圓臺型混凝土人工藻礁礁體結構設計及其穩(wěn)定性分析

賀 亮，劉 麗，廖 健，全秋梅，黃元桂，謝恩義，劉楚吾

（廣東海洋大學水產(chǎn)學院 南海水產(chǎn)經(jīng)濟動物增養(yǎng)殖廣東普通高效重點實驗室，廣東 湛江 524025）

圓臺型混凝土人工藻礁礁體結構設計及其穩(wěn)定性分析

賀 亮，劉 麗，廖 健，全秋梅，黃元桂，謝恩義，劉楚吾

（廣東海洋大學水產(chǎn)學院 南海水產(chǎn)經(jīng)濟動物增養(yǎng)殖廣東普通高效重點實驗室，廣東 湛江 524025）

針對我國南海北部灣東部投放藻礁海域的海況條件，設計圓臺型人工藻礁，以實現(xiàn)該海域馬尾藻的人工增殖與移植。基于波流動力學理論，計算圓臺型人工藻礁礁體不同海流速度下的作用力、抗滑移系數(shù)及抗翻滾系數(shù)，探討礁體的穩(wěn)定性。結果表明：在波、流共同作用下，礁體最大受力為171.8 N，最大作用力矩為49.64 N·m，抗漂移系數(shù)S1范圍為2.88～25.09，抗傾覆系數(shù)R1范圍為2.06～315.00，滿足礁體穩(wěn)定條件，礁體在該海域正常情況下不會發(fā)生漂移或傾覆現(xiàn)象。

人工藻礁；圓臺型；結構設計；穩(wěn)定性；北部灣

近年來，由于海洋過度開發(fā)和生態(tài)環(huán)境遭受破壞，自然海藻資源衰退，甚至出現(xiàn)枯竭現(xiàn)象。因此，重建適合藻類資源繁育、生長的海洋牧場已廣受關注[1-5]。在水域中設置人工藻礁可為海藻提供其繁殖和生長的附著基，并可吸引魚貝類等水生動物到藻場索餌、生長、繁殖，達到恢復海藻資源，優(yōu)化海底環(huán)境，保護、增殖漁業(yè)資源和提高漁獲物質(zhì)量的目的[6]。目前，對人工魚礁已從基礎理論和模型試驗方面開展相關研究，為今后人工魚礁建設與投放工作提供一定基礎資料和技術支撐[7-12]，但未見有關人工魚礁中藻礁穩(wěn)定性方面的定量研究報道，且在藻礁前期設計及建設實踐中，仍存在諸如礁區(qū)選址、礁體投放、材料耐用性、礁體穩(wěn)定性和結構優(yōu)化等技術難題有待進一步解決[13]。本研究以我國南海北部灣東部海域的實際波流狀況為條件，設計一種圓臺型人工藻礁作為馬尾藻附著基，根據(jù)水動力學理論，對該圓臺型人工藻礁在不同波、流共同作用下進行水動力計算與穩(wěn)定性分析，旨在設計適宜該海域環(huán)境特征的高穩(wěn)定性和多功能藻礁，為該海域人工魚礁建設提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 投放海域及其海況條件

藻礁投放海域為北部灣東部海域（20°39′29″–20°39′34″ N，109°44′21″–109°44′26″ E），屬熱帶季風氣候，年均水溫在23℃以上，月均水溫15℃以上；年降水量1 300～1 700mm，由東向西漸減，降水集中夏、秋兩季，多暴雨；海陸風明顯，主導風向為偏東風，年均風速3.5～4.0 m/s，夏、秋季多臺風暴雨；地貌為現(xiàn)代潮坪，由于常年受風化以及受海浪的長期沖刷侵蝕影響，底質(zhì)堆積物主要為玄武巖礫石、砂質(zhì)；潮汐為混合型潮汐，以全日潮為主，平均年潮差2.46 m，海流主要為風海流和密度流，水深h=13 m，累年極值波高H=4.6 m，平均周期T=7.4 s，潮流速度4～70 m·s-1[14-16]。

