CN115852910B - 一种模块化鱼坡结构、及其设计方法和施工方法 - Google Patents

Abstract

一种模块化鱼坡结构、及其设计方法和施工方法，鱼坡为靠近鱼类上溯障碍布置的斜坡，该斜坡上布置有若干排和若干列的阻流体群，每排和每列阻流体群包括多个阻流体；每排阻流体群的主轴线与水流流向垂直，每列阻流体群的主轴线与水流流向平行；每排阻流体群中的多个阻流体呈锯齿形布置，且同一排相邻阻流体之间留有过鱼缝，相邻两排阻流体群中间形成池室；在每个阻流体的背水面设置有凹槽结构形成鱼类藏匿场所；在所述斜坡上铺设有卵砾石；所述斜坡为多列单体A模块和多列单体B模块拼接而成。本发明提供了一种能促进鱼类上溯、为鱼类提供藏匿空间的鱼坡结构，并提供了可推广的鱼坡结构确定方法、鱼坡单体结构和可实现模块化生产的实施方法。

Description

一种模块化鱼坡结构、及其设计方法和施工方法

技术领域

本发明涉及河流连通性修复领域，具体涉及有利于鱼类上溯和藏匿的一种模块化鱼坡结构、及其设计方法和施工方法。

背景技术

坝堰作为人类主要涉水工程，为水资源配置提供了有效保障的同时，将河流物理阻隔为上游和下游，这往往阻隔了下游生物(主要是鱼类)前往上游栖息地的迁移通道。而通过对坝堰进行连通性修复，可有效解决水资源配置和生态保护需求之间的矛盾。因此在坝堰上设计并实施有利于鱼类上溯的过鱼通道，对于充分发挥坝堰的综合效益至关重要。当前，坝堰连通性修复主要包括修建技术型鱼道、仿自然鱼道、升鱼机、集运鱼系统和拆除坝堰这几种方式。

如公开号为CN110230296A的专利申请公开了一种仿自然生态鱼道及其施工方法，所述仿自然生态鱼道结构为：其横断面为梯形，由下至上依次铺设第二复合土工膜、细砂层、第一复合土工膜、砂料级配碎石过渡层和宾格网石笼底坡；在所述宾格网石笼底坡上沿仿自然生态鱼道延伸方向间隔设置若干浆砌石隔墙。

又如，公开号为CN111328739A的专利申请公开了一种高效率全自动升鱼机系统，包括集鱼子系统、运鱼子系统和放鱼子系统，所述集鱼子系统用于收集鱼，所述运鱼子系统用于将所述集鱼子系统收集的鱼运送至所述放鱼子系统，所述放鱼子系统用于将所述运鱼子系统中的鱼通过卸鱼槽放至坝前水域。

但是，技术型鱼道具有规整的断面，流态单一，一般由钢筋混凝土浇筑而成；仿自然鱼道因采取不规则断面或放置不规则结构，其流态多样化程度高；通过机械或水力将坝下鱼类提升至坝上的过鱼方式被称为升鱼机或集运鱼系统，升鱼机和集运鱼系统虽可实现鱼类过坝，但无法实现上游水体和下游水体的连通；而拆除往往是针对不再发挥社会经济效益或废弃的坝堰。

虽然有成套坝堰连通性修复方法，但目前坝堰连通性修复方法和技术存在以下缺陷：(1)现有鱼道，未营造出类自然河流的有利于鱼类栖息和藏匿的空间；(2)现有鱼道往往是针对具体工程开展的专门设计，设计方法推广性差、扩展性差；(3)现有鱼道设施无法实现模块化生产和模块化组装。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种模块化鱼坡结构、及其设计方法和施工方法，旨在解决上述技术问题。

为实现上述目的，一方面，本发明提出一种模块化鱼坡结构，鱼坡为靠近鱼类上溯障碍布置的斜坡，该斜坡上布置有若干排和若干列的阻流体群，每排和每列阻流体群包括多个阻流体；每排阻流体群的主轴线与水流流向垂直，每列阻流体群的主轴线与水流流向平行；每排阻流体群中的多个阻流体呈锯齿形布置，且同一排相邻阻流体之间留有过鱼缝，相邻两排阻流体群中间形成池室；在每个阻流体的背水面设置有凹槽结构形成鱼类藏匿场所；在所述斜坡上铺设有卵砾石；所述斜坡为多列单体A模块和多列单体B模块拼接而成，每列单体A模块设包括多块单体A，每列单体B模块包括多块单体B，每块单体A的中部横向设置有一块阻流体，每块单体B靠近顶部位置设置有一块阻流体；单体A和单体B横向交错拼接后形成锯齿形布置的每排阻流体群；在每块单体A以及每块单体B的四角位置处设置有连接件。

另一方面，本发明还提出一种上述的模块化鱼坡结构的设计方法，包括以下步骤：

步骤S21、调查并采集基础参数数据集S{x_i}；i表示基础参数不同类别，该基础参数类别包括目标坝堰坝址处河流水文数据、过鱼对象生态习性和坝体结构参数三种，x_i表示各类别对应的基础参数；

