珠海萬山人工魚礁結構設計

陳勇康，李培冬

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510220)

人工魚礁是人為的在海洋中經過科學選點后設置的構造物，用于修復和優化海域生態環境，建設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，以達到保護、增殖漁業資源和提高漁獲量的目的。

美國、日本、韓國、馬來西亞等漁業發達國家和地區，很早就開展了有計劃的海洋人工魚礁建設。我國也在20世紀70年代開始了人工魚礁建設，現階段人工魚礁建設發展較快，主要分布在南海和東海各沿海省份。實踐證明，人工魚礁建設對于改善和修復海洋生態環境、增殖和養護漁業資源效果顯著。

從目前來看，國內已在人工魚礁集魚效果[1]、漁業資源影響[2]、經濟評價[3-4]、水動力特性[5]等方面開展了多年的研究，然而對于人工魚礁礁體設計、結構受力、穩定性、礁體沉降等方面的研究較少。文章針對珠海萬山海域實際海況，分別設計了三種不同人工魚礁礁體，并對其在波浪、水流共同作用下的穩定性進行計算和校核，為今后類似人工魚礁建設項目提供參考。

1 人工魚礁礁體設計

1.1 海域建設條件

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，海底標高在-21.29～-18.22 m之間，較平坦，地形由淺水區向深水區城緩坡過渡，坡度為1度左右，區內無斷裂帶通過。投放魚礁的海域平面位置示意圖如圖1所示。

根據《珠海萬山國家級海洋牧場示范區人工魚礁工程巖土勘察報告》，海域各巖土層主要物理力學指標及承載力建議值如表1所示。

表1 萬山海域地質資料表

地層名稱及編號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 Quick shear test粘聚力/kPaCohensionC內摩擦角/°Internal friction angleφ①淤泥 Silt5014.61.12.21.3②淤泥質土 Mucky soil8015.81.96.05.1③礫砂 Gravel sand20019.610.2//

海區潮流以東西往復流形式為主，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。該海域實測最大平均垂下流速為1.24 m·s-1，為2014年實測臺風所致。隨著近年超大臺風時有發生，根據《廣東省人工魚礁建設技術規范(試行)》，使用25年一遇1%波高產生的流速：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，平常風浪情況下潮流站最大流速可約為0.4 m·s-1。

該海區波浪基本上是涌浪和以涌浪為主的混合浪，常浪向為ESE。根據外海波浪的推算，工程區域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 礁體設計

人工魚礁礁體設計應能最大限度地適合當地海域的海況和生態特點，同時也要兼顧環鏡保護、材料性價比等因素，在設計礁體時需要遵循以下設計原則。

1)增大礁體表面積

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

2)良好的透空性

礁體內空隙的數量、大小及形狀將影響到礁體周圍生物的種類和數量的多少，因此應盡量將礁體設計成多空洞、縫隙、隔壁、懸垂物結構，使礁體結構具有良好的透空性。

3)充分的透水性

只有保證礁體內有充分的水體交換，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料供給，因為水的流動可保證所有附著生物的代謝保持穩定。

4)礁體的高度必須考慮礁區的水深、底質及船舶的航行安全。

5)礁體材料應環保無污染，構造成型簡單，耐久性好，強度高，成本較低。

因此，綜合考慮以上設計原則，共設計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的框架箱型結構，框架采用0.2 m×0.2 m的框柱，混凝土等級為C30。各礁體結構如圖2所示。

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

2號礁體是餌料型魚礁單體，兼顧保護型。該礁體的頂面加設“口”字斜梁，斷面尺寸為0.2 m×0.2 m。側板厚0.12 m，每塊側板上設置6個直徑700 mm的圓孔和3個1.1 m×0.7 m的矩形孔。

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

考慮到該礁區地表層存在軟弱淤泥層，對人工魚礁易產生沉降和傾覆影響，礁體在內部框架底部增設了翼板，在礁體底部增設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 礁體結構計算

礁體在投放到底面后，受力較為復雜。會受到重力、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。由于該項目所處區域水深較大，一般可達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，豎直方向的合力計算可按結構物的水下浮重度來計算。

2.1 礁體水流力計算

礁體在水中會受到水流沖擊作用，在該研究中，考慮魚礁與水流方向垂直布置。根據《港口工程荷載規范》相關內容進行計算：

(1)

式中,Fw為水流力標準值(kN)；Cw為水流阻力系數；ρ為水密度(t·m-3)，淡水取1.0，海水取1.025；V為水流設計流速(m·s-1)；A為計算構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對水流力有一定的影響，因此水流阻力系數Cw還應考慮構件淹沒深度影響系數n1和水流力橫向影響系數m2。即

(2)

根據礁群的布置和水深等因素，參考《港口工程荷載規范》相關內容，取n1=0.84，m2=1.21。

2.2 礁體抗滑移穩定性核算

礁體結構作為一個整體，滑動面最有可能出現在礁體底部與泥面層之間。沿礁體底面的抗滑穩定性可按式(3)驗算：

γ0γwFw≤(γGG-γuPu)f

(3)

式中,γ0為結構重要性系數，取0.9；γw為水平水流力的分項系數，取1.5；Fw為計算面以上的水平水流力標準值(kN)；γG為自重力分項系數，取1.0；G為作用在計算面上的礁體自重力標準值(kN)；γu為浮托力的分項系數，取1.3；Pu為作用在計算面上的浮托力標準值(kN)；f為沿計算面的摩擦系數設計值，取0.3。

