王晓旭

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150000)

1 工程概况

引嫩扩建骨干一期工程由首部取水枢纽工程、总干渠工程、引水干渠工程、配套灌区工程、调蓄水库和排水干渠工程组成。北引供水工程由有坝取水工程和北引总干渠，以及友谊干渠、富裕干渠、红旗干渠、东湖干渠四条引水干渠，15处灌区工程和4座反调节水库工程(东城水库、东湖水库、大庆水库、红旗水库)组成；中引供水工程由无坝引水工程、中引总干渠、4处灌区工程和1座反调节水库(龙虎泡水库)组成。

北引渠首枢纽位于嫩江中游，枢纽轴线总长5592.5m，由土坝、进水闸、预留船闸、泄洪闸、溢流坝、固滩和鱼道等组成，两侧与嫩江堤防衔接[1]。

2 工程设计

2.1 工程等别和标准

根据已批复的《尼尔基水利枢纽配套项目黑龙江省引嫩扩建骨干一期工程初步设计报告》，北引渠首为Ⅰ等工程，渠首的各子项工程依据其重要性和作用，以及失事后所造成的损失和影响确定其级别，其中，鱼道工程为本供水工程的次要建筑物，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2017)中的相关规定，供水工程的主要建筑物级别为1级，次要建筑物级别为3级，因此确定鱼道工程的工程级别为3级，其相应设计防洪标准为50a一遇，校核防洪标准为200a一遇。

2.2 过鱼种类及习性

鱼道的修建主要是解决一些经济鱼类如鮈亚科鱼类及草鱼、青鱼、鲢、鳙、鳊、翘嘴鲌和蒙古鲌等，短距离生殖和索饵洄游，时间为春夏两季(4月-8月)；以及细鳞鲑和哲罗鲑封冰前越冬洄游，时间为秋季(9月中旬-11月上旬)，并兼顾其它鱼类。

根据主要经济鱼类的生态习性和天然河道的流速状况，北引渠首鱼道设计流速采用0.8-1.0m/s，进口流速≥0.2m/s。

2.3 鱼道设计

2.3.1 鱼道布置比选

根据现状渠首工程固滩、泄洪闸侧溢流坝所在位置，对仿生态鱼道的总体布置进行比选。

方案一：鱼道穿越固滩方案

鱼道工程采用仿自然通道型式，仿自然通道位于泄洪闸右侧导流明渠位置，与枢纽轴线交叉位置桩号为2+888.5，交叉采用开敞闸带桥型式。仿自然通道全长432m，底坡1/160，通道底宽5m，正常水位运行时水面宽度为13m，池室长度8m。通道共设置4个休息池，休息池半径为10m。通道的最大设计流速为1m/s，正常运行水位为2m，最小运行水深为1m，池室深度2.5m。鱼道进口布置在泄洪闸出口海漫下游287m处，进口底高程172.00m。鱼道出口控制闸布置在鱼道轴线与固滩轴线位置，闸底板顶高程为174.20m，控制水位176.20m，闸室长度为6m，闸室净宽为5m。

方案二：鱼道穿越溢流坝方案

鱼道工程采用仿自然通道型式，仿自然通道轴线与枢纽轴线交叉位置位于泄洪闸右侧溢流坝第三节，利用现有溢流坝铺盖作为出口控制闸底板基础，闸室段后为涵洞，涵洞为溢流坝坝体采用人工凿除后形成的5m×2.5m(宽×高)矩形孔洞，涵洞后接仿自然通道，通道总长432m，，底坡1/160，通道底宽5m，正常水位运行时水面宽度为13m，池室长度8m。通道共设置4个休息池，休息池半径为10m。通道的最大设计流速为1m/s，正常运行水位为2m，最小运行水深为1m，池室深度2.5m。

方案一、方案二技术、经济、施工、管理等各方面优缺点详见表1。

表1 鱼道布置方案比较一览表

综上所述，通过对鱼道布置的方案一、方案二的比较，在技术可行性、经济指标、和施工条件上来看，方案一均优于方案二，在地形地质条件和运行管理角度来看，方案一和方案二基本一致。因此，本次设计通过方案比较后，确定方案一作为选定方案，即仿生态鱼道与固滩交叉方案。

2.3.2 鱼道布置

鱼道上游设计水位采用北引渠首正常引水位176.20m，下游设计水位采用过鱼季节多年平均低水位173.00m。下游设计水位根据松辽委提供的尼尔基水库下泄流量及下游水位观测数据记录及北引渠首多年观测数据记录确定鱼道进口处的过鱼季节多年平均低水位为173.00m，根据规范要求鱼道进口水深≥1m，因此确定鱼道进口底高程为172.00m。

