珠海萬山人工魚礁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳勇康，李培冬

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510220)

人工魚礁是人為的在海洋中經(jīng)過科學(xué)選點(diǎn)后設(shè)置的構(gòu)造物，用于修復(fù)和優(yōu)化海域生態(tài)環(huán)境，建設(shè)海洋水生生物生息場，可以為魚類等水生生物的聚集、索餌、繁殖、生長、避敵提供必要、安全的棲息場所，以達(dá)到保護(hù)、增殖漁業(yè)資源和提高漁獲量的目的。

美國、日本、韓國、馬來西亞等漁業(yè)發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，很早就開展了有計(jì)劃的海洋人工魚礁建設(shè)。我國也在20世紀(jì)70年代開始了人工魚礁建設(shè)，現(xiàn)階段人工魚礁建設(shè)發(fā)展較快，主要分布在南海和東海各沿海省份。實(shí)踐證明，人工魚礁建設(shè)對(duì)于改善和修復(fù)海洋生態(tài)環(huán)境、增殖和養(yǎng)護(hù)漁業(yè)資源效果顯著。

從目前來看，國內(nèi)已在人工魚礁集魚效果[1]、漁業(yè)資源影響[2]、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)[3-4]、水動(dòng)力特性[5]等方面開展了多年的研究，然而對(duì)于人工魚礁礁體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)受力、穩(wěn)定性、礁體沉降等方面的研究較少。文章針對(duì)珠海萬山海域?qū)嶋H海況，分別設(shè)計(jì)了三種不同人工魚礁礁體，并對(duì)其在波浪、水流共同作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算和校核，為今后類似人工魚礁建設(shè)項(xiàng)目提供參考。

1 人工魚礁礁體設(shè)計(jì)

1.1 海域建設(shè)條件

萬山海域地貌單元屬于海灘地貌。地形地貌類型簡單，由較平緩砂泥地組成，總體由東向西海域微微傾斜，海底標(biāo)高在-21.29～-18.22 m之間，較平坦，地形由淺水區(qū)向深水區(qū)城緩坡過渡，坡度為1度左右，區(qū)內(nèi)無斷裂帶通過。投放魚礁的海域平面位置示意圖如圖1所示。

根據(jù)《珠海萬山國家級(jí)海洋牧場示范區(qū)人工魚礁工程巖土勘察報(bào)告》，海域各巖土層主要物理力學(xué)指標(biāo)及承載力建議值如表1所示。

表1 萬山海域地質(zhì)資料表

地層名稱及編號(hào)Stratum name and number地基承載力特征值/kPaCharacteristic value of foundation bearing capacity [fak]重度/(kN·m-3)Unit weightγ壓縮模量/MPaCompression modulusEs1-2快剪試驗(yàn) Quick shear test粘聚力/kPaCohensionC內(nèi)摩擦角/°Internal friction angleφ①淤泥 Silt5014.61.12.21.3②淤泥質(zhì)土 Mucky soil8015.81.96.05.1③礫砂 Gravel sand20019.610.2//

海區(qū)潮流以東西往復(fù)流形式為主，漲潮的最大流速在31～70 cm·s-1之間，落潮的最大流速在27～108 cm·s-1之間。該海域?qū)崪y最大平均垂下流速為1.24 m·s-1，為2014年實(shí)測臺(tái)風(fēng)所致。隨著近年超大臺(tái)風(fēng)時(shí)有發(fā)生，根據(jù)《廣東省人工魚礁建設(shè)技術(shù)規(guī)范(試行)》，使用25年一遇1%波高產(chǎn)生的流速：表層最大流速約為2.0 m·s-1，中層流速約為1.5 m·s-1，底層流速約為1.2 m·s-1，平常風(fēng)浪情況下潮流站最大流速可約為0.4 m·s-1。

該海區(qū)波浪基本上是涌浪和以涌浪為主的混合浪，常浪向?yàn)镋SE。根據(jù)外海波浪的推算，工程區(qū)域25年一遇波浪要素如表2所示。

表2 工程海域25年一遇波浪要素

1.2 礁體設(shè)計(jì)

人工魚礁礁體設(shè)計(jì)應(yīng)能最大限度地適合當(dāng)?shù)睾Ｓ虻暮r和生態(tài)特點(diǎn)，同時(shí)也要兼顧環(huán)鏡保護(hù)、材料性價(jià)比等因素，在設(shè)計(jì)礁體時(shí)需要遵循以下設(shè)計(jì)原則。

1)增大礁體表面積

礁體表面積的大小直接關(guān)系到礁體上附著生物的數(shù)量。著生在礁體表面的海洋生物又是魚類的餌料之一，這對(duì)于高度較小的深水魚礁來說更為重要。因此，在魚礁礁體設(shè)計(jì)中盡量增大礁體的表面積。

