一種適用于淤泥質底質的新型人工魚礁的設計與研究

周秋萍，盛國強

(廣州中國科學院工業技術研究院，廣東 廣州 511458)

人工魚礁的建設對于保證海洋漁業增長，保護和改善海洋生態環境都有十分重要的作用[1-4]。傳統的人工魚礁主體均坐落在淺層有細砂覆蓋的堅硬巖石質海床上[5-7]。在黏土、淤泥質和散沙上建造人工魚礁還存在很大的困難，礁體投放后會發生整體沉降，最終導致礁體被淤埋[8-10]。但是在河流三角洲地區淤泥質軟基分布較為廣泛，且河口地區漁業資源豐富，珠江入海口目前投放的人工魚礁容易被淤埋。本研究探討了一種了能在淤泥質底質上保持穩定，不發生淤埋的人工魚礁設計方法。

1 新型人工魚礁及投放區域概況

1.1 新型人工魚礁

新型人工魚礁主要包含3部分結構：魚礁本體、浮力基礎和筒形樁(圖1)。通過在傳統人工魚礁下方安裝帶筒形樁的浮力基礎，可確保礁體投放后在淤泥基礎上不發生埋淤，也不會因風暴潮作用而滑移、拔起。

浮力基礎為中空密封結構，可以提供主動上浮力，當基礎在泥面上時提供向下凈重，當基礎沉到泥面以下一定程度時，提供向上浮力，而且其浮力可以調整，基礎越往下，其浮力越大，這樣可以防止魚礁持續下沉，具有一定的恢復能力。筒形樁安裝完成后，對人工魚礁坐底穩定有重要作用。首先，對于地基的豎向承載力而言，除了提供抗拔力外，樁身頂板還提供了穩定的淤泥承載力，樁徑越大，所承受的豎向荷載力越大；其次，可承受較大的水平推力，提供較大的抗傾覆力矩。

圖1 新型人工魚礁示意圖

用于后續分析的新型人工魚礁的情況如下:筒形樁為鋼質材料，直徑0.159 m，壁厚4.5 mm，中心距2.0 m；魚礁本體為混凝土材料，框型結構，規格為1m×1m×1m，棱柱寬0.13 m；浮力基礎為混凝土材料，球冠狀，球冠半徑0.8 m，球冠高0.73 m，球冠壁厚65 mm。浮力基礎內有間距為0.35 m的立柱十字布置。

1.2 投放區域

廣州市南沙區地處珠江口與伶仃洋的交匯處，屬于沖積平原，地表主要為第四紀沉積物，地層中存在深厚海陸交互相淤泥。根據綜合調研結果及原位測試試驗數據，投放區域的設計不排水抗剪強度值取7.0 kPa。人工魚礁投放海域水深h=5 m。魚礁坐底處潮流[11]：漲潮流向北北西約340°，落潮流向南南東約165°，主流與伶仃巷道走向一致，平時漲潮平均流速為0.2～0.4 m/s，落潮平均流速為0.3～0.5 m/s。風暴潮期間的最大流速為1.44 m/s。該海域以風浪為主，常浪向為東南偏南(SSE)，頻率15.3%，年平均波高0.2 m，最大波高1.92 m，最大平均波高0.68 m，平均周期3.5 s[12]。由于波周期的平方遵循瑞利分布，推算設計最大波周期4.55 s。

2 環境載荷評估

2.1 極限波浪載荷計算

人工魚礁礁體設計，水深取5 m。根據文獻[13]進行極限波流荷載計算：

(1)確定波長L。根據波浪的彌散關系計算波長L。

(1)

計算得到波長L=26.68 m。

綜上，波浪理論采用Stockes波理論。

(3)求解一定水深下的波速。水體內任意一點(x,z)水質點在任意時刻t(s)的水平流速u(m/s)和垂向流速w(m/s)。x,z的單位為m。

(2)

(3)

式中：ch、sh為雙曲余弦和雙曲正弦函數。

由式(2)、(3)計算得到不同水深下的最大水平和垂向流速(圖2)。

圖2 不同水深處最大流速分布

(4)求解人工魚礁礁體在波浪和潮流的共同作用下的流速及作用力[14]。流速u是潮流速度u0(m/s)和波浪速度u1(m/s)合成的，即：

u=u0+u1

(4)

u1根據式(2)改寫為：

u1=um1cosθ+um2cos2θ

(5)

人工魚礁礁體在流速u下的流體作用力可分成拖曳力和附加質量力，在數學形式上表示成流速與流速導數的函數，具體計算公式為：

(6)

