高水頭魚(yú)道框架結(jié)構(gòu)體系研究

朱 琳，許鳳榮，戴 玉

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

隨著生態(tài)環(huán)境和魚(yú)類保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，在水利水電工程中建設(shè)魚(yú)道等過(guò)魚(yú)設(shè)施已經(jīng)成為一種常態(tài)和重要內(nèi)容[1，2]。魚(yú)道的設(shè)計(jì)需要考慮過(guò)魚(yú)對(duì)象種類和習(xí)性、河道水流條件、場(chǎng)地條件、樞紐布置及運(yùn)行方式等因素，涉及魚(yú)類學(xué)、生態(tài)學(xué)和工程學(xué)等多學(xué)科的內(nèi)容[3]。近年來(lái)，高水頭魚(yú)道逐漸出現(xiàn)。由于線路長(zhǎng)，水位變幅大，且多位于高山峽谷中，場(chǎng)地限制較多，魚(yú)道工程方案確定過(guò)程中面臨的挑戰(zhàn)更加突出。高水頭魚(yú)道的結(jié)構(gòu)體系也成為魚(yú)道研究和設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。根據(jù)某跨流域調(diào)水工程的高水頭過(guò)魚(yú)設(shè)施整體布置情況，系統(tǒng)探討了魚(yú)道盤升的結(jié)構(gòu)布置方案，提出了基于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系的魚(yú)道盤升設(shè)施，并對(duì)方案的合理性進(jìn)行了分析和驗(yàn)證，以期為類似工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 項(xiàng)目概況

為優(yōu)化配置地區(qū)水資源，改善周邊湖區(qū)和湖濱濕地等生態(tài)環(huán)境，實(shí)施了某跨流域調(diào)水工程。該工程大壩和電站的建設(shè)阻斷了河流，會(huì)對(duì)水庫(kù)壩址以上河段分布的土著魚(yú)類產(chǎn)生阻隔影響，致使魚(yú)類上溯通道阻斷，因此工程設(shè)置了過(guò)魚(yú)設(shè)施。魚(yú)道是在河流中溝通魚(yú)類洄游通道的設(shè)施，一般采用溢流堰式、淹沒(méi)孔口式或豎縫式[4]，主要修建在中、低水頭的水工建筑物中。對(duì)高水頭的魚(yú)類過(guò)壩問(wèn)題，現(xiàn)主要采取了魚(yú)閘、機(jī)械升魚(yú)、人工孵化場(chǎng)及產(chǎn)卵槽等措施[5]；當(dāng)綜合條件復(fù)雜時(shí)，可以采用魚(yú)道、魚(yú)閘、機(jī)械升魚(yú)等組合措施。本工程屬于高水頭大壩，根據(jù)環(huán)境評(píng)價(jià)、壩址處地形和樞紐布置情況，過(guò)魚(yú)設(shè)施的建筑物采用了“魚(yú)道+魚(yú)閘”型式，如圖1所示。

圖1 樞紐魚(yú)道空間關(guān)系

圖2 初始方案平面布置

工程樞紐由攔河壩、泄洪洞、排沙洞、發(fā)電引水洞、電站、過(guò)魚(yú)建筑物和生態(tài)放水建筑物組成。攔河壩為瀝青混凝土心墻壩，最大壩高60.5 m，正常蓄水位1 199 m，死水位1 185 m。根據(jù)壩址處地形和樞紐布置情況，將魚(yú)道布置在河道左岸，進(jìn)口布置在攔河壩下游與泄洪洞出口之間的左岸岸邊。魚(yú)道盤升段初始方案采用填筑毛石混凝土方案，如圖2所示。自河床高程盤折上升，至高程1 176.56 m 時(shí)向上游延伸穿過(guò)壩體，然后繼續(xù)向上游延伸至壩軸線上游72.35 m 處，與魚(yú)閘相接。魚(yú)道經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和比較，采用垂直豎縫式，凈寬1.5 m，盤升段魚(yú)道底板起點(diǎn)高程1 136.50 m，穿越壩軸線至高程1 183.00 m，魚(yú)道普通池室底坡1∶35，總爬升高度46.5 m，魚(yú)道池室段總長(zhǎng)度1 925.1 m。原有填筑毛石混凝土方案因投資較大，后又優(yōu)化調(diào)整為“回”字形盤升框架體系方案，如圖3所示。

