淺海海域海洋牧場(chǎng)人工魚礁區(qū)地質(zhì)調(diào)查方法綜述

文/劉崇煥 程前

目前，人工魚礁建設(shè)的科學(xué)性合理性逐漸成為海洋牧場(chǎng)科學(xué)研究及生產(chǎn)工作中的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。本研究根據(jù)海洋牧場(chǎng)人工魚礁建設(shè)的發(fā)展現(xiàn)狀，在海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查技術(shù)基礎(chǔ)上，根據(jù)海洋牧場(chǎng)人工魚礁區(qū)的技術(shù)需求，總結(jié)并探討了海洋牧場(chǎng)人工魚礁調(diào)查方法，提出一套適用于淺海海域人工魚礁的地質(zhì)調(diào)查方法，并對(duì)下一步研究提出方向。

人工魚礁區(qū)地質(zhì)調(diào)查目前主要應(yīng)用于人工魚礁的選型、投放位置的選取及投放布局設(shè)計(jì)。人工魚礁建設(shè)是海洋牧場(chǎng)建設(shè)工作中的重中之重。《人工魚礁建設(shè)技術(shù)規(guī)范》等重要規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)文件中明確提出，人工魚礁建設(shè)應(yīng)科學(xué)合理進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，結(jié)合地質(zhì)等因素進(jìn)行科學(xué)選址。人工魚礁投放位置的選取，將直接影響到人工魚礁的使用壽命、淤積程度和功能的有效發(fā)揮。根據(jù)海域地質(zhì)條件，合理選擇人工魚礁投放位置，能最大限度的發(fā)揮人工魚礁的生態(tài)功能和延長(zhǎng)人工魚礁使用壽命。由于人工魚礁投放區(qū)選址略欠科學(xué)性，導(dǎo)致部分人工魚礁淤積和下陷程度較大，生態(tài)功能的發(fā)揮也因此受到影響。近海海域地質(zhì)條件與底質(zhì)類型較為復(fù)雜，對(duì)人工魚礁建設(shè)的影響多樣，因此，通過對(duì)淺海海域海洋牧場(chǎng)地質(zhì)條件與底質(zhì)類型的調(diào)查方法進(jìn)行梳理和建議，能夠科學(xué)有效地指導(dǎo)人工魚礁選型、投放選址及設(shè)計(jì)布局，保證人工魚礁的功能有效發(fā)揮。

一、野外調(diào)查技術(shù)

人工魚礁建設(shè)由地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地形地貌、沉積物粒度組成及物理特性等因素共同影響，因此，海洋牧場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查技術(shù)可以分為淺地層結(jié)構(gòu)測(cè)量、地形地貌測(cè)量、沉積物原位測(cè)試及柱狀樣品采集四個(gè)方面。

（一）淺地層結(jié)構(gòu)測(cè)量

淺地層結(jié)構(gòu)測(cè)量指利用單道地震、多道地震及淺地層剖面儀等儀器設(shè)備發(fā)生的聲波等穿過不同的地層時(shí)存在界面反射特性來反映沉積物地質(zhì)屬性，能夠清晰有效地了解海底淺地層結(jié)構(gòu)、沉積環(huán)境和潛在地質(zhì)災(zāi)害等。

淺地層剖面儀設(shè)備的剖面深度受到聲波強(qiáng)度及海底底質(zhì)類型的影響較大，其聲波不易穿透砂、礫等較堅(jiān)硬的海底，無法得到精確的地層剖面數(shù)據(jù)。因此，在泥質(zhì)海底的海區(qū)可使用淺地層剖面儀進(jìn)行探測(cè)，在礫石、砂土等海域，推薦使用單道地震或多道地震進(jìn)行探測(cè)。

在工作期間使用淺地層剖面設(shè)備，利用GPS實(shí)時(shí)定位，按照預(yù)先布置的測(cè)線進(jìn)行走行測(cè)量，通過發(fā)射單元和接收單元在水下進(jìn)行發(fā)射、接收和轉(zhuǎn)換，將聲波轉(zhuǎn)變成電信號(hào)傳輸?shù)街鳈C(jī)中。主機(jī)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行濾波及增益等數(shù)據(jù)處理后，通過算法等處理措施將地層剖面聲學(xué)特征輸出，顯示在數(shù)據(jù)采集軟件中（圖1）。

