波流作用下軟弱底質(zhì)上新型組合魚(yú)礁的受力特性

劉年飛，胡書(shū)義，王健康，魯桂榮，周冠廷

(中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院 漁業(yè)工程研究所，北京 100141)

人工魚(yú)礁是海洋牧場(chǎng)建設(shè)的重要設(shè)施，可為魚(yú)類(lèi)聚集、棲息、生長(zhǎng)和繁殖創(chuàng)造條件，從而達(dá)到保護(hù)漁業(yè)資源、修復(fù)海洋生態(tài)環(huán)境的目的。我國(guó)海洋牧場(chǎng)投放的魚(yú)礁絕大部分為底魚(yú)礁，底魚(yú)礁具有低成本、易投放、集魚(yú)效果顯著等特點(diǎn)，其主要作用機(jī)理是產(chǎn)生上升流，將海底豐富的營(yíng)養(yǎng)鹽帶到中上層水域，提升區(qū)域初級(jí)生產(chǎn)力，適用于沙質(zhì)等底質(zhì)較硬的海域。然而我國(guó)沿岸海域分布著長(zhǎng)達(dá)4 000 km以上的淤泥質(zhì)、軟土底質(zhì)海岸，若投放底魚(yú)礁，在海流對(duì)泥沙的沖刷作用和波浪作用下礁體可能會(huì)出現(xiàn)沉陷或掩埋，以致其無(wú)法正常發(fā)揮生態(tài)調(diào)控功能。浮式魚(yú)礁基本不受海底地質(zhì)條件的限制，能較好地適用于淤泥等軟弱地質(zhì)，且浮魚(yú)礁可充分利用整個(gè)水體空間，與底魚(yú)礁配合使用，協(xié)同工作，形成組合魚(yú)礁，可以產(chǎn)生更大的生態(tài)效能。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算等方法已開(kāi)展了較多研究，大部分研究集中于底魚(yú)礁，范江濤等對(duì)人工魚(yú)礁水動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)綜述，于定勇等研究了不同開(kāi)口比人工魚(yú)礁體水動(dòng)力特性及礁體穩(wěn)定性，林軍等從物理環(huán)境(包括底床特征、成分、粒徑和密度)、魚(yú)礁材料和礁體投放沖擊力等角度介紹了人工魚(yú)礁物理穩(wěn)定性研究的進(jìn)展,部分學(xué)者研究了浮魚(yú)礁的特點(diǎn)，王江濤設(shè)計(jì)了集海藻魚(yú)礁、變流魚(yú)礁和保育魚(yú)礁為一體的新型柔性浮魚(yú)礁并進(jìn)行流場(chǎng)模擬和力學(xué)特性分析，張健等利用數(shù)值模擬方法研究了框架式浮魚(yú)礁錨繩受力和浮體運(yùn)動(dòng)。對(duì)組合魚(yú)礁的水動(dòng)力特性研究和現(xiàn)實(shí)實(shí)踐都較少，張麗珍等研究了能與底層人工魚(yú)礁協(xié)同工作的中上層浮魚(yú)礁，實(shí)際投放海域并對(duì)其效果進(jìn)行觀(guān)測(cè)。

本研究針對(duì)組合魚(yú)礁，利用物理模型試驗(yàn)方法，探討不同波高、流速及兩者共同作用等條件下，組合魚(yú)礁特別是浮魚(yú)礁的受力情況，以期提高對(duì)組合魚(yú)礁協(xié)同工作的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，并為軟弱底質(zhì)上人工魚(yú)礁的礁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)對(duì)象及模型

本試驗(yàn)以投放在防城港白龍半島以南海域的組合人工魚(yú)礁(底魚(yú)礁+浮魚(yú)礁)為試驗(yàn)對(duì)象(圖1)。組合魚(yú)礁中的底魚(yú)礁利用鋼筋混凝土制作，同時(shí)起錨固作用，浮魚(yú)礁框架采用聚氯乙烯材質(zhì)，浮球采用泡沫球，增加礁體的浮力，網(wǎng)衣和錨繩采用聚乙烯材質(zhì)。模型按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)尺度比值λ為20。模型底部鋪5 cm厚細(xì)沙代表軟質(zhì)基礎(chǔ)。人工魚(yú)礁物理模型的幾何尺度偏差為±1%，且控制在±5 mm內(nèi)；重心位置允許偏差應(yīng)為±2 mm；質(zhì)量允許偏差應(yīng)為±2%。圖2為本試驗(yàn)人工魚(yú)礁模型。其中錨繩模型直徑2.5 mm，浮球模型直徑13 mm，試驗(yàn)中浮礁頂部距離水面0.2 m。