1.2 圓臺型藻礁設計

1.2.1 礁體結構設計及參數(shù) 根據(jù)北部灣東部海域基質(zhì)、水深、流速等環(huán)境條件，以及馬尾藻生理習性，藻礁材料使用壽命與成本等，設計圓臺型人工藻礁模型，結構如圖 1、2所示。礁體模型上圓直徑24cm，下圓直徑60cm，高40cm，凈質(zhì)量65～ 80 kg，在圓臺側面高16、24、32cm處各刻一直徑為1.5cm的圓形凹槽，用于直徑為0.4～0.8cm夾有半葉馬尾藻藻苗苗繩的捆綁。以人工有性繁殖培育的馬尾藻（半葉馬尾藻中國變種 Sargassum hemiphyllum var chinense）幼孢子體作為苗源，以直徑為0.4～0.8cm尼龍繩每隔10cm夾苗捆綁于圓臺型人工藻礁凹槽中，并盡量使半葉馬尾藻假根位于圓臺型凹槽之中，以便馬尾藻在后期生長過程中逐漸牢固附著在圓臺之上。

圖1 圓臺型人工藻礁平面設計Fig.1 Graphic design of frustum-shaped artificial reef

圖2 實地投放人工藻礁以及人工藻場Fig.2 Field trafficking artificial algal reefs and artificial algae field

1.2.2 藻礁材質(zhì)選擇 混凝土具有密度高、造價便宜、強度高、可塑性強等特點，采用混凝土作為礁體材料。材質(zhì)設計年限、強度等級主要參考GBJ10-89及JTJ300-2000[17-18]；抗?jié)B設計等級參照DL/T5057[19]。為防止混凝土體內(nèi)堿性物質(zhì)外溢，在藻礁外側簡要涂抹一層硫酸亞鐵，創(chuàng)造小范圍的酸性生長環(huán)境，以中和外滲堿性物質(zhì)。此設計一定程度上迎合藻類以及魚貝等經(jīng)濟動物喜好酸性環(huán)境的生理習性，有利于提高藻類在礁體上的附著效果，吸引魚貝類在周邊的聚集，形成更加完善的海洋生態(tài)系統(tǒng)。此外，在制作本藻礁的過程中，根據(jù)馬尾藻PES培養(yǎng)基中氮磷含量比，在混凝土中適當添加營養(yǎng)鹽，混凝土內(nèi)的營養(yǎng)鹽經(jīng)長期的海水滲透，逐漸釋放至水體中，以刺激藻類生長，實現(xiàn)藻類增殖目的。

1.3 礁體穩(wěn)定性計算方法

1.3.1 礁體作用力計算公式 中村充[20]對人工魚礁礁體在波浪和潮流的共同作用下的流速及作用力研究表明，流速u是潮流速度u0與波浪速度u1合成，計算公式如下：

式（1）～（3）中，u0為潮流速度（m·s-1），um為波幅（m·s-1），θ為波向角，H為波高（m），h為礁區(qū)水深（m），L為波長（m），可通過L=( g h )1/2計算，D為藻礁頂部至海底的高度（m），T為波浪周期（s）。

人工藻礁礁體在流速u下的流體作用力F可分為拖拽力和附加質(zhì)量力兩部分，在數(shù)學形式上表示為流速與流速導數(shù)的函數(shù)[21]，具體計算公式如下：

將式（1）及（2）代入式（4），求導可得式（5）

令

則公式（5）可簡化為

式（4）～（9）中，Cd為拖曳力系數(shù)，一般取1.25；Cm為附加質(zhì)量系數(shù)，一般取1.0；ρ為海水密度,一般取 1 025 kg·m-3；A為礁體迎流面積（m2），為0.290 m2；V為礁體體積（m3）。

式（9）表明，作用力F是Fd、Fm、a、θ的函數(shù)，是計算礁體作用力的通用公式。對于給定的礁體尺寸和指定海域的波、流狀況，即可計算確定Fd、Fm、a。因此，作用力F僅隨波向角θ的變化而變化，若使F取得最大值，需滿足公式：

對式（10）進行適當?shù)臄?shù)學變換，變成為一元四次方程，利用Matlab[22]可求出sin θ、cos θ，代入式（9），計算得該礁體在波、流共同作用下的最大作用力Fmax。

1.3.2 礁體抗漂移安全性校核計算公式 礁體在水流沖擊下不發(fā)生移動，即礁體不滑動的條件是，礁體與海底接觸面間的靜摩擦力大于作用在藻礁上的流體作用力，靜摩擦力與最大流體作用力Fmax的比值稱為抗漂移系數(shù)S1，S1＞1時，礁體不發(fā)生滑動或漂移[20,23]，計算公式如下：

