为什么在鱼道设计中必须考虑的技术参数水流速度
- 教育综合
- 2022-08-05 12:58:43
鱼道的鱼道设计及布置要点
设计鱼道首先要调查确定主要过坝鱼类的品种及其习性、溯游能力和过鱼季节。过鱼时间一般3～4个月，兼有鱼类降河下行要求的鱼道可能达5～6个月或更长。根据这一时段中闸坝上下游水位可能出现的合理组合情况，先定设计运行水位，保证在各种水位组合下鱼道能正常运行。鱼道的流速、流态，须适应主要过坝鱼类的习性和溯游能力，使上溯鱼类不过分费力即能通过，以免对鱼类生理机能产生不利影响。鱼道的设计流速，是指设计水头下隔板过鱼孔的流速。此流速应小于鱼类上溯的游速。各隔板过鱼孔的流速应尽量一致。鱼道的进口直接影响过鱼的效果，应设在鱼类最易发觉又能很快进入的地方，一般设在经常有水流下泄，流态平稳顺直，水质鲜肥，鱼能溯游到的距上游最近的水域，通常多在紧靠水流两侧或闸坝下游两岸岸坡处。进口在进鱼时须有1～1.5m水深，且有适应水位变化的措施。横隔板的形式有溢流堰、淹没孔口和竖缝等。现代鱼道通常将几种形式组合使用，以获得较好的效果。池室的宽度多为3～5m。池室的长度为宽度的1.2～1.5倍池室由横隔板分隔鱼道水槽而成。每10块隔板设一休息室，其长度为池室长度的两倍。鱼道的水力学条件可由公式计算和进行模型试验测定。鱼道出口须适应水库水位的变化；远离溢洪道、厂房、泄水建筑物进口；水流平顺,有一定水深，并须设坚固的网罩以防鸟兽等侵害。此外,鱼道均设观察设施。直接观察可利用观察室和观察箱；间接观察可利用水下电视、声学全息摄影，光电计数器等。在水利枢纽中，鱼道的进口常紧靠泄水闸坝的边孔或电站尾水旁侧，如岸边地形宽阔，则槽身伸至岸坡，经过一定距离，在上游设置出口。这种布置较好，常称此为绕岸式鱼道。如岸边无适宜场地，常呈盘折布置或充分利用空间分层盘折，以使槽身有足够的长度。
鱼道的常见型式
鱼道的设计，主要考虑鱼类的上溯习性。在闸坝的下游，鱼类常依靠水流的吸引进入鱼道。鱼类在鱼道中需要依靠自身的力量克服流速溯游至上游。下行鱼可通过鱼道顺流而下。
鱼道按结构形式，分为池式鱼道和槽式鱼道两类。池式鱼道由一串连接上下游的水池组成，很接近天然河道，但其适用水头小，占地大，所以适用性受限制。槽式鱼道又分简单槽式、丹尼尔式和横隔板式。
简单槽式鱼道为一联接上下游的水槽（图a），水道坡度很缓，适用于水头很小的水利枢纽，实际很少采用。
比利时的丹尼尔首先在槽式鱼道的槽壁槽底设置相距很密的阻板和底坎，消能减速，称为丹尼尔式鱼道（图b）。这种鱼道适用于通过较强劲的鱼类和水头不大的枢纽。
横隔板式鱼道横隔板式鱼道主要由进口、池室和出口组成。是利用隔板将水槽上下游的总水位差，分成许多梯级池室，又称梯级式鱼道或鱼梯（图c），这种鱼道是利用水垫、沿程摩阻及水流对冲、扩散来消能，改善流态，降低过鱼孔的流速，并能以调整过鱼孔的形式、位置、尺寸来适应不同习性鱼类的需要。其结构简单，维修方便，近代鱼道大都采用这种形式。
排水工程设计
排水工程设计应在滑坡或崩塌防治总体方案基础上，结合地质、水文地质条件及降水条件，制订地表排水、地下排水或二者相结合的方案。当地质条件和水文地质条件复杂时，排水工程对于滑坡或崩塌稳定系数的提高值可不作为设计依据，但可作为安全储备加以考虑。
（一）地表排水工程设计
1.地表排水工程
