隧洞式仿自然鱼道技术领域
本发明属于水利工程和环保工程领域，涉及一种隧洞式仿自然鱼道。
背景技术
洄游是鱼类因生理要求、遗传和外界环境因素等影响，引起周期性
的定向往返移动。洄游是鱼类在系统发生过程中形成的一种特征，是鱼
类对环境的一种长期适应，它能使种群获得更有利的生存条件，更好地
繁衍后代。而现今，人类为了能获得水能，在天然河流上修筑拦河大坝，
阻断了鱼类的洄游通道，严重破坏了河流内的自然生态环境。人类为了
补救对河流造成的破坏，在建设拦河大坝时设计建设了多种过鱼设施，
帮助洄游鱼群过坝。鱼道属于过鱼设施中最常用的一种。
在修有鱼道的拦河大坝的下游河段，洄游鱼群通过鱼道进口流出的
诱鱼水流找到鱼道进口，通过鱼道进口游入鱼道主体，最终游向鱼道出
口，游入上游河段，完成翻过拦河大坝向上游洄游的过程。
随着我国水电建设向河道上游推进，往往会遇到在河床狭窄、河道
两岸山体高陡等地形上选取坝址的情况。在这种情况下，河床往往会被
泄洪建筑物所占据，导致过鱼设施在河床中或两岸靠近河床部位均无布
置场所。一般情况下，按照鱼道布置的要求，在地形陡峭及河床狭窄区
域，鱼道只能布置在电站厂房旁边的高陡的山体上。在现有技术中，建
设上述地形中的鱼道时，采用的明挖的方式，需要深切开挖山体，使得
鱼道两侧会形成高陡人工开挖边坡。为了保证开挖边坡的稳定，保证鱼
道的安全运行，边坡需要加固支护。由此，在河床狭窄、河道两岸山体
高陡的地形中修建鱼道，不仅开挖工程量大，边坡加固支护的设计和施
工技术难度高，整个工程的造价昂贵，而且在建筑此种鱼道的同时，山
体深切开挖，导致水土流失，破坏了山上陆生动植物的原始生态环境。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种隧洞式仿自
然鱼道，不仅能够适应河床狭窄、河道两岸山体高陡的地形条件，还能
克服明挖式鱼道修建工程量大、设计施工难度高、造价昂贵的缺点，并
且能够尽量减少对河道两岸山上陆生动植物的影响。
为实现上述目的，本发明设计了如下的隧洞式仿自然鱼道通过鱼道
主体连接下游河床和上游水库水域，其特殊之处在于：所述鱼道主体设
置在电站厂房旁边的山体内部；鱼道进口设置在电站厂房的下游河床内；
鱼道出口设置在电站厂房的上游水库内；所述鱼道主体内水深为h；所
述鱼道主体由位于两侧的侧壁、位于底部的底板和位于顶部的顶拱组成；
所述鱼道主体内设置有多个收缩段将鱼道主体间隔为多个鱼道池室；所
述每一个收缩段上的过鱼竖缝连通相邻的两个鱼道池室。
进一步地，所述鱼道主体的上游侧连接有鱼道出口段，在所述鱼道
出口段上游侧的最远端设置鱼道出口；在所述鱼道出口段内设置有出口
闸门；所述鱼道主体的下游侧连接有鱼道进口段，在所述鱼道进口段下
游侧的最远端设置鱼道进口，在所述鱼道进口段内设置有鱼道进口检修
闸门。
更进一步地，每一个收缩段由一个长收缩板和一个短收缩板组成；
所述同一收缩段内的所述长收缩板和所述短收缩板竖直的相对布置在所
述鱼道主体的同一竖直截面上；同一个收缩段内的长收缩板和短收缩板
之间为过鱼竖缝；所述鱼道主体的一个侧壁上的一个长收缩板和一个短
收缩板相邻间隔布置。
在上述技术方案中，所述的长收缩板为长方形板块结构，所述短收
缩板为在横水流方向上窄下宽的梯形板块结构；所述长收缩板与所述短
收缩板的在顺水流方向上厚度、在垂直方向上高度均相同。
进一步地，所述长收缩板和短收缩板的厚度为0.1～0.3m，高度不低
