CN111411613A - 孔堰结合型生态鱼道过渡段及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种孔堰结合型生态鱼道过渡段及其设计方法，所述过渡段为水深递减、顶宽递增、底宽递减的梯形边坡明渠，过渡段沿程设置多级潜堰；所述潜堰顶宽从上游至下游逐渐增加，潜堰底宽从上游至下游逐渐减少；潜堰堰高从过渡段上游至下游阶梯型降低；所述潜堰的底部设置有过鱼孔。本发明利用溢流堰与孔口不同的过流特点，创新地设计孔堰结合型生态鱼道过渡段，实现了上部过水、下部过鱼、控制流速、保持鱼道生态特性的目的。

Description

孔堰结合型生态鱼道过渡段及其设计方法

技术领域

本发明属于生态水工学领域，具体涉及一种孔堰结合型生态鱼道过渡段及其使用方法。

背景技术

随着越来越多拦河水利工程的修建，造成了江河阻隔，破坏了洄游鱼类的上溯，同时影响河流各类物质的输移和上游产卵区鱼苗对下游鱼类资源补充，与生态保护的理念相差甚远。因此，近年来大型水电工程建设都要考虑布设工程鱼道或生态鱼道；但传统的工程鱼道（水深较大）与生态鱼道（水深较小）连接段大多水利条件都比较恶劣，鱼类上溯效果差，存在水头落差过大，水流流速过快的缺点。因此开发一种能够消化水面落差、减缓过渡段流速，平顺流态、适应鱼类上溯的过渡段鱼道迫在眉睫。

发明内容

针对上述需求，本发明的目的是提供一种孔堰结合型生态鱼道过渡段及其使用方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种孔堰结合型生态鱼道过渡段，设置在需要水深平顺衔接的生态鱼道与工程鱼道之间，所述过渡段为水深递减、顶宽递增、底宽递减的梯形边坡明渠，过渡段沿程设置多级潜堰；所述潜堰顶宽从过渡段上游至下游逐渐增加，潜堰底宽从过渡段上游至下游逐渐减少，潜堰堰高从过渡段上游至下游阶梯型降低；所述潜堰的底部设置有过鱼孔。

当潜堰的高度大于过鱼孔高度的2倍时，在潜堰的底部左侧、右侧和中轴处均设置过鱼孔；当潜堰的高度小于等于过鱼孔高度的2倍时，在潜堰的底部左侧和右侧处设置过鱼孔。

所述过鱼孔的上、下游均对应设置有加糙石块，加糙石块背流侧设置有低速休憩区，加糙块设置为交错梅花桩式。

所述相邻潜堰之间的过渡段底槽平均宽度大于加糙石块宽度的7倍时，该过渡段底槽与潜堰相邻的一排布置5个加糙石块，其余加糙石块交错梅花桩式布置；所述相邻潜堰之间的过渡段底槽平均宽度小于加糙石块宽度的7倍时，该过渡段底槽与潜堰相邻的一排设置3个加糙石块，其余加糙石块交错梅花桩式布置，在设置3个加糙石块时，与相邻潜堰临近的一排加糙石块的数量不大于过鱼孔的数量。

所述相邻潜堰之间的过渡段底槽平均宽度大于加糙石块的5倍时，该过渡段底槽的加糙石块设置在底槽上；所述相邻潜堰之间的过渡段底槽平均宽度小于加糙石块的5倍时，该过渡段两侧的加糙石块布置在斜坡上。

所述相邻两排加糙石块的间距与相邻潜堰之间的过渡段底槽宽度比为0.54～0.65，加糙石块的直径与该过渡段水深的比例为0.103～0.24。

所述过渡段上游进口端面为矩形，下游出口端面为梯形；过渡段内各级潜堰均为不同边坡的梯形潜堰。

所述潜堰为钢筋混凝土结构。

所述出口潜堰顶部宽度扩大为进口潜堰顶宽的2.1倍，出口潜堰底部宽度缩小为进口潜堰底部宽度的0.3倍，各级潜堰间隔5米，过渡段底坡为0.67%。

一种孔堰结合型生态鱼道过渡段的设计方法，包括如下步骤：

a）对过渡段上、下游边界及水力条件进行分析研究，选择合适的过渡段渠道体型；

b）根据过渡段的体型、长度和过流条件进行设计，确定合适的潜堰级数和初步堰高；

c）利用已有工程资料分析过鱼对象体型和适宜流速，确定潜堰底孔大小及位置，复核确定堰高；

d）在过渡段及潜堰孔口对应处设置加糙石块；

e）通过检验，保证孔堰结合型生态鱼道过渡段底孔流速达到过鱼要求，保证水面连续、流态平顺要求；

f）按设计尺寸制作过渡段，即可使用。

本发明的有益效果如下：

1.首先采用多级潜堰的形式来逐级降低水面、控制过堰流速，梯形潜堰从上游至下游高度逐级减小；过渡段水面出现阶梯型跌水现象，孔堰在降低流速的同时使过渡段水流景观性也得到增强，流态得到明显的改善。

