人工魚礁結(jié)構(gòu)設(shè)計淺析

荀絢 喻石 南京瑞迪建設(shè)科技有限公司

劉穎波 蘇交科集團(tuán)股份有限公司

海洋牧場的建設(shè)對增殖海洋漁業(yè)資源、調(diào)整漁業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)意義重大。人工魚礁建設(shè)作為海洋牧場的重要組成部分，為魚類等提供了繁殖、生長、索餌和庇敵的場所，達(dá)到了保護(hù)、增殖和提高漁獲量的目的。

目前國內(nèi)已對人工魚礁的材料種類、礁體布局設(shè)計、水文環(huán)境影響、經(jīng)濟(jì)性評價等進(jìn)行了較多研究，但對各海洋牧場魚礁礁體結(jié)構(gòu)在不同工況下的受力分析研究較少。本文依托工程設(shè)計實例，對兩種常用人工魚礁礁體不同工況下的結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析，為人工魚礁項目制作、運輸、使用等環(huán)節(jié)提供參考。

1.海域建設(shè)條件

根據(jù)水下地形聲學(xué)掃描結(jié)果，項目所在海域海底地形較為平坦，沒有溝槽，建設(shè)地點水深20m左右，海域底質(zhì)類型為粉砂質(zhì)砂，底質(zhì)強度較高，平均凈承載能力為47.5kN/m2。根據(jù)流速調(diào)查結(jié)果可知，項目所在海域水體底層平均流速為0.31m/s，最大流速不超過1.5m/s。

2.礁體設(shè)計

礁體形狀、孔洞大小決定了礁體周圍的海洋生物種類及數(shù)量。礁體的選型、尺寸應(yīng)因地而異，結(jié)合規(guī)劃海域的海況和地形底質(zhì)特點及生物、環(huán)境等現(xiàn)狀以及礁區(qū)的通航要求，項目擬投放三角形礁體和方形框架魚礁兩種。

圖1 三角形礁體效果圖

圖2 方形礁體效果圖

三角形魚礁截面為三角形，置于海底穩(wěn)定性好、表面積大，斜面結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生上升流，使底部海水上升，增加底表層水體交換，為中上層魚類帶來餌料，礁體內(nèi)部空間寬闊，為魚類提供棲息以及避敵空間。三角礁截面為邊長約2.8m的等邊三角形，長度為3m，每塊板上開6個直徑530mm的圓洞，板厚均為150mm，混凝土強度等級為C40，鋼筋保護(hù)層厚度為30mm。

方形魚礁外觀為立方體，中間鏤空，礁體底部增加1個十字形框架形成“田”字造型。方形魚礁可以為魚類提供繁殖、生長以及棲息的場所。方形礁為邊長3.6m的正方體，柱截面為0.25m×0.25m，頂部框架梁截面為0.25m×0.3m，底部框架梁截面為0.25m×0.25m，底部次梁截面為0.2m×0.2m。

3.礁體結(jié)構(gòu)受力分析

3.1 運輸時礁體結(jié)構(gòu)受力分析

海上運輸時，魚礁可堆疊4層。魚礁的堆疊方式直接影響了運輸時的受力狀態(tài)。

（1）三角形魚礁。三角礁的堆疊時應(yīng)三角面朝下，上下層魚礁三角面對齊堆疊，礁體結(jié)構(gòu)只承受壓力。單個三角魚礁自重約81kN，魚礁底截面的承載力為19.1×1.23×103=23493kN，遠(yuǎn)大于上層魚礁自重。

（2）方形魚礁。方形礁體堆疊時應(yīng)盡量使得角柱與角柱對齊，使上部礁體重量傳至立柱。單個方形魚礁自重約74kN，魚礁立柱底截面的承載力為0.25×0.25×4×19.1×103=4775kN，遠(yuǎn)大于上層魚礁自重。

