珠海万山人工鱼礁结构设计

陈勇康，李培冬

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510220)

人工鱼礁是人为的在海洋中经过科学选点后设置的构造物，用于修复和优化海域生态环境，建设海洋水生生物生息场，可以为鱼类等水生生物的聚集、索饵、繁殖、生长、避敌提供必要、安全的栖息场所，以达到保护、增殖渔业资源和提高渔获量的目的。

美国、日本、韩国、马来西亚等渔业发达国家和地区，很早就开展了有计划的海洋人工鱼礁建设。我国也在20世纪70年代开始了人工鱼礁建设，现阶段人工鱼礁建设发展较快，主要分布在南海和东海各沿海省份。实践证明，人工鱼礁建设对于改善和修复海洋生态环境、增殖和养护渔业资源效果显著。

从目前来看，国内已在人工鱼礁集鱼效果[1]、渔业资源影响[2]、经济评价[3-4]、水动力特性[5]等方面开展了多年的研究，然而对于人工鱼礁礁体设计、结构受力、稳定性、礁体沉降等方面的研究较少。文章针对珠海万山海域实际海况，分别设计了三种不同人工鱼礁礁体，并对其在波浪、水流共同作用下的稳定性进行计算和校核，为今后类似人工鱼礁建设项目提供参考。

1 人工鱼礁礁体设计

1.1 海域建设条件

万山海域地貌单元属于海滩地貌。地形地貌类型简单，由较平缓砂泥地组成，总体由东向西海域微微倾斜，海底标高在-21.29～-18.22 m之间，较平坦，地形由浅水区向深水区城缓坡过渡，坡度为1度左右，区内无断裂带通过。投放鱼礁的海域平面位置示意图如图1所示。

根据《珠海万山国家级海洋牧场示范区人工鱼礁工程岩土勘察报告》，海域各岩土层主要物理力学指标及承载力建议值如表1所示。

表1 万山海域地质资料表

地层名称及编号Stratum name and number地基承载力特征值/kPaCharacteristic value of foundation bearing capacity [fak]重度/(kN·m-3)Unit weightγ压缩模量/MPaCompression modulusEs1-2快剪试验 Quick shear test粘聚力/kPaCohensionC内摩擦角/°Internal friction angleφ①淤泥 Silt5014.61.12.21.3②淤泥质土 Mucky soil8015.81.96.05.1③砾砂 Gravel sand20019.610.2//

海区潮流以东西往复流形式为主，涨潮的最大流速在31～70 cm·s-1之间，落潮的最大流速在27～108 cm·s-1之间。该海域实测最大平均垂下流速为1.24 m·s-1，为2014年实测台风所致。随着近年超大台风时有发生，根据《广东省人工鱼礁建设技术规范(试行)》，使用25年一遇1%波高产生的流速：表层最大流速约为2.0 m·s-1，中层流速约为1.5 m·s-1，底层流速约为1.2 m·s-1，平常风浪情况下潮流站最大流速可约为0.4 m·s-1。

该海区波浪基本上是涌浪和以涌浪为主的混合浪，常浪向为ESE。根据外海波浪的推算，工程区域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 礁体设计

人工鱼礁礁体设计应能最大限度地适合当地海域的海况和生态特点，同时也要兼顾环镜保护、材料性价比等因素，在设计礁体时需要遵循以下设计原则。

1)增大礁体表面积

礁体表面积的大小直接关系到礁体上附着生物的数量。着生在礁体表面的海洋生物又是鱼类的饵料之一，这对于高度较小的深水鱼礁来说更为重要。因此，在鱼礁礁体设计中尽量增大礁体的表面积。

2)良好的透空性

礁体内空隙的数量、大小及形状将影响到礁体周围生物的种类和数量的多少，因此应尽量将礁体设计成多空洞、缝隙、隔壁、悬垂物结构，使礁体结构具有良好的透空性。

3)充分的透水性

只有保证礁体内有充分的水体交换，才能使礁体表面积得到有效利用，确保礁体表面固着生物的养料供给，因为水的流动可保证所有附着生物的代谢保持稳定。

4)礁体的高度必须考虑礁区的水深、底质及船舶的航行安全。

5)礁体材料应环保无污染，构造成型简单，耐久性好，强度高，成本较低。

因此，综合考虑以上设计原则，共设计了三种不同类型礁体。礁体材料采用钢筋混凝土，外尺寸均为长×宽×高=3.5 m×3.5 m×3.5 m的框架箱型结构，框架采用0.2 m×0.2 m的框柱，混凝土等级为C30。各礁体结构如图2所示。

1号礁体是繁育型鱼礁单体，兼顾保护功能。礁体的四周通过混凝土板和中部建设混凝土梁柱，增加礁体内部的复杂性，使得礁体更加容易吸引鱼类繁殖。礁体的侧板及顶板厚度为0.12 m，侧板上各设置1个1.4 m×2.1 m和1个0.8 m×3.1 m的矩形大孔，顶板设置8个0.30 m×1.45 m的矩形小孔，以增加鱼礁的通透性。

