周秋萍，盛國(guó)強(qiáng)

(廣州中國(guó)科學(xué)院工業(yè)技術(shù)研究院，廣東 廣州 511458)

人工魚礁的建設(shè)對(duì)于保證海洋漁業(yè)增長(zhǎng)，保護(hù)和改善海洋生態(tài)環(huán)境都有十分重要的作用[1-4]。傳統(tǒng)的人工魚礁主體均坐落在淺層有細(xì)砂覆蓋的堅(jiān)硬巖石質(zhì)海床上[5-7]。在黏土、淤泥質(zhì)和散沙上建造人工魚礁還存在很大的困難，礁體投放后會(huì)發(fā)生整體沉降，最終導(dǎo)致礁體被淤埋[8-10]。但是在河流三角洲地區(qū)淤泥質(zhì)軟基分布較為廣泛，且河口地區(qū)漁業(yè)資源豐富，珠江入?？谀壳巴斗诺娜斯~礁容易被淤埋。本研究探討了一種了能在淤泥質(zhì)底質(zhì)上保持穩(wěn)定，不發(fā)生淤埋的人工魚礁設(shè)計(jì)方法。

1 新型人工魚礁及投放區(qū)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(jié)構(gòu)：魚礁本體、浮力基礎(chǔ)和筒形樁(圖1)。通過(guò)在傳統(tǒng)人工魚礁下方安裝帶筒形樁的浮力基礎(chǔ)，可確保礁體投放后在淤泥基礎(chǔ)上不發(fā)生埋淤，也不會(huì)因風(fēng)暴潮作用而滑移、拔起。

浮力基礎(chǔ)為中空密封結(jié)構(gòu)，可以提供主動(dòng)上浮力，當(dāng)基礎(chǔ)在泥面上時(shí)提供向下凈重，當(dāng)基礎(chǔ)沉到泥面以下一定程度時(shí)，提供向上浮力，而且其浮力可以調(diào)整，基礎(chǔ)越往下，其浮力越大，這樣可以防止魚礁持續(xù)下沉，具有一定的恢復(fù)能力。筒形樁安裝完成后，對(duì)人工魚礁坐底穩(wěn)定有重要作用。首先，對(duì)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(wěn)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(xù)分析的新型人工魚礁的情況如下:筒形樁為鋼質(zhì)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(jié)構(gòu)，規(guī)格為1m×1m×1m，棱柱寬0.13 m；浮力基礎(chǔ)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(chǔ)內(nèi)有間距為0.35 m的立柱十字布置。

1.2 投放區(qū)域

廣州市南沙區(qū)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(jì)沉積物，地層中存在深厚海陸交互相淤泥。根據(jù)綜合調(diào)研結(jié)果及原位測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)，投放區(qū)域的設(shè)計(jì)不排水抗剪強(qiáng)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(shí)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(fēng)暴潮期間的最大流速為1.44 m/s。該海域以風(fēng)浪為主，常浪向?yàn)闁|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(shè)計(jì)最大波周期4.55 s。

2 環(huán)境載荷評(píng)估

2.1 極限波浪載荷計(jì)算

人工魚礁礁體設(shè)計(jì)，水深取5 m。根據(jù)文獻(xiàn)[13]進(jìn)行極限波流荷載計(jì)算：

(1)確定波長(zhǎng)L。根據(jù)波浪的彌散關(guān)系計(jì)算波長(zhǎng)L。

(1)

計(jì)算得到波長(zhǎng)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(nèi)任意一點(diǎn)(x,z)水質(zhì)點(diǎn)在任意時(shí)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(shù)。

由式(2)、(3)計(jì)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(jù)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(zhì)量力，在數(shù)學(xué)形式上表示成流速與流速導(dǎo)數(shù)的函數(shù)，具體計(jì)算公式為：

(6)