2.根据过鱼条件设计堰孔尺寸，在潜堰底部两侧设左右两个过鱼边孔，偏中轴处设置过鱼中孔，共设置三个过鱼孔，使得孔口过流流速满足鱼类上溯要求。

3.本发明的孔堰结合型生态鱼道过渡段在各级潜堰间的底部和侧壁按梅花桩式布置加糙块，每个潜堰的过鱼底孔的上下游侧均布置加糙块，通过加糙使过渡段底部流速普遍降低，每个加糙石块背后都有一个局部低速休憩区，可供上溯鱼栖身休憩。

4.本发明的新型过渡段鱼道体型为扭曲面过渡的梯形断面明渠；采用上游槽顶宽度至下游槽顶宽度逐渐增加，下游槽底宽度至下游槽底宽度逐渐缩小，可平顺衔接上下游不同断面形状的鱼道。

5.本发明利用溢流堰与孔口不同的过流特点，创新地设计孔堰结合型生态鱼道过渡段，实现了上部过水、下部过鱼、控制流速、保持生态的目的。

附图说明

图1是本发明实施例潜堰布置平面示意图。

图2是本发明实施例1'#—9'#潜堰断面图。

图3是本发明实施例1#—12#潜堰断面图。

图4是本发明加糙石块的立体结构图。

图5是本发明1#—3#布置平面示意图。

图6是图5中A-A的剖面图。

图7是图5中D-D的剖面图。

图8是3'#—6'#布置平面示意图。

图9是图8中B-B的剖面图。

图10是图8中E-E的剖面图。

图11是7#—11#布置平面示意图。

图12是图11中C-C的剖面图。

图13是图11中F-F的剖面图。

图14是图1中B-B的剖面图。

具体实施方式

需要说明的是，图1～14中尺寸单位均为mm。

如图1～14所示，一种孔堰结合型生态鱼道过渡段，设置在需要水深平顺衔接的生态鱼道与工程鱼道之间；所述过渡段为水深递减、顶宽递增、底宽递减的梯形边坡明渠，过渡段沿程设置多级有孔潜堰，所述的过渡段沿程即为过渡段从上游到下游的方向，潜堰为钢筋混凝土结构；所述上游潜堰的槽顶宽度至下游潜堰的槽顶宽度逐渐增加，上游潜堰的槽底宽度至下游潜堰的槽底宽度逐渐缩小，上游潜堰的堰高至下游潜堰的堰高阶梯形降低，各级潜堰的边坡沿程逐渐增大，即过渡段内各级潜堰均为不同边坡的梯形潜堰。上述的逐渐增加、逐渐缩小和逐渐增大均为线性变化。

在所述每道潜堰的底部设置有过鱼孔，用于洄游鱼类的上溯，过鱼孔要满足过鱼要求，根据鱼的丰满度确定过鱼孔的下限，孔口总面积根据满足过鱼要求的分流比确定。考虑到洄游鱼类的上溯以及潜堰结构的稳定性，对过鱼孔的位置和数量布置规定如下：当潜堰的高度大于过鱼孔高度的2倍时，在潜堰的底部左侧、右侧和中轴处均设置过鱼孔；当潜堰的高度小于等于过鱼孔高度的2倍时，在潜堰的底部左侧和右侧处设置过鱼孔；所述潜堰的高度与过鱼孔高度的最大比值为6.25。通过上述设置，既能保证洄游鱼类的上溯，也能够保证潜堰结构的稳定性。

上述利用多级潜堰的形式来逐级降低水位，并通过设置底部过鱼孔控制流速满足过鱼要求；潜堰从上游矩形潜堰渐变为下游梯形潜堰，过渡段水流表面连续并出现阶梯形跌水现象，孔堰不同，不但降低了过堰流速同时保持了过渡段连续波动水面的景观性，流态得到明显的改善。

在所述相邻潜堰之间设置有加糙石块，加糙石块按照交错梅花桩形式交错布置，考虑到相邻潜堰间的流态均不一致，故加糙石块间距布置与相邻潜堰的位置有关；相邻潜堰间设置的加糙石块总量也不相同，但是在所述过鱼孔的上、下游均对应设置有加糙石块，加糙石块优选鹅卵石。

