池段赶鱼栅格进入驻留池段时，垂向卷扬机先收紧锁链触发锁闭机构，打开锁闭器，然后释放锁链赶鱼栅格整体被放入水中，当装置全部入水后；驱动电机反向工作，推动螺纹杆旋转，带动运动螺栓，使得栅格沿水平滑杆向上游滑动，使得赶鱼栅格进入赶鱼状态。

所述的鱼道驻留池段上游设置有驻留池段提升闸门，用来将驻留池段和鱼道闸室段隔开；

所述的鱼道闸室段位于鱼道驻留池段和上游水库之间，其上游设闸室段闸门将闸室段与上游水库隔开，适应上游水库的大变幅水位；

所述的鱼道闸室段设置有闸室段消力池和闸室段补水管，所述的闸室段补水管通向上游库区，并设置有自适应输水阀门。

所述的鱼道闸室段还配有闸室段水平赶鱼栅格，用来将闸室段的鱼赶入上游库区；

所述的鱼道闸室段还配有闸室段垂向赶鱼栅格，用来将闸室段底部的鱼赶到表面。

该混合型鱼道的运行步骤如下：

(1)诱鱼、集鱼阶段：驻留池段提升闸门关闭，闸室段闸门关闭，驻留池补水管始终开启，水流自驻留池消力池流出诱鱼；鱼通过鱼道隔板段进入鱼道驻留池段；

(2)赶鱼阶段a：鱼道驻留池段赶鱼栅格进入鱼道驻留池段，自鱼道驻留池段下游向上游运行，将鱼赶入鱼道闸室段；

(3)水位调整阶段：关闭鱼道驻留池段提升闸门，闸室段补水管按照设计阀门开启速率缓慢开启，鱼道闸室段内水位缓慢上升到与上游库水位相等；同时，驻留池赶鱼栅重新提起，回到下游，并保持开启，驻留池段持续诱鱼；

(4)赶鱼阶段b：关闭闸室段输水管道，鱼道闸室段赶鱼栅格自鱼道闸室段下游进入鱼道闸室段，开启鱼道闸室段闸门，闸室段赶鱼栅格向上游运动将鱼赶入上游水库；

(5)泄水阶段：将鱼道闸室段内水利用水泵抽到下游河道中。

重复以上步骤，使得混合型鱼道连续工作。

鱼道闸室段灌水及泄水过程典型水力指标有输水流量q、阀门开启时间tv、总输水时间t、输水功率et、单位水体功率耗散e、闸室水位上升速率等，各指标综合反映了鱼闸的运行特性，其中输水功率et表征输水水体单位时间内做功的多少；单位水体功率耗散e表征闸室内水体紊动情况(单位水体功率耗散越大，水流紊动强度越大)，分别计算如下：

输水功率et

et＝ρgqtht

式中et为t时刻的水流功率(w)；qt为t时刻的水流流量(m³/s)；ht为t时刻库水位与闸室水位的水位差(m)，可由闸室水位与时间关系曲线求得。

单位水体功率耗散e

e＝et'/vt

式中e为单位水体功率耗散(w/m³)；et’为进入闸室水体水流功率(w)；vt为t时刻的闸室水体积(m³)。

由于鱼类紊动的水体内极易受伤，因此发明人经过反复实验和计算得出：

鱼道闸室与鱼道驻留池段输水过程中应满足如下控制条件：

(1)单位水体功率耗散e小于200w/m³，优选地小于50w/m³；

(2)鱼道闸室内水位变幅δht要求小于2.5m/min；

(3)鱼道闸室段充泄水过程任意位置流速均小于1.5m/s，优选地小于1m/s。

本发明的有益效果在于：

利用在鱼道上游段设置鱼道闸室，解决鱼道在上游大水位变幅时必须设置多个鱼道出口的难题，极大地节约了建设费用，降低了枢纽布置难度。

提出了鱼道闸室与鱼道驻留池段输水过程的控制条件。

说明书附图

图1本发明的俯视示意图；

图2本发明的主视示意图；

图3本发明的赶鱼栅结构示意图；

图4本发明的赶鱼栅主视剖面示意图；

图5本发明的赶鱼栅俯视剖面示意图；

图6本发明的赶鱼栅侧视示意图；

图7本发明的闸室俯视示意图；

图8本发明的闸室主视示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

某枢纽由拦河坝、泄洪洞、排沙洞、发电引水系统和电站、过鱼建筑物、生态放水建筑物组成。水库总库容2.0亿m³，为日调节水库，上游水位日变幅14m，过鱼设施设计应能够在库水位涨落情况下正常运行。拦河坝为沥青心墙堆石坝，最大坝高62m。