（二）地形地貌測(cè)量

側(cè)掃聲吶根據(jù)海底底質(zhì)的不同，會(huì)產(chǎn)生區(qū)強(qiáng)弱不同的信號(hào)反射，因此，利用側(cè)掃聲吶反射回波的強(qiáng)弱可以快速對(duì)底質(zhì)類型和邊界進(jìn)行劃分。將側(cè)掃聲吶與淺地層剖面儀相結(jié)合，同時(shí)對(duì)海底表面沉積進(jìn)行探測(cè)，可精確有效地進(jìn)行底質(zhì)分類。

常規(guī)的側(cè)掃聲吶裝置主要由數(shù)據(jù)采集軟件（顯示端）和記錄單元、數(shù)據(jù)傳輸和拖曳電纜、水下聲波發(fā)射和接收換能器組成。其探測(cè)原理是利用海底表面物質(zhì)背散射特征的差異來判斷目標(biāo)物的沉積屬性或形態(tài)特征。側(cè)掃聲吶作業(yè)時(shí)向兩側(cè)發(fā)送聲波波束，可以覆蓋海底大面積區(qū)域，通常單側(cè)每個(gè)條帶探測(cè)寬度可以達(dá)到數(shù)十米到數(shù)百米，然后接收海底返回的背散射數(shù)據(jù)對(duì)海底進(jìn)行成像。

（三）沉積物原位測(cè)試

靜力觸探試驗(yàn)（CPT）是目前在工程地質(zhì)勘察中應(yīng)用最為廣泛且最先進(jìn)的原位測(cè)試方法。通過測(cè)定孔隙水壓力、錐尖阻力和側(cè)壁摩擦力及其隨深度的變化曲線，現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算求得地層物理力學(xué)參數(shù)，能夠得到海底沉積物的特性，用于人工魚礁選址分析。

靜力觸探裝置一般包括貫入設(shè)備、探頭和量測(cè)記錄儀器三部分。普遍使用方法是以恒定的速率通過貫入方式將觸探探頭和觸探桿貫入到海底地層中，量測(cè)記錄儀器實(shí)時(shí)記錄各傳感器的數(shù)值，并通過公式人工計(jì)算承載力等。

（四）柱狀沉積物樣品采集

由于淺海海域水深、海流、地質(zhì)等條件影響，人工魚礁規(guī)格多采用中、小型人工魚礁（體積小于27m3），因此，地質(zhì)條件對(duì)于人工魚礁的影響主要來自于表層沉積物。在工程地質(zhì)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)普遍采用鉆探的方式擷取沉積物柱狀樣品，一般能夠達(dá)到上百米甚至千米。出于樣品采集深度的考慮，在淺海海域海洋牧場(chǎng)人工魚礁區(qū)內(nèi)可采用蚌式抓斗采泥器、重力柱狀取樣器及箱式取樣器采集表層沉積物樣品。取得的樣品進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析，與靜力觸探數(shù)據(jù)相互修正，得到準(zhǔn)確的沉積物物理力學(xué)特性和粒度組成，用于人工魚礁選址分析及建設(shè)工程設(shè)計(jì)。

二、室內(nèi)分析技術(shù)

沉積物的性質(zhì)影響人工魚礁的投放效果，不同底質(zhì)類型和承載力對(duì)人工魚礁在海底狀態(tài)的影響具有較大差異。因此，沉積物界外采集結(jié)束后，應(yīng)以最短的時(shí)間在實(shí)驗(yàn)室對(duì)樣品進(jìn)行分析，并根據(jù)分析數(shù)據(jù)取得沉積物基本性質(zhì)、分布情況并計(jì)算承載力，最后根據(jù)以上因素進(jìn)行人工魚礁選址及設(shè)計(jì)工作。

（一）柱狀沉積物樣品實(shí)驗(yàn)分析

將取樣器采集到的樣品在現(xiàn)場(chǎng)及工程地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行物理力學(xué)特性測(cè)試及粒度分析。測(cè)試項(xiàng)目及分析內(nèi)容主要包括含水率、重度、孔隙率、黏著力、十字板剪切強(qiáng)度、貫入強(qiáng)度、界限含水率、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和粒度組成等。主要用于分析沉積物性質(zhì)，以通過計(jì)算海底表面承載力，判斷人工魚礁可投放區(qū)域及設(shè)計(jì)礁型。

（二）海底表面承載力的確定

海底表面承載力是指海底表面對(duì)于人工魚礁的承載能力，此數(shù)值有助于人工魚礁選址、礁型設(shè)計(jì)及投放布局，是海洋牧場(chǎng)人工魚礁區(qū)地質(zhì)調(diào)查中不可或缺的一項(xiàng)技術(shù)工作。