对加糙石块的数量布置规定如下：所述相邻潜堰之间的过渡段底槽平均宽度大于加糙石块宽度的7倍时，该过渡段底槽与潜堰相邻的一排布置5个加糙石块，其余加糙石块交错梅花桩式布置，也就是5个、4个、5个、4个、5个这样的排列方式；所述相邻潜堰之间的过渡段底槽平均宽度小于加糙石块宽度的7倍时，该过渡段底槽与潜堰相邻的一排设置3个加糙石块，其余加糙石块交错梅花桩式布置也就是3个、2个、3个、2个、3个这样的排列方式，在设置3个加糙石块时，与相邻潜堰临近的一排加糙石块的数量不大于过鱼孔的数量。在布置加糙石块时，以中轴线为基准，向两侧均匀布置。

对加糙石块的位置布置规定如下：所述相邻潜堰之间的过渡段底槽平均宽度大于加糙石块的5倍时，该过渡段底槽的加糙石块设置在底槽上；所述相邻潜堰之间的过渡段底槽平均宽度小于加糙石块的5倍时，该过渡段两侧的加糙石块布置在斜坡上。没有设置过鱼中孔的潜堰底部过短，故潜堰附近的加糙石块可设置在斜坡上。

对加糙石块的间距和加糙石块的直径规定如下：相邻两排加糙石块的间距与相邻潜堰之间的过渡段底槽宽度比为0.54～0.65，加糙石块的直径与该过渡段水深的比例为0.103～0.24。

通过设置梅花桩式的加糙石块，使得过渡段底部的流速普遍降低。

在所述加糙石块背流侧设置形成相对低速休憩区或静水休憩区，可以供上溯鱼就地栖身休憩。

上述孔堰结合型生态鱼道过渡段的设计方法，包括如下步骤。

a）对鱼道过渡段上、下游边界及水力条件进行分析研究，选择合适的过渡段渠道体型。

b）根据过渡段的体型、长度和过流条件进行设计，确定合适的潜堰级数和初步堰高。

c）利用已有工程资料分析过鱼对象体型和适宜流速，确定潜堰底孔大小及位置，复核确定堰高。

d）在过渡段及过堰孔口对应处设置加糙石块。

e）通过检验，保证孔堰结合型生态鱼道过渡段流速达到过鱼要求，保证水面连续、流态平顺的要求。

f）按设计尺寸制作过渡段，即可使用。

为证明本发明的技术效果，可以按下述规格尺寸对孔堰结合过渡段的水力学特性进行试验，尺寸单位为mm。需要说明的是，下述试验仅是以模型作为试验基础，并不是对本发明技术方案的限定，在实际实施时，按照比例放大实施仍然可以实现本发明的技术效果。

1）潜堰布置设计

扭曲面过渡段水槽模型使用有机玻璃板制作，几何比尺12；过渡段长8.33m，底坡0.67%，槽顶从上游宽0.417m渐变到0.875m，槽底从上游宽0.417m渐变到0.125m，相邻潜堰隔板间隔0.417m。过渡段前后水位落差22cm左右。过渡段从上游矩形断面渐变为下游倒梯形断面，有孔潜堰堰高从25cm降至3cm，相邻堰高差距1cm左右，自上而下共设置21级潜堰。

2）底部过鱼孔设计

按照过鱼孔的位置和数量布置规定，每个潜堰底部均设计三个过鱼孔，最后几道潜堰因宽度不够，只设边孔，不设中孔。所有位于坡脚两侧的过鱼孔高度均为36mm，所有位于中轴线附近的过鱼孔尺寸为30×30mm。

3）加糙石块布置设计

按照加糙石块数量和位置的布置规定，加糙石块按梅花桩式纵向交错布置，由于相邻有孔潜堰间的流态均不一致，故加糙石块纵向间距按当地相邻潜堰的位置布置；紧邻1#—3#潜堰上下游侧一排布置5个加糙石块，并以中轴线为基准，向两侧均匀布置，3#以后的则按紧邻各潜堰的上下游侧一排各布置3个加糙石块的方案实施（对应潜堰底部的3个过鱼孔），其中10#、10'#和11#没有过鱼中孔，故中孔位置不设块；1#—6'#两侧过鱼边孔对应的加糙石块布置在底槽上，7#—11#两侧过鱼边孔对应的加糙石块布置在斜坡上。

