人工鱼礁结构设计浅析

荀绚 喻石 南京瑞迪建设科技有限公司

刘颖波 苏交科集团股份有限公司

海洋牧场的建设对增殖海洋渔业资源、调整渔业生产结构意义重大。人工鱼礁建设作为海洋牧场的重要组成部分，为鱼类等提供了繁殖、生长、索饵和庇敌的场所，达到了保护、增殖和提高渔获量的目的。

目前国内已对人工鱼礁的材料种类、礁体布局设计、水文环境影响、经济性评价等进行了较多研究，但对各海洋牧场鱼礁礁体结构在不同工况下的受力分析研究较少。本文依托工程设计实例，对两种常用人工鱼礁礁体不同工况下的结构受力进行分析，为人工鱼礁项目制作、运输、使用等环节提供参考。

1.海域建设条件

根据水下地形声学扫描结果，项目所在海域海底地形较为平坦，没有沟槽，建设地点水深20m左右，海域底质类型为粉砂质砂，底质强度较高，平均净承载能力为47.5kN/m2。根据流速调查结果可知，项目所在海域水体底层平均流速为0.31m/s，最大流速不超过1.5m/s。

2.礁体设计

礁体形状、孔洞大小决定了礁体周围的海洋生物种类及数量。礁体的选型、尺寸应因地而异，结合规划海域的海况和地形底质特点及生物、环境等现状以及礁区的通航要求，项目拟投放三角形礁体和方形框架鱼礁两种。

图1 三角形礁体效果图

图2 方形礁体效果图

三角形鱼礁截面为三角形，置于海底稳定性好、表面积大，斜面结构可以产生上升流，使底部海水上升，增加底表层水体交换，为中上层鱼类带来饵料，礁体内部空间宽阔，为鱼类提供栖息以及避敌空间。三角礁截面为边长约2.8m的等边三角形，长度为3m，每块板上开6个直径530mm的圆洞，板厚均为150mm，混凝土强度等级为C40，钢筋保护层厚度为30mm。

方形鱼礁外观为立方体，中间镂空，礁体底部增加1个十字形框架形成“田”字造型。方形鱼礁可以为鱼类提供繁殖、生长以及栖息的场所。方形礁为边长3.6m的正方体，柱截面为0.25m×0.25m，顶部框架梁截面为0.25m×0.3m，底部框架梁截面为0.25m×0.25m，底部次梁截面为0.2m×0.2m。

3.礁体结构受力分析

3.1 运输时礁体结构受力分析

海上运输时，鱼礁可堆叠4层。鱼礁的堆叠方式直接影响了运输时的受力状态。

（1）三角形鱼礁。三角礁的堆叠时应三角面朝下，上下层鱼礁三角面对齐堆叠，礁体结构只承受压力。单个三角鱼礁自重约81kN，鱼礁底截面的承载力为19.1×1.23×103=23493kN，远大于上层鱼礁自重。

（2）方形鱼礁。方形礁体堆叠时应尽量使得角柱与角柱对齐，使上部礁体重量传至立柱。单个方形鱼礁自重约74kN，鱼礁立柱底截面的承载力为0.25×0.25×4×19.1×103=4775kN，远大于上层鱼礁自重。

图3 三角形礁体剖面图

图4 方形鱼礁侧视图

图5 方形鱼礁错位堆载时弯矩图

图6 方形鱼礁错位堆载时配筋面积

根据投放方式，有时需在礁体顶面设置吊钩，此时上下层鱼礁堆叠时因需避开吊钩无法对齐堆叠，所以此时方形礁框架梁配筋应考虑此不利因素。本文取上三层鱼礁作用点偏离0.5m作为最不利受力状态进行计算。鱼礁总重约74kN，因此底层鱼礁顶框梁每个着力点所有荷载N=74×3/4=55.5kN。

3.2 礁体抗滑移分析

根据项目前期工作结论，项目所在海域水体底层最大流速小于3节（约1.5m/s）,投礁海域最大坡度为20°，取流速u=1.5m/s、坡度为20°计算礁体的抗滑移稳定性。

（1）三角形鱼礁：

Fmax=0.5×Cd×ρ×V2×S=7.56kN

自重G=81KN

抗滑移系数

（2）方形鱼礁：

Fmax=0.5×Cd×ρ×V2×S=3.35kN

自重G=74KN

抗滑移系数

式中：F0为礁体所受浮力，μ为摩擦系数（取0.5），S表示抗滑移系数。

因此，即使在最大坡度时，礁体不会发生滑移。三角形鱼礁安全系数较小，但考虑到海洋牧场对鱼礁定位要求不高，且计算时考虑了最不利状况，因此可认为抗滑移能满足要求。

3.3 礁体抗倾覆性分析

根据项目前期工作结论，项目所在海域水体底层最大流速小于3节（约1.5m/s）,投礁海域最大坡度为20°，取流速u=1.5m/s、坡度为20°计算礁体的抗倾覆性。将波流最大力矩的计算简化为M=Fmax×lmax。

（1）三角形鱼礁：

F=0.5×Cd×ρ×V2×S=7.56kN

自重G=81KN

抗滑移系数

（2）方形鱼礁：

F=0.5×Cd×ρ×V2×S=3.35kN

自重G=74KN

抗倾覆系数

式中：F0为礁体所受浮力，lmax表示水平方向的最大力臂，l表示竖直方向的最大力臂，R表示抗滑移系数。

3.4 沉积物承载力分析

根据《江苏南黄海海洋牧场示范区创建项目实施方案》，建设海域底质的平均净承载能力为47.5kN/m2，远大于礁体单位面积的荷载（方形礁体74/4.55=16.26kN/m2，三角礁81/6.476=12.51kN/m2，因此投放的人工鱼礁单体并不会因为自身重力发生下沉。

项目一年前试投阶段的鱼礁扫测中，鱼礁基本未出现下沉及淤积，其中三角鱼礁礁体平均入泥厚度为0.1m，方形鱼礁平均入泥厚度为0.2m。

4.结论

通过以上计算可知，适当减小自重，对运输、起吊时的受力有利，但对鱼礁的抗滑移、抗倾覆能力不利。因此在进行鱼礁设计前，应对投放海域的水文、地质情况进行调研，而后确定鱼礁的结构形式及截面尺寸。

运输及起吊方式时鱼礁的受力不可忽视。适当优化运输及起吊方式，可以节约人工鱼礁的建设成本。

本文可为今后人工鱼礁的理论计算提供参考，建议后期对鱼礁继续进行水下扫测，以便对未来海洋牧场的设计结果进行更好的修正。