地表排水工程包括排水沟、截水沟、自然边沟、急流槽和跌水。
（1）排水沟
排水沟是指位于滑坡体或崩塌体上的地表排水设施，用于排泄滑坡体或崩塌体上由降水、泉水等转化的坡面水流或者由截水沟所排出的水流。
排水沟断面形状可为矩形、梯形、复合形及U形等。矩形、梯形断面的排水沟易于施工，维修清理方便，具有较大的水力半径和输移力，在设计时应优先考虑。当坡面较缓时，宜采用梯形排水沟；当坡面陡峻时，宜采用矩形排水沟。
改变排水沟的设置方向可以调整水流速度。一般来说，对于水流速度接近2m/s的排水沟，可以采用圆弧弯曲的方法来改变水流方向，圆弧半径不应小于3倍的排水沟宽度；对于流速大于2m/s的排水沟，可以采用增大圆弧半径来实现。为了不使水流溢出，也可通过留足出水高度或采用多级跌水来实现排水沟方向的改变。
（2）截水沟
当滑坡或崩塌体上方地表径流量较大时，应设置拦截地表径流的截水沟。截水沟应结合地形和地质条件沿等高线布置。如果滑坡体的界限基本明确，应在滑坡体的周界外设置截水沟。公路排水设计规范规定，截水沟坡度为（1∶1.0）～（1∶1.5），沟底宽度和沟的深度不宜小于0.5m。地质条件较差，有可能产生渗漏或变形时，应采取相应的防护措施。截水沟长度以200～500m为宜，超过500m时，可在中间适宜位置设置泄水口，由急流槽或急流管分流排引。截水沟的水流一般通过急流槽汇入排水沟、自然边沟中。
截水沟的断面形状一般为矩形或梯形。当自然斜坡较缓时，宜采用梯形截水沟；当山坡陡峭时，宜采用矩形排水沟。
对于多级挖方边坡，每级边坡的平台均设置平台截水沟，平台截水沟一般有两种设计：上凸式和下凹式。平台截水沟常通过急流槽将水引至自然边沟或截水沟中。
（3）自然边沟
自然边沟是指位于滑坡体或崩塌体下方坡脚处或公路边的已有排水设施，用于排泄排水沟、截水沟汇集的水流。
以往的设计，各级公路的边沟都习惯采用梯形（土质）和矩形（岩质）横断面。具体采用何种形式应按公路等级、所需排水设计流量、设置位置和土质或岩质选定。但对高速和一级公路，在行驶车辆偏离出路基时，梯形和矩形边沟容易造成较大的安全事故，宜采用浅三角形或碟形横断面；而流量大，过水断面相应较大时，为减少开挖量，可采用设有槽盖板的矩形横断面。
边沟纵坡坡度通常与路线纵坡坡度相同或相近。设计时纵坡坡度、出水口位置和沟壁的允许流速或冲刷防护，三者综合考虑，相互协调一致。
自然边沟一般宜通过急流槽与排水沟或自然水渠相接。
（4）急流槽
急流槽是集中排泄流水的重要设施，在滑坡或崩塌防治中，急流槽一般有3种类型：截水沟接排水沟的急流槽、截水沟接边沟的急流槽、排水沟接边沟的急流槽。
公路排水设计规范对急流槽作了以下规定：
1）急流槽可采用由浆砌片石或混凝土预制件铺砌的矩形横断面。浆砌片石急流槽的槽底厚度为0.2～0.4m，槽壁厚度0.3～0.4m，混凝土急流槽的厚度可为0.2～0.3m。槽顶应与两侧斜坡表面齐平。槽深最小0.2m，槽底宽最小0.25m，槽底每隔2.5～5.0m设置一个凸榫，嵌入坡体内0.3～0.5m，以免槽体顺坡下滑。
2）当急流槽纵坡坡度大于1∶1.5时，宜采用金属管，管径至少20cm。各节急流管用管桩锚固在坡体上，其接口应做防水联结，以免管内水流渗漏或冲刷坡面。