圖3 優(yōu)化調(diào)整方案平面布置

2 魚(yú)道盤升段方案比較

魚(yú)道盤升段初始方案為填筑毛石混凝土方案，魚(yú)道采用鋼筋混凝土“槽”型結(jié)構(gòu)，凈寬度1.5 m，盤升段全部坐落在毛石混凝土上。進(jìn)口段采用引渠與河道相接，方向指向下游，與水流方向成15°夾角，渠道寬3.0 m，渠底高程1 136.50 m。魚(yú)道盤升形成13階，長(zhǎng)度1 696.49 m，后沿山坡向上游延伸228.6 m，穿越大壩至魚(yú)閘進(jìn)口。盤升段魚(yú)道底板起點(diǎn)高程1 136.50 m，終點(diǎn)高程1 177.59 m，盤升段爬升高度41.09 m。

盤升段優(yōu)化調(diào)整方案采用“回”字形盤升框架體系方案，魚(yú)道型式、進(jìn)口段和山坡段同初始方案一致，區(qū)別主要在盤升段。魚(yú)道盤升形成10 階，長(zhǎng)度1 788.596 m，后沿山坡向上游延伸304.7 m，穿越大壩至魚(yú)閘進(jìn)口。魚(yú)道進(jìn)口高程1 136.50 m，在渠道末端采用1∶4升坎從底高程1 136.5 m抬升至1 137.0 m。盤升段魚(yú)道底板起點(diǎn)高程1 137.00 m，終點(diǎn)高程1 178.475 m。盤升段爬升高度41.975 m。

經(jīng)對(duì)比，2 種方案均按要求設(shè)置普通池、休息池等，能實(shí)現(xiàn)魚(yú)類的盤升洄游，從而實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境和魚(yú)類資源保護(hù)。但盤升段初始方案需采取地基處理、山體穩(wěn)固等措施，同時(shí)占用大面積場(chǎng)地、依山澆筑大量毛石混凝土，施工周期長(zhǎng)，工程量較大，造價(jià)較高。而盤升段優(yōu)化調(diào)整方案采用框架體系，魚(yú)道盤旋上升，占用場(chǎng)地面積小，整體建筑物重量輕巧，僅需少量地基處理，施工作業(yè)面和難度都較小，工程量少，造價(jià)較低，但后期對(duì)整體結(jié)構(gòu)的檢測(cè)和維護(hù)稍多。經(jīng)綜合考慮，最終選擇后者。

3 框架體系魚(yú)道設(shè)計(jì)總結(jié)

3.1 最大適用高度規(guī)定

魚(yú)道是水利水電行業(yè)特有的建筑形式，尚沒(méi)有真正實(shí)施的高水頭魚(yú)道框架結(jié)構(gòu)體系，因此從安全和經(jīng)濟(jì)方面綜合考慮，有必要對(duì)采用鋼筋混凝土材料的魚(yú)道框架體系最大適用高度做出限制。魚(yú)道處于深“V”型河谷的左岸岸邊，盤升段結(jié)構(gòu)形式與民用框架結(jié)構(gòu)體系較相似，可以參考《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]有關(guān)規(guī)定來(lái)控制魚(yú)道盤升段框架高度和計(jì)算指標(biāo)要求。

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋適用的最大高度詳見(jiàn)表1。本工程所處地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為8 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.229 g，地震烈度較高，普通現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋不超過(guò)40 m。魚(yú)道盤升框架是沒(méi)有填充墻等外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的通透框架，承受水平風(fēng)荷載較小，同時(shí)也沒(méi)有大面積樓板用于承擔(dān)滿布的豎向荷載，僅在框架中設(shè)置穿梭的魚(yú)道，而且魚(yú)道框架在正常情況下很少有人類活動(dòng)，屬于水工構(gòu)筑物范疇，最大適用高度可適當(dāng)放寬。綜合考慮，本工程魚(yú)道框架最大適用高度可按照表1中的地震烈度7度采用，即50 m。本次設(shè)計(jì)魚(yú)道框架頂部高程為1 178.475 m，底部高程1 137.00 m，框架高度41.475 m，滿足50 m的限值要求。