步骤S22、根据基础参数数据集，确定限制指标集X{y_i}可接受数值范围，y_i表示第i个限制指标；

步骤S23、根据基础数据和确定的限制指标数值，通过对应相关函数，初步拟定鱼坡结构尺寸，并判断过鱼缝水力宽度是否满足要求；

步骤S24、根据基础数据并假设鱼坡结构尺寸，通过水体能量耗散值评估池室结构是否满足要求；

步骤S25、计算鱼坡不同诱鱼、过鱼效果工况对应的流量范围；

步骤S26、鱼坡运行效果评估。

优选的，在步骤S21中：所述水文数据包括上游来流流量Q_river、库区引水流量Q_d、鱼坡断面河道流量Q_a、坝址要求下泄的最小生态流量Q_e和坝下河床高程H₀；所述过鱼对象生态习性包括目标鱼类体高H_F、摆尾幅度W_F和最大克流能力V_Fmax；所述坝体结构参数包括坝顶高程H_weir、过流堰的堰宽W_weir和过流堰的过流长度L_weir；

则基础参数数据集S{x_i}＝{Q_river，Q_d、Q_a、Q_e、H₀、H_F、W_F、V_Fmax、H₀、H_weir、W_weir、L_weir}。

优选的，在步骤S22中：限制指标集X{x_i，y_i}可接受数值范围与相关的础参数数据集S{x_i}具有对应的函数关系：S{x_i}→X{x_i，y_i}；

所述限制指标包括鱼坡坡度β、鱼坡最小流量Q_RMIN、阻流体背水面水深h₂、鱼坡最大流速V_max、鱼坡相邻池室水面高程差Δh、相邻阻流体之间的过鱼缝水力宽度W_h、鱼坡池室水体能量耗散率Pd，则各限制指标组成的指标集是影响鱼坡过鱼效果变量，过鱼效果函数F＝f(β，Q_RMIN，h₂，V_max，Δh，W_h，Pd_m)；

根据步骤S21调查并采集到的基础参数数据集，结合限制指标可接受数值范围与相关的基础参数具有对应的函数关系，获取限制指标可接受数值范围。

如权利要求4所述的模块化鱼坡结构的设计方法，其特征在于，在步骤S23中，鱼坡结构尺寸包括阻流体高度Hb、一排阻流体群对应的阻流体个数N、鱼坡排数N_row、池室数量N_p、相邻阻流体过鱼缝几何宽度c、鱼坡爬升高度H_R；

基于最小生态流量Q_e确定的鱼坡最小流量Q_RMIN，根据函数关系计算每排过鱼缝数量、通过单个过鱼缝的流量Q_g和过鱼缝水力宽度W_h；

其中过鱼缝水力宽度W_h根据鱼坡最小流量Q_RMIN、一排阻流体群对应的阻流体个数N、阻流体背水面水深h₂、进行确定，其函数表示为/> 判断所得到的过鱼缝水力宽度W_h是否满足步骤S22中限制指标可接受范围，如果满足，则计算值可被接受。

如权利要求5所述的模块化鱼坡结构的设计方法，其特征在于，在步骤S24中，先假设阻流体直径Db和阻流体宽度Wb，在指标数据范围内选取确定鱼坡坡度β、同排相邻阻流体位移角α值，根据相关函数计算相邻阻流体过鱼缝横向距离a、相邻阻流体过流过鱼缝垂向距离b、池室宽度W_p、池室长度L_p、池室水体容量V_p、池室流量Q_p和鱼坡长度L_R；

将Q_p、h₂、h₁、L_p、W_p指标代入函数Pd＝f(Q_p、h₂、h₁、L_p、W_p)，确定池室水体能量耗散值Pd；对计算所得Pd是否满足限制指标可接受数值范围要求进行判断，如果不满足要求，则调整阻流体直径Db和β值，重新上述计算，直到池室水体能量耗散值Pd在限制指标值范围内，则得到对应的Db、Wb、β值鱼坡结构相关设计值。

优选的，在步骤S25中，根据基本参数集、确定的限制指标集数值和鱼坡结构尺寸，确定鱼坡阻流体刚要被淹没时鱼坡运行流量Q_RMAX和对应的坝堰过流流量Q_weir；

当坝上水流只通过鱼坡流往下游，坝堰不过流时，即库区水面与坝顶溢流面高程差ΔH小于等于0时的对应的工况为诱鱼效果最佳工况，对应的这种工况下鱼坡断面河道河段流量范围为：Q_RMIN≤Q_a≤Q_R；ΔH＝0；

当鱼坡阻流体不被淹没时对应的鱼坡运行工况为过鱼效果最佳工况，所述阻流体不被淹没是为了保障有利于鱼类上溯的上坡流产生，此时鱼坡断面河道对应的流量范围为：Q_RMIN≤Q_a≤Q_RMAX+Q_weir(h_weir)；

当鱼坡阻流体不被淹没时，从坝顶通过的水流影响鱼坡诱鱼效果，且阻流体被影响上坡流的产生，这种工况属于非有效工况，对应的河段流量范围为：Q_a＞Q_aMAX；

Q_R为库区水面高程刚好与坝堰过流面的高程相等时的河段流量值；Q_RMAX为鱼坡阻流体刚要被淹没时，鱼坡过流流量值；h_weir为阻流体刚好被淹没时坝前水面与坝顶溢流面高差，Q_weir(h_weir)为鱼坡阻流体刚要被淹没时，通过坝堰过流的流量值。