式中，V為混凝土體積（m3），δ為礁體材料密度（kg·m-3），ρ為海水密度，為1 025 kg·m-3，μ為礁體與海底接觸面間的靜摩擦系數(shù)，本投礁海區(qū)底質(zhì)主要為玄武巖礫石，因此，μ值選取0.6。

1.3.3 礁體抗傾覆安全性校核 礁體在波流作用下不顛覆的條件為礁體重力和浮力的合力矩 M1大于波流最大作用力矩M2。由于礁體結構較為復雜，M2值難以準確計算。一般將波流最大力矩簡化計算為M2=Fmax·lmax（圖3），抗顛覆系數(shù)R1計算公式：

圖3 抗傾覆系數(shù)計算Fig.3 Sketch of calculated coefficient of anti-slide

式中，W為藻礁重力；lw為翻倒的回轉(zhuǎn)中心到重心的水平距離（m）；h0為流體作用力的高度（m）。王素琴、吳子岳和鐘術求等[24-26]研究表明，lw為礁體底面邊長的一半，h0約為礁體高度的一半，本研究中，lw= 0.3 m；h0= 0.2 m。

2 結果與分析

2.1 人工藻礁結構設計與材質(zhì)選擇分析

藻礁模型選用圓臺型，材質(zhì)為密度2 500 kg·m-3的混凝土，使用年限為50 a，抗?jié)B設計達S8，強度等級達到C35，在海底的強度和耐久性滿足設計要求。具體參數(shù)為：表面積0.907 m2，迎流面積0.290 m2，空方體積0.059 m3，混凝土體積0.057 m3，質(zhì)量約143.1 kg。可見，空方體積與混凝土體積比值ε為1.035，相對較低，表明圓臺型人工藻礁穩(wěn)固性較好，不易發(fā)生滑動或位移；表面積與混凝土體積比值η值為15.912，相對較高，表明該藻礁可為海洋生物提供較大的附著與繁殖場所，以附著更多的藻類，達到藻礁修復、保護藻類資源目的。

2.2 礁體水流作用力分析

根據(jù)北部灣東部海域水文特征，計算得波長L=83.5 m，波幅um=0.259 m·s-1，F(xiàn)d=12.46 N，F(xiàn)m=13.29 N，將各參數(shù)代入式（9），計算出波向角θ的正弦值、余弦值及礁體在不同波流狀況下所受最大作用力Fmax，本研究共選取12個流速值，計算結果見表1、圖4。從圖4可見，隨著水體流速u0的增加，礁體所受最大作用力Fmax呈不斷增大趨勢，當水體流速u0增至0.7 m·s-1時，礁體所受最大作用力Fmax達最大值171.8 N，回歸分析發(fā)現(xiàn)，礁體所受最大作用力 Fmax與水體流速 u0間有明顯的多項式關系，關系式為：= 0.000 4 x6- 0.014 59 x5+ 0.204 98 x4- 1.3967 x3+ 5.465 1 x2- 2.671 9 x + 18.112，R2=0.999 97，表明最大作用力Fmax與水體流速u0間關聯(lián)性較強。

表1 不同流速下人工藻礁所受最大作用力Table 1 Maximum force of artificial reef under different current velocities

圖4 不同流速下礁體所受的最大作用力Fig.4 Maximum force of artificial reef at different velocity

2.3 礁體抗漂移安全性分析

人工藻礁不發(fā)生漂移的條件是抗漂移系數(shù) S1大于 1。將上述所計算參數(shù)代入式（10）得圓臺型藻礁抗漂移系數(shù)見圖5。圖5表明，當水體流速u0遞增時，礁體抗漂移系數(shù)S1隨之降低，2.88～25.09，最低值遠大于 1。回歸分析發(fā)現(xiàn)，礁體抗漂移系數(shù)S1與流速u0間多項式關系較為顯著，關系式為：= 0.000 006 x6–0.000 5 x5+ 0.014 65 x4–0.223 91 x3+ 2.013 5 x2–11.114 x + 34.404，R2=1.000 0，表明礁體抗漂移能力較強，可承受潮流和波浪的沖擊。

