劉 健, 張 碩, 許柳雄, 黃洪亮

(1. 中國水產(chǎn)科學研究院 東海水產(chǎn)研究所, 上海 200090; 2. 上海海洋大學 海洋科學學院, 上海 201306;3. 上海海洋大學 大洋生物資源開發(fā)與利用上海市高校重點實驗室, 上海 201306; 4. 上海海洋大學 大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)省部共建教育部重點實驗室, 上海 201306)

人工魚礁礁體與不同粒徑底質間最大靜摩擦系數(shù)的試驗研究

劉 健1, 張 碩2,3,4, 許柳雄2,3,4, 黃洪亮1

(1. 中國水產(chǎn)科學研究院 東海水產(chǎn)研究所, 上海 200090; 2. 上海海洋大學 海洋科學學院, 上海 201306;3. 上海海洋大學 大洋生物資源開發(fā)與利用上海市高校重點實驗室, 上海 201306; 4. 上海海洋大學 大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)省部共建教育部重點實驗室, 上海 201306)

通過平面拉動法分別測量了5種不同開口比人工魚礁礁體模型對5種不同粒徑大小底質間的最大靜摩擦系數(shù), 分析了不同粒徑底質以及礁體不同開口比的最大靜摩擦系數(shù)變化規(guī)律。試驗研究表明：最大靜摩擦系數(shù)與底質粒徑大小呈強負相關(r=-0.964,P＜0.01); 控制底質粒徑時, 最大靜摩擦系數(shù)與礁體質量呈弱負相關(r=-0.265,P＜0.01), 與礁體開口比呈弱正相關(r=0.245,P＜0.01); 礁體本身的設計屬性如開口比是最大靜摩擦系數(shù)的主要影響因子。對于新設計礁型在進行礁體穩(wěn)定性校核時, 應根據(jù)礁體開口比和實際海域底質泥沙的粒徑組成, 選取適當?shù)淖畲箪o摩擦系數(shù)。

人工魚礁; 摩擦系數(shù); 沉積物; 粒徑

人工魚礁的研究和建設在中國已有近 30a的歷史, 對近海生態(tài)環(huán)境修復和漁業(yè)資源增殖發(fā)揮了很好的功效[1-4]。如何延長魚礁的生態(tài)穩(wěn)定性, 使魚礁的生物誘集和增殖效應最大化是人工魚礁工程建設追求的最重要目標[5-6]。人工魚礁投放于相應海域受到波流作用力后發(fā)生的失穩(wěn)現(xiàn)象主要有漂移、翻轉及沉陷等, 為保證人工魚礁工程建設能取得預期效果, 必須對礁體的穩(wěn)定性進行科學的驗算[7-9]。

礁體與海底間的最大靜摩擦系數(shù)是校核人工魚礁是否會出現(xiàn)移位現(xiàn)象的一個重要參數(shù)。最大靜摩擦系數(shù)的確定一般由模型實驗獲得, 對于新設計的人工魚礁, 則選取相應的經(jīng)驗數(shù)值。劉同渝[10]等通過彈簧秤拉動法測量了3種類型礁體對3種底質(泥質、沙質、石質)的摩擦系數(shù)。王素琴[11]列舉了3種形狀礁體對不同底質的摩擦系數(shù), 但沒有對測量方法進行討論。吳子岳[12]等對連云港海區(qū)所投放人工魚礁進行抗漂移安全性校核計算時, 采用的礁體與海底接觸面間的靜摩擦系數(shù)為0.5。鐘術求[13]等針對臺州海域所投放人工魚礁進行抗漂移安全性校核時, 礁體與海底接觸面間的靜摩擦系數(shù)取為0.6。日本學者大島泰雄[14]給出靜摩擦系數(shù)范圍為0.5～0.6。