根据《水利水电工程鱼道设计导则》(SL609-2013)中的相关规定，池室净宽不宜小于主要过鱼对象体长的2倍，结合鱼道主要过鱼对象的习性及对鱼道流速的要求，并参照相似工程实例，鱼道采用底宽为5m的梯形断面，可满足过鱼要求。池室净长可取池室净宽的1.25-1.5倍，本次设计鱼道池长采用8m。池室水深应依据过鱼对象体长及池室消能要求确定，设计水深可取1.5-2.5m，鱼道设计水深采用2m。休息池宜为平底，长度不宜小于池室长度的2倍，鱼道休息池直径设计为20m，每隔10个池室设置一个休息池。

本次设计仿自然通道位于泄洪闸右侧导流明渠位置，与枢纽轴线交叉位置桩号为2+888.5，交叉采用开敞闸带桥型式。

鱼道由进口、通道及休息池、出口控制闸等组成。鱼道进口布置在泄洪闸出口海漫下游287m处，进口底高程172.00m，进口底宽5m。

进口底板与河床平缓相接，为使底层鱼类可以沿河床找到仿自然通道进口，进口处通道底部铺设一些原河床的砾石，以模拟自然河床的底质和色泽，制造诱使鱼类进入的流场，进口控制流速≥0.2m/s。

通道及休息池全长432m，通道底坡1/160，通道底宽5m，正常水位运行时水面宽度为13m，池室长度8m，即每隔8m设一处堆砌体，堆砌体采用错缝堆砌，堆砌体采用格宾石笼宝塔式结构。通道共设置4个休息池，即每隔10个池室设一个休息池，休息池半径为10m，池底为水平底面。根据工程所在地主要过鱼种类及其习性和天然河道的流速状况，鱼道设计流速采用0.8m/s-1.0m/s，进口流速≥0.2m/s，确定通道的最大设计流速为1m/s，正常运行水深为2m，最小运行水深为1m，池室深度2.5m。

鱼道出口底高程为174.20m。为适应上下游水位的较大变幅，通道的出口设置控制闸门，以调节和控制通道内的水流流量和流速，保证下游进口的水深不会过高或过低，确保通道水流能满足鱼类的上溯要求。出口控制闸为开敞式闸带桥型式，闸室长度为12.5m，闸室净宽为3m，共一孔[2]。

2.3.3 出口控制闸布置

出口控制闸位于泄洪闸右侧导流明渠与固滩交叉位置，闸上交通和固滩交通是联系黑龙江与内蒙莫力达瓦旗的主要交通通道。

出口控制闸由进口段、闸室段、消力池段组成。进口段长12.24m，由喇叭口进口和平顺段组成，喇叭口段由10.6m渐变至3m，进口段采用雷诺护垫型式护砌，雷诺护垫厚度30cm，下设厚10cm砂砾石垫层。闸室段为开敞式闸带桥结构，闸室长12.5m，闸室净宽3m，为单孔。底板顶高程为174.20m，底板厚1.2m，交通桥设置在闸墩上，交通桥宽8m，与固滩路面宽度相同。上部结构采用钢筋混凝土排架加工作桥型式，上部结构设钢楼梯。闸室进口采用一字墙结构与两侧堤坡连接；消力池段为钢筋混凝土U型槽结构，进口底宽3m，出口底宽5m，底板顶高程为173.70m，池深0.5m，底板厚0.7m，出口采用钢筋混凝土悬臂式挡土墙与两侧渠道连接，挡土墙长4m。闸门采用单吊点露顶式平板滑动钢闸门，启闭机采用QL150kN手电两用螺杆式启闭机。

2.3.4 护砌型式

鱼道座落在嫩江右岸河滩地上，河滩地土料性质均为级配良好中砾，渗透系数大，为保证鱼道内水体不外漏，鱼道渠底及内边坡采用防渗膜进行防渗。渠底、渠内边坡的护砌型式采用格宾石笼40cm，下设厚10cm砂砾石垫层及防渗膜一层；为保护鱼道两侧渠堤堤顶及外边坡土体不被洪水水流冲刷、淘涮而造成安全隐患，渠顶及渠外边坡的护砌型式采用雷诺护垫，雷诺护垫厚23cm，下设砂砾石垫层5cm及无纺布一层。