式中：Cd為拖曳力系數；CM為附加質量系數；ρ為海水密度(1 025 kg/m3)；A為迎流面積，m2；V為實體體積，m3。Cd、CM的值根據波浪KC數確定，KC數(Keulegan-Carpenter number)是一個無量綱數，用來描述一個在振蕩流場中的物體，所受到的黏性力相對慣性力之間的關系。

將公式(5)代入公式(6)，整理得到下式：

F=Fd(1+αcosθ+βcos2θ)2+FM(sinθ+2γsin2θ)

(7)

若要使得F取得最大值，需滿足：

(8)

公式(7)、(8)中的各參數的實際取值以及最終求得作用在魚礁及浮力基礎水平波流計算見表1。

表1 魚礁及浮力基礎水平波流計算

2.2 Fluent仿真模擬

圖3為數值模型計算區域，以魚礁底面中心為坐標原點建立三維水槽，水槽長度足夠可以保證水流達到魚礁附近時趨于穩定，并滿足尾流區的范圍是10倍模型邊長以上的要求[15]。計算采用Fluent中的VOF物理模型，進口邊界采用速度及二階stock波的進口邊界條件設置，其中，造波邊界設置可參考文獻[16]。流場中魚礁附近的流速分布如圖4所示、動水壓分布如圖5所示。

圖3 魚礁及浮力基礎模型 圖4 流速分布

圖5 動水壓分布

2.3 仿真和理論計算值對比

通過仿真分析和理論計算得到人工魚礁上的水阻力和升力，人工魚礁設計選用的環境載荷取兩者較大者，仿真和理論計算結果對比見表2。

表2 仿真和理論結果對比

對于本研究中的魚礁升力計算暫無理論計算的公式，故只進行了仿真分析。表2可以看出，魚礁阻力計算仿真和理論計算結果較為接近，但偏大于理論值，這是符合實際的。理論計算基于勢流理論，而仿真考慮了水體繞流產生的漩渦對結構的作用，之所以仿真值大是因為增加了部分的壓差阻。

故阻力值選取了更偏于實際的仿真計算的結果值，即阻力4 900 N，升力2 220 N。

3 魚礁強度分析

浮力基礎及人工魚礁所用材料為混凝土C40，其設計抗壓強度為19.1 MPa；設計抗拉強度為1.71 MPa[17]；矩形截面結構抗剪強度與抗壓強度比值為0.065～0.089，取0.065，則矩形截面C40的設計抗剪強度為1.24 MPa。

浮力基礎底板上受到的載荷：5 m水深的水壓50 kPa，魚礁坐底后連接鋼架給底板的載荷(結構浮重)。邊界條件如圖6所示，浮力基礎底板第一主應力云圖如圖7所示。從結果可看出，浮力基礎底板第一主應力最大值為1.435 MPa，小于設計值，滿足強度要求。

圖6 浮力基礎底板邊界條件

圖7 浮力基礎底板第一主應力云圖

浮力基礎球殼及人工魚礁上所受的載荷：人工魚礁上所受極限海況的水動力，浮力基礎受到極限海況的水動力，浮力基礎受到的靜水壓力，自重載荷。邊界條件如圖8所示，浮力基礎球殼及魚礁第一主應力云圖如圖9所示。

圖8 浮力基礎球殼及魚礁邊界條件

從結果可看出，浮力基礎球殼及魚礁第一主應力最大值為0.721 MPa，小于設計值，滿足強度要求。

4 抗淤埋分析

人工魚礁安裝穩定位置平衡方程為：

(ρ混-ρ水)gV魚礁+(ρ材-ρ泥)gV樁+ρ混gV基礎混-ρ水gV基礎水-ρ泥gV基礎泥=pAT

(9)

式中：AT為筒形樁底面積，m2；p為淤泥承載力，Pa；ρ混為混凝土密度，kg/m3；ρ材為筒形樁密度，kg/m3；ρ水為水的密度，kg/m3；ρ泥為淤泥的密度， kg/m3；V魚礁為魚礁體積，m3；V樁為筒形樁的體積，m3；V基礎混為浮力基礎混凝土體積，m3；V基礎水為浮力基礎在安裝的平衡位置時排開水體積，m3；V基礎泥為浮力基礎在安裝的平衡位置時排開泥體積，m3。

不考慮淤泥的承載力，安裝穩定位置為泥面距離浮力基礎頂部0.55 m處。該浮力基礎埋在淤泥里一定深度，其浮力可以調整，基礎越往下，其浮力越大，這樣可以防止魚礁持續下沉，具有一定的回復能力，起到抗淤埋的作用。

5 穩定性分析

5.1 分析方法

5.1.1 風暴潮作用下抗滑穩定性分析

根據《港口工程樁基規范》[18]，樁的水平承載力可由下式確定：

FC=9CuD(L樁-1.5D)