优选的，ΔH＝0时Q_R确定方法为：

(1)根据步骤S23确定的阻流体高度Hb，计算库区水面高程与坝堰过流面的高程差ΔH等于0情况下对应的阻流体迎水面水深h₁和阻流体背水面水深h₂；

(2)根据步骤S23中所述的函数关系，计算单个过鱼缝的流量Q_g(△H＝0)和过鱼缝流量系数Cs，则Q_R(△H＝0)＝Q_g(△H＝0)×(N-1)；

(3)根据S23计算结果和步骤S24中给出的鱼坡池室水体能量耗散值Pd计算方法，计算Q_R(△H＝0)情况下的池室水体能量耗散值；

(4)如果池室水体能量耗散值超过步骤S22给出的限制值范围，则重新回到S23，对参数进行重新假设，再计算，直到满足鱼坡池室水体能量耗散率Pd要求；

所述Q_aMAX确定方法为：

(1)计算阻流体刚好不被淹没情况下对应的阻流体迎水面水深h₁(Q_RMAX)和阻流体背水面水深h₂(Q_RMAX)；

(2)根据步骤S23中所述的函数关系，计算阻流体刚好要被淹没情况下对应的单个过鱼缝过流流量Q_g(Q_RMAX)和过鱼缝流量系数Cs，则鱼坡阻流体刚要被淹没时鱼坡运行流量Q_RMAX＝Q_g(Q_RMAX)×(N-1)；

(3)根据步骤S23计算结果和步骤S24中给出的池室水体能量耗散值Pd计算方法，计算鱼坡阻流体刚要被淹没时鱼坡运行流量Q_RMAX情况下对应的池室水体能量耗散值；

(4)如果池室水体能量耗散值超过步骤S22给出的限制值范围，那么重新回到步骤S23，对参数进行重新假设，再计算，直到满足池室水体能量耗散值Pd要求；

(5)根据相关函数确定鱼坡阻流体刚要被淹没时通过坝堰过流的流量值Q_weir(h_weir)。

优选的，鱼坡运行效果评估时，结合调查所得的水文基础参数，绘制鱼坡目标运行时期的水文频率图，将根据步骤S25确定的流量范围(Q_RMIN≤Q_a≤Q_aMAX)代入水文频率图，计算流量Q_RMIN对应的保证率和Q_aMAX对应的保证率，那么流量Q_RMIN对应的保证率减Q_aMAX对应的保证率则为鱼坡在目标运行时期有效工作时间百分比。

再一方面，本发明还提出一种上述的模块化鱼坡结构的施工方法，包括如下步骤：

步骤S31、拆除部分坝堰，形成导流通道，为鱼坡施工创造干地环境；

步骤S32、根据鱼坡结构尺寸和布置，建设鱼坡施工围堰；

步骤S33、根据鱼坡坡度、长度、宽度、阻流体尺寸，进行鱼坡单体模板制作后进行单体预制件生产；所述鱼坡单体预制件，包括单体A和单体B两种形状；

步骤S34、根据鱼坡坡度、长度和宽度，开挖形成鱼坡基础；

步骤S35、采用吊装鱼坡单体的施工方式，将组成鱼坡的单体A、单体B按顺序放入鱼坡基础内；

步骤S36、通过连接固定方式将各单体A、单体B的连接件进行连接成整体。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果如下：

(1)本发明仿自然河流鱼类生存的物理环境和水力条件，根据鱼类利用同向水流增加上溯效率这一原理，结合上溯鱼类栖息藏匿这一需求，提供了一种能促进鱼类上溯、为鱼类提供藏匿空间的鱼坡结构，提供了可推广的确定鱼坡结构确定方法的同时，给出了鱼坡模块化单体结构以及实现鱼坡模块化组装的施工方法。弥补了现有技术存在的鱼道生境不适合、流态单一无法促进鱼类上溯，以及鱼道推广性差、无法实现模块化生产等方面的不足。

(2)本发明中鱼坡池室具有上坡流和下坡流两种水流特征，所述上坡流为与主流流向相反与鱼类上溯方法相同的水流区域，所述下坡流为与主流流向相同与鱼类上溯方法相反的水流区域；上溯鱼类可借助同向的上坡流达到节省上溯耗能，实现高效上溯的目的。

(3)在本发明中，斜坡上铺设有卵砾石，可以增加鱼坡粗糙度，有利于鱼类上溯，同时还可以为水底层攀爬类生物提供适宜生境。

(4)在本发明中，斜坡为多列单体A模块和多列单体B模块拼接而成，因此鱼坡可划分为边缘模块和中心模块，每列单体A模块、每列单体B模块是产生上坡流所需的最小单元，也是所述鱼坡最小单元；边缘模块为位于鱼坡两侧的模块；中心模块为除边缘模块以外的其他模块；不同数量边缘模块和中心模块可组成不同宽度的鱼坡。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明所提供的模块化鱼坡结构示意图；