于水深。
更进一步地，所述鱼道主体的拱顶为圆弧形结构两侧分别连接两个
侧壁的上部。
还进一步地，所述鱼道主体的高度H为鱼道主体中水深的1.1～1.3
倍。
又进一步地，所述池室的宽度W大于最长过鱼目标体长的2倍，所
述池室的长度L取最长过鱼目标体长的2.5～3倍。
在上述技术方案中，所述拱顶上设置有多组照明设备，所述每个池
室的正上方都设置有一组照明设备，所述每个收缩段的正上方都设置有
一组照明设备；所述底板和两个侧壁上未设置收缩段的部位均镶嵌有卵
石，所述两个侧壁上的卵石的高度与水深h一致。
与传统的方法相比，本发明的优点在于：
其一，当鱼道顶部以上的岩体有足够的覆盖厚度，岩石的成洞条件
较好时，可充分利用岩体的自稳条件，采用洞挖，将仿自然鱼道和隧洞
结合布置在山体内部；
其二，隧洞为钢筋混凝土衬砌结构，利用岩体与混凝土衬砌结构联
合受力，共同承受结构外荷载；在完建、检修工况下，利用锚杆将衬砌
体与两侧岩体联成整体，共同承受围岩压力、渗透压力等荷载。
其三，在相同的地形、地质条件下，隧洞式仿自然鱼道型式与明挖
式仿自然鱼道布置型式相比，较大程度地节省开挖和支护工程量。
其四，由于隧洞式仿自然鱼道布置在山体内部，占地表面积较少，
减少了因明挖而导致的水土流失，对陆生植物、动物等的生态环境影响
也较小；
其五，本发明的鱼道主体内部设置的收缩段取代常规鱼道中的混凝
土隔板，可较好地对鱼道主体内的水流进行消能。
其六，在本发明所述的底板及两侧壁上镶嵌有卵石，营造河流的边
滩环境。在鱼道主体的顶部设置照明设备，能够模拟自然光，达到仿自
然的目的。本发明改善了上、下游河道的连通条件，减缓了工程建设对
鱼类等水生生物的阻隔影响。
附图说明
图1为隧洞式仿自然鱼道的平面总体布置示意图。
图2为隧洞式仿自然鱼道的一段鱼道主体的俯视结构示意图。
图3为隧洞式仿自然鱼道的一段鱼道主体的纵剖结构示意图。
图4为图2中A-A处的剖视图。
图5为图2中B-B处的剖视图。
其中：鱼道进口1，鱼道进口检修闸门2，鱼道进口段3，鱼道主体
4，拱顶4.1，侧壁4.2，底板4.3，鱼道出口段5，出口闸门6，鱼道出口
7，电站厂房8，收缩段9，长收缩板9.1，短收缩板9.2，卵石10，过鱼
竖缝11，鱼道池室12，照明设备13，下游河床14，上游水库15。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它并不构成对本发明
的限定，仅做举例而已。同时通过说明，本发明的优点将变得更加清楚
和容易理解。
如图1所示，本发明所设计的隧洞式仿自然鱼道，它主要是利用鱼
道主体4连接电站厂房8的下游河床14和上游水库15的水域。鱼道主
体4为隧洞式，布置在电站厂房8旁边的山体内部。
鱼道主体4下游侧的鱼道进口段3靠近河流下游侧，设置在下游河
床14上。所述的鱼道进口段3下游侧的最远端为鱼道进口1。该鱼道进
口1的底板设置在下游河床14的岸坡水面线以下。在所述的鱼道进口1
与鱼道主体4之间，即进口段3内设置鱼道进口检修闸门2。
如图2至图4所示，鱼道主体4的两边为侧壁4.2，顶部为圆弧形拱
顶4.1，下方为底板4.3，所述拱顶4.1、侧壁4.2和底板4.3相互之间无
缝衔接。鱼道主体4采用的是钢筋混凝土衬砌结构，充分利用山体内岩
体与钢筋混凝土衬砌结构联合受力，共同承受鱼道主体4外部的荷载。
在完建、检修的工况下，利用锚杆将钢筋混凝土衬砌结构与鱼道主体4