采用最大靜摩擦系數(shù)的經(jīng)驗數(shù)值計算礁體的最大靜摩擦力, 沒有相關實測數(shù)據(jù)支撐, 會給穩(wěn)定性校核計算帶來一定誤差。對于1對摩擦副來說, 只有在給定的材料和確定的工況情況下, 摩擦系數(shù)才是確定值[15]。因此, 有必要通過試驗研究不同類型礁體對不同底質的靜摩擦系數(shù)。本研究通過平面拉動法進行了 5種不同開口比礁體模型對飽和含水率下的不同粒徑底質的最大靜摩擦系數(shù)的測定試驗, 以期找出礁體設計要素及海洋底質粒徑對摩擦系數(shù)的影響規(guī)律, 獲得不同形狀礁體對不同底質的最大靜摩擦系數(shù), 為今后人工魚礁礁體設計、制作、投放等提供理論依據(jù)和技術保證。

1 材料和方法

1.1 礁體模型及試驗裝置

由于魚礁投放至海底, 摩擦作用出現(xiàn)在礁體底面與海底泥沙間, 因此本實驗模型礁體形狀均簡化成長方體。平面拉動法試驗用模型礁體為鋼筋混凝土制, 長方體結構, 底面為正方形, 共 5個模型如圖1所示, 礁體模型的幾何尺寸和相關參數(shù)見表1 。

人工魚礁礁體與海底泥沙間的最大靜摩擦系數(shù)的測定依據(jù)經(jīng)典物理學測量最大靜摩擦系數(shù)時采取的平面拉動法。平面拉動法實驗裝置如圖2所示, 包括一平面承載臺、設于平面承載臺下底的方形平臺座[16]。平面承載臺上臺面為海底泥沙層, 即由泥沙構成的承載臺面, 厚度為15 cm。泥沙層上放置待測的魚礁模型, 平面承載臺的一端側壁設有支架, 支架上裝有滑輪桿組件; 滑輪桿組件包括連接支架的滑輪桿和設于滑輪桿下端的滑輪; 滑輪輪周上嵌有一鋼絲線, 鋼絲線的一端連接人工魚礁模型塊, 另一端吊掛有一負載桶, 可由實驗者將負載稱料(細砂或水)緩慢加入到負載桶。

圖1 礁體模型Fig. 1 The pictures of reef models

表1 礁體類型與規(guī)格Tab. 1 Type and size of reef models

圖2 試驗裝置Fig. 2 Experimental device

1.2 底質樣本

試驗用底質泥沙取自建筑用砂土, 參照國標GB/T 12763.8-2007等比值粒級分類表的規(guī)范, 分別用63、200、500、2 000 μm孔徑的分隔網(wǎng)篩分選樣品, 篩選出 5種粒徑等級的泥沙顆粒：礫石(中值粒徑＞2 mm)、粗砂(0.5～2 mm)、中砂(0.2～0.5 mm)、細砂(0.063～0.2 mm)、粉砂黏土(＜0.063 mm)。在對某種粒徑泥沙進行試驗前, 將其浸沒在水中, 使其具有最大含水率。

1.3 試驗步驟

(1)測量試驗中所選用的鋼絲線對滑輪的機械效率η; (2)通過水平尺檢測泥沙層表面的水平度, 將待測的礁體模型輕放在泥沙層表面; (3)通過滴漏裝置向負載桶中均勻緩慢地注入清水(或細砂), 使得負載桶中質量均勻緩慢地增加, 均勻地改變人工魚礁礁體所受的拉力, 待觀測到人工魚礁礁體有滑動傾向時, 立即停止加載, 測量此時負載桶的質量F的數(shù)值; (4)5次測量取平均值, 求得負載桶的重量F的平均值ˉF; (5)在礁體模型上分別額外加載2、3、5、7、9 kg重物后, 重復步驟2～4; (6)根據(jù)最大靜摩擦系數(shù)μ與負載桶重量的平均值ˉF及人工魚礁礁體自重G之間的公式μ=ˉF·η/G, 即可以求得該型號礁體對一種粒徑大小的底質泥沙間的最大靜摩擦系數(shù)μ。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和圖表制作分別采用 SPSS 17.0和Excel 2003軟件處理。對試驗組數(shù)據(jù)的相關性檢驗采用主成分分析及偏相關分析的方法,P＜0.05為顯著性水平,P＜0.01為極顯著水平。