表1 現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋適用的最大高度

3.2 設(shè)計(jì)方案和結(jié)果分析

魚(yú)道盤升段布置在攔河壩下游壩腳和泄洪洞出口之間的靠河床位置，魚(yú)道盤升形成10 階，長(zhǎng)度1 788.596 m，后沿山坡向上游延伸304.7 m，穿越大壩至魚(yú)閘進(jìn)口。魚(yú)道進(jìn)口高程1 136.50 m，在渠道末端采用1∶4 升坎從底高程1 136.50 m 抬升至1 137.00 m，結(jié)合生態(tài)放水系統(tǒng)在魚(yú)道進(jìn)口區(qū)域布置補(bǔ)水設(shè)施，以利于誘魚(yú)。盤升段魚(yú)道底板起點(diǎn)高程1 137.00 m，終點(diǎn)高程1 178.475 m?？蚣苁紧~(yú)道每階盤升2 圈，外圈隔20 或7 個(gè)普通池設(shè)1 個(gè)休息池，內(nèi)圈隔17 或7 個(gè)普通池設(shè)1 個(gè)休息池，所有90°和180°轉(zhuǎn)彎處均設(shè)置休息池，休息池長(zhǎng)6 m 左右，魚(yú)道池室段總長(zhǎng)1 788.596 m，共設(shè)819 個(gè)普通池室和57個(gè)轉(zhuǎn)彎休息池?？蚣苁紧~(yú)道每階盤升高度4.456 m，盤升10 階至終點(diǎn)高程1 178.475 m 與山體相接向上游延伸穿越壩軸線至高程1 183.00 m，然后采用1∶4反坡與魚(yú)閘進(jìn)口底板高程1 183.45 m 順暢銜接。魚(yú)道凈寬1.5 m，池室之間采用狹縫隔板分隔，魚(yú)道普通池室底坡1∶35，單個(gè)普通池室長(zhǎng)1.8 m，休息池平底。魚(yú)道下構(gòu)架采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，由鋼筋混凝土框架架起呈“回”字形旋轉(zhuǎn)盤升。魚(yú)道以結(jié)構(gòu)樓板作為底板，外壁和底板厚度均為200 mm?！盎亍弊中伪P升框架結(jié)構(gòu)體系魚(yú)道的典型平面布置，如圖4所示。

圖4 魚(yú)道框架典型平面布置

現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系基本軸網(wǎng)尺寸為3 m×3 m、3 m×6 m，最大高度為37～41.5 m。主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸：框架柱截面為1 200 mm×1 200 mm、900 mm×900 mm，框架梁截面為600 mm×600 mm，魚(yú)道下鋼筋混凝土板厚度為200 mm。結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限100 a。抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.229 g，水平地震影響系數(shù)最大值為0.184，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類。整體框架參照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[7]進(jìn)行各控制指標(biāo)計(jì)算分析，具體結(jié)果如下。

（1）結(jié)構(gòu)剛重比均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于20，所以結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性滿足要求。

（2）結(jié)構(gòu)抗傾覆力矩均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傾覆力矩，且零應(yīng)力區(qū)百分比為0，所以結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗(yàn)算滿足要求，驗(yàn)算結(jié)果詳見(jiàn)表2。

（3）魚(yú)道框架結(jié)構(gòu)體系模型周期比小于0.9，結(jié)構(gòu)體系抗扭剛度滿足設(shè)計(jì)要求，即有足夠的抗扭剛度保證結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)在可控范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)平面布置合理，結(jié)果詳見(jiàn)表3。

（4）魚(yú)道框架最大結(jié)構(gòu)位移約44 mm，最大樓層位移角1/882，滿足規(guī)范要求。從位移變形角度出發(fā)，所提出的魚(yú)道構(gòu)架結(jié)構(gòu)體系剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗(yàn)算

