波流作用下軟弱底質上新型組合魚礁的受力特性

劉年飛，胡書義，王健康，魯桂榮，周冠廷

(中國水產科學研究院 漁業工程研究所，北京 100141)

人工魚礁是海洋牧場建設的重要設施，可為魚類聚集、棲息、生長和繁殖創造條件，從而達到保護漁業資源、修復海洋生態環境的目的。我國海洋牧場投放的魚礁絕大部分為底魚礁，底魚礁具有低成本、易投放、集魚效果顯著等特點，其主要作用機理是產生上升流，將海底豐富的營養鹽帶到中上層水域，提升區域初級生產力，適用于沙質等底質較硬的海域。然而我國沿岸海域分布著長達4 000 km以上的淤泥質、軟土底質海岸，若投放底魚礁，在海流對泥沙的沖刷作用和波浪作用下礁體可能會出現沉陷或掩埋，以致其無法正常發揮生態調控功能。浮式魚礁基本不受海底地質條件的限制，能較好地適用于淤泥等軟弱地質，且浮魚礁可充分利用整個水體空間，與底魚礁配合使用，協同工作，形成組合魚礁，可以產生更大的生態效能。

國內外學者通過模型試驗和數值計算等方法已開展了較多研究，大部分研究集中于底魚礁，范江濤等對人工魚礁水動力學研究進展進行了總結綜述，于定勇等研究了不同開口比人工魚礁體水動力特性及礁體穩定性，林軍等從物理環境(包括底床特征、成分、粒徑和密度)、魚礁材料和礁體投放沖擊力等角度介紹了人工魚礁物理穩定性研究的進展,部分學者研究了浮魚礁的特點，王江濤設計了集海藻魚礁、變流魚礁和保育魚礁為一體的新型柔性浮魚礁并進行流場模擬和力學特性分析，張健等利用數值模擬方法研究了框架式浮魚礁錨繩受力和浮體運動。對組合魚礁的水動力特性研究和現實實踐都較少，張麗珍等研究了能與底層人工魚礁協同工作的中上層浮魚礁，實際投放海域并對其效果進行觀測。

本研究針對組合魚礁，利用物理模型試驗方法，探討不同波高、流速及兩者共同作用等條件下，組合魚礁特別是浮魚礁的受力情況，以期提高對組合魚礁協同工作的進一步認識，并為軟弱底質上人工魚礁的礁體結構設計優化提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗對象及模型

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

圖1 參考試驗對象尺寸

圖2 試驗模型

1.2 試驗設備

本次試驗在中國水產科學研究院江蘇如東試驗基地進行，基地波浪試驗大廳配備二維波浪水槽(圖3)，水槽尺寸為長65 m，寬1 m，深1.5 m，配有不規則波造波機(1.5 m×1.0 m)、微機控制及數據采集系統，水槽尾部安裝了架空斜坡碎石消能設備，以避免波浪的反射。波浪測量采用的是LYL-Ⅲ型浪高儀，量程0～50 cm。該系統可同步測量多點波面過程并進行數據分析。力的測量采用KDB-LP16Z動態信號分析儀，測力系統量程0～2 kg，精度優于1%。每次試驗前后對所有量測儀器都進行標定和校準，以滿足測試要求。

圖3 波浪水槽及浪高儀

1.3 試驗布置

試驗布置見圖4，左側為造波機和造流機，分別產生波浪及定流流速，流速由測流計測定。4個測力計分別位于4條錨繩的上末端，浮魚礁框架四角下側。

圖4 試驗設計布置

1.4 試驗工況

本試驗包括三種試驗狀況：純波(不規則波)、純流以及波流共同作用，和表示有效波高及有效波高對應的周期(見表1)。

表1 三種試驗狀況下有效波高及有效波高對應周期

1.5 數據采集及處理

每個波浪及水流組次試驗至少進行兩次，保證波浪及水流參數的穩定性及可重復性。各個浪高儀及流速儀的數據信號由電腦系統同步采集，浪高儀采集時間間隔是0.02 s。力的測量采用KDB-LP16Z動態信號分析儀，受力電壓信號由測力計實時采集。

測力計采集的電壓信號，經過換算成為力信號。對力信號做有效波高計算分析，本文采用不規則波的有效波高對應的力作為有效力，1和2測力計位于迎浪面，3和4處于背浪面，理論上兩者受力應該是一樣的，因此取兩者的平均值作為其有效力。最大值作為可能瞬時破壞力。周期采用有效周期。

2 結果與分析

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和背浪側錨繩受力變化情況，從圖5可以看出，隨著入射波高的增大，迎浪側和背浪側的受力都是在增大的，這也符合實際情況。同樣波高條件下，背浪側的錨繩受力始終大于迎浪側受力，因此在實際布置安放時，要充分考慮背浪側錨繩的安全系數。

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和背浪側錨繩受力情況，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，背浪側錨繩的受力始終大于迎浪側。對于其他試驗波高0.15 m及0.2 m條件下，同樣有增大趨勢。

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，錨繩合力代表瞬時狀態下浮魚礁對底魚礁的拉力，即底魚礁的升力，升力大小對底魚礁的穩定性有重要影響。根據摩擦定律，升力變大，則摩擦力變小，底魚礁穩定性變弱，直至底魚礁發生移動或者翻轉。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給出穩定純流條件下迎流側和背流側錨繩受力變化情況，圖中可以看出隨著流速的增大，錨繩的受力增大，且迎流側的受力始終大于背流側，這與錨繩受力的角度有關，特別在較大流速條件下，主要靠迎流側錨繩發揮牽引作用(圖9)，在流速主導海域安放時，要充分考慮迎流側錨繩的安全系數。

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)現場模型

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)的受力變化情況對比，從圖中可以看出，隨著流速增大，錨繩的迎浪和背浪側受力都增大。與純流情況相比較，波流共同作用條件下，迎浪側和背浪側的錨繩受力都變大，且迎浪側增大較明顯。在實際海域工況中投放時，加大迎浪側錨繩的強度系數。

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，迎浪側錨繩受力增大，背浪側錨繩受力減小，可能與浮魚礁的姿態有關。

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比

通過以上兩種工況的對比，與純流、純波條件相比，波流共同作用時有較大影響，且對于迎浪側和背浪側的作用效果不一樣，前者增大，后者減小。

3 結論

本研究以組合人工魚礁(底魚礁+浮魚礁)為試驗對象，采用水槽波流試驗方法開展研究，通過分析組合人工魚礁在純波、純流及波流組合條件下的受力情況差異，得到如下結論：

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

隨著流速的增大，錨繩的受力增大，且迎流側的受力始終大于背流側。

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

本研究圍繞波高、流速、周期進行了分析，浮魚礁的入水深度、軟弱底質變化、組合魚礁的形式、規格、網衣材料、錨繩斷裂等因素均會對組合魚礁的結構安全和穩定性產生影響，有待進一步系統深入研究。基于本文初步研究結果，建議在采用本試驗及相近模型進行具體工程實踐時，注意摸清選址地點的波高及流速情況，迎浪面的錨繩設置應預留足夠的安全系數，必要時進行模型試驗。