2号礁体是饵料型鱼礁单体，兼顾保护型。该礁体的顶面加设“口”字斜梁，断面尺寸为0.2 m×0.2 m。侧板厚0.12 m，每块侧板上设置6个直径700 mm的圆孔和3个1.1 m×0.7 m的矩形孔。

3号礁体为保护型鱼礁单体，兼顾繁育型。该型号礁体最大特点是四周及中间均具有大块钢筋混凝土板面，板厚0.12 m，将大型板面设于迎流面有利于在板面背部形成流速相对平静的水域，对于怀卵亲鱼，是合适的繁育场。每个面板上均设置3个直径600 mm的圆孔，以增强礁体的透空性和透水性。

考虑到该礁区地表层存在软弱淤泥层，对人工鱼礁易产生沉降和倾覆影响，礁体在内部框架底部增设了翼板，在礁体底部增设了双层双向土工格栅。底部翼板能有效增加礁体底部面积，减少礁体沉降量；土工格栅能有效减少礁体的不均匀沉降，防止礁体倾覆，如图3所示。

2 礁体结构计算

礁体在投放到底面后，受力较为复杂。会受到重力、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，竖直方向主要是受重力和浮力及上升流作用。由于该项目所处区域水深较大，一般可达20 m左右，因此水底面处的流速较小，波浪力和礁体后方涡流都较小。为简化模型，暂不考虑波浪力、上升流和礁体后方涡流的影响。水平方向外力主要考虑水流力，竖直方向的合力计算可按结构物的水下浮重度来计算。

2.1 礁体水流力计算

礁体在水中会受到水流冲击作用，在该研究中，考虑鱼礁与水流方向垂直布置。根据《港口工程荷载规范》相关内容进行计算：

(1)

式中,Fw为水流力标准值(kN)；Cw为水流阻力系数；ρ为水密度(t·m-3)，淡水取1.0，海水取1.025；V为水流设计流速(m·s-1)；A为计算构件在与流向垂直平面上的投影面积(m2)。三种礁体的投影面积分别为9.77、7.63和8.38 m2。

由于礁体沉放位置水深较大，且礁体与礁体之间的横向间距也会对水流力有一定的影响，因此水流阻力系数Cw还应考虑构件淹没深度影响系数n1和水流力横向影响系数m2。即

(2)

根据礁群的布置和水深等因素，参考《港口工程荷载规范》相关内容，取n1=0.84，m2=1.21。

2.2 礁体抗滑移稳定性核算

礁体结构作为一个整体，滑动面最有可能出现在礁体底部与泥面层之间。沿礁体底面的抗滑稳定性可按式(3)验算：

γ0γwFw≤(γGG-γuPu)f

(3)

式中,γ0为结构重要性系数，取0.9；γw为水平水流力的分项系数，取1.5；Fw为计算面以上的水平水流力标准值(kN)；γG为自重力分项系数，取1.0；G为作用在计算面上的礁体自重力标准值(kN)；γu为浮托力的分项系数，取1.3；Pu为作用在计算面上的浮托力标准值(kN)；f为沿计算面的摩擦系数设计值，取0.3。

2.3 礁体抗倾覆稳定性核算

沿礁体底面的抗倾覆稳定性可按式(4)验算：

(4)

式中,Mw为水平水流力对礁体脚点作用的倾覆力矩(kN·m)；MG为自重力对礁体脚点作用的稳定力矩(kN·m)；γd为结构系数，取1.25；Mu为浮托力对礁体脚点作用的倾覆力矩(kN·m)；

根据各个礁体结构图，礁体与流向垂直平面上所受水流力的作用点距礁体脚点的距离，经计算分别为l1=2.042 m、l2=1.841 m、l3=1.970 m。则各个礁体的水流力产生的倾覆力矩为Mw=Fw·l。

2.4 地基承载力核算

参考《建筑地基基础设计规范》，基础底面的压力，应符合下列规定：

1)当轴心荷载作用时

pk≤fα

(5)

式中，pk为相应于作用的标准组合时，基础底面处的平均压力值(kPa)；fα为修正后的地基承载力特征值(kPa)；

2)当偏心荷载作用时，除符合式(5)要求外，尚应符合式(6)规定：

pkmax≤1.2fα

(6)

式中，pkmax为相应于作用的标准组合时，基础底面边缘的最大压力值(kPa)。

对于基础底面的压力，可按下列公式确定：

1)当轴心荷载作用时，

(7)

式中，Fk为相应于作用的标准组合时，上部结构传至基础顶面的竖向力值(kN)；Gk为基础自重和基础上的土重(kN)；A为基础底面面积(m2)；

2)当偏心荷载作用时，

(8)

(9)

式中，pkmax、pkmin为相应于作用的标准组合时，基础底面边缘的最大、最小压力值(kPa)，Mk为相应于作用的标准组合时，作用于基础底面的力矩值(kN·m)；W为基础底面的抵抗矩(m3)。因各个礁体底面形状是一样的，经计算，底面截面总惯性矩I=7.881 m3，抵抗矩W=I/3.35/2=4.50 m3。