式中：Cd為拖曳力系數(shù)；CM為附加質(zhì)量系數(shù)；ρ為海水密度(1 025 kg/m3)；A為迎流面積，m2；V為實(shí)體體積，m3。Cd、CM的值根據(jù)波浪KC數(shù)確定，KC數(shù)(Keulegan-Carpenter number)是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，用來(lái)描述一個(gè)在振蕩流場(chǎng)中的物體，所受到的黏性力相對(duì)慣性力之間的關(guān)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(shù)的實(shí)際取值以及最終求得作用在魚礁及浮力基礎(chǔ)水平波流計(jì)算見表1。

表1 魚礁及浮力基礎(chǔ)水平波流計(jì)算

2.2 Fluent仿真模擬

圖3為數(shù)值模型計(jì)算區(qū)域，以魚礁底面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立三維水槽，水槽長(zhǎng)度足夠可以保證水流達(dá)到魚礁附近時(shí)趨于穩(wěn)定，并滿足尾流區(qū)的范圍是10倍模型邊長(zhǎng)以上的要求[15]。計(jì)算采用Fluent中的VOF物理模型，進(jìn)口邊界采用速度及二階stock波的進(jìn)口邊界條件設(shè)置，其中，造波邊界設(shè)置可參考文獻(xiàn)[16]。流場(chǎng)中魚礁附近的流速分布如圖4所示、動(dòng)水壓分布如圖5所示。

圖3 魚礁及浮力基礎(chǔ)模型 圖4 流速分布

圖5 動(dòng)水壓分布

2.3 仿真和理論計(jì)算值對(duì)比

通過(guò)仿真分析和理論計(jì)算得到人工魚礁上的水阻力和升力，人工魚礁設(shè)計(jì)選用的環(huán)境載荷取兩者較大者，仿真和理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表2。

表2 仿真和理論結(jié)果對(duì)比

對(duì)于本研究中的魚礁升力計(jì)算暫無(wú)理論計(jì)算的公式，故只進(jìn)行了仿真分析。表2可以看出，魚礁阻力計(jì)算仿真和理論計(jì)算結(jié)果較為接近，但偏大于理論值，這是符合實(shí)際的。理論計(jì)算基于勢(shì)流理論，而仿真考慮了水體繞流產(chǎn)生的漩渦對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，之所以仿真值大是因?yàn)樵黾恿瞬糠值膲翰钭琛?/p>

故阻力值選取了更偏于實(shí)際的仿真計(jì)算的結(jié)果值，即阻力4 900 N，升力2 220 N。

3 魚礁強(qiáng)度分析

浮力基礎(chǔ)及人工魚礁所用材料為混凝土C40，其設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度為19.1 MPa；設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度為1.71 MPa[17]；矩形截面結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比值為0.065～0.089，取0.065，則矩形截面C40的設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度為1.24 MPa。

浮力基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)浮重)。邊界條件如圖6所示，浮力基礎(chǔ)底板第一主應(yīng)力云圖如圖7所示。從結(jié)果可看出，浮力基礎(chǔ)底板第一主應(yīng)力最大值為1.435 MPa，小于設(shè)計(jì)值，滿足強(qiáng)度要求。

圖6 浮力基礎(chǔ)底板邊界條件

圖7 浮力基礎(chǔ)底板第一主應(yīng)力云圖

浮力基礎(chǔ)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(dòng)力，浮力基礎(chǔ)受到極限海況的水動(dòng)力，浮力基礎(chǔ)受到的靜水壓力，自重載荷。邊界條件如圖8所示，浮力基礎(chǔ)球殼及魚礁第一主應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖8 浮力基礎(chǔ)球殼及魚礁邊界條件

從結(jié)果可看出，浮力基礎(chǔ)球殼及魚礁第一主應(yīng)力最大值為0.721 MPa，小于設(shè)計(jì)值，滿足強(qiáng)度要求。

4 抗淤埋分析

人工魚礁安裝穩(wěn)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(chǔ)混-ρ水gV基礎(chǔ)水-ρ泥gV基礎(chǔ)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(chǔ)混為浮力基礎(chǔ)混凝土體積，m3；V基礎(chǔ)水為浮力基礎(chǔ)在安裝的平衡位置時(shí)排開水體積，m3；V基礎(chǔ)泥為浮力基礎(chǔ)在安裝的平衡位置時(shí)排開泥體積，m3。