外部的岩体联成整体，共同承受围岩压力、渗透压力等荷载。
鱼道主体4的隧洞中，设置收缩段9，所述收缩段9个数由鱼道主
体4的长度、收缩段9的间隔距离确定。所述收缩段9将鱼道主体4内
间隔成多个鱼道池室12。每一个收缩段9由一个长收缩板9.1和一个短
收缩板9.2组成，所述的长收缩板9.1为长方形板块结构，所述的短收缩
板9.2为在横水流方向上窄下宽的直角梯形板块结构。在同属一个收缩
段9内的长收缩板9.1和短收缩板9.2竖直的，相对的固定在鱼道主体4
的横截面上。所述长收缩板9.1的一侧面与鱼道主体4的一侧壁4.2相连，
所述长收缩板9.1的底面与鱼道主体4的底板4.3相连；所述短收缩板
9.2的一侧面与另一侧壁4.2相连，所述短收缩板9.2的底面与底板4.3
相连。所述长收缩板9.1与所述短收缩板9.2在顺水流方向上的厚度、在
垂直方向上的高度均相同；所述长收缩板9.1的底面与所述短收缩板9.2
的底面不接触。在同属一个收缩段9内的长收缩板9.1和短收缩板9.2
之间的空隙形成了过鱼竖缝11。所述长收缩板9.1与所述短收缩板9.2
的厚度为0.1m～0.3m，高度与隧洞式仿自然鱼道中的水深一致，一般取
为1.5m～2.5m，且应大于最长过鱼目标体长的2.5倍。
在鱼道主体4内的隧洞同一侧壁4.2上，每一个长收缩板9.1和每
一个短收缩板9.2间隔布置。两个相邻的收缩段9构成一个鱼道池室12。
鱼道池室12的宽度W应大于最长过鱼目标体长的2倍，鱼道池室12的
长度L应取最长过鱼目标体长的2.5～3倍。
所述鱼道主体4的拱顶4.1为圆弧形结构两侧分别连接两个侧壁4.2
的上部。具体的，该鱼道主体4的隧洞高度H为4.75米，底板4.3的宽
度为2.5米。在鱼道主体4内，每隔3米设置一个收缩段9，其中长收缩
板9.1的尺寸为宽1.4米、高2.7米、厚0.5米；短收缩板9.2的尺寸为
上宽0.4米、下宽0.8米、高2.7米、厚0.5米。长收缩板9.1和短收缩
板9.2之间为过鱼竖缝11。在过鱼竖缝11的下方镶嵌有厚度为0.2米的
卵石10，鱼竖缝缝11的尺寸为上宽0.7米、下宽0.33米、高2.5米。
在鱼道主体4内的隧洞中，在每一个收缩段9的正上方及每一个鱼
道池室12的正上方各布置一组照明设备13。具体的，一组照明设备13
含3～10个等距排列的灯泡，每组灯泡布置在拱顶4.1或鱼道池室12中
部的同一个横截面上。所述照明设备13选择可模拟自然光的灯泡，接通
电源后，可以将鱼道主体4内的水域照亮，以便于洄游鱼类上溯。
在鱼道主体4内隧洞的两侧壁4.2和底板4.3上未设置收缩段9的
部分镶嵌有卵石10。卵石10的顶部露出，模仿天然河道及河岸的环境。
而拱顶4.1上设置的照明系设备13可以模拟自然光。在此种类似自然河
岸的环境下，鱼道主体4内更接近自然河岸的环境，这就使得洄游的鱼
群在游经所述鱼道主体4的时候能更加适应其环境。
如图1所示，鱼道主体4上游侧的鱼道出口段5靠近河流上游侧，
设置在上游水库15中。所述的鱼道出口段5上游侧的最远端为的鱼道出
口7。该鱼道出口7的底板设置在上游水库15的水面线以下。在所述的
鱼道出口7与鱼道主体4之间，即鱼道出口段5内设置出口闸门6。
所述的鱼道进口检修闸门2和出口闸门6均可以开启或关闭。当鱼
道出口闸门6关闭时，上游水流不流经该鱼道主体4，下游洄游鱼群也
无法利用鱼道回溯至上游水库15。
假设上游水库15内的水体在隧洞式仿自然鱼道内形成的水深在