图2为鱼坡水流特征示意图，其中：(a)为鱼坡产生的上坡流和下坡流的典型流线，(b)为鱼坡上坡流区域和下坡流区域划分；

图3为本发明中阻流体结构三维示意图；

图4为本发明所提供的模块化鱼坡结构的参数示意图；

图5为本发明所提供的模块化鱼坡结构的设计方法流程图；

图6本发明中单体A和单体B的结构示意图；其中：(a)为单体A和单体B连接平面示意图；(b)为单体A的结构示意图；(c)为单体B的结构示意图；(d)为单体B的剖面图；

图7为鱼坡布置及与坝堰关系示意图，其中：(a)为鱼坡布置三维示意图；(b)为鱼坡布置平面示意图；

图8为本发明中鱼坡预制件起吊施工示意图；

图9为本发明中鱼坡单体连接固定方式。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种模块化鱼坡结构，鱼坡为靠近鱼类上溯障碍布置的斜坡，该斜坡上布置有若干排和若干列的阻流体群，每排和每列阻流体群包括多个阻流体；每排阻流体群的主轴线与水流流向垂直，每列阻流体群的主轴线与水流流向平行；每排阻流体群中的多个阻流体呈锯齿形布置，且同一排相邻阻流体之间留有过鱼缝，相邻两排阻流体群中间形成池室；在每个阻流体的背水面设置有凹槽结构形成鱼类藏匿场所；在所述斜坡上铺设有卵砾石，以增加鱼坡粗糙度，为水底层攀爬类生物提供适宜生境；

所述斜坡多列单体A模块和多列单体B模块拼接而成，每列单体A模块设包括多块单体A，每列单体B模块包括多块单体B，每块单体A的中部横向设置有一块阻流体，每块单体B靠近顶部位置设置有一块阻流体；单体A和单体B横向交错拼接后形成锯齿形布置的每排阻流体群；在每块单体A以及每块单体B的四角位置处设置有连接件

在本发明中，鱼坡池室具有上坡流和下坡流两种水流特征，所述上坡流为与主流流向相反与鱼类上溯方法相同的水流区域，所述下坡流为与主流流向相同与鱼类上溯方法相反的水流区域；上溯鱼类可借助同向的上坡流达到节省上溯耗能，实现高效上溯的目的。

结合图3所示，在本实施例中，所述阻流体为天然石材、混凝土仿制石块或其他材料制成的，其具有阻止水流通过的作用，同时营造了鱼类藏匿场所的凹槽结构。

结合图1所示，斜坡为多列单体A模块和多列单体B模块拼接而成，因此鱼坡可划分为边缘模块和中心模块，每列单体A模块、每列单体B模块是产生上坡流所需的最小单元，也是所述鱼坡最小单元；边缘模块为位于鱼坡两侧的模块；中心模块为除边缘模块以外的其他模块；不同数量边缘模块和中心模块可组成不同宽度的鱼坡。

另一方面，本实施例还归功上述种模块化鱼坡结构的设计方法，包括以下步骤：

步骤S21、调查并采集基础参数数据集。所述基础参数是用于指导鱼坡设计的基础数据，包括目标坝堰坝址处河流水文数据、过鱼对象生态习性和坝体结构参数。所述水文数据包括上游来流流量Q_river、库区引水流量Q_d、鱼坡断面河道流量Q_a、坝址要求下泄的最小生态流量Q_e和坝下河床高程H₀；所述过鱼对象生态习性包括目标鱼类体高H_F、摆尾幅度W_F和最大克流能力V_Fmax；所述坝体结构参数包括坝顶高程H_weir、过流堰的堰宽W_weir和过流堰的过流长度L_weir；则基础参数数据集S{x_i}＝{Q_river、Q_d、Q_a、Q_e、H₀、H_F、W_F、V_Fmax、H_weir、W_weir、L_weir}。

步骤S22、根据基础参数数据集，确定限制指标可接受数值范围。

限制指标(X{x_i，y_i})是影响鱼坡过鱼效果指标，限制指标可接受数值范围与相关的基础参数具有对应的函数关系：S{x_i}→X{x_i，y_i}；

所述限制指标包括鱼坡坡度β、鱼坡最小流量Q_RMIN、阻流体背水面水深h₂、鱼坡最大流速V_max、鱼坡相邻池室水面高程差Δh、相邻阻流体之间的过鱼缝水力宽度W_h、鱼坡池室水体能量耗散率Pd，则各限制指标组成的指标集是影响鱼坡过鱼效果变量，过鱼效果函数F＝f(β，Q_RMIN，h₂，V_max，Δh，W_h，Pd_m)。

各限制指标可接受数值范围为：

所述鱼坡坡度限制范围为：0.001≤tanβ≤0.1；所述鱼坡最小流量限制范围为：Q_RMIN≥Q_e；所述鱼坡池室最小水深限制范围为：h₂≥3H_F，且不小于0.1m；所述鱼坡最大流速限制范围为：V_max≤V_Fmax；所述鱼坡相邻池室水面高程差限制范围为：g为重力加速度；所述相邻阻流体之间的过鱼缝水力宽度限制范围为：W_h≥1.5W_F，且不小于0.1m；所述鱼坡池室水体能量耗散率限制范围为：Pd≤200W/m³。

