圆台型混凝土人工藻礁礁体结构设计及其稳定性分析

贺 亮，刘 丽，廖 健，全秋梅，黄元桂，谢恩义，刘楚吾

（广东海洋大学水产学院 南海水产经济动物增养殖广东普通高效重点实验室，广东 湛江 524025）

圆台型混凝土人工藻礁礁体结构设计及其稳定性分析

贺 亮，刘 丽，廖 健，全秋梅，黄元桂，谢恩义，刘楚吾

（广东海洋大学水产学院 南海水产经济动物增养殖广东普通高效重点实验室，广东 湛江 524025）

针对我国南海北部湾东部投放藻礁海域的海况条件，设计圆台型人工藻礁，以实现该海域马尾藻的人工增殖与移植。基于波流动力学理论，计算圆台型人工藻礁礁体不同海流速度下的作用力、抗滑移系数及抗翻滚系数，探讨礁体的稳定性。结果表明：在波、流共同作用下，礁体最大受力为171.8 N，最大作用力矩为49.64 N·m，抗漂移系数S1范围为2.88～25.09，抗倾覆系数R1范围为2.06～315.00，满足礁体稳定条件，礁体在该海域正常情况下不会发生漂移或倾覆现象。

人工藻礁；圆台型；结构设计；稳定性；北部湾

近年来，由于海洋过度开发和生态环境遭受破坏，自然海藻资源衰退，甚至出现枯竭现象。因此，重建适合藻类资源繁育、生长的海洋牧场已广受关注[1-5]。在水域中设置人工藻礁可为海藻提供其繁殖和生长的附着基，并可吸引鱼贝类等水生动物到藻场索饵、生长、繁殖，达到恢复海藻资源，优化海底环境，保护、增殖渔业资源和提高渔获物质量的目的[6]。目前，对人工鱼礁已从基础理论和模型试验方面开展相关研究，为今后人工鱼礁建设与投放工作提供一定基础资料和技术支撑[7-12]，但未见有关人工鱼礁中藻礁稳定性方面的定量研究报道，且在藻礁前期设计及建设实践中，仍存在诸如礁区选址、礁体投放、材料耐用性、礁体稳定性和结构优化等技术难题有待进一步解决[13]。本研究以我国南海北部湾东部海域的实际波流状况为条件，设计一种圆台型人工藻礁作为马尾藻附着基，根据水动力学理论，对该圆台型人工藻礁在不同波、流共同作用下进行水动力计算与稳定性分析，旨在设计适宜该海域环境特征的高稳定性和多功能藻礁，为该海域人工鱼礁建设提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 投放海域及其海况条件

藻礁投放海域为北部湾东部海域（20°39′29″–20°39′34″ N，109°44′21″–109°44′26″ E），属热带季风气候，年均水温在23℃以上，月均水温15℃以上；年降水量1 300～1 700mm，由东向西渐减，降水集中夏、秋两季，多暴雨；海陆风明显，主导风向为偏东风，年均风速3.5～4.0 m/s，夏、秋季多台风暴雨；地貌为现代潮坪，由于常年受风化以及受海浪的长期冲刷侵蚀影响，底质堆积物主要为玄武岩砾石、砂质；潮汐为混合型潮汐，以全日潮为主，平均年潮差2.46 m，海流主要为风海流和密度流，水深h=13 m，累年极值波高H=4.6 m，平均周期T=7.4 s，潮流速度4～70 m·s-1[14-16]。

1.2 圆台型藻礁设计

1.2.1 礁体结构设计及参数 根据北部湾东部海域基质、水深、流速等环境条件，以及马尾藻生理习性，藻礁材料使用寿命与成本等，设计圆台型人工藻礁模型，结构如图 1、2所示。礁体模型上圆直径24cm，下圆直径60cm，高40cm，净质量65～ 80 kg，在圆台侧面高16、24、32cm处各刻一直径为1.5cm的圆形凹槽，用于直径为0.4～0.8cm夹有半叶马尾藻藻苗苗绳的捆绑。以人工有性繁殖培育的马尾藻（半叶马尾藻中国变种 Sargassum hemiphyllum var chinense）幼孢子体作为苗源，以直径为0.4～0.8cm尼龙绳每隔10cm夹苗捆绑于圆台型人工藻礁凹槽中，并尽量使半叶马尾藻假根位于圆台型凹槽之中，以便马尾藻在后期生长过程中逐渐牢固附着在圆台之上。

图1 圆台型人工藻礁平面设计Fig.1 Graphic design of frustum-shaped artificial reef

图2 实地投放人工藻礁以及人工藻场Fig.2 Field trafficking artificial algal reefs and artificial algae field