2.3.5 土料设计

工程鱼道两侧堤防的填筑材料采用当地天然材料，即级配良好中砾，根据《堤防工程设计规范》(GB 50286-2013)中的相应规定，砂砾石的填筑标准以相对密度为设计控制指标，即相对密度≥0.60。因此，鱼道砂砾填筑标准的设计控制指标为0.60。

相对密度与设计干密度的换算按下式：

无黏性土：

(1)

式中：Dr为相对密度，0.6；γmax为最大干密度；γmin为最小干密度。

实际施工中应根据碾压试验进行分析校正设计土料填筑指标。

2.3.6 设计计算

2.3.6.1 仿自然通道计算

1)鱼道流速、底坡等参数确定

过鱼断面的流速V，是由上下游水头差Δh来决定：

Δh=V2/2g

(2)

通道的最大设计流速为1m/s,所以：

Δh=V2/2g=(1)2/(2×9.81)=0.05m

(3)

仿自然通道进口底板高程为172.00m,出口底板高程为174.20m，

普通池室数量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

仿自然通道主要设计参数见表2。

表2 仿自然通道方案主要参数一览表

2)仿自然通道渗流量计算

渗流计算分析采用北京理正软件设计研究院编制的理正渗流分析软件进行计算，该程序计算方法依据非饱和土理论、根据基本的渗流理论―达西定律等，采用有限元方法分析稳定流及非稳定流中多种边界条件、多种材料的堤、坝或土体的渗流分析。

计算工况：鱼道内水深为2m，外侧无水；为较准确估算鱼道渗流量，选择具有代表性的典型剖面0+180进行鱼道渗流量计算。

渗透系数取值主要依据工程地质勘探资料，计算中近似认为水平渗透系数与垂直渗透系数相等。级配良好中砾的渗透系数为1.5×10-1cm/s。

鱼道0+180剖面渗流量计算成果为9.8×10-4m3/s.m，鱼道0+000-0+432的总渗流量为0.84m3/s。

3)仿自然通道抗滑稳定计算

根据工程地质勘探和土工试验结果，结合地形条件、设计水位、堤体、堤基结构和填筑材料等，选取堤防较高的典型断面进行稳定计算。各计算断面桩号、设计水位及堤防断面特征值见表3。

表3 典型断面特性表

堤体和堤基土体物理力学指标设计值根据工程地质勘察和土工试验结果，经分析后采用值见表4。

表4 稳定计算土类物理力学特性指标设计取值

正常运用条件：设计水位稳定渗流期背水坡、临水坡的稳定计算；非常运用条件Ⅰ：完建工况的背水坡、临水坡的稳定计算。

边坡稳定计算按《堤防工程设计规范》(GB 50286-2013)等有关规范进行计算。

采用瑞典圆弧法：进行堤防背水坡、临水坡稳定计算。

计算简图见图1。

图1 边坡稳定计算简图

典型断面稳定计算公式如下：

(4)

式中：b为条块宽度，m；W为土条重量，kN；Q、V为水平和垂直地震惯性力(V向上为负，向下为正)，kN；α为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；u为作用于土条底面的孔隙压力，kN/m2；c′、ψ′为土条底面的有效应力抗剪强度指标；Mc为水平地震惯性力对圆心的力矩，kN·m；R为圆弧半径，m。

采用北京理正软件设计研究院编制的《岩土边坡稳定分析软件》进行计算。典型断面稳定计算结果见表5。

表5 典型断面堤体稳定计算成果表

由表5可见，根据《堤防设计规范》(GB 50286-2013)土堤瑞典圆弧法抗滑稳定安全系数，各段堤防典型断面上、下游堤坡抗滑安全系数均满足抗滑稳定安全系数要求。

2.3.6.2 出口控制闸计算

1)闸基渗透稳定计算

出口控制闸渗透稳定采用阻力系数法进行验算，按地质勘察成果，基础为级配良好的中砾。

由于设计洪水位及校核洪水位工况下上下游水头差较小，因此，设计复核上下游水位差较大的情况即上游引水水位176.20m工况对应鱼道流量水位，此工况也为经常运用工况和不利工况，计算公式如下：

a)地基有效深度计算：

当

(5)

当

(6)

式中：Te为土基上水闸的地基有效深度，m；L0为地下轮廓的水平投影长度，m；S0为地下轮廓的垂直投影长度，m。

b)分段阻力系数计算

a、进、出口段

(7)

式中：ξ0为进、出口段的阻力系数；S为板桩或齿墙的入土深度，m；T为地基透水层深度，m。

b、内部垂直段

(8)

式中：ξy为内部垂直段的阻力系数。

c、水平段

(9)