步骤S23、根据基础数据和限制指标集数值范围，计算并确定鱼坡结构尺寸。

根据确定的限制指标数值，通过对应相关函数，确定鱼坡结构尺寸。鱼坡结构尺寸包括阻流体高度Hb、一排阻流体个数N、鱼坡行数N_row、池室数量N_p、相邻阻流体过鱼缝几何宽度c、鱼坡爬升高度H_R。

基于最小生态流量Q_e确定的鱼坡最小流量Q_RMIN，在假设鱼坡一排阻流体个数N后，根据函数关系计算每排过鱼缝数量、通过单个过鱼缝的流量Q_g和过鱼缝水力宽度W_h，所述相关函数为：

式中：N为不小于3的单数，C_s为过鱼缝流量系数，β₀、β₁为过鱼缝流量系数计算系数，β₀＝0.812，β₁＝0.335。

过鱼缝水力宽度W_h可根据鱼坡最小流量Q_RMIN、一排阻流体群对应的阻流体个数N、阻流体背水面水深h₂、两个相邻池室之间的水位差进行确定，用函数表示为并对得出的过鱼缝水力宽度W_h进行判断，如果满足S22所述的限制值可接受范围，则假设值和计算值可被接受。

进一步，根据步骤S21、步骤S22确定的坝顶高程H_weir、坝下河床高程H₀、库区水面与坝顶溢流面高程差阻流体背水面水深h₂、两个相邻池室之间的水位差Δh，以及S23确定的h₁和W_h，通过相关函数即可得到阻流体高度Hb、鱼坡排数N_row、池室数量N_p、鱼坡爬升高度H_R和相邻阻流体过鱼缝几何宽度c，所述相关函数为：

N_p＝N_row-1

式中h_weir≥0.15m；为上游流量为Q_RMIN时，坝前水面线与溢流坝面的高差，/>值越大，意味着只从鱼坡通过的流量范围越广，对应诱鱼效果也越佳；int为取整函数符号。

步骤S24、根据基础数据并假设鱼坡结构尺寸，通过水体能量耗散值评估池室结构是否满足要求。

假设阻流体直径Db和阻流体宽度Wb，并在指标数据范围内选取确定鱼坡坡度β、同排相邻阻流体位移角α值，其中30°≤α≤45°。根据相关函数计算相邻阻流体过流过鱼孔槽横向距离a、相邻阻流体过流过鱼孔槽垂向距离b、池室宽度W_p、池室长度L_p、池室水体容积V_p、池室流量Q_p和鱼坡长度L_R；

步骤S24中所述相关函数为：

a＝c×cosα

b＝c×sinα

W_p＝N×Db+(N-1)a

Q_p＝Q_g×(N-1)

L_R＝H_R/tanβ

上式中，N为阻流体数量，且N为不小于3的单数。

进一步，根据步骤S24得到池室长度L_p、池室水体容积V_p根据函数 得到池室水体能量耗散值Pd，并对计算所得Pd是否满足限制指标可接受数值范围要求进行判断，如果不满足要求，则调整阻流体直径Db和鱼坡坡度β值，重新上述计算，直到池室水体能量耗散值Pd在限制指标值范围内，则对应的阻流体直径Db、阻流体宽度Wb和鱼坡坡度β值为设计值。

步骤S25、计算鱼坡不同诱鱼效果、过鱼效果工况对应的流量范围。

根据基本参数集、确定的限制指标集数值和鱼坡结构尺寸，确定鱼坡阻流体刚要被淹没时鱼坡运行流量Q_RMAX和对应的坝堰过流流量Q_weir；

当坝上水流只通过鱼坡流往下游，即坝堰不过流时的对应的工况为鱼坡诱鱼效果最佳工况，对应的鱼坡断面河段流量范围为：Q_RMIN≤Q_a≤Q_R(ΔH＝0)；

当鱼坡阻流体不被淹没时对应的鱼坡运行工况为过鱼效果最佳工况，所述阻流体不被淹没是为了保障有利于鱼类上溯的上坡流产生，对应的鱼坡断面河段流量范围为：Q_RMIN≤Q_a≤Q_RMAX+Q_weir(h_weir)；

当鱼坡阻流体不被淹没时，从坝顶通过的水流影响鱼坡诱鱼效果，且阻流体被影响上坡流的产生，这种工况属于非有效工况，对应的河段流量范围为：Q_a＞Q_aMAX。

下表为鱼坡不同诱鱼效果工况以及对应的流量范围。

表1鱼坡不同诱鱼效果工况以及对应的流量范围

表1中Q_R(ΔH＝0)为库区水面高程刚好与坝堰过流面的高程相等时的河段流量值；Q_RMAX为鱼坡阻流体刚要被淹没时，鱼坡过流流量值；Q_weir(h_weir)为鱼坡阻流体刚要被淹没时，通过坝堰过流的流量值；