圖5 不同流速下礁體的抗漂移系數(shù)Fig.5 The calculated coefficient of anti-slide of artificial reef at different velocity

2.4 礁體抗傾覆安全性分析

礁體在波流作用下不發(fā)生傾覆的條件是抗傾覆系數(shù)R1值大于1。通過式（13）計算的圓臺型抗傾覆系數(shù)見圖6。圖6表明，抗傾覆系數(shù)R1隨流速u0的增加呈逐漸下降趨勢，與抗漂移系數(shù)變化趨勢相似。藻礁在流速度為4～70 m·s-1時，其抗傾覆系數(shù)為2.06～315，最低值大于1，因此該藻礁在海底不會發(fā)生傾覆現(xiàn)象。

圖6 不同流速下礁體的抗傾覆系數(shù)Fig.6 Calculated coefficient of anti-rolling of artificial reef at different velocity

3 討 論

3.1 人工藻礁結構設計

當前我國人工藻礁主要以鋼筋混凝土為材料，選擇近海海域投放。在礁體設計過程中，若設計重量過輕，則其穩(wěn)定性較差，易發(fā)生滑移、傾覆等失穩(wěn)現(xiàn)象，反之過重則易加大操作難度，增加生產(chǎn)成本，甚至會出現(xiàn)沉陷導致礁體失效[27]。因此，增強藻礁的穩(wěn)定性成為人工藻礁工程建設的重要目標。在進行藻礁設計與礁區(qū)建設時，應對擬建礁區(qū)進行前期本底調(diào)查，充分掌握該海域物理環(huán)境（波浪、海床坡度、底質(zhì)等）和生物環(huán)境等原始資料后，綜合考慮礁體穩(wěn)定性、流場效應以及性價比等因素，在礁體結構、尺寸和質(zhì)量等參數(shù)方面進行礁體結構優(yōu)化，以有效實現(xiàn)人工藻礁建設的生態(tài)、社會與經(jīng)濟效應。

本研究人工藻礁已在北部灣東部海域進行大規(guī)模的實地投放，筆者長期跟蹤調(diào)查發(fā)現(xiàn)，圓臺型人工藻礁穩(wěn)定性較強，可有效實現(xiàn)馬尾藻的生長附著以及增殖與移植。礁體形狀對礁體的生態(tài)作用有著顯著的影響，礁體表面的粗糙化和多樣化均能明顯提高表面生物附著行為的發(fā)生[28-30]。AⅠROLDⅠ、張磊等[31-32]認為，不同形狀巖石表面附著藻類的生物量和多樣性差異較大，平面和凸形的模型礁上藻類的蓋度普遍比凹形模型礁高，本研究藻礁整體凸形的圓臺型結構，凸部表面海水流速大，不利于浮泥等雜物的堆積，海藻的生長不會受到阻礙，且海藻的根部在凸部有足夠的空間伸張，因而附著力大，海浪難以將其剝離，利于藻類牢固附著。選用混凝土作為制作材質(zhì)，BAⅠNE等[9]對世界309處人工礁體的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，選用混凝土礁體最多（79處），占總數(shù)的 25%以上。混凝土材料由于具備造價便宜、強度高特點而被廣泛使用，且該材料對自然環(huán)境影響較小，即使達到使用年限后，殘余物留下來亦可形成自然礁被繼續(xù)使用。此外，在制作藻礁的過程中，在混凝土中適當添加營養(yǎng)鹽，營養(yǎng)鹽經(jīng)過長期的海水滲透，逐漸釋放至周邊的水體中，可有效改善該海域的營養(yǎng)鹽結構，一定程度上起保護該海域生態(tài)環(huán)境的作用。此外，該藻礁有清潔環(huán)保、穩(wěn)性好、制作簡單、堅固耐用、生產(chǎn)成本低、可復制性強等優(yōu)點，從結構設計與材質(zhì)選擇角度研究此藻礁對于今后大規(guī)模開發(fā)和應用此藻礁模型有一定的參考價值和借鑒意義。