表3 自振周期

此外，限制結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則性，避免產(chǎn)生過(guò)大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；魚(yú)道框架結(jié)構(gòu)體系最大位移比和最大層間位移比均小于1.5，從結(jié)構(gòu)位移比角度出發(fā)，結(jié)構(gòu)抗扭剛度也滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上，魚(yú)道框架結(jié)構(gòu)的剛重比、抗傾覆驗(yàn)算、周期比、位移和位移比均滿足規(guī)范要求，因此魚(yú)道結(jié)構(gòu)平面布置是合理的，框架結(jié)構(gòu)體系對(duì)于高水頭魚(yú)道盤升結(jié)構(gòu)是適用的。

3.3 特殊技術(shù)措施

3.3.1 錯(cuò)層結(jié)構(gòu)處理措施

魚(yú)道在盤升過(guò)程中會(huì)形成錯(cuò)層結(jié)構(gòu)。錯(cuò)層結(jié)構(gòu)屬于豎向布置不規(guī)則結(jié)構(gòu)，錯(cuò)層部位的豎向抗側(cè)力構(gòu)件受力復(fù)雜，易形成多處應(yīng)力集中。框架錯(cuò)層更為不利，容易形成長(zhǎng)、短柱沿豎向交替出現(xiàn)的不規(guī)則體系，錯(cuò)層處的框架柱受力復(fù)雜，易發(fā)生短柱受剪破壞。

對(duì)于本工程魚(yú)道框架的錯(cuò)層結(jié)構(gòu)，采取以下措施，以提高其抗震承載力和延性，保證結(jié)構(gòu)安全：錯(cuò)層處框架柱截面高度不應(yīng)小于600 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C30，箍筋應(yīng)全柱段加密配置；抗震等級(jí)應(yīng)提高一級(jí)采用，一級(jí)應(yīng)提高至特一級(jí)，但抗震等級(jí)已經(jīng)為特一級(jí)時(shí)允許不再提高；當(dāng)錯(cuò)層處高差大于850 mm 時(shí)，錯(cuò)層處采用雙梁處理，高差相差不大于850 mm時(shí)，錯(cuò)層處雙梁合并為一根梁。

3.3.2 魚(yú)道框架與山體連接方式

框架體系魚(yú)道和山體魚(yú)道分屬不同結(jié)構(gòu)體系，框架與山體的連接較為特殊，既要保證魚(yú)道的連續(xù)性、使用的合理性，也要保證結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。本工程參考建筑工程中對(duì)于連體結(jié)構(gòu)連接處理方式，采用“弱連接”[8]，即滑動(dòng)連接或設(shè)置黏滯阻尼及限位系統(tǒng)的彈性連接。

本工程魚(yú)道框架與山體相距11.5 m，連接體采用焊接鋼管組成的鋼桁架結(jié)構(gòu)，魚(yú)道從桁架內(nèi)部穿過(guò)，采用焊接鋼板防腐魚(yú)道方案。鋼桁架兩端連接節(jié)點(diǎn)可以采用滑動(dòng)連接方案或彈性連接方案。前者是桁架兩端分別設(shè)置滑動(dòng)支座和固定鉸支座；后者是在桁架兩端均設(shè)置黏滯阻尼及限位系統(tǒng)的夾層鋼板橡膠支座。考慮后者既能減輕桁架及其支座受力，又能控制桁架的振動(dòng)在合理允許范圍之內(nèi)，本工程采用的是設(shè)置黏滯阻尼及限位系統(tǒng)的彈性連接，如圖5所示。

4 結(jié)語(yǔ)

圖5 彈性連接節(jié)點(diǎn)示意

魚(yú)道作為一種生態(tài)友好的水利設(shè)施，不僅要滿足過(guò)魚(yú)對(duì)象的種類和習(xí)性的功能需要，真正形成魚(yú)類洄游的上溯通道，同時(shí)也應(yīng)兼顧整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和經(jīng)濟(jì)性。本文系統(tǒng)探討了魚(yú)道“回”字形盤升框架體系方案的整體布置，并對(duì)方案的合理性進(jìn)行了分析和驗(yàn)證，同時(shí)針對(duì)設(shè)計(jì)難點(diǎn)提出了解決方案。本方案適應(yīng)高山深“V”形的狹窄河谷，為高水頭穿越樞紐的過(guò)魚(yú)設(shè)施設(shè)置提供了一種新思路，為今后的類似工程設(shè)計(jì)提供了有益借鑒。