3）急流槽或急流管的进水口与沟渠泄水口之间做成喇叭口式联结，变宽段应有至少15cm的下凹，并做铺砌防护。急流槽或急流管的出水口处应做消能设施，可采用混凝土或石块铺筑的消力坪或消力池。
图2－1为典型的急流槽设计。
（5）跌水
跌水为人工排水沟的特殊形式，用于陡坡地段，沟底纵坡可达100％，是山区崩塌或滑坡防治中地表排水常见的结构物。因纵坡大、水流急、冲刷严重，故跌水必须用浆砌块石或水泥混凝土砌筑，且应埋设牢固。
图2－1 典型的急流槽设计（单位：cm）
在跌水的结构设计中，可采用单级跌水设计和多级跌水设计，如图2－2、图2－3所示。
2.地表排水工程的布设
对于滑坡体，地表排水工程一般由外围截水沟和地表排水沟组成。外围截水沟应设置在滑坡体后缘，远离周界裂缝5m以外的稳定斜坡坡面上，依地形而定，多呈环形；地表排水沟设置在滑坡体上，依地形而定，平面上呈“人”字形。地表排水沟与外围截水沟相连通或不连通均可。
图2－2 涵洞排水单级跌水
图2－3 等截面多级跌水
对于崩塌体，因其坡面较陡，故一般仅设置外围截水沟，而不设置地表排水沟。外围截水沟应设置在崩塌体可能发展的边界以外，远离边界5m以上的稳定斜坡坡面上，依地形而定，多呈环形。
外围截水沟和地表排水沟均要与坡脚边沟连接，使截排的地表水汇入自然边沟后流出滑坡或崩塌区。
3.设计径流量的确定
（1）计算公式
可根据中国水利科学院水文研究所提出的小汇水面积设计流量公式计算。计算公式为
地质灾害防治技术
式中：Qp为设计频率地表水汇流量（m3/s）；Φ为径流系数；S为设计降雨强度（mm/h）；F为汇水面积（km2）；T为流域汇流时间（h）；n为降雨强度衰减系数。
当缺乏必要的流域资料时，可按中国公路科学研究所提出的经验公式计算。即
当F≥3km2时，公式为
地质灾害防治技术
当F<3km2时，公式为
地质灾害防治技术
（2）参数取值
1）设计降雨强度（S）的计算公式及方法可参见《公路排水设计规范》（JTJ 018—97）。
2）汇水面积（F）由等高线确定。对于已治理过的滑坡或崩塌，必须考虑以前治理方法对汇水面积的影响。例如，在上游已设置截水沟，则由于截水沟的作用，使汇水面积增大，因此设计排水系统时，应按增大了的汇水面积考虑。
3）径流系数（Φ）为径流量与总降水量的比值，可按汇水范围内的地表种类由表2－1确定。当汇水范围内有多个地表种类时，应按各个地表种类的面积加权平均径流系数取值。
表2－1 径流系数（Φ）经验数值一览表
4.排水沟管的水力学计算
排水沟管的水力学计算的目的是根据设计径流量，确定沟管的断面尺寸，并复核其流速是否满足允许值。
（1）沟管水力半径
计算公式为
地质灾害防治技术
式中：R为水力半径（m）；ω为过水断面面积（m2）；X为过水断面中水与沟管相接触部分的周长（m）。
常用沟管水力半径和过水断面面积按表2－2确定。
表2－2 沟管水力半径和过水断面面积计算总表
续表
（2）沟管泄水能力
沟管的泄水能力计算公式如下：
地质灾害防治技术
式中：Q为设计的泄水能力（m3/s）；v为平均流速（m/s）；ω为过水断面面积（m2）。
上式中的平均流速（v）可按曼宁公式确定：
地质灾害防治技术
式中：v为平均流速（m/s）；R为水力半径（m）；I为排水沟管坡降，（‰）；n为沟管壁的糙率，可按表2－3取值。
表2－3 沟管壁的糙率（n）经验值
（3）浅三角开沟泄水能力