所述Q_R(ΔH＝0)确定方法为：

1)根据S23确定的阻流体高度Hb、坝前水面与坝顶溢流面高差h_weir，计算ΔH等于0情况下对应的阻流体迎水面水深h₁和阻流体背水面水深h₂：

2)根据步骤S23中所述的函数关系，计算单个过鱼缝的流量Q_g(ΔH＝0)和过鱼缝流量系数Cs，则Q_R(ΔH＝0)＝Q_g(ΔH＝0)×(N-1)；

3)根据S23计算结果和S24中给出的鱼坡池室水体能量耗散值Pd计算方法，计算Q_R(ΔH＝0)情况下的鱼坡池室水体能量耗散值。

4)如果池室水体能量耗散值超过S22给出的限制值范围，那么重新回到S23，对参数进行重新假设，再计算，直到满足鱼坡池室水体能量耗散值Pd要求。

所述Q_aMAX确定方法为：

1)计算阻流体刚要被淹没情况下对应的阻流体迎水面水深h₁(Q_RMAX)和阻流体背水面水深h₂(Q_RMAX)；

2)根据步骤S23中所述的函数关系，计算单个过鱼缝过流流量Q_g(Q_RMAX)和过鱼缝流量系数Cs，则Q_RMAX＝Q_g(Q_RMAX)×(N-1)；

3)根据S23计算结果和S24中给出的鱼坡池室水体能量耗散值Pd计算方法，计算Q_RMAX情况下的池室水体能量耗散值。

4)如果池室水体能量耗散值超过S22给出的限制值范围，那么重新回到S23，对参数进行重新假设，再计算，直到满足Pd要求。

5)根据下面相关函数确定Q_weir(h_weir)：

式中Cd_weir溢流堰流量系数，W_weir为过流堰的堰宽，L_weir为过流堰的过流长度。

6)确定工况1、工况2、工况3对应的鱼坡断面过流流量范围。

S26、鱼坡运行效果评估。

结合S21调查所得的水文基础参数，绘制鱼坡目标运行时期的水文频率图，将根据S25确定的流量范围(Q_RMIN≤Q_a≤Q_aMAX)代入水文频率图，计算流量Q_RMIN对应的保证率C％和Q_aMAX对应的保证率D％，那么流量Q_RMIN对应的保证率减Q_aMAX对应的保证率则为鱼坡在目标运行时期有效工作时间百分比，即C％-D％

另一方面，本实施例还提供一种上述的模块化鱼坡结构的施工方法，其施工方法和特征在于：

步骤S31、拆除部分坝堰，形成导流通道，为鱼坡施工创造干地环境；

步骤S32、根据鱼坡结构尺寸和布置，建设鱼坡施工围堰；

步骤S33、根据确定的鱼坡坡度、长度、宽度、阻流体尺寸，进行鱼坡单体模板制作，并进行鱼坡单体预制件生产；如图6所示，所述鱼坡单体预制件，包括单体A和鱼坡单体B两种形状；所述鱼坡可根据单体A和单体B的不同组合方式形成不同坡度、长度和宽度的鱼坡；

步骤S34、根据的鱼坡坡度、长度和宽度，开挖形成鱼坡基础；

步骤S35、采用吊装鱼坡单体的施工方式，将组成鱼坡的鱼坡单体按顺序放置在鱼坡基础上并拼接组装；

步骤S36、通过连接固定方式将各单体A、单体B的连接件进行连接成整体；所述连接固定方式为在单体A和单体B放置在鱼坡基础上之后，通过胶结材料浇筑的方法将单体连接件填充成整体，或通过金属固定件连接的方法将单体连接件锁定。

需要说明的是，步骤S31是针对坝堰上补建鱼坡情况而言，步骤S32至步骤S36同样适合鱼坡与坝堰同时修建的情况；上述鱼坡是采用预制件进行模块化组装的方式开展施工，所述鱼坡同样可采用现场搭模板现浇的施工方式实施。此外本发明附图给出的鱼坡布置仅作为典型布置，其他利用本发明所述方法和施工方式的鱼坡同样在本发明权利范围内。

另外需要说明的是本发明附图提供的单体A和单体B是根据鱼坡整体结构、鱼坡单体预制和运输难易程度确定其结构、尺寸的，根据本发明所述鱼坡得到的其他不同结构和尺寸的单体仍属于本发明保护范围。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.一种模块化鱼坡结构的设计方法，其特征在于，鱼坡为靠近鱼类上溯障碍布置的斜坡，该斜坡上布置有若干排和若干列的阻流体群，每排和每列阻流体群包括多个阻流体；每排阻流体群的主轴线与水流流向垂直，每列阻流体群的主轴线与水流流向平行；每排阻流体群中的多个阻流体呈锯齿形布置，且同一排相邻阻流体之间留有过鱼缝，相邻两排阻流体群中间形成池室；在每个阻流体的背水面设置有凹槽结构形成鱼类藏匿场所；在所述斜坡上铺设有卵砾石；所述斜坡为多列单体A模块和多列单体B模块拼接而成，每列单体A模块设包括多块单体A，每列单体B模块包括多块单体B，每块单体A的中部横向设置有一块阻流体，每块单体B靠近顶部位置设置有一块阻流体；单体A和单体B横向交错拼接后形成锯齿形布置的每排阻流体群；在每块单体A以及每块单体B的四角位置处设置有连接件；设计方法包括以下步骤：