2)良好的透空性

礁體內(nèi)空隙的數(shù)量、大小及形狀將影響到礁體周圍生物的種類和數(shù)量的多少，因此應(yīng)盡量將礁體設(shè)計(jì)成多空洞、縫隙、隔壁、懸垂物結(jié)構(gòu)，使礁體結(jié)構(gòu)具有良好的透空性。

3)充分的透水性

只有保證礁體內(nèi)有充分的水體交換，才能使礁體表面積得到有效利用，確保礁體表面固著生物的養(yǎng)料供給，因?yàn)樗牧鲃?dòng)可保證所有附著生物的代謝保持穩(wěn)定。

4)礁體的高度必須考慮礁區(qū)的水深、底質(zhì)及船舶的航行安全。

5)礁體材料應(yīng)環(huán)保無污染，構(gòu)造成型簡單，耐久性好，強(qiáng)度高，成本較低。

因此，綜合考慮以上設(shè)計(jì)原則，共設(shè)計(jì)了三種不同類型礁體。礁體材料采用鋼筋混凝土，外尺寸均為長×寬×高=3.5 m×3.5 m×3.5 m的框架箱型結(jié)構(gòu)，框架采用0.2 m×0.2 m的框柱，混凝土等級(jí)為C30。各礁體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1號(hào)礁體是繁育型魚礁單體，兼顧保護(hù)功能。礁體的四周通過混凝土板和中部建設(shè)混凝土梁柱，增加礁體內(nèi)部的復(fù)雜性，使得礁體更加容易吸引魚類繁殖。礁體的側(cè)板及頂板厚度為0.12 m，側(cè)板上各設(shè)置1個(gè)1.4 m×2.1 m和1個(gè)0.8 m×3.1 m的矩形大孔，頂板設(shè)置8個(gè)0.30 m×1.45 m的矩形小孔，以增加魚礁的通透性。

2號(hào)礁體是餌料型魚礁單體，兼顧保護(hù)型。該礁體的頂面加設(shè)“口”字斜梁，斷面尺寸為0.2 m×0.2 m。側(cè)板厚0.12 m，每塊側(cè)板上設(shè)置6個(gè)直徑700 mm的圓孔和3個(gè)1.1 m×0.7 m的矩形孔。

3號(hào)礁體為保護(hù)型魚礁單體，兼顧繁育型。該型號(hào)礁體最大特點(diǎn)是四周及中間均具有大塊鋼筋混凝土板面，板厚0.12 m，將大型板面設(shè)于迎流面有利于在板面背部形成流速相對(duì)平靜的水域，對(duì)于懷卵親魚，是合適的繁育場。每個(gè)面板上均設(shè)置3個(gè)直徑600 mm的圓孔，以增強(qiáng)礁體的透空性和透水性。

考慮到該礁區(qū)地表層存在軟弱淤泥層，對(duì)人工魚礁易產(chǎn)生沉降和傾覆影響，礁體在內(nèi)部框架底部增設(shè)了翼板，在礁體底部增設(shè)了雙層雙向土工格柵。底部翼板能有效增加礁體底部面積，減少礁體沉降量；土工格柵能有效減少礁體的不均勻沉降，防止礁體傾覆，如圖3所示。

2 礁體結(jié)構(gòu)計(jì)算

礁體在投放到底面后，受力較為復(fù)雜。會(huì)受到重力、浮力、波浪力和水流力等外力共同作用。水平方向主要有波浪力和水流力，豎直方向主要是受重力和浮力及上升流作用。由于該項(xiàng)目所處區(qū)域水深較大，一般可達(dá)20 m左右，因此水底面處的流速較小，波浪力和礁體后方渦流都較小。為簡化模型，暫不考慮波浪力、上升流和礁體后方渦流的影響。水平方向外力主要考慮水流力，豎直方向的合力計(jì)算可按結(jié)構(gòu)物的水下浮重度來計(jì)算。

2.1 礁體水流力計(jì)算

礁體在水中會(huì)受到水流沖擊作用，在該研究中，考慮魚礁與水流方向垂直布置。根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中,Fw為水流力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)；Cw為水流阻力系數(shù)；ρ為水密度(t·m-3)，淡水取1.0，海水取1.025；V為水流設(shè)計(jì)流速(m·s-1)；A為計(jì)算構(gòu)件在與流向垂直平面上的投影面積(m2)。三種礁體的投影面積分別為9.77、7.63和8.38 m2。

由于礁體沉放位置水深較大，且礁體與礁體之間的橫向間距也會(huì)對(duì)水流力有一定的影響，因此水流阻力系數(shù)Cw還應(yīng)考慮構(gòu)件淹沒深度影響系數(shù)n1和水流力橫向影響系數(shù)m2。即

(2)