1.5～2.5m范围内时，水流可以无碍的流经本发明所述的隧洞式仿自然鱼
道内并流进下游河流14内，则水流过程如下。
当鱼道进口检修闸门2和出口闸门6都处于开启状态时，上游水库
15的水体进入鱼道出口7通过开启的出口闸门6，流进鱼道出口段5，
随后流入鱼道主体4内。在鱼道主体4内的鱼道池室12中，水流进入该
鱼道池室12时，长收缩板9.1和短收缩板9.2对水形成阻碍，迫使水流
经过鱼竖缝11，然后水流流出过鱼竖缝11流进下一个鱼道池室12。由
此，收缩段9消除了由上下级鱼道池室12间落差形成的水体能量，保证
隧洞式仿自然鱼道内部水流流速始终在由过鱼对象游泳能力及生态习性
确定的适宜流速范围之内。
同样的，水流通过每一个鱼道池室12，直至水流流经所有的鱼道池
室12后最终流入鱼道进口段3，通过开启的鱼道进口检修闸门2流出鱼
道进口1。水流在鱼道进口1处及其附近下游河床14的水域内形成诱鱼
水流，最后该诱鱼水流逐渐消失汇入下游河段。
假设在本发明所述的隧洞式仿自然鱼道的下游水域有需要过坝至上
游水库15的洄游鱼群，此鱼群有回溯的能力，并且能够感知到诱鱼水流
找到鱼道进口1，则本发明隧洞式仿自然鱼道的过鱼原理如下。
鱼群在下游河床14上感受到诱鱼水流后，从鱼道进口1进入，通过
开启的鱼道进口检修闸门2，游经鱼道进口段3，游进鱼道主体4内。随
后鱼群游入鱼道池室12内，由于该鱼道池室12内设置的长收缩板9.1
和短收缩板9.2阻碍了洄游的鱼群，鱼群只能通过过鱼竖缝11游入上一
级鱼道池室12。
在鱼道主体4内，由于水流流速控制在目标过鱼对象的感知流速与
极限流速范围内，根据洄游鱼群的习性，鱼群可以逆流而上游经每一个
鱼道池室12，而且鱼群可以在鱼道休息池内稍作休息，待体力恢复后继
续游向上一段鱼道池室12。在鱼道主体4内，长收缩板9.1和短收缩板
9.2相对间隔布置，使鱼群以“S”型的路径游经每一个过鱼竖缝11。在
鱼道主体4内有卵石10和照明系统13，在潮湿环境中，鱼道主体4内
会长有青苔等植物，很好的模仿了河岸的自然环境，鱼群在熟悉的环境
中更易于其洄游的过程。在鱼道主体4模仿的天然环境中，鱼群游经最
后一个鱼道池室12后，最终游进鱼道出口段5，通过开启的出口闸门6，
游出鱼道出口7，游入上游水库15。
本发明所述的隧洞式仿自然鱼道可以替代传统鱼道明挖工艺，提供
一种全新的鱼道设计思路，将鱼道主体4设置在山体内部。这种结构特
别适用于坝址河床狭窄、两岸山体高陡的地形；而且对山体破坏程度小，
保证了两岸陆生动植物的生存环境，可以最大限度的保护了原始生态环
境。传统方式明挖鱼道需要深切开挖山体，鱼道两侧会形成高陡的开挖
边坡，不仅破坏了原始生态环境，而且其边坡加固支护的设计难度大，
施工要求技术高，造价昂贵。而本发明所设计的隧洞式仿自然鱼道相比
传统鱼道而言，不仅保护了原始生态环境，而且设计施工难度低，工程
量小，造价相对低廉。在本发明所述的鱼道主体4内，长收缩板9.1和
短收缩板9.2的消能作用，使水流流速控制在目标过鱼对象的感知流速
和极限流速范围内，可以使洄游的鱼群顺利的游过鱼道主体4，绕过坝
体，完成洄游。在本发明所述的鱼道主体4内，镶嵌有卵石10，设置有
照明设备13，使所述鱼道主体4很好的模仿了天然河岸的自然环境，能
让洄游的鱼群适应周围的环境，为洄游的鱼群顺利游过鱼道进一步地提
供了有利的条件。
其它未详细说明的部分均为现有技术。