2 結果與分析

2.1 不同底質粒徑下礁體的最大靜摩擦系數(shù)

將同種底質粒徑下各型號礁體(取相同加載質量)的最大摩擦系數(shù)取平均值, 如圖3所示。粒徑范圍為小于0.063 mm (粉砂黏土)時, 各礁體最大摩擦系數(shù)平均值為0.89; 粒徑范圍在0.063～0.2 mm之間(細砂)時, 各礁體最大摩擦系數(shù)平均值為 0.69; 粒徑范圍在0.2～0.5 mm (中砂)時, 各礁體最大摩擦系數(shù)平均值為 0.64; 粒徑范圍在 0.5～2 mm (粗砂)時,各礁體最大摩擦系數(shù)平均值為 0.60; 粒徑范圍為大于0.2 mm (礫石)時, 各礁體最大摩擦系數(shù)平均值為0.50。

圖3 不同粒徑下礁體最大靜摩擦系數(shù)Fig. 3 The maximum static friction coefficient of the reefs with different diameter of sediment

不同底質粒徑下礁體最大靜摩擦系數(shù)范圍在0.45～0.85。線性相關分析結果最大靜摩擦系數(shù)與粒徑大小呈強負相關(秩相關系數(shù)r=-0.964,P＜0.01)

2.2 不同加載時礁體的最大靜摩擦系數(shù)

對于同型號礁體, 加載不同的質量時, 礁體的最大靜摩擦系數(shù)如圖4所示。

不同粒徑下, 1號～5號礁體在加載質量變化時,最大靜摩擦系數(shù)變化趨于平緩, 波動范圍較小。一般在5%以內。僅對于底質粒徑為粉砂黏土(＜0.063 mm)時的3號、5號礁體, 底質粒徑為中砂(0.2～0.5 mm)時的4號礁體和底質粒徑為礫石(中值粒徑＞2 mm)時的5號礁體, 隨加載質量的增加, 最大靜摩擦系數(shù)變化幅度較大(約8%)且呈現(xiàn)下降趨勢。

控制粒徑大小時的偏相關分析結果顯示, 最大靜摩擦系數(shù)與加載重量呈弱負相關(r=-0.265,P＜0.01), 與開口比呈弱正相關(r=0.245,P＜0.01)。

圖4 不同加載時礁體最大靜摩擦系數(shù)Fig. 4 The maximum static friction coefficient of the reefs with different load

2.3 礁體開口比對最大靜摩擦系數(shù)的影響

對于不同粒徑下, 當礁體開口比不同時, 礁體的最大靜摩擦系數(shù)如圖5所示。底質粒徑大小為細砂、中砂、粗砂、礫石時, 礁體在開口比變化時, 最大靜摩擦系數(shù)變化趨于平緩, 波動范圍較小, 一般在5%以內。當?shù)踪|粒徑為粉砂黏土時, 礁體隨開口比的增大, 最大靜摩擦系數(shù)變化幅度較大(約15%)且呈波動上升趨勢。

圖5 不同開口比礁體最大靜摩擦系數(shù)Fig. 5 The maximum static friction coefficient of the reefs with different opening rate

3 討論

3.1 礁體最大靜摩擦系數(shù)的影響因子

以礁體自重、開口比、開口邊長、開口周長、接觸面積、壓強、粒徑大小為變量, 運用主成分分析法對礁體最大靜摩擦系數(shù)進行評價?；赟PSS軟件包生成的總方差解釋, 從初始解中提取 3個綜合因子, 總貢獻率達到 98.5%。第一主因子貢獻率為60.4%, 占主要載荷的是礁體開口比、開口邊長、開口周長及接觸面積。第二主因子貢獻率為23.8%, 占有較大載荷的是加載質量、壓強。第三主因子貢獻率為14.3%, 占有較大載荷的是粒徑大小。第一、第二主因子累計貢獻率達到 84.2%, 描述的是礁體自身的特征信息, 即礁體設計完成時就已經(jīng)固定的屬性。第三主因子描述的是投放海域底質的特征信息。