(10)

式中：FC為單樁阻滑力，kN；Cu為不排水抗剪強度，kPa；L樁為樁的入土深度，m；D為筒形樁直徑，m。

5.1.2 風暴潮作用下抗拔承載力分析

在黏土中，筒形樁考慮3種不排水破壞的模式：(1)樁單獨從土中拔出；(2)樁內的土柱因張力失效而與基礎分離和樁筒一同被拔出；(3)移動了大量土體，逆荷載失效，外部破壞。吸力樁的極限抗拔能力取3種所得的最小值[19-20]。

(1)樁單獨從土中拔出，樁筒的內、外壁的土發生剪切破壞，其受力圖如圖10(a)所示，極限抗拔力為：

F1=WP+Fext-Fint+Te+Ti-Ftip

(11)

式中：WP為筒樁自身在淤泥中的浮重，kN，這部分在此由浮力基礎抵消為0；Fext為樁頂外壓力(kN)，其中，Fext=Aeγwd1，Ae為樁頂外截面面積(m2)，γw為水浮容重(kN/m3)，d1為樁頂所處的水深(m)；Fint為樁頂內壓力(kN)，其中，Fint=AiPtop，Ai為樁頂內截面積(m2)，Ptop為樁內水壓力(kPa)；Te為外側摩阻力(kN)，其中，Te=PeCuAeL樁，Pe為樁截面外周長(m)，Cu為不排水抗剪強度(kPa)，L樁為入土深度(m)，Ti為內側摩阻力(kN)，其中，Ti=PiCuAiL1，L1為樁內入土深度(m)，Pi為內測周長(m)，Ae、Ai根據API-RP-2GEO[21]第8.1.3節規定，對于欠固結黏土取1；Ftip為樁尖壓力，其中，Ftip=Ptip(Ae-Ai)，Ptip為基準水平面上樁截面 (土塞 )中的孔隙壓力(kPa)，當樁與土的界面完全空化Ptip=Ptop=-100 kPa(一個大氣壓)，Ae≈Ai，Ftip約為0。

(2)當負壓超過一定限制時，筒體及其土塞一塊拔出，其受力情況如圖10(b)所示，極限抗拔力為：

F2=Wp+Fext+Te+Ws+FT

(12)

(3)外部破壞情況，其受力情況如圖10(c)所示，極限抗拔力為：

F3=Wp+Fext+Te+Ws+NCuAe-qtipAe

(13)

圖10 筒形樁3種破壞模式受力圖

5.1.3 風暴潮作用下抗傾覆穩定性分析

人工魚礁礁體在水流和波浪的沖擊作用下不發生翻滾傾倒，就需要滿足筒形樁在埋置土中時其側摩阻力和抗拔力共同作用下的力矩M1大于流體最大作用力產生的傾覆力矩M2。為了簡化計算，將筒形樁的樁底作為旋轉中心，且不考慮土體對筒形樁的土壓力，抗傾覆的計算簡圖如圖11所示[22]。

圖11 人工魚礁抗傾覆計算簡圖

M1=(F+Te)×L

M2=FH×H+FV×L/2

(14)

式中：M1為抗傾覆力矩，kN·m；M2為傾覆力矩，kN·m；Te為筒形樁周圍土側摩阻，kN；F為筒形樁抗拔力，kN；FH為波流水平力，kN；FV為波流垂直作用力，kN；H為水平力到旋轉中心的距離，m；L距為筒形樁的中心距，m。自重未考慮的原因是自重與浮力基礎產生的浮力相互抵消，垂向合力為0。

5.2 穩定性校核

水平抗力FC=14.5 kN。波流聯合作用的水平沖擊力FH=4.9 kN。計算得到抗滑系數為14.5/4.9=3.0，滿足規范要求[23]。

根據破壞模式不同分3種情況進行計算，失效模式1、2、3算得的豎向抗拔力分別為17.3 kN、16.3 kN、13.5 kN，抗拔承載力取最小者。波浪產生的上托力FV=2.22 kN，故設計的筒形樁的抗拔系數為13.5/2.22=6，滿足規范要求。

計算得到M1=62.4 kNm，M2=12.0 kNm，抗傾覆系數為62.4/12=5.2，滿足規范要求。

6 結論

針對淤泥質地質條件，設計了新型的人工魚礁，以確保魚礁不淤埋，并根據波流動力學理論及Fluent數值模擬對此礁體進行穩定性計算，結果表明，在波流作用下，礁體最大作用力為4 900 N，最大作用力矩12 000 Nm，抗滑系數3，抗拔系數6，抗傾覆系數5.2，滿足礁體穩定性要求。

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