圖1 參考試驗(yàn)對(duì)象尺寸

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)在中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院江蘇如東試驗(yàn)基地進(jìn)行，基地波浪試驗(yàn)大廳配備二維波浪水槽(圖3)，水槽尺寸為長(zhǎng)65 m，寬1 m，深1.5 m，配有不規(guī)則波造波機(jī)(1.5 m×1.0 m)、微機(jī)控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，水槽尾部安裝了架空斜坡碎石消能設(shè)備，以避免波浪的反射。波浪測(cè)量采用的是LYL-Ⅲ型浪高儀，量程0～50 cm。該系統(tǒng)可同步測(cè)量多點(diǎn)波面過(guò)程并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。力的測(cè)量采用KDB-LP16Z動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀，測(cè)力系統(tǒng)量程0～2 kg，精度優(yōu)于1%。每次試驗(yàn)前后對(duì)所有量測(cè)儀器都進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)，以滿(mǎn)足測(cè)試要求。

圖3 波浪水槽及浪高儀

1.3 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)布置見(jiàn)圖4，左側(cè)為造波機(jī)和造流機(jī)，分別產(chǎn)生波浪及定流流速，流速由測(cè)流計(jì)測(cè)定。4個(gè)測(cè)力計(jì)分別位于4條錨繩的上末端，浮魚(yú)礁框架四角下側(cè)。

圖4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)布置

1.4 試驗(yàn)工況

本試驗(yàn)包括三種試驗(yàn)狀況：純波(不規(guī)則波)、純流以及波流共同作用，和表示有效波高及有效波高對(duì)應(yīng)的周期(見(jiàn)表1)。

表1 三種試驗(yàn)狀況下有效波高及有效波高對(duì)應(yīng)周期

1.5 數(shù)據(jù)采集及處理

每個(gè)波浪及水流組次試驗(yàn)至少進(jìn)行兩次，保證波浪及水流參數(shù)的穩(wěn)定性及可重復(fù)性。各個(gè)浪高儀及流速儀的數(shù)據(jù)信號(hào)由電腦系統(tǒng)同步采集，浪高儀采集時(shí)間間隔是0.02 s。力的測(cè)量采用KDB-LP16Z動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀，受力電壓信號(hào)由測(cè)力計(jì)實(shí)時(shí)采集。

測(cè)力計(jì)采集的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)換算成為力信號(hào)。對(duì)力信號(hào)做有效波高計(jì)算分析，本文采用不規(guī)則波的有效波高對(duì)應(yīng)的力作為有效力，1和2測(cè)力計(jì)位于迎浪面，3和4處于背浪面，理論上兩者受力應(yīng)該是一樣的，因此取兩者的平均值作為其有效力。最大值作為可能瞬時(shí)破壞力。周期采用有效周期。

2 結(jié)果與分析

2.1 純波工況受力情況

圖5給出了相同周期不同波高條件下迎浪側(cè)和背浪側(cè)錨繩受力變化情況，從圖5可以看出，隨著入射波高的增大，迎浪側(cè)和背浪側(cè)的受力都是在增大的，這也符合實(shí)際情況。同樣波高條件下，背浪側(cè)的錨繩受力始終大于迎浪側(cè)受力，因此在實(shí)際布置安放時(shí)，要充分考慮背浪側(cè)錨繩的安全系數(shù)。

圖5 相同周期不同波高條件下受力情況

圖6給出了0.1 m平均波高條件下迎浪側(cè)和背浪側(cè)錨繩受力情況，從圖中可以看出，同樣波高條件下，隨著有效周期的增大，錨繩受力呈遞增趨勢(shì)，背浪側(cè)錨繩的受力始終大于迎浪側(cè)。對(duì)于其他試驗(yàn)波高0.15 m及0.2 m條件下，同樣有增大趨勢(shì)。