4）详细水力计算过程

1.孔堰结合型生态鱼道过渡段连续性分流原理：

其中，Q为鱼道总流量（单位m³/s），Q₁为堰顶过流量（单位m³/s），Q₂为底孔流量（单位m³/s）。

2.顶部堰流过流能力：

其中，m为流量系数，b为堰宽（单位：m），h为堰顶水头（m），g为重力加速度（Kg/m³）。

3.底部孔口过流能力：

其中，A为底孔面积（单位：m²），H为堰前水深（m），μ_c为孔口流速系数，对于底孔、两侧适度收缩水流，取值0.65~0.75。

其中，v ₁为增加潜堰后的流速（m/s）；Δz ₁为增加潜堰后的过堰水头差（m），v ₂为没有增加潜堰时的流速，Δz₂为没有增加潜堰时的过堰水头差。

下表为孔堰结合型生态鱼道过渡段在水力模拟试验中获得的模型时均流速和水深（表中数字均已折算到原型数据，原型流量Q=3.6m³/s）：

鱼道整体流速控制在0.79~1.48m/s，可满足鱼类上溯的要求。

以上所述，仅是本发明的优选实施方式，并不是对本发明技术方案的限定，应当指出，本领域的技术人员，在本发明技术方案的前提下，还可以作出进一步的改进和改变，这些改进和改变都应该涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种孔堰结合型生态鱼道过渡段，设置在需要水深平顺衔接的生态鱼道与工程鱼道之间，其特征在于：所述过渡段为水深递减、顶宽递增、底宽递减的梯形边坡明渠，过渡段沿程设置多级潜堰；所述潜堰顶宽从过渡段上游至下游逐渐增加，潜堰底宽从过渡段上游至下游逐渐减少，潜堰堰高从过渡段上游至下游阶梯型降低；所述潜堰的底部设置有过鱼孔。

2.根据权利要求1所述的孔堰结合型生态鱼道过渡段，其特征在于：当潜堰的高度大于过鱼孔高度的2倍时，在潜堰的底部左侧、右侧和中轴处均设置过鱼孔；当潜堰的高度小于等于过鱼孔高度的2倍时，在潜堰的底部左侧和右侧处设置过鱼孔。

3.根据权利要求1所述的孔堰结合型生态鱼道过渡段，其特征在于：所述过鱼孔的上、下游均对应设置有加糙石块，加糙石块背流侧设置有低速休憩区，加糙块设置为交错梅花桩式。

4.根据权利要求3所述的孔堰结合型生态鱼道过渡段，其特征在于：所述相邻潜堰之间的过渡段底槽平均宽度大于加糙石块宽度的7倍时，该过渡段底槽与潜堰相邻的一排布置5个加糙石块，其余加糙石块交错梅花桩式布置；所述相邻潜堰之间的过渡段底槽平均宽度小于加糙石块宽度的7倍时，该过渡段底槽与潜堰相邻的一排设置3个加糙石块，其余加糙石块交错梅花桩式布置，在设置3个加糙石块时，与相邻潜堰临近的一排加糙石块的数量不大于过鱼孔的数量。

5.根据权利要求4所述的孔堰结合型生态鱼道过渡段，其特征在于：所述相邻潜堰之间的过渡段底槽平均宽度大于加糙石块的5倍时，该过渡段底槽的加糙石块设置在底槽上；所述相邻潜堰之间的过渡段底槽平均宽度小于加糙石块的5倍时，该过渡段两侧的加糙石块布置在斜坡上。

6.根据权利要求5所述的孔堰结合型生态鱼道过渡段，其特征在于：所述相邻两排加糙石块的间距与相邻潜堰之间的过渡段底槽宽度比为0.54～0.65，加糙石块的直径与该过渡段水深的比例为0.103～0.24。

7.根据权利要求1所述的孔堰结合型生态鱼道过渡段，其特征在于：所述过渡段上游进口端面为矩形，下游出口端面为梯形；过渡段内各级潜堰均为不同边坡的梯形潜堰。

8.根据权利要求1所述的孔堰结合型生态鱼道过渡段，其特征在于：所述潜堰为钢筋混凝土结构。

9.根据权利要求1所述的孔堰结合型生态鱼道过渡段，其特征在于：所述出口潜堰顶部宽度扩大为进口潜堰顶宽的2.1倍，出口潜堰底部宽度缩小为进口潜堰底部宽度的0.3倍，各级潜堰间隔5米，过渡段底坡为0.67%。

10.一种根据权利要求1～9任一所述的孔堰结合型生态鱼道过渡段的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

a）对过渡段上、下游边界及水力条件进行分析研究，选择合适的过渡段渠道体型；

b）根据过渡段的体型、长度和过流条件进行设计，确定合适的潜堰级数和初步堰高；

c）利用已有工程资料分析过鱼对象体型和适宜流速，确定潜堰底孔大小及位置，复核确定堰高；

d）在过渡段及潜堰孔口对应处设置加糙石块；

e）通过检验，保证孔堰结合型生态鱼道过渡段底孔流速达到过鱼要求，保证水面连续、流态平顺要求；

f）按设计尺寸制作过渡段，即可使用。

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