步骤S21、调查并采集基础参数数据集S{x_i}；i表示基础参数不同类别，该基础参数类别包括目标坝堰坝址处河流水文数据、过鱼对象生态习性和坝体结构参数三种，x_i表示各类别对应的基础参数；

步骤S22、根据基础参数数据集，确定限制指标集X{x_i，y_i}可接受数值范围，y_i表示与基础参数x_i相关的限制指标；

步骤S23、根据基础数据和确定的限制指标数值，通过对应相关函数，初步拟定鱼坡结构尺寸，并判断过鱼缝水力宽度是否满足要求；

步骤S24、根据基础数据和拟定的鱼坡结构尺寸，通过水体能量耗散值评估池室结构是否满足要求；

步骤S25、计算鱼坡不同诱鱼、过鱼效果工况对应的流量范围；

步骤S26、计算过鱼效果最佳工况和诱鱼效果最佳工况对应的流量范围和对应工况下运行时间百分比，并据此对鱼坡运行效果进行评估；

在步骤S21中：所述水文数据包括上游来流流量Q_river、库区引水流量Q_d、鱼坡断面河道流量Q_a、坝址要求下泄的最小生态流量Q_e和坝下河床高程H₀；所述过鱼对象生态习性包括目标鱼类体高H_F、摆尾幅度W_F和最大克流能力V_Fmax；所述坝体结构参数包括坝顶高程H_weir、过流堰堰宽W_weir和过流堰过流长度L_weir；则基础参数数据集S{x_i}＝{Q_river，Q_d、Q_a、Q_e、H₀、H_F、W_F、V_Fmax、H_weir、W_weir、L_weir}；

在步骤S22中：限制指标集X{x_i，y_i}可接受数值范围与相关的基础参数数据集S{x_i}具有对应的函数关系：S{x_i}→X{x_i，y_i}；所述限制指标包括鱼坡坡度β、鱼坡最小流量Q_RMIN、阻流体背水面水深h₂、鱼坡最大流速V_max、鱼坡相邻池室水面高程差Δh、相邻阻流体之间的过鱼缝水力宽度W_h、鱼坡池室水体能量耗散率Pd，各限制指标组成的指标集是影响鱼坡有效性的变量，则鱼坡效果函数F＝f(β，Q_RMIN，h₂，V_max，Δh，W_h，Pd_m)；根据步骤S21调查并采集到的基础参数数据集，结合限制指标与相关的基础参数具有对应的函数关系和推荐阈值，获取限制指标计算方法和确定可接受数值范围；各限制指标可接受数值范围为：所述鱼坡坡度限制范围为：0.001≤tanβ≤0.1；所述鱼坡最小流量限制范围为：Q_RMIN≥Q_e；所述鱼坡池室最小水深限制范围为：h₂≥3H_F，且不小于0.1m；所述鱼坡最大流速限制范围为：V_max≤V_Fmax；所述鱼坡相邻池室水面高程差限制范围为：g为重力加速度；所述相邻阻流体之间的过鱼缝水力宽度限制范围为：W_h≥1.5W_F，且不小于0.1m；所述鱼坡池室水体能量耗散率限制范围为：Pd≤200W/m³；

在步骤S23中，鱼坡结构尺寸包括阻流体高度Hb、一排阻流体群对应的阻流体个数N、鱼坡排数N_row、池室数量N_p、相邻阻流体过鱼缝几何宽度c、鱼坡爬升高度H_R；基于最小生态流量Q_e确定的鱼坡最小流量Q_RMIN，根据函数关系计算每排过鱼缝数量、通过单个过鱼缝的流量Q_g和过鱼缝水力宽度W_h；每排过鱼缝数量等于N-1；其中过鱼缝水力宽度W_h根据鱼坡最小流量Q_RMIN、一排阻流体群对应的阻流体个数N、阻流体背水面水深h₂、两个相邻池室之间的水位差进行确定，其函数表示为/>判断所得到的过鱼缝水力宽度W_h是否满足步骤S22中限制指标可接受范围，如果满足，则计算值可被接受；

在步骤S24中，先假设阻流体直径Db和阻流体宽度Wb，在指标数据范围内选取鱼坡坡度β、同排相邻阻流体位移角α值，并根据相关函数计算相邻阻流体过鱼缝横向距离a、相邻阻流体过流过鱼缝垂向距离b、池室宽度W_p、池室长度L_p、池室水体容量V_p、池室流量Q_p和鱼坡长度L_R；将池室流量Q_p、阻流体背水面水深h₂、阻流体迎水面水深h₁、池室长度L_p、池室宽度W_p指标代入函数Pd＝f(Q_p、h₂、h₁、L_p、W_p)，确定池室水体能量耗散值Pd；对计算所得Pd是否满足限制指标可接受数值范围要求进行判断，如果不满足要求，则调整阻流体直径Db和β值，重新上述计算，直到池室水体能量耗散值Pd在限制指标值范围内，则得到对应的Db、Wb、β值鱼坡结构相关设计值；