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

5 穩(wěn)定性分析

5.1 分析方法

5.1.1 風(fēng)暴潮作用下抗滑穩(wěn)定性分析

根據(jù)《港口工程樁基規(guī)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(qiáng)度，kPa；L樁為樁的入土深度，m；D為筒形樁直徑，m。

5.1.2 風(fēng)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(dú)從土中拔出；(2)樁內(nèi)的土柱因張力失效而與基礎(chǔ)分離和樁筒一同被拔出；(3)移動(dòng)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(dú)從土中拔出，樁筒的內(nèi)、外壁的土發(fā)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(chǔ)抵消為0；Fext為樁頂外壓力(kN)，其中，F(xiàn)ext=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(nèi)壓力(kN)，其中，F(xiàn)int=AiPtop，Ai為樁頂內(nèi)截面積(m2)，Ptop為樁內(nèi)水壓力(kPa)；Te為外側(cè)摩阻力(kN)，其中，Te=PeCuAeL樁，Pe為樁截面外周長(zhǎng)(m)，Cu為不排水抗剪強(qiáng)度(kPa)，L樁為入土深度(m)，Ti為內(nèi)側(cè)摩阻力(kN)，其中，Ti=PiCuAiL1，L1為樁內(nèi)入土深度(m)，Pi為內(nèi)測(cè)周長(zhǎng)(m)，Ae、Ai根據(jù)API-RP-2GEO[21]第8.1.3節(jié)規(guī)定，對(duì)于欠固結(jié)黏土取1；Ftip為樁尖壓力，其中，F(xiàn)tip=Ptip(Ae-Ai)，Ptip為基準(zhǔn)水平面上樁截面 (土塞 )中的孔隙壓力(kPa)，當(dāng)樁與土的界面完全空化Ptip=Ptop=-100 kPa(一個(gè)大氣壓)，Ae≈Ai，F(xiàn)tip約為0。

(2)當(dāng)負(fù)壓超過(guò)一定限制時(shí)，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(fēng)暴潮作用下抗傾覆穩(wěn)定性分析

人工魚礁礁體在水流和波浪的沖擊作用下不發(fā)生翻滾傾倒，就需要滿足筒形樁在埋置土中時(shí)其側(cè)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(chǎn)生的傾覆力矩M2。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將筒形樁的樁底作為旋轉(zhuǎn)中心，且不考慮土體對(duì)筒形樁的土壓力，抗傾覆的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖11所示[22]。

圖11 人工魚礁抗傾覆計(jì)算簡(jiǎn)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(cè)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(zhuǎn)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(chǔ)產(chǎn)生的浮力相互抵消，垂向合力為0。

5.2 穩(wěn)定性校核

水平抗力FC=14.5 kN。波流聯(lián)合作用的水平?jīng)_擊力FH=4.9 kN。計(jì)算得到抗滑系數(shù)為14.5/4.9=3.0，滿足規(guī)范要求[23]。

根據(jù)破壞模式不同分3種情況進(jìn)行計(jì)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(chǎn)生的上托力FV=2.22 kN，故設(shè)計(jì)的筒形樁的抗拔系數(shù)為13.5/2.22=6，滿足規(guī)范要求。

計(jì)算得到M1=62.4 kNm，M2=12.0 kNm，抗傾覆系數(shù)為62.4/12=5.2，滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)論

針對(duì)淤泥質(zhì)地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)了新型的人工魚礁，以確保魚礁不淤埋，并根據(jù)波流動(dòng)力學(xué)理論及Fluent數(shù)值模擬對(duì)此礁體進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，結(jié)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(shù)3，抗拔系數(shù)6，抗傾覆系數(shù)5.2，滿足礁體穩(wěn)定性要求。

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