为适应上游水位的巨大变幅，采用适应上游大水位变幅的混合型鱼道型式，将原设计总长为6025.6m的鱼道缩短为3500m。

适应上游大水位变幅的混合型鱼道自下游至上游依次包括：鱼道隔板段1、鱼道驻留池段2、鱼道闸室段3三个部分；

其中鱼道隔板段1为正常鱼道段，属于正常鱼道与鱼道驻留池段2的过渡段，其下游连接正常鱼道；

鱼道驻留池段2连接鱼道隔板段1与鱼道闸室段3，为一矩形渠槽，供通过鱼道上溯的鱼类暂时驻留休息；所述的鱼道驻留池段2设置有驻留池消力池21和驻留池补水管22，所述的驻留池补水管22通向上游库区，并设置有自适应输水阀门20，提供稳定、恒定的水量，实现持续诱鱼；

所述的鱼道驻留池段2为平底并还配有驻留池段赶鱼栅格23，用来将驻留池段2的鱼赶入鱼道闸室段3；

所述的驻留池段赶鱼栅格23为整体升降式赶鱼栅格；

具体而言，包括：栅格a1、水平滑杆a2、驱动杆a3、驱动电机a4、栅格辐条a5、两端支架、滑轮a7、垂向卷扬机a8，驱动电机a4固定在一端的支架上，通过链条与驱动杆a3相连，驱动杆a3为螺纹杆，穿过运动螺栓，运动螺栓与栅格a1固定连接，栅格a1四角设置四个定位孔，水平滑杆a2穿过上述定位孔，栅格辐条a5连接运动螺栓和定位孔。

所述的两端支架为固定在驻留池段上下游的4个钢桩a61，钢桩a61高度为驻留池段高度的2.2倍，钢桩a61外有滑动套a62，滑动套a62外侧与水平滑杆a2焊接，滑动套a62套在钢桩a61上；位于上部的两个水平滑杆a2两端设有吊环，连接锁链，锁链绕过定滑轮a7，连在垂直卷扬机a8上。

当驻留池段赶鱼栅格23提出驻留池段2时，垂向卷扬机a8工作收紧锁链，栅格a1、水平滑杆a2、驱动杆a3、驱动电机a4、栅格辐条a5、两端支架整体被拉出水面，滑动套a62在钢桩a61上滑动，钢桩a61最高点设置有通断限位器，当滑动套a62到达最高点时，垂向卷扬机a8断电并自动锁死，整个框架并最终被限制在钢桩a61最高点；驱动电机a4工作推动螺纹杆a3旋转，带动运动螺栓，使得栅格a1沿水平滑杆a2向下游滑动，使得赶鱼栅格23进入复位状态。

当驻留池段赶鱼栅格23进入驻留池段2时，垂向卷扬机a8先收紧锁链触发锁闭机构，打开锁闭器，然后释放锁链赶鱼栅格23整体被放入水中，当装置全部入水后；驱动电机a4反向工作，推动螺纹杆a3旋转，带动运动螺栓，使得栅格a1沿水平滑杆a2向上游滑动，使得赶鱼栅格23进入赶鱼状态。

所述的鱼道驻留池段2上游设置有驻留池段提升闸门24，用来将驻留池段2和鱼道闸室段3隔开；

所述的鱼道闸室段3位于鱼道驻留池段2和上游水库之间，其上游设闸室段闸门34将闸室段3与上游水库隔开，适应上游水库的大变幅水位；

所述的鱼道闸室段3设置有闸室段消力池31和闸室段补水管32，所述的闸室段补水管32通向上游库区，并设置有自适应输水阀门30。

所述的鱼道闸室段3还配有闸室段水平赶鱼栅格33，用来将闸室段3的鱼赶入上游库区；

所述的鱼道闸室段3还配有闸室段垂向赶鱼栅格35，用来将闸室段3底部的鱼赶到表面。

该混合型鱼道的运行步骤如下：

(1)诱鱼、集鱼阶段：驻留池段提升闸门24关闭，闸室段闸门34关闭，驻留池补水管22始终开启，水流自驻留池消力池2流出诱鱼；鱼通过鱼道隔板段1进入鱼道驻留池段2；