根據(jù)礁群的布置和水深等因素，參考《港口工程荷載規(guī)范》相關(guān)內(nèi)容，取n1=0.84，m2=1.21。

2.2 礁體抗滑移穩(wěn)定性核算

礁體結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體，滑動(dòng)面最有可能出現(xiàn)在礁體底部與泥面層之間。沿礁體底面的抗滑穩(wěn)定性可按式(3)驗(yàn)算：

γ0γwFw≤(γGG-γuPu)f

(3)

式中,γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取0.9；γw為水平水流力的分項(xiàng)系數(shù)，取1.5；Fw為計(jì)算面以上的水平水流力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)；γG為自重力分項(xiàng)系數(shù)，取1.0；G為作用在計(jì)算面上的礁體自重力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)；γu為浮托力的分項(xiàng)系數(shù)，取1.3；Pu為作用在計(jì)算面上的浮托力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)；f為沿計(jì)算面的摩擦系數(shù)設(shè)計(jì)值，取0.3。

2.3 礁體抗傾覆穩(wěn)定性核算

沿礁體底面的抗傾覆穩(wěn)定性可按式(4)驗(yàn)算：

(4)

式中,Mw為水平水流力對(duì)礁體腳點(diǎn)作用的傾覆力矩(kN·m)；MG為自重力對(duì)礁體腳點(diǎn)作用的穩(wěn)定力矩(kN·m)；γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)，取1.25；Mu為浮托力對(duì)礁體腳點(diǎn)作用的傾覆力矩(kN·m)；

根據(jù)各個(gè)礁體結(jié)構(gòu)圖，礁體與流向垂直平面上所受水流力的作用點(diǎn)距礁體腳點(diǎn)的距離，經(jīng)計(jì)算分別為l1=2.042 m、l2=1.841 m、l3=1.970 m。則各個(gè)礁體的水流力產(chǎn)生的傾覆力矩為Mw=Fw·l。

2.4 地基承載力核算

參考《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，基礎(chǔ)底面的壓力，應(yīng)符合下列規(guī)定：

1)當(dāng)軸心荷載作用時(shí)

pk≤fα

(5)

式中，pk為相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，基礎(chǔ)底面處的平均壓力值(kPa)；fα為修正后的地基承載力特征值(kPa)；

2)當(dāng)偏心荷載作用時(shí)，除符合式(5)要求外，尚應(yīng)符合式(6)規(guī)定：

pkmax≤1.2fα

(6)

式中，pkmax為相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，基礎(chǔ)底面邊緣的最大壓力值(kPa)。

對(duì)于基礎(chǔ)底面的壓力，可按下列公式確定：

1)當(dāng)軸心荷載作用時(shí)，

(7)

式中，F(xiàn)k為相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的豎向力值(kN)；Gk為基礎(chǔ)自重和基礎(chǔ)上的土重(kN)；A為基礎(chǔ)底面面積(m2)；

2)當(dāng)偏心荷載作用時(shí)，

(8)

(9)

式中，pkmax、pkmin為相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，基礎(chǔ)底面邊緣的最大、最小壓力值(kPa)，Mk為相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，作用于基礎(chǔ)底面的力矩值(kN·m)；W為基礎(chǔ)底面的抵抗矩(m3)。因各個(gè)礁體底面形狀是一樣的，經(jīng)計(jì)算，底面截面總慣性矩I=7.881 m3，抵抗矩W=I/3.35/2=4.50 m3。

2.5 礁體沉降量計(jì)算

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，計(jì)算地基變形時(shí)，地基內(nèi)的應(yīng)力分布可采用各向同性均質(zhì)線性變形體理論。其最終變形量可按式(10)進(jìn)行計(jì)算：

(10)

3 結(jié)果與分析

3.1 礁體水流力結(jié)果

依據(jù)海域的建設(shè)條件，該研究采用的流速條件為V=0.4，1.2，1.5，2.0m·s-1，共四組。根據(jù)公式(1)～(2)，計(jì)算得各礁體的水流力如圖4所示。

由圖4可知，在流速不同的情況下，流速增大，各礁體受水流力也隨之增大[6]。在表層流速為2.0 m·s-1時(shí)，礁體所受最大水流力約為30 540 N。在底層流速為1.2 m·s-1時(shí)，礁體最大所受水流力為10 990 N。礁體在水深高度方向上，受水流力逐漸減小，頂層受水流力最大，底層受水流較小。在流速相同的情況下，1號(hào)礁體所受水流力作用最大，2號(hào)礁體受水流力最小，說明2號(hào)礁體的透空性最好。

3.2 礁體穩(wěn)定性校核

在校核礁體穩(wěn)定性時(shí)，根據(jù)公式(3)～(4)，定義公式的右式/左式=S。即

(11)

(12)