1.2.2 藻礁材质选择 混凝土具有密度高、造价便宜、强度高、可塑性强等特点，采用混凝土作为礁体材料。材质设计年限、强度等级主要参考GBJ10-89及JTJ300-2000[17-18]；抗渗设计等级参照DL/T5057[19]。为防止混凝土体内碱性物质外溢，在藻礁外侧简要涂抹一层硫酸亚铁，创造小范围的酸性生长环境，以中和外渗碱性物质。此设计一定程度上迎合藻类以及鱼贝等经济动物喜好酸性环境的生理习性，有利于提高藻类在礁体上的附着效果，吸引鱼贝类在周边的聚集，形成更加完善的海洋生态系统。此外，在制作本藻礁的过程中，根据马尾藻PES培养基中氮磷含量比，在混凝土中适当添加营养盐，混凝土内的营养盐经长期的海水渗透，逐渐释放至水体中，以刺激藻类生长，实现藻类增殖目的。

1.3 礁体稳定性计算方法

1.3.1 礁体作用力计算公式 中村充[20]对人工鱼礁礁体在波浪和潮流的共同作用下的流速及作用力研究表明，流速u是潮流速度u0与波浪速度u1合成，计算公式如下：

式（1）～（3）中，u0为潮流速度（m·s-1），um为波幅（m·s-1），θ为波向角，H为波高（m），h为礁区水深（m），L为波长（m），可通过L=( g h )1/2计算，D为藻礁顶部至海底的高度（m），T为波浪周期（s）。

人工藻礁礁体在流速u下的流体作用力F可分为拖拽力和附加质量力两部分，在数学形式上表示为流速与流速导数的函数[21]，具体计算公式如下：

将式（1）及（2）代入式（4），求导可得式（5）

令

则公式（5）可简化为

式（4）～（9）中，Cd为拖曳力系数，一般取1.25；Cm为附加质量系数，一般取1.0；ρ为海水密度,一般取 1 025 kg·m-3；A为礁体迎流面积（m2），为0.290 m2；V为礁体体积（m3）。

式（9）表明，作用力F是Fd、Fm、a、θ的函数，是计算礁体作用力的通用公式。对于给定的礁体尺寸和指定海域的波、流状况，即可计算确定Fd、Fm、a。因此，作用力F仅随波向角θ的变化而变化，若使F取得最大值，需满足公式：

对式（10）进行适当的数学变换，变成为一元四次方程，利用Matlab[22]可求出sin θ、cos θ，代入式（9），计算得该礁体在波、流共同作用下的最大作用力Fmax。

1.3.2 礁体抗漂移安全性校核计算公式 礁体在水流冲击下不发生移动，即礁体不滑动的条件是，礁体与海底接触面间的静摩擦力大于作用在藻礁上的流体作用力，静摩擦力与最大流体作用力Fmax的比值称为抗漂移系数S1，S1＞1时，礁体不发生滑动或漂移[20,23]，计算公式如下：

式中，V为混凝土体积（m3），δ为礁体材料密度（kg·m-3），ρ为海水密度，为1 025 kg·m-3，μ为礁体与海底接触面间的静摩擦系数，本投礁海区底质主要为玄武岩砾石，因此，μ值选取0.6。

1.3.3 礁体抗倾覆安全性校核 礁体在波流作用下不颠覆的条件为礁体重力和浮力的合力矩 M1大于波流最大作用力矩M2。由于礁体结构较为复杂，M2值难以准确计算。一般将波流最大力矩简化计算为M2=Fmax·lmax（图3），抗颠覆系数R1计算公式：

图3 抗倾覆系数计算Fig.3 Sketch of calculated coefficient of anti-slide

式中，W为藻礁重力；lw为翻倒的回转中心到重心的水平距离（m）；h0为流体作用力的高度（m）。王素琴、吴子岳和钟术求等[24-26]研究表明，lw为礁体底面边长的一半，h0约为礁体高度的一半，本研究中，lw= 0.3 m；h0= 0.2 m。

2 结果与分析

2.1 人工藻礁结构设计与材质选择分析

藻礁模型选用圆台型，材质为密度2 500 kg·m-3的混凝土，使用年限为50 a，抗渗设计达S8，强度等级达到C35，在海底的强度和耐久性满足设计要求。具体参数为：表面积0.907 m2，迎流面积0.290 m2，空方体积0.059 m3，混凝土体积0.057 m3，质量约143.1 kg。可见，空方体积与混凝土体积比值ε为1.035，相对较低，表明圆台型人工藻礁稳固性较好，不易发生滑动或位移；表面积与混凝土体积比值η值为15.912，相对较高，表明该藻礁可为海洋生物提供较大的附着与繁殖场所，以附着更多的藻类，达到藻礁修复、保护藻类资源目的。