浅三角开沟泄水能力修正计算公式如下：
地质灾害防治技术
式中：Q为设计的泄水能力（m3/s）；i为浅三角开沟的横向坡降，（‰）；I为浅三角开沟的纵向坡降，（‰）；H为水深（m）；n为沟管壁的糙率。
5.排水沟管的允许流速
《公路排水设计规范》（JTJ 018—97）对排水沟管的允许流速作下列规定：
1）明沟的最小允许流速为0.4m/s，暗沟和管的最小允许流速为0.75m/s。
2）管的最大允许流速：金属管为10m/s；非金属管为5m/s。
3）明沟的最大允许流速：在水深为0.4～1.0m时，按表2－4取用；其余按表2－4所列数值乘以表2－5中相应的修正系数。
表2－4 明沟的最大允许流速规定值
表2－5 明沟的最大允许流速修正系数
6.截排水沟的技术要求
1）截排水沟宜用浆砌片石或块石砌成，当地质条件较差时，如坡体松软段，可用毛石混凝土或素混凝土修建。砂浆的标号宜用M7.5—M10。对坚硬块石或片石砌筑的排水沟，可用比砌筑砂浆高1级标号的砂浆进行勾缝。毛石混凝土或素混凝土标号宜用C10—C15。
2）陡坡和缓坡段沟底及边墙应设伸缩缝，伸缩缝间距为10～15m。伸缩缝处的沟底应设齿前墙，伸缩缝内应设止水或反滤盲沟或同时采用。
3）当截排水沟断面变化时，应采用渐变段衔接，其长度可取水面宽度之差的5～20倍。当截排水沟通过裂缝时，应设置叠瓦式沟槽，可用土工合成材料或钢筋混凝土预制板制成。
4）截排水沟进出口平面布置宜采用喇叭口或“八”字形导流翼墙，导流翼墙长度可取设计水深的3～4倍。
5）截排水沟的安全超高不宜小于0.4m。对于弯曲段的凹岸，应考虑水位壅高的影响。
6）设计截排水沟的纵坡，应根据沟线、地形、地质以及与山洪沟连接条件等因素确定。当自然纵坡大于1∶20或局部高差较大时，可设置陡坡或跌水。陡坡或跌水进出口段应设导流翼墙，与上、下游沟渠护壁连接。梯形断面沟道多做成渐变收缩扭曲面；矩形断面沟道多做成“八”字形。
7）陡坡和缓坡连接剖面曲线应根据水力学计算确定，陡坡或跌水段下游应采用消能和防冲措施。当跌水高差在5m以内时宜采用单级跌水，跌水高差大于5m时宜采用多级跌水。
8）截排水沟弯曲段的弯曲半径，不得小于最小容许半径及沟底宽度的5倍。最小容许半径可按下式计算：
地质灾害防治技术
式中：Rmin为最小容许半径（m）；v为沟道中水流流速（m/s）；ω为过水断面面积（m2）。
（二）地下排水工程设计
用于崩塌和滑坡防治的地下排水工程多为渗沟、排水洞、排水孔、集水井。
1.渗沟
渗沟按作用的不同，可分为支撑渗沟、边坡渗沟和截水渗沟3种。
（1）支撑渗沟
适用于滑面埋深2～10m的滑坡体支撑，兼有排除和疏干滑坡体内地下水的作用。
支撑渗沟有主干渗沟和分支渗沟两种。主干渗沟平行于滑动方向，布设在地下水露头处。分支渗沟应根据坡面汇水情况合理布设，可与滑动方向成30°～40°交角，并可伸展到滑坡范围以外，以起拦截地下水的作用，如图2－4所示。
图2－4 支撑渗沟平面布置图
支撑渗沟的平面形状一般有“III”形和“YYY”形。渗沟横向间距视土质情况，可采用表2－6所列数据。
表2－6 渗沟横向间距
支撑渗沟的深度一般以不超过10m为宜，宽度一般采用2～4m，视渗沟深度、抗滑需要及便于施工等因素而定。
支撑渗沟的基底应埋入滑动面以下0.5m，并设置2％～4％的排水纵坡。当滑动面较陡时，可修筑成台阶，台阶宽度视实际需要而定，一般不小于2m，如图2－5所示。