圖1 淺地層剖面數(shù)據(jù)效果圖

圖2 海洋牧場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查技術(shù)組成

確定海底表面承載力的方法包括原位試驗(yàn)（靜力觸探）法、公式計(jì)算法、查表法及經(jīng)驗(yàn)數(shù)值法共四種。一般我們采用前三種方法確定承載力的數(shù)值。

1.原位試驗(yàn)法

為了利用靜力觸探確定承載力，國(guó)內(nèi)外目前普遍根據(jù)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果提出經(jīng)驗(yàn)公式。建立經(jīng)驗(yàn)公式的途徑主要是將靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果與荷載試驗(yàn)求得的比例界限值進(jìn)行對(duì)比，并通過對(duì)對(duì)比數(shù)據(jù)的相關(guān)分析得到用于特定土性的經(jīng)驗(yàn)公式。

2.公式計(jì)算法

承載力數(shù)值是根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ7-89）中應(yīng)用的TERZAGHI和VESIC公式計(jì)算求得。

fv=Mbrb+Mdrod+Mcck（1）

式中:

fv：為由土和抗剪強(qiáng)度確定的地基承載力設(shè)計(jì)值；

Mb、Md、Mc為承載力系數(shù)；

B：為基礎(chǔ)底面寬度，大于6m，按6m考慮，小于3 m，按3m考慮；

d：為地基埋置深度；

r、ro：為地基以下土的容重和地基以上土的加權(quán)平均容重；

ck：為基礎(chǔ)底下1倍基礎(chǔ)寬度內(nèi)土的粘聚力。

該計(jì)算公式考慮到基礎(chǔ)形狀、荷載等因素的影響，比較適用于人工魚礁承載力條件的計(jì)算。

3.查表法

目前，一般按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011和《港口工程地基規(guī)范》JTS147-1-2010中的要求，查表后還需與原位試驗(yàn)等方法確定的承載力進(jìn)行對(duì)比修正。

地質(zhì)條件對(duì)于人工魚礁投放選址影響分析，利用淺地層剖面資料分析地質(zhì)結(jié)構(gòu)及海底不良地質(zhì)作用，選取地質(zhì)結(jié)構(gòu)和條件適宜的區(qū)域投放人工魚礁。根據(jù)沉積物樣品的粒度組成，選取底質(zhì)類型適宜的海域投放人工魚礁。有研究表明，為了避免魚礁投放后由于底質(zhì)太軟而沉入海底，海底最好是表層有泥沙的硬質(zhì)底質(zhì)，且表面泥沙深度較小。

根據(jù)三種方法得到的承載力數(shù)值，選取承載能力較強(qiáng)的區(qū)域投放人工魚礁，并按照海底承載能力進(jìn)行人工魚礁的投放布局設(shè)計(jì)。

三、結(jié)論與探討

通過分析現(xiàn)有的地質(zhì)調(diào)查手段，結(jié)合海洋牧場(chǎng)人工魚礁建設(shè)特點(diǎn)和需求，得出調(diào)查方法如下：

在野外海域利用淺地層剖面儀和側(cè)掃聲吶探測(cè)海域淺地層結(jié)構(gòu)、地形地貌和底質(zhì)類型；利用靜力觸探設(shè)備和沉積物樣品采集器進(jìn)行原位試驗(yàn)和采集沉積物柱狀樣品。在室內(nèi)對(duì)沉積物樣品進(jìn)行粒度分析及物理力學(xué)特性測(cè)試，并計(jì)算承載力。此方法便于操作與分析，數(shù)據(jù)可信，可作為適用于淺海地區(qū)海洋牧場(chǎng)人工魚礁區(qū)的地質(zhì)調(diào)查方法，用于人工魚礁建設(shè)的實(shí)際工作與科學(xué)研究。海洋牧場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查技術(shù)組成如圖2所示。

地質(zhì)條件對(duì)于人工魚礁影響的研究目前主要集中在投放區(qū)的選址問題上，對(duì)于投放布局和礁型設(shè)計(jì)的研究相對(duì)較少。事實(shí)上，地質(zhì)條件不僅影響投放位置的選擇，還影響礁體的投放布局和擺放方式。下一步研究應(yīng)著眼于海域地質(zhì)結(jié)構(gòu)及承載力對(duì)于人工魚礁投放布局和礁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。