泥沙粒徑小時, 增加了泥沙的密實度, 進而增加了實表面接觸面積, 導致摩擦系數(shù)偏大; 當泥沙粒徑大時, 正好相反, 泥沙間密實度降低, 接觸面積減小, 導致摩擦系數(shù)偏小。這與王玉鎖等[17]進行砂土質隧道圍巖內摩擦系數(shù)的試驗研究得出的結論相近,即總體上相對密實度越大, 砂土內摩擦系數(shù)越大。湯連生[18]等也認為土體的顆粒組成會影響土體的外摩擦, 這是由于土中粒間吸力(尤其是可變結構吸力)發(fā)揮了重要作用。

當?shù)踪|粒徑為粉砂黏土時, 3號、4號、5號礁體隨加載質量的增加, 最大靜摩擦系數(shù)有下降趨勢。與許多金屬摩擦副在重載條件下的摩擦系數(shù)隨載荷增加反而增加的原因不同[15], 湯連生[18]等在進行土體內外摩擦及摩擦強度試驗研究中, 也發(fā)現(xiàn)無論是淤泥質黏土, 還是粉砂, 其外摩擦系數(shù)隨垂直荷載的增加而逐漸減小, 認為這是由于在壓力較大的情況下, 水膜黏結力大小有限, 所能提供的摩擦力也相當有限, 不占主導地位所致。

當?shù)踪|粒徑為粉砂黏土時, 礁體隨開口比的增大, 最大靜摩擦系數(shù)有上升趨勢。當?shù)踪|粒徑為粉砂黏土時, 底質密實度低, 較“松軟”, 礁體更容易“陷入”底質中, 下陷后隨著開口比的增大不僅各側面接觸面積增大會產(chǎn)生摩擦作用, 下陷部前端接觸面積也會相應增大對礁體產(chǎn)生阻力, 這些都直接導致了最大靜摩擦系數(shù)的增加。另外, 本實驗中泥沙層厚度為15 cm, 而觀測到的礁體模型下陷幅度最大值僅為0.5 cm不影響礁體與泥沙間的接觸, 因此在本實驗中認為泥沙層厚度對摩擦系數(shù)沒有影響。

同時還應注意, 改變開口形狀如將方形孔設置在中間和 4個相應小方形孔設置于四周, 雖然開口比相同, 但對最大靜摩擦系數(shù)的影響還沒有定性研究。因此有必要進一步進行開口方式對礁體最大靜摩擦系數(shù)影響的試驗, 以期定量的給出不同開口比時, 礁體的最大靜摩擦系數(shù)變化情況。

3.2 礁體最大靜摩擦系數(shù)的確定

在實際人工魚礁礁體設計過程中, 應根據(jù)實際海域底質泥沙的粒徑組成, 選取適當?shù)淖畲箪o摩擦系數(shù), 如表2所示。其中校核安全系數(shù)為實驗推薦值與原經(jīng)驗取值的比值, 表征原經(jīng)驗取值的可靠性。

表2 礁體最大靜摩擦系數(shù)的選取Tab. 2 The determination of maximum static friction coefficient