圖6 0.1 m平均波高條件下錨繩受力情況

圖7給出了不同波高條件下錨繩合力情況，錨繩合力代表瞬時(shí)狀態(tài)下浮魚(yú)礁對(duì)底魚(yú)礁的拉力，即底魚(yú)礁的升力，升力大小對(duì)底魚(yú)礁的穩(wěn)定性有重要影響。根據(jù)摩擦定律，升力變大，則摩擦力變小，底魚(yú)礁穩(wěn)定性變?nèi)?，直至底魚(yú)礁發(fā)生移動(dòng)或者翻轉(zhuǎn)。從圖中可以看出，錨繩的合力隨著波高的增大而增大，同樣波高條件下周期越大，所受合力越大。

圖7 不同波高條件下錨繩合力情況

2.2 純流工況受力情況

圖8給出穩(wěn)定純流條件下迎流側(cè)和背流側(cè)錨繩受力變化情況，圖中可以看出隨著流速的增大，錨繩的受力增大，且迎流側(cè)的受力始終大于背流側(cè)，這與錨繩受力的角度有關(guān)，特別在較大流速條件下，主要靠迎流側(cè)錨繩發(fā)揮牽引作用(圖9)，在流速主導(dǎo)海域安放時(shí)，要充分考慮迎流側(cè)錨繩的安全系數(shù)。

圖8 純流(三種流速)條件下錨繩受力情況

圖9 純流(0.268 m/s)現(xiàn)場(chǎng)模型

2.3 波流組合工況受力情況

圖10給出了錨繩在純流作用下(0.112、0.179、0.268 m/s)與波流共同作用(=0.1 m/s，流速與純流相同)的受力變化情況對(duì)比，從圖中可以看出，隨著流速增大，錨繩的迎浪和背浪側(cè)受力都增大。與純流情況相比較，波流共同作用條件下，迎浪側(cè)和背浪側(cè)的錨繩受力都變大，且迎浪側(cè)增大較明顯。在實(shí)際海域工況中投放時(shí)，加大迎浪側(cè)錨繩的強(qiáng)度系數(shù)。

圖10 錨繩在純流與波流共同作用條件下的受力變化情況對(duì)比

圖11給出了錨繩在純波作用下與波流共同作用的受力變化情況對(duì)比，兩者入射有效波高及有效周期一致，后者較前者增加流速因素，穩(wěn)定流速為0.112 m/s。從圖中可以看出，流速因素影響明顯，波流共同作用情況下，迎浪側(cè)錨繩受力增大，背浪側(cè)錨繩受力減小，可能與浮魚(yú)礁的姿態(tài)有關(guān)。

圖11 錨繩在純波作用下與波流共同作用的受力變化情況對(duì)比

通過(guò)以上兩種工況的對(duì)比，與純流、純波條件相比，波流共同作用時(shí)有較大影響，且對(duì)于迎浪側(cè)和背浪側(cè)的作用效果不一樣，前者增大，后者減小。

3 結(jié)論

本研究以組合人工魚(yú)礁(底魚(yú)礁+浮魚(yú)礁)為試驗(yàn)對(duì)象，采用水槽波流試驗(yàn)方法開(kāi)展研究，通過(guò)分析組合人工魚(yú)礁在純波、純流及波流組合條件下的受力情況差異，得到如下結(jié)論：

在有效周期一定時(shí)，波高增大，或者波高一定時(shí)，有效周期增大，迎浪側(cè)和背浪側(cè)的受力都是在增大，合力有同樣效果。

隨著流速的增大，錨繩的受力增大，且迎流側(cè)的受力始終大于背流側(cè)。

與純流、純波條件相比，波流共同作用時(shí)有較大影響，且對(duì)于迎浪側(cè)和背浪側(cè)的作用效果不一樣，前者增大，后者減小。

本研究圍繞波高、流速、周期進(jìn)行了分析，浮魚(yú)礁的入水深度、軟弱底質(zhì)變化、組合魚(yú)礁的形式、規(guī)格、網(wǎng)衣材料、錨繩斷裂等因素均會(huì)對(duì)組合魚(yú)礁的結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，有待進(jìn)一步系統(tǒng)深入研究?；诒疚某醪窖芯拷Y(jié)果，建議在采用本試驗(yàn)及相近模型進(jìn)行具體工程實(shí)踐時(shí)，注意摸清選址地點(diǎn)的波高及流速情況，迎浪面的錨繩設(shè)置應(yīng)預(yù)留足夠的安全系數(shù)，必要時(shí)進(jìn)行模型試驗(yàn)。