(2)赶鱼阶段a：鱼道驻留池段赶鱼栅格23进入鱼道驻留池段2，自鱼道驻留池段2下游向上游运行，将鱼赶入鱼道闸室段3；

(3)水位调整阶段：关闭鱼道驻留池段提升闸门24，闸室段补水管32按照设计阀门开启速率缓慢开启，鱼道闸室段内水位缓慢上升到与上游库水位相等；同时，驻留池赶鱼栅重新提起，回到下游，并保持开启自适应输水阀门30，驻留池段2持续诱鱼；

(4)赶鱼阶段b：关闭闸室段输水管道32，鱼道闸室段赶鱼栅格33自鱼道闸室段3下游进入鱼道闸室段3，开启鱼道闸室段闸门34，闸室段赶鱼栅格33向上游运动将鱼赶入上游水库；

(5)泄水阶段：将鱼道闸室段3内水利用水泵抽到下游河道中。

重复以上步骤，使得混合型鱼道连续工作。

鱼道闸室段3灌水及泄水过程典型水力指标有输水流量q、阀门开启时间tv、总输水时间t、输水总能量et、单位水体功率耗散e、闸室水位上升速率等，各指标综合反映了鱼闸的运行特性，其中能量et表征输水水体能量大小；单位水体功率耗散e表征闸室内水体紊动情况(单位水体功率耗散越大，水流紊动强度越大)，分别计算如下：

输水水流功率et

et＝ρgqtht

式中et为t时刻的水流功率(w)；qt为t时刻的水流流量(m³/s)；ht为t时刻库水位与闸室水位的水位差(m)，可由闸室水位与时间关系曲线求得。

单位水体功率耗散e

e＝et'/vt

式中e为单位水体功率耗散(w/m³)；et’为进入闸室水体水流功率(w)；vt为t时刻的闸室水体积(m³)。

由于鱼类紊动的水体内极易受伤，因此发明人经过反复实验和计算得出：

鱼道闸室与鱼道驻留池段输水过程中应满足如下控制条件：

(1)单位水体功率耗散e小于200w/m³，优选地小于50w/m³；

(2)鱼道闸室内水位变幅δht要求小于2.5m/min；

(3)鱼道闸室段充泄水过程任意位置流速均小于1.5m/s，优选地小于1m/s。

经计算，鱼道闸室段输水阀门不同开启速率时各水力指标见表1。由表1可见，阀门开启时间为1min～3min时，单位水体功率耗散e有大于200w/m³的情况，考虑到该值越小越好，阀门开启时间推荐为4min，此时，鱼道闸室内水位变幅δht均满足小于2.5m/min的要求。各工况下鱼道闸室充泄水过程任意位置流速均小于建议小于1m/s。

表1鱼道闸室段运行主要水力特征指标

实施例二

某枢纽由拦河坝、发电引水系统和电站、泄水闸、过鱼建筑物等组成。水库总库容1.0亿m³，为日调节水库，上游水位日变幅10m，过鱼设施设计应能够在库水位涨落情况下正常运行。拦河坝为混凝土重力坝，最大坝高50m。

为适应上游水位的巨大变幅，设计“能够适应上游大水位变幅的混合型鱼道”，采用该型式后，可大幅缩短原设计总长5200m的鱼道(缩短近一半鱼道长度)。本实施例在实施例1的基础的上，将驻留池出水口消力池和鱼道闸室段出水口消力池尺寸加大(可在池室内继续添加消能槛等设施进一步提高消能效率)，受工程布置限制，将驻留池段长度缩短。为提高鱼道闸室段赶鱼效果，增加垂向赶鱼格栅，如图7、图8所示。具体运行中，当鱼进入鱼道闸室段后，关闭驻留池段提升闸门，向鱼道闸室段内灌水，待水位与上游水库齐平，提升垂向赶鱼格栅，开启鱼道闸室段上游闸门，把鱼赶至水面附近后，启动水平向赶鱼格栅，将鱼赶出闸室。