2.2 礁体水流作用力分析

根据北部湾东部海域水文特征，计算得波长L=83.5 m，波幅um=0.259 m·s-1，Fd=12.46 N，Fm=13.29 N，将各参数代入式（9），计算出波向角θ的正弦值、余弦值及礁体在不同波流状况下所受最大作用力Fmax，本研究共选取12个流速值，计算结果见表1、图4。从图4可见，随着水体流速u0的增加，礁体所受最大作用力Fmax呈不断增大趋势，当水体流速u0增至0.7 m·s-1时，礁体所受最大作用力Fmax达最大值171.8 N，回归分析发现，礁体所受最大作用力 Fmax与水体流速 u0间有明显的多项式关系，关系式为：= 0.000 4 x6- 0.014 59 x5+ 0.204 98 x4- 1.3967 x3+ 5.465 1 x2- 2.671 9 x + 18.112，R2=0.999 97，表明最大作用力Fmax与水体流速u0间关联性较强。

表1 不同流速下人工藻礁所受最大作用力Table 1 Maximum force of artificial reef under different current velocities

图4 不同流速下礁体所受的最大作用力Fig.4 Maximum force of artificial reef at different velocity

2.3 礁体抗漂移安全性分析

人工藻礁不发生漂移的条件是抗漂移系数 S1大于 1。将上述所计算参数代入式（10）得圆台型藻礁抗漂移系数见图5。图5表明，当水体流速u0递增时，礁体抗漂移系数S1随之降低，2.88～25.09，最低值远大于 1。回归分析发现，礁体抗漂移系数S1与流速u0间多项式关系较为显著，关系式为：= 0.000 006 x6–0.000 5 x5+ 0.014 65 x4–0.223 91 x3+ 2.013 5 x2–11.114 x + 34.404，R2=1.000 0，表明礁体抗漂移能力较强，可承受潮流和波浪的冲击。

图5 不同流速下礁体的抗漂移系数Fig.5 The calculated coefficient of anti-slide of artificial reef at different velocity

2.4 礁体抗倾覆安全性分析

礁体在波流作用下不发生倾覆的条件是抗倾覆系数R1值大于1。通过式（13）计算的圆台型抗倾覆系数见图6。图6表明，抗倾覆系数R1随流速u0的增加呈逐渐下降趋势，与抗漂移系数变化趋势相似。藻礁在流速度为4～70 m·s-1时，其抗倾覆系数为2.06～315，最低值大于1，因此该藻礁在海底不会发生倾覆现象。

图6 不同流速下礁体的抗倾覆系数Fig.6 Calculated coefficient of anti-rolling of artificial reef at different velocity

3 讨 论

3.1 人工藻礁结构设计

当前我国人工藻礁主要以钢筋混凝土为材料，选择近海海域投放。在礁体设计过程中，若设计重量过轻，则其稳定性较差，易发生滑移、倾覆等失稳现象，反之过重则易加大操作难度，增加生产成本，甚至会出现沉陷导致礁体失效[27]。因此，增强藻礁的稳定性成为人工藻礁工程建设的重要目标。在进行藻礁设计与礁区建设时，应对拟建礁区进行前期本底调查，充分掌握该海域物理环境（波浪、海床坡度、底质等）和生物环境等原始资料后，综合考虑礁体稳定性、流场效应以及性价比等因素，在礁体结构、尺寸和质量等参数方面进行礁体结构优化，以有效实现人工藻礁建设的生态、社会与经济效应。

本研究人工藻礁已在北部湾东部海域进行大规模的实地投放，笔者长期跟踪调查发现，圆台型人工藻礁稳定性较强，可有效实现马尾藻的生长附着以及增殖与移植。礁体形状对礁体的生态作用有着显著的影响，礁体表面的粗糙化和多样化均能明显提高表面生物附着行为的发生[28-30]。AⅠROLDⅠ、张磊等[31-32]认为，不同形状岩石表面附着藻类的生物量和多样性差异较大，平面和凸形的模型礁上藻类的盖度普遍比凹形模型礁高，本研究藻礁整体凸形的圆台型结构，凸部表面海水流速大，不利于浮泥等杂物的堆积，海藻的生长不会受到阻碍，且海藻的根部在凸部有足够的空间伸张，因而附着力大，海浪难以将其剥离，利于藻类牢固附着。选用混凝土作为制作材质，BAⅠNE等[9]对世界309处人工礁体的调查发现，选用混凝土礁体最多（79处），占总数的 25%以上。混凝土材料由于具备造价便宜、强度高特点而被广泛使用，且该材料对自然环境影响较小，即使达到使用年限后，残余物留下来亦可形成自然礁被继续使用。此外，在制作藻礁的过程中，在混凝土中适当添加营养盐，营养盐经过长期的海水渗透，逐渐释放至周边的水体中，可有效改善该海域的营养盐结构，一定程度上起保护该海域生态环境的作用。此外，该藻礁有清洁环保、稳性好、制作简单、坚固耐用、生产成本低、可复制性强等优点，从结构设计与材质选择角度研究此藻礁对于今后大规模开发和应用此藻礁模型有一定的参考价值和借鉴意义。