針對實際投放于浙江臺州海域的鋼制四方臺型人工魚礁[13], 其底板規(guī)格及開口比近似于本試驗中4號礁體, 底質類型為粉砂質黏土。由于底質粒徑為粉砂黏土時4號礁體的最大靜摩擦系數(shù)最低值為0.8,進行穩(wěn)定性校核時選取最大靜摩擦系數(shù)為 0.6, 因此校核安全系數(shù)為 1.3, 表明取值合理。針對實際投放于連云港海州灣海域的十字型人工魚礁[12], 其規(guī)格近似于本試驗中5號, 但其開口比約為0.58, 略大于5號礁體, 底質表層為黏土層。由于底質粒徑為粉砂黏土時5號礁體的最大靜摩擦系數(shù)為1.0, 進行穩(wěn)定性校核時選取最大靜摩擦系數(shù)為 0.5, 考慮到開口比增大時, 最大靜摩擦系數(shù)呈上升趨勢, 因此校核安全系數(shù)近似為2, 表明取值合理。而且根據(jù)試驗中最大靜摩擦系數(shù)的最小結果為 0.45, 在進行穩(wěn)定性校核時最大靜摩擦系數(shù)取0.4是合理的, 校核安全系數(shù)為 1.1。

增加礁體的自重雖然會導致礁體與海底間的最大靜摩擦系數(shù)下降, 卻可以有效增加礁體與海底間的最大靜摩擦力。但礁體的自重由于受到材料價格、人工制作、投放設備等因素影響, 在礁體設計完成時已經(jīng)確定, 不能任意額外加載。

因此, 在設計礁體形狀時, 希望通過合理的礁體設計, 有效地增大礁體與海底間的最大靜摩擦系數(shù)。根據(jù)投放海域的不同底質粒徑大小, 從而通過調整礁體自重及開口比來增加礁體的最大靜摩擦系數(shù)。底質泥沙密實度及軟硬程度(含水率)不同時對人工魚礁礁體最大靜摩擦系數(shù)的影響是今后研究的工作重點。

致謝：孫習武、楊柳同學參與了試驗器材制備, 并協(xié)助進行試驗, 謹致謝忱！

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Analysis of the maximum static friction coefficient of artificial reefs in different diameter of sediment

LIU Jian1, ZHANG Shuo2,3,4, XU Liu-xiong2,3,4, HUANG Hong-liang1

(1. East China Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Shanghai 200090, China; 2.College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 3. The Key Laboratory of Oceanic Fisheries Resources Exploitation of Shanghai Education Commission, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 4. The Key Laboratory of Sustainable Exploitation of Oceanic Fisheries Resources, Shanghai Ocean University, Ministry of Education, Shanghai 201306, China)

Nov., 2, 2010

artificial reef; friction coefficient; sediments; grain-size

In the examination of the artificial reefs’ stability the coefficient of maximum static friction between the reef and the sediment in seabed is a basic and important parameter, the value of which is commonly fixed from previous experience. Based on the method of horizontal drag, the max static friction coefficient between 5 types of artificial model reefs with different opening rate and 5 different sediments are examined. Through a series of experiment, the relationship between different grain-size of sediments and different opening rate is analyzed in this paper. The results show that (1) the max static friction coefficient and the grain-size of sediments are in a strong negative correlation (r=-0.964,P＜0.01); (2) when controlling the grain-size of sediments, the max static friction coefficient is negatively correlated with the weight (r=-0.265,P＜0.01) and positively correlated with the opening rate of reefs (r=0.245,P＜0.01); (3) the primary factors influencing the max static friction coefficient are the property of reef itself, such as the opening rate of reefs. During the stability estimation of the new designed artificial reefs, the designer can select a proper max static friction coefficient based on both the opening rate and the survey of actual ocean area's composition of sediments.

S953.1 文獻標識碼：A 文章編號：1000-3096(2012)01-0059-06

2010-11-02;

2011-12-21

上海市教委優(yōu)秀青年基金(0701701); 上海市教委科研創(chuàng)新項目(09YZ272); 國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項經(jīng)費項目(201003068)作者簡介：劉健(1985-), 男, 黑龍江泰來人, 碩士, 主要從事人工魚礁穩(wěn)定性研究, E-mail：jliu@vip.qq.com; 張碩, 通信作者,電話：021-61900314, E-mail：s-zhang@shou.edu.cn

譚雪靜)