式中，Sm為抗滑移系數(shù)，So為抗傾覆系數(shù)。這兩者的數(shù)值必須大于1，才能保證礁體不發(fā)生滑移和傾覆[5]。

由式(3)～(4)和式(11)～(12)計(jì)算的結(jié)果如圖5～6所示。

分析可得，各礁體的抗滑移系數(shù)均隨流速的增大而減小。在流速小于1.5 m·s-1時(shí)，各礁體均不會(huì)發(fā)生滑移，在流速達(dá)到2 m·s-1時(shí)，各礁體抗滑移系數(shù)均小于1，說明礁體在水流的作用下，會(huì)發(fā)生移動(dòng)。在相同流速情況下，3號(hào)礁體的抗滑移能力最好，1號(hào)礁體的抗滑移能力最差。

礁體的抗傾覆系數(shù)變化趨勢與礁體的抗滑移系數(shù)變化趨勢相似，也是隨流速的增加呈下降的趨勢[7]。各礁體在上述四組流速情況下，抗傾覆系數(shù)均大于1，因此魚礁不會(huì)在海底發(fā)生傾倒、翻滾。在相同流速情況下，3號(hào)礁體的抗傾覆能力最好，1號(hào)礁體的抗傾覆能力最差。

值得注意的是，該研究考慮的是25年一遇波浪要素的海況條件。實(shí)際吊放施工時(shí)，并不會(huì)選取惡劣天氣環(huán)境作業(yè)，且隨著魚礁投放后時(shí)間的持續(xù)，礁體在海底會(huì)有一定的沉降，也在一定程度上增加了魚礁的抗滑移能力。

因此，在吊裝沉放礁體過程中，應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測水流速度變化，選擇良好波浪、水流情況下作業(yè)，避免在吊裝沉放過程中，受水流沖擊，導(dǎo)致礁體偏移或側(cè)翻，當(dāng)礁體沉放到海底后才能脫鉤。綜合以上各方面因素，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的三種礁體尺寸結(jié)構(gòu)符合強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求，能夠滿足該海域的海況條件，適宜在該海域投放。

3.3 地基承載力、沉降分析

根據(jù)公式(5)～(9)，在流速為1.2 m·s-1時(shí)，礁體底面地基承載力結(jié)果如表3所示。

表3 礁體底面地基承載力結(jié)果表

續(xù)表3

礁體下基礎(chǔ)平均壓力只與礁體的水下重量相關(guān)。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因，3號(hào)礁體使用材料最多、重量最大、基礎(chǔ)底面壓力最大。各個(gè)礁體下地基承載力均滿足要求。

根據(jù)公式(10)計(jì)算得1、2、3號(hào)礁體的沉降量分別為320、280、380 mm。各個(gè)礁體的沉降量均小于500 mm，滿足沉降穩(wěn)定要求。

4 結(jié)論

統(tǒng)計(jì)列出以上各計(jì)算式的結(jié)果，整理如表4所示。

表4 各計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

通過對(duì)以上礁體各指標(biāo)進(jìn)行比較，可得出：

1)水流力和礁體自重是影響礁體抗滑移、抗傾覆的主要作用。水流力的大小與礁體的迎流面積、流速成正比。增大礁體透空性，可以減小水流力，但過度增大礁體透空性，會(huì)導(dǎo)致礁體自重減輕，進(jìn)而也會(huì)對(duì)礁體的抗滑移、抗傾覆能力不利。增大礁體自重，對(duì)礁體穩(wěn)定性有利，但同時(shí)也會(huì)增大礁體的沉降，當(dāng)沉降過大時(shí)，礁體或被掩埋在海泥中，也就失去了應(yīng)有的作用。因此在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)投放海域的水文、地質(zhì)特點(diǎn)，確定合適的魚礁結(jié)構(gòu)形式。

2)在25年一遇波浪條件下，底層流速為1.2 m·s-1，礁體的抗滑移系數(shù)最小為1.61，抗傾覆系數(shù)最小為3.69，地基承載力和沉降量均滿足要求。說明在此條件下，文章設(shè)計(jì)的各礁體可以在該海域投放使用，可為今后類似人工魚礁建設(shè)項(xiàng)目提供參考和應(yīng)用。

3)盡管礁體地基承載力和礁體沉降量均滿足要求，但以上結(jié)果是從理論公式中計(jì)算得來。實(shí)際上礁體受波潮流作用形式較為復(fù)雜，理論計(jì)算與實(shí)際環(huán)境存在很大差異。目前國內(nèi)針對(duì)人工魚礁的結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行了較多的物理和風(fēng)洞試驗(yàn)，建議對(duì)該海域的礁體沉降做好沉降監(jiān)測[8]或者人工水下探摸，在下一步的研究中可參考相關(guān)文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果，以便對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和修正。