在步骤S25中，根据基本参数集、确定的限制指标集数值和鱼坡结构尺寸，确定鱼坡阻流体刚要被淹没时鱼坡运行流量Q_RMAX和对应的坝堰过流流量Q_weir；当坝上水流只通过鱼坡流往下游，坝堰不过流时，即库区水面与坝顶溢流面高程差ΔH小于等于0时对应的工况为诱鱼效果最佳工况，这种工况下鱼坡断面河道流量范围为：Q_RMIN≤Q_a≤Q_R；

当鱼坡阻流体不被淹没时对应的鱼坡运行工况为过鱼效果最佳工况，所述阻流体不被淹没是为了保障有利于鱼类上溯的上坡流产生，此时鱼坡断面河道对应的流量范围为：Q_RMIN≤Q_a≤Q_RMAX+Q_weir(h_weir)；

当鱼坡阻流体被淹没且坝堰过流时，不但影响阻流体上坡流的产生，且从坝顶通过的水流与从鱼坡流出的水流均为诱鱼水流，这两股诱鱼水流相竞争影响鱼坡诱鱼效果，这种工况属于非有效工况，对应的鱼坡断面河道流量范围为：Q_a＞Q_aMAX，其中：Q_aMAX＝Q_RMAX+Q_weir(h_weir)；

QR为库区水面高程刚好与坝堰过流面的高程相等时，即ΔH等于0时对应的河段流量值；Q_RMAX为鱼坡阻流体刚要被淹没时，鱼坡过流流量值；h_weir为阻流体刚好被淹没时坝前水面与坝顶溢流面高差，Q_weir(h_weir)为鱼坡阻流体刚要被淹没时，通过坝堰过流的流量值；

ΔH＝0时Q_R确定方法为：

(1)根据步骤S23确定的阻流体高度Hb，计算库区水面高程与坝堰过流面的高程差ΔH等于0情况下对应的阻流体迎水面水深h₁和阻流体背水面水深h₂；

(2)根据步骤S23中所述的函数关系，计算单个过鱼缝的流量Q_g(ΔH＝0)和过鱼缝流量系数Cs，则Q_R(ΔH＝0)＝Q_g(ΔH＝0)×(N-1)；

(3)根据S23计算结果和步骤S24中给出的鱼坡池室水体能量耗散值Pd计算方法，计算Q_R(ΔH＝0)情况下的鱼坡池室水体能量耗散值；

(4)如果池室水体能量耗散值超过步骤S22给出的限制值范围，则重新回到S23，对参数进行重新假设，再计算，直到满足鱼坡池室水体能量耗散率Pd要求；

所述Q_aMAX确定方法为：

(1)计算阻流体刚要被淹没情况下对应的阻流体迎水面水深h₁(Q_RMAX)和阻流体背水面水深h₂(Q_RMAX)；

(2)根据步骤S23中所述的函数关系，计算阻流体刚好要被淹没情况下对应的单个过鱼缝过流流量Q_g(Q_RMAX)和过鱼缝流量系数Cs，则鱼坡阻流体刚要被淹没时鱼坡运行流量Q_RMAX＝Q_g(Q_RMAX)×(N-1)；

(3)根据步骤S23计算结果和步骤S24中给出的池室水体能量耗散值Pd计算方法，计算鱼坡阻流体刚要被淹没时鱼坡运行流量Q_RMAX情况下对应的池室水体能量耗散值；

(4)如果池室水体能量耗散值超过步骤S22给出的限制值范围，那么重新回到步骤S23，对参数进行重新假设，再计算，直到满足池室水体能量耗散值Pd要求；

(5)根据相关函数确定鱼坡阻流体刚要被淹没时通过坝堰过流的流量值Q_weir(h_weir)；

在步骤S26中，鱼坡运行效果评估时，结合调查所得的水文基础参数，绘制鱼坡目标运行时期的水文频率图，将根据步骤S25确定的流量范围Q_RMIN≤Q_a≤Q_aMAX代入水文频率图，计算流量Q_RMIN对应的保证率和Q_aMAX对应的保证率，那么流量Q_RMIN对应的保证率减Q_aMAX对应的保证率则为鱼坡在目标运行时期有效工作时间百分比；

方法中涉及的函数包括：

式中：N为不小于3的单数，C_s为过鱼缝流量系数，β₀、β₁为过鱼缝流量系数计算系数，β₀＝0.812，β₁＝0.335；

根据坝顶高程H_weir、坝下河床高程H₀、库区水面与坝顶溢流面高程差阻流体背水面水深h₂、两个相邻池室之间的水位差Δh，以及S23确定的h₁和W_h，通过相关函数即可得到阻流体高度Hb、鱼坡排数N_row、池室数量N_p、鱼坡爬升高度H_R和相邻阻流体过鱼缝几何宽度c，所述相关函数为：

N_p＝N_row-1

式中h_weir≥0.15m；为上游流量为Q_RMIN时，坝前水面线与溢流坝面的高差；int为取整函数符号；

a＝c×cosα

b＝c×sinα

W_p＝N×Db+(N-1)a

Q_p＝Q_g×(N-1)

L_R＝H_R/tanβ

式中Cd_weir溢流堰流量系数，W_weir为过流堰的堰宽，L_weir为过流堰的过流长度。