2.3 礁體抗傾覆穩定性核算

沿礁體底面的抗傾覆穩定性可按式(4)驗算：

(4)

式中,Mw為水平水流力對礁體腳點作用的傾覆力矩(kN·m)；MG為自重力對礁體腳點作用的穩定力矩(kN·m)；γd為結構系數，取1.25；Mu為浮托力對礁體腳點作用的傾覆力矩(kN·m)；

根據各個礁體結構圖，礁體與流向垂直平面上所受水流力的作用點距礁體腳點的距離，經計算分別為l1=2.042 m、l2=1.841 m、l3=1.970 m。則各個礁體的水流力產生的傾覆力矩為Mw=Fw·l。

2.4 地基承載力核算

參考《建筑地基基礎設計規范》，基礎底面的壓力，應符合下列規定：

1)當軸心荷載作用時

pk≤fα

(5)

式中，pk為相應于作用的標準組合時，基礎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)當偏心荷載作用時，除符合式(5)要求外，尚應符合式(6)規定：

pkmax≤1.2fα

(6)

式中，pkmax為相應于作用的標準組合時，基礎底面邊緣的最大壓力值(kPa)。

對于基礎底面的壓力，可按下列公式確定：

1)當軸心荷載作用時，

(7)

式中，Fk為相應于作用的標準組合時，上部結構傳至基礎頂面的豎向力值(kN)；Gk為基礎自重和基礎上的土重(kN)；A為基礎底面面積(m2)；

2)當偏心荷載作用時，

(8)

(9)

式中，pkmax、pkmin為相應于作用的標準組合時，基礎底面邊緣的最大、最小壓力值(kPa)，Mk為相應于作用的標準組合時，作用于基礎底面的力矩值(kN·m)；W為基礎底面的抵抗矩(m3)。因各個礁體底面形狀是一樣的，經計算，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 礁體沉降量計算

根據《建筑地基基礎設計規范》，計算地基變形時，地基內的應力分布可采用各向同性均質線性變形體理論。其最終變形量可按式(10)進行計算：

(10)

3 結果與分析

3.1 礁體水流力結果

依據海域的建設條件，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。根據公式(1)～(2)，計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，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，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號礁體所受水流力作用最大，2號礁體受水流力最小，說明2號礁體的透空性最好。

3.2 礁體穩定性校核

在校核礁體穩定性時，根據公式(3)～(4)，定義公式的右式/左式=S。即

(11)

(12)

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

由式(3)～(4)和式(11)～(12)計算的結果如圖5～6所示。

分析可得，各礁體的抗滑移系數均隨流速的增大而減小。在流速小于1.5 m·s-1時，各礁體均不會發生滑移，在流速達到2 m·s-1時，各礁體抗滑移系數均小于1，說明礁體在水流的作用下，會發生移動。在相同流速情況下，3號礁體的抗滑移能力最好，1號礁體的抗滑移能力最差。

礁體的抗傾覆系數變化趨勢與礁體的抗滑移系數變化趨勢相似，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，抗傾覆系數均大于1，因此魚礁不會在海底發生傾倒、翻滾。在相同流速情況下，3號礁體的抗傾覆能力最好，1號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。實際吊放施工時，并不會選取惡劣天氣環境作業，且隨著魚礁投放后時間的持續，礁體在海底會有一定的沉降，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，應實時監測水流速度變化，選擇良好波浪、水流情況下作業，避免在吊裝沉放過程中，受水流沖擊，導致礁體偏移或側翻，當礁體沉放到海底后才能脫鉤。綜合以上各方面因素，該項目設計的三種礁體尺寸結構符合強度和穩定性要求，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

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

表3 礁體底面地基承載力結果表

續表3

礁體下基礎平均壓力只與礁體的水下重量相關。由于結構設計的原因，3號礁體使用材料最多、重量最大、基礎底面壓力最大。各個礁體下地基承載力均滿足要求。

根據公式(10)計算得1、2、3號礁體的沉降量分別為320、280、380 mm。各個礁體的沉降量均小于500 mm，滿足沉降穩定要求。

4 結論

統計列出以上各計算式的結果，整理如表4所示。

表4 各計算結果統計表

通過對以上礁體各指標進行比較，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，會導致礁體自重減輕，進而也會對礁體的抗滑移、抗傾覆能力不利。增大礁體自重，對礁體穩定性有利，但同時也會增大礁體的沉降，當沉降過大時，礁體或被掩埋在海泥中，也就失去了應有的作用。因此在設計過程中，應根據投放海域的水文、地質特點，確定合適的魚礁結構形式。

2)在25年一遇波浪條件下，底層流速為1.2 m·s-1，礁體的抗滑移系數最小為1.61，抗傾覆系數最小為3.69，地基承載力和沉降量均滿足要求。說明在此條件下，文章設計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項目提供參考和應用。

3)盡管礁體地基承載力和礁體沉降量均滿足要求，但以上結果是從理論公式中計算得來。實際上礁體受波潮流作用形式較為復雜，理論計算與實際環境存在很大差異。目前國內針對人工魚礁的結構受力進行了較多的物理和風洞試驗，建議對該海域的礁體沉降做好沉降監測[8]或者人工水下探摸，在下一步的研究中可參考相關文獻的試驗結果，以便對計算結果進行驗證和修正。