（2）边坡渗沟
当滑坡前缘的路基边坡上有地下水均匀分布或坡面有湿地时，可修建边坡渗沟。边坡渗沟具有疏干和支撑边坡、拦截坡面径流和减轻坡面冲刷的作用。
边坡渗沟的平面形状一般有垂直的、分支的及拱形的。分支渗沟的主沟主要起支撑作用，而支沟则起疏干作用。分支渗沟可相互连接呈网状，如图2－6所示。拱形渗沟因拱部易变形，故不宜推广使用。
图2－5 支撑渗沟结构示意图
图2－6 网状边坡渗沟
图2－7 截水渗沟平面布置图
边坡渗沟的间距取决于地下水的分布、水量和边坡土质等因素，一般采用6～10m。边坡渗沟的深度一般不小于2m，宽度为1.5～2.0m。边坡渗沟的基底应设置于湿土层以下的稳定土层，并铺设防渗层。
（3）截水渗沟
截水渗沟垂直于地下水流向设置，用于拦截滑坡外围的地下水，防止地下水进入滑坡体内。截水渗沟一般修筑在滑坡体可能发展范围5m以外的稳定土体上，平面上呈环形或折线形，如图2－7所示。截水渗沟的深度一般不小于10m，断面大小不受流量控制，主要取决于施工方便。基底应埋入最低含水层下的不透水层，当其底部未埋入完整基岩时，应采用浆砌片石修筑沟槽。截水渗沟的迎水沟壁应设反滤层，背水沟壁设隔渗层。
为便于维修与疏通，在截水渗沟的直线段每隔30～50m或转弯、变坡处应设置检查井，如图2－8所示。检查井井壁应设置泄水孔，以排除附近的地下水。
2.排水洞
排水洞是人工开挖的隧洞，通常在隧洞的周围布置一定深度的排水孔，形成一个有效降低地下水位的排水系统。
排水洞一般平行于边坡走向布置，必要时可在其他方向布置支洞，穿过可能的阻水带，扩大排水范围。对于较高的边坡，通常在不同高程布置若干条排水洞，以最大限度地排泄地下水。
在土体和风化严重的岩体中开挖的隧洞需进行衬砌支护，宜采用全断面支护的形式，以防止排水洞的水通过洞底渗入边坡内。
图2－8 检查井（单位：cm）H—检查井深度；Φ—钢筋铁圈直径
3.排水孔
（1）排水孔的分类
排水孔是地下排水的一种重要方式，其优点是易于施工，且可以控制较大范围的地下水。排水孔通常可分为以下两种：
1）通过坡面（包括挡土墙面）打排水孔，以疏干地下水；
2）与地下排水廊道或抽水井相连，以增加排水范围。
（2）排水孔的布设要求
1）排水孔应具有足够大的直径，保证水流通畅，以达到降低地下水位的目的；
2）在坡面上一般以上仰角布设排水孔，坡度一般为3％～10％；
3）排水管应有足够的刚度和强度，防止孔壁坍塌；
4）排水管中一般布设有排水孔，并用起反滤作用的材料保护排水孔，以防堵塞；
5）在坚硬的岩体中布设的排水孔可不加任何保护而直接排水，但此类排水孔极易因孔壁坍塌而堵塞，缩短使用寿命。因此，排水孔中通常插入一定材质的排水管。按材质分，排水管通常可分为金属排水管、硬质排水管和透水软管3种。
4.集水井
当通过排水洞和排水孔汇集的地下水不能依靠重力自然排出坡体时，可以考虑采用集水井排水。在滑坡体外的相对稳定区域，选择地下水集中地带，设置直径大于3.5m的竖井，并在井壁上设置短的水平钻孔，一般为2～3层，使附近的地下水汇集到井中，采用水泵把水排至地表。
集水井的深度一般为15～30m。对于不稳定地段，集水井应达到比滑动面浅的部位；对于稳定的地段，集水井应达到基岩，并深入基岩2～3m。