3.2 人工藻礁稳定性

人工藻礁所受作用力与迎流面积之间呈现明显的正比例关系，礁体迎流面积越大，所受作用力就越大，礁体稳定性也越差。礁体稳定性不仅与自身迎流面积有关，还与自身质量之间存在一定的关联性[25]。许柳雄等[27]针对浙江嵊泗和江苏连云港海州湾投放礁体海域的海况条件，设计回字型人工鱼礁，并根据波流动力学理论对此礁体进行稳定性计算，结果表明，在波、流共同作用下，礁体在该海域不会发生漂移及倾覆；吴子岳等[25]针对连云港投放礁体海域的波流状况、水深等设计了十字型礁体，并根据波流动力学理论计算了礁体受到的最大作用力，并认为与礁体受到的静摩擦力、重力矩相比，该藻礁满足礁体稳定条件，在海底不会发生滑移或翻滚；陶峰等[33]根据深圳杨梅坑人工鱼礁区海域的波流、水深等状况，对方型角板中连式礁体和方型对角板隔式礁体进行了不同海流速度下的受力、抗翻滚系数及抗滑移系数的计算，结果显示，2种礁体的抗滑移、抗翻滚性能均较好，不会因为波流状况的突变而导致滑移、翻滚，投放后能长期维持其功能稳定不变。以上研究均认为迎流面积和礁体质量是判定礁体稳定性的关键要素，在本研究中，圆台型礁体因迎流面积小，在水体中所受的水流作用力小，加之自身质量较大，因此稳定性较好，在该海域不会发生抗滑移与抗倾覆现象。

在考量藻礁的稳定性时，应考虑海区的台风等极端海况条件。由于陈奇礼等[34]对北部湾东北部海面的波浪长期观测发现，台风一般在越过雷州半岛或海南岛后从东至东南方向移入湾内，在南海所造成的大浪已在海岸变成拍岸浪而消失，海面上的波浪是重新产生的，这对投放该海域底部的人工藻礁影响相对微弱，因此，本研究未对极端气候条件下的藻礁稳定性进行详细探讨。

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（责任编辑：刘庆颖）

Structure Design and Stability Analysis of Frustum-Shaped Artificial Reef

HE Liang,LⅠU Li,LⅠAO Jian,QUAN Qiu-mei,HUANG Yuan-gui,XⅠE En-yi,LⅠU Chu-wu
(Key Laboratory of Aquaculture in South China Sea for Aquatic Economic Animal of Guangdong Higher Education Institutes,Fisheries College of Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524025,China)

Based on the conditions of the sea area of reefs deployed in the east of Beibu Bay in the South China Sea,a frustum-shaped artificial reef is designed in order to achieve Sargassums’ artificial reproduction and transplantation.The maximum force,coefficient of anti-slide and anti-rolling of reef are calculated under different flow velocity according to the hydrodynamics of wave and current.The maximum force and torque are 171.8N and 49.64 N·m,the rang of coefficient of anti-slide and anti-rolling are 2.88 –25.09 and 2.06 –315.00,respectively,the minimum are 2.88 and 2.06 respectively.The result of the calculation achieves the object of the stability of the reef,ensuring the reef not to slide or roll in this sea area.

artificial alga reef; frustum-shaped; structure design; stability; Beibu Bay

S953.1

A

1673-9159（2016）06-0074-07

10.3969/j.issn.1673-9159.2016.06.012

2016-06-07

2016年度广东大学生科技创新培育专项资金立项项目（pdjh2016b0236）；2015年度广东海洋大学“海之帆-起航计划”大学生科技创新培育专项资金项目（hzfqhjhkjfm2015b03）；中央分成海域使用金支出项目（2011-2-2-09-3）；广东省海洋渔业科技推广专项（A201308E02）；广东省科技计划项目（2012B020307006）；广东海洋大学研究生创新计划项目（201606）

贺亮（1990－），男，硕士研究生，研究方向为海洋生境修复与生物资源保护。E-mail:：gdhydxhl1990@foxmail.com

刘丽（1974－），女，教授，研究方向为海洋生物保护及遗传多样性。E-mail：zjouliuli@163.com