2.5 礁体沉降量计算

根据《建筑地基基础设计规范》，计算地基变形时，地基内的应力分布可采用各向同性均质线性变形体理论。其最终变形量可按式(10)进行计算：

(10)

3 结果与分析

3.1 礁体水流力结果

依据海域的建设条件，该研究采用的流速条件为V=0.4，1.2，1.5，2.0m·s-1，共四组。根据公式(1)～(2)，计算得各礁体的水流力如图4所示。

由图4可知，在流速不同的情况下，流速增大，各礁体受水流力也随之增大[6]。在表层流速为2.0 m·s-1时，礁体所受最大水流力约为30 540 N。在底层流速为1.2 m·s-1时，礁体最大所受水流力为10 990 N。礁体在水深高度方向上，受水流力逐渐减小，顶层受水流力最大，底层受水流较小。在流速相同的情况下，1号礁体所受水流力作用最大，2号礁体受水流力最小，说明2号礁体的透空性最好。

3.2 礁体稳定性校核

在校核礁体稳定性时，根据公式(3)～(4)，定义公式的右式/左式=S。即

(11)

(12)

式中，Sm为抗滑移系数，So为抗倾覆系数。这两者的数值必须大于1，才能保证礁体不发生滑移和倾覆[5]。

由式(3)～(4)和式(11)～(12)计算的结果如图5～6所示。

分析可得，各礁体的抗滑移系数均随流速的增大而减小。在流速小于1.5 m·s-1时，各礁体均不会发生滑移，在流速达到2 m·s-1时，各礁体抗滑移系数均小于1，说明礁体在水流的作用下，会发生移动。在相同流速情况下，3号礁体的抗滑移能力最好，1号礁体的抗滑移能力最差。

礁体的抗倾覆系数变化趋势与礁体的抗滑移系数变化趋势相似，也是随流速的增加呈下降的趋势[7]。各礁体在上述四组流速情况下，抗倾覆系数均大于1，因此鱼礁不会在海底发生倾倒、翻滚。在相同流速情况下，3号礁体的抗倾覆能力最好，1号礁体的抗倾覆能力最差。

值得注意的是，该研究考虑的是25年一遇波浪要素的海况条件。实际吊放施工时，并不会选取恶劣天气环境作业，且随着鱼礁投放后时间的持续，礁体在海底会有一定的沉降，也在一定程度上增加了鱼礁的抗滑移能力。

因此，在吊装沉放礁体过程中，应实时监测水流速度变化，选择良好波浪、水流情况下作业，避免在吊装沉放过程中，受水流冲击，导致礁体偏移或侧翻，当礁体沉放到海底后才能脱钩。综合以上各方面因素，该项目设计的三种礁体尺寸结构符合强度和稳定性要求，能够满足该海域的海况条件，适宜在该海域投放。

3.3 地基承载力、沉降分析

根据公式(5)～(9)，在流速为1.2 m·s-1时，礁体底面地基承载力结果如表3所示。

表3 礁体底面地基承载力结果表

续表3

礁体下基础平均压力只与礁体的水下重量相关。由于结构设计的原因，3号礁体使用材料最多、重量最大、基础底面压力最大。各个礁体下地基承载力均满足要求。

根据公式(10)计算得1、2、3号礁体的沉降量分别为320、280、380 mm。各个礁体的沉降量均小于500 mm，满足沉降稳定要求。

4 结论

统计列出以上各计算式的结果，整理如表4所示。

表4 各计算结果统计表

通过对以上礁体各指标进行比较，可得出：

1)水流力和礁体自重是影响礁体抗滑移、抗倾覆的主要作用。水流力的大小与礁体的迎流面积、流速成正比。增大礁体透空性，可以减小水流力，但过度增大礁体透空性，会导致礁体自重减轻，进而也会对礁体的抗滑移、抗倾覆能力不利。增大礁体自重，对礁体稳定性有利，但同时也会增大礁体的沉降，当沉降过大时，礁体或被掩埋在海泥中，也就失去了应有的作用。因此在设计过程中，应根据投放海域的水文、地质特点，确定合适的鱼礁结构形式。

2)在25年一遇波浪条件下，底层流速为1.2 m·s-1，礁体的抗滑移系数最小为1.61，抗倾覆系数最小为3.69，地基承载力和沉降量均满足要求。说明在此条件下，文章设计的各礁体可以在该海域投放使用，可为今后类似人工鱼礁建设项目提供参考和应用。

3)尽管礁体地基承载力和礁体沉降量均满足要求，但以上结果是从理论公式中计算得来。实际上礁体受波潮流作用形式较为复杂，理论计算与实际环境存在很大差异。目前国内针对人工鱼礁的结构受力进行了较多的物理和风洞试验，建议对该海域的礁体沉降做好沉降监测[8]或者人工水下探摸，在下一步的研究中可参考相关文献的试验结果，以便对计算结果进行验证和修正。