圖3 三角形礁體剖面圖

圖4 方形魚礁側(cè)視圖

圖5 方形魚礁錯位堆載時彎矩圖

圖6 方形魚礁錯位堆載時配筋面積

根據(jù)投放方式，有時需在礁體頂面設(shè)置吊鉤，此時上下層魚礁堆疊時因需避開吊鉤無法對齊堆疊，所以此時方形礁框架梁配筋應(yīng)考慮此不利因素。本文取上三層魚礁作用點偏離0.5m作為最不利受力狀態(tài)進(jìn)行計算。魚礁總重約74kN，因此底層魚礁頂框梁每個著力點所有荷載N=74×3/4=55.5kN。

3.2 礁體抗滑移分析

根據(jù)項目前期工作結(jié)論，項目所在海域水體底層最大流速小于3節(jié)（約1.5m/s）,投礁海域最大坡度為20°，取流速u=1.5m/s、坡度為20°計算礁體的抗滑移穩(wěn)定性。

（1）三角形魚礁：

Fmax=0.5×Cd×ρ×V2×S=7.56kN

自重G=81KN

抗滑移系數(shù)

（2）方形魚礁：

Fmax=0.5×Cd×ρ×V2×S=3.35kN

自重G=74KN

抗滑移系數(shù)

式中：F0為礁體所受浮力，μ為摩擦系數(shù)（取0.5），S表示抗滑移系數(shù)。

因此，即使在最大坡度時，礁體不會發(fā)生滑移。三角形魚礁安全系數(shù)較小，但考慮到海洋牧場對魚礁定位要求不高，且計算時考慮了最不利狀況，因此可認(rèn)為抗滑移能滿足要求。

3.3 礁體抗傾覆性分析

根據(jù)項目前期工作結(jié)論，項目所在海域水體底層最大流速小于3節(jié)（約1.5m/s）,投礁海域最大坡度為20°，取流速u=1.5m/s、坡度為20°計算礁體的抗傾覆性。將波流最大力矩的計算簡化為M=Fmax×lmax。

（1）三角形魚礁：

F=0.5×Cd×ρ×V2×S=7.56kN

自重G=81KN

抗滑移系數(shù)

（2）方形魚礁：

F=0.5×Cd×ρ×V2×S=3.35kN

自重G=74KN

抗傾覆系數(shù)

式中：F0為礁體所受浮力，lmax表示水平方向的最大力臂，l表示豎直方向的最大力臂，R表示抗滑移系數(shù)。

3.4 沉積物承載力分析

根據(jù)《江蘇南黃海海洋牧場示范區(qū)創(chuàng)建項目實施方案》，建設(shè)海域底質(zhì)的平均凈承載能力為47.5kN/m2，遠(yuǎn)大于礁體單位面積的荷載（方形礁體74/4.55=16.26kN/m2，三角礁81/6.476=12.51kN/m2，因此投放的人工魚礁單體并不會因為自身重力發(fā)生下沉。

項目一年前試投階段的魚礁掃測中，魚礁基本未出現(xiàn)下沉及淤積，其中三角魚礁礁體平均入泥厚度為0.1m，方形魚礁平均入泥厚度為0.2m。

4.結(jié)論

通過以上計算可知，適當(dāng)減小自重，對運輸、起吊時的受力有利，但對魚礁的抗滑移、抗傾覆能力不利。因此在進(jìn)行魚礁設(shè)計前，應(yīng)對投放海域的水文、地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)研，而后確定魚礁的結(jié)構(gòu)形式及截面尺寸。

運輸及起吊方式時魚礁的受力不可忽視。適當(dāng)優(yōu)化運輸及起吊方式，可以節(jié)約人工魚礁的建設(shè)成本。

本文可為今后人工魚礁的理論計算提供參考，建議后期對魚礁繼續(xù)進(jìn)行水下掃測，以便對未來海洋牧場的設(shè)計結(jié)果進(jìn)行更好的修正。