式中：ξx为水平段阻力系数；Lx为水平段长度，m；S1、S2为进、出口板桩或齿墙的入土深度，m。

c)各分段水头损失值

(10)

式中：hi为各分段水头损失值，m；ξi为各分段的阻力系数；n为总分段数。

d)进、出口段修正后的损失值

(11)

式中：h0′为进、出口段修正后的水头损失值，m；h0为进、出口段水头损失值，m；β′为阻力修正系数，当计算的β′≥1.0时，采用β′=1.0；S′为底板埋深与板桩入土深度之和，m；T′为板桩令一侧地基透水地基深度，m。

e)水平比降

(12)

式中：Jx为水平比降；hx为水平水头损失，m。

f)出逸比降

(13)

式中：J0为出逸比降(m)。

经计算水平比降J=0.004，出口段渗流比降J0=0.03，小于允许水力比降[J允许]=0.15，出口控制闸基础及出口段渗透稳定满足要求。

出口控制闸左右两侧闸墩与固滩连接采用刺墙形式，刺墙单侧长度3m，延长出口控制闸连接段的渗径长度，同时在出口控制闸出口设反滤保护措施，即采用无纺布上设雷诺护垫防护。工程建成后，在运行期间应加强监测，发现问题及时处理[3]。

2)闸室稳定计算

荷载按单孔计算，稳定计算采用抗滑稳定安全系数公式，计算公式如下：

(14)

式中：Kc为沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数；f为闸室基底面与地基之间的摩擦系数；A为闸室基底面的面积，m2；∑G为作用于闸室上的全部竖向荷载；(包括闸室基础底面上的扬压力在内，kN；∑H为作用于闸室上的全部水平向荷载，kN；φ0为闸室基底面与土质地基之间的摩擦角。°；C0为闸室基底面与土质地基之间的黏结力，kPa；[Kc]为闸室沿基础底面的容许抗滑稳定安全系数，[Kc]=1.25。

2)闸室段应力计算

计算公式：

(15)

式中：B为闸室段长，m；e为偏心距，m；σmax、σmin为最大最小应力，kPa；∑G为作用于堰体上的全部竖向荷载，kN；∑m为作用于堰体上的全部竖向荷载和水平荷载对地基面垂直水流方向的形心力矩，kN·m；η为不均匀系数，建筑物稳定及应力成果表，见表6。

表6 建筑物稳定及应力成果表

经以上计算，闸室抗滑稳定及闸室应力均满足规范要求。

2.4 运行条件及检修期

鱼道过鱼时间为每年的4月-11月，因此确定鱼道的运行期为每年的4月-11月，与引嫩工程每年的4月-10月引水期间基本重合。在每年4月份开始运行，运行水位与渠首引水水位相同，即为176.20m。当发生洪水通过泄洪闸开敞泄流调节上游水位稳定在176.20m，此时鱼道正常运行；当上游水位超过正常运行水位176.20m并持续上涨时，关闭鱼道出口控制闸，洪水由泄洪闸、固滩、溢流坝等联合泄流。冬季鱼道不运行，由于冬季河面冰封，此时将鱼道出口控制闸关闭。为减少冬季控制闸闸门受冰冻而造成的冻胀力及冰推力，应在河流冰封期间，每隔15天将闸前冰层凿出隔离槽，槽宽0.5m，槽深1m。

鱼道工程调度应在保证工程安全的条件下，服从渠首枢纽及流域的防洪调度，防洪和运行协调控制、联合运用。

鱼道在每年的11月末至次年的4月初进行维护和检修。

3 结 语

引嫩渠首所在河段一般在10月下旬开始气温降低，至摄氏零度以下出现流冰，持续时间一般为10-16天，11月中旬开始封江，稳定封冻期104-175d，平均为135-155d；第二年春季气温回升，于4月上中旬开江，一般流冰在10天左右，最迟在4月末流冰结束。嫩干春季和秋季流冰期历时较长，冰块尺寸较大。 冰层升温膨胀产生的静冰压力会对控制闸产生冰推破坏，对控制闸的闸门、闸墩、挡土墙等不同部位剪切断裂或倾斜；冰层和护坡冻结在一起时，在冰面上升或下降时也会对护坡产生冰拔破坏，造成结构的拔起、旋转或松动；流冰期冰层在风力及水力的作用下向控制闸及护坡涌进，造成冲击破坏。

当嫩江水位超过177.00m时，水流携带泥沙进入仿生态鱼道，造成鱼道泥沙淤积，对今后的鱼道清淤及运行管理造成一定困难。