3.2 人工藻礁穩(wěn)定性

人工藻礁所受作用力與迎流面積之間呈現(xiàn)明顯的正比例關系，礁體迎流面積越大，所受作用力就越大，礁體穩(wěn)定性也越差。礁體穩(wěn)定性不僅與自身迎流面積有關，還與自身質(zhì)量之間存在一定的關聯(lián)性[25]。許柳雄等[27]針對浙江嵊泗和江蘇連云港海州灣投放礁體海域的海況條件，設計回字型人工魚礁，并根據(jù)波流動力學理論對此礁體進行穩(wěn)定性計算，結果表明，在波、流共同作用下，礁體在該海域不會發(fā)生漂移及傾覆；吳子岳等[25]針對連云港投放礁體海域的波流狀況、水深等設計了十字型礁體，并根據(jù)波流動力學理論計算了礁體受到的最大作用力，并認為與礁體受到的靜摩擦力、重力矩相比，該藻礁滿足礁體穩(wěn)定條件，在海底不會發(fā)生滑移或翻滾；陶峰等[33]根據(jù)深圳楊梅坑人工魚礁區(qū)海域的波流、水深等狀況，對方型角板中連式礁體和方型對角板隔式礁體進行了不同海流速度下的受力、抗翻滾系數(shù)及抗滑移系數(shù)的計算，結果顯示，2種礁體的抗滑移、抗翻滾性能均較好，不會因為波流狀況的突變而導致滑移、翻滾，投放后能長期維持其功能穩(wěn)定不變。以上研究均認為迎流面積和礁體質(zhì)量是判定礁體穩(wěn)定性的關鍵要素，在本研究中，圓臺型礁體因迎流面積小，在水體中所受的水流作用力小，加之自身質(zhì)量較大，因此穩(wěn)定性較好，在該海域不會發(fā)生抗滑移與抗傾覆現(xiàn)象。

在考量藻礁的穩(wěn)定性時，應考慮海區(qū)的臺風等極端海況條件。由于陳奇禮等[34]對北部灣東北部海面的波浪長期觀測發(fā)現(xiàn)，臺風一般在越過雷州半島或海南島后從東至東南方向移入灣內(nèi)，在南海所造成的大浪已在海岸變成拍岸浪而消失，海面上的波浪是重新產(chǎn)生的，這對投放該海域底部的人工藻礁影響相對微弱，因此，本研究未對極端氣候條件下的藻礁穩(wěn)定性進行詳細探討。

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（責任編輯：劉慶穎）

Structure Design and Stability Analysis of Frustum-Shaped Artificial Reef

HE Liang,LⅠU Li,LⅠAO Jian,QUAN Qiu-mei,HUANG Yuan-gui,XⅠE En-yi,LⅠU Chu-wu
(Key Laboratory of Aquaculture in South China Sea for Aquatic Economic Animal of Guangdong Higher Education Institutes,Fisheries College of Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524025,China)

Based on the conditions of the sea area of reefs deployed in the east of Beibu Bay in the South China Sea,a frustum-shaped artificial reef is designed in order to achieve Sargassums’ artificial reproduction and transplantation.The maximum force,coefficient of anti-slide and anti-rolling of reef are calculated under different flow velocity according to the hydrodynamics of wave and current.The maximum force and torque are 171.8N and 49.64 N·m,the rang of coefficient of anti-slide and anti-rolling are 2.88 –25.09 and 2.06 –315.00,respectively,the minimum are 2.88 and 2.06 respectively.The result of the calculation achieves the object of the stability of the reef,ensuring the reef not to slide or roll in this sea area.

artificial alga reef; frustum-shaped; structure design; stability; Beibu Bay

S953.1

A

1673-9159（2016）06-0074-07

10.3969/j.issn.1673-9159.2016.06.012

2016-06-07

2016年度廣東大學生科技創(chuàng)新培育專項資金立項項目（pdjh2016b0236）；2015年度廣東海洋大學“海之帆-起航計劃”大學生科技創(chuàng)新培育專項資金項目（hzfqhjhkjfm2015b03）；中央分成海域使用金支出項目（2011-2-2-09-3）；廣東省海洋漁業(yè)科技推廣專項（A201308E02）；廣東省科技計劃項目（2012B020307006）；廣東海洋大學研究生創(chuàng)新計劃項目（201606）

賀亮（1990－），男，碩士研究生，研究方向為海洋生境修復與生物資源保護。E-mail:：gdhydxhl1990@foxmail.com

劉麗（1974－），女，教授，研究方向為海洋生物保護及遺傳多樣性。E-mail：zjouliuli@163.com