基于莱州湾浅层海床土工特性的方形人工鱼礁场址适宜性研究❋

李安龙，耿天成，徐兴雨，郭席君，王盼盼，徐继尚

(1.中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东 青岛 266100；2.中国海洋大学海洋地球科学学院，山东 青岛 266100；3.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司技术检测中心，山东 东营 257000；4.中国建筑第二工程局西南分公司，湖南 岳阳 414000)

方形混凝土人工鱼礁具有空间利用率高、耐腐蚀、微生物附着强、结构简单、便于施工等特点[1]，是近海常用的人工鱼礁类型，它与海洋平台、海底管道等构筑物明显不同的是鱼礁投放时可能是单体礁坐落海底，也可能是多个单体方形礁堆叠而成，它的在位稳定强烈依赖于表层海床地基的土工特性。进行基于浅层海床土工特性的鱼礁场址适宜性研究对它的长期有效使用具有重要的现实意义。

近年来，受捕捞强度过大、海岸带过度开发以及海洋生物产息地破坏的影响，中国海洋生态出现系统的退化和海洋渔业资源的进一步衰竭，而有计划投放人工鱼礁构筑“海底森林”则可阻止拖网全海底捕捞，修复海洋生态环境；也能为海洋鱼类和贝类提供产栖场所，增加渔业修复能力和提高生产力[2-5]，将人工鱼礁用于海洋生境的修复已被越来越多的人接受。研究表明，人工鱼礁的投放场所受多种因素的控制，比如海洋功能区划、海洋生物资源量、海洋环境条件、海底底质环境等，最初的人工鱼礁选址主要根据海洋牧场污染现状、海洋生物、营养盐、流场等各种水文、理化指标和生物指标[6-15]，提出基于生物资源分布的选址原则。但中国近海海床大部分以海相泥质沉积为主[16-19]，泥质沉积物往往具有高含水量、高压缩性、低强度、易液化的特征，这可能造成礁体全部埋入海底泥面之下，导致海洋牧场建设失败。失败的教训引起研究者的重视，李文涛[2]等提出了有浅层细砂覆盖的硬质底质是投放人工鱼礁的理想场所；罗含思[20]等利用海底沉积物柱状样的土工试验探究了浙江嵊泗马鞍列岛人工鱼礁区底质承载力的分布特性；陈勇康[21]等根据珠海万山海域的基础资料计算了投礁海域底质的承载力，计算了三种类型人工鱼礁投放后的沉降量；王伟定[22]等利用底质调查资料，计算了浙江沿岸休闲生态型人工鱼礁初选点的地基承载力。对拟投放海域进行前期底质调查，选择具有足够稳定的海底进行投放已逐渐形成共识。足够稳定的海底是由海床地基承载力、沉降量和液化可能性三种因素决定，只考虑单一因素也可能带来不希望的后果。因此在前人研究的基础上，本文拟根据渤海莱州湾海床土工调查成果综合考虑三种因素来探讨不同海底方型人工鱼礁的适宜性，并探讨基于浅层海床土工参数的多因素选址适宜性分区原则，为后续的人工鱼礁的选址工作提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

莱州湾位于渤海南部，是由黄河入海口与龙口屺姆岛之间连线围进来的半封闭型海湾(见图1)，著名的郯-庐大断裂带从海湾中部呈NE向顺湾穿过，将海湾分割成两个不同的构造单元，西侧为沉降带，有黄河、小清河、白浪河、弥河、潍河等多条河流注入，第四系沉积物很厚，海岸类型为粉砂淤泥质海岸，潮滩宽阔。东侧为隆起带，较大的河流为胶莱河和沙河，第四系沉积物很薄，只有数米至数十米，海岸类型为山地海岸，海滩较窄[23]。由于河流泥沙堆积，湾内水深大部分在10 m以内，等深线浅水区平行于岸线，深水区转向与湾口平行。湾内物源东西侧差异较大，海床地基的土工性质空间差异性明显。

图1 研究区域和取样站位图

莱州湾属暖温带季风区半湿润大陆性气候，冬季盛行偏北风，夏季盛行偏南风。受季风影响，湾内波浪主要为风浪，在近岸浅水区，不同位置海岸形状不同，水深地形各异，波浪状况也有差别。莱州湾常浪向为NE向，次常浪向为NNE向，强浪向为NE向。湾内潮差由湾顶向湾口逐渐减小，东岸小，西岸大，最大可能潮差2.2 m。潮汐以不正规混合半日潮为主，潮流以不正规半日潮流为主。

1.2 数据来源与研究方法

1.2.1 数据来源 本研究的分析数据一部分利用了本项目组进行该区人工鱼礁选址调查的钻孔数据，获得了海底下10 m以浅地层的含水量、密度、压缩模量、抗剪强度等物理力学参数；一部分利用“908项目”在莱州湾取得的422个表层沉积物样品，其中70个箱式样品进行了现场含水量、天然密度、十字板剪切及微型贯入测试，室内进行了液塑限试验，通过换算得到表层沉积物的强度参数，其余352个样品利用Mastersizer 2000(英国产)进行了粒度实验，依据《海洋调查规范第11部分海洋工程地质调查》[24]，对莱州湾沉积物进行定名和分类。另外，从已发表的硕士论文、文献[25-32]和全国重要地质钻孔数据库服务平台[33]收集到几个钻孔资料，获得压缩模量和标贯击数等计算所需要的数据；莱州湾中部的钻孔数据较少，本次研究通过908项目获得的3.5 kHz浅剖资料解译并根据钻孔资料推算了浅部地层的力学参数。以上所有分析数据的取样站位见图1。

1.2.2 地基承载力计算方法 对于已有钻孔资料，如果是粘性土，利用采用Skempton公式求其极限承载力，公式为：

(1)

式中：c为地基土的内聚力(kPa)；b为基础宽度(m)；L为基础长度(m)；d为基础埋深(m)；γ为地基土的重度(kN/m3)；c为地基土的粘聚力。

对于单个人工混凝土方礁(见图2)，b=l=2 m，如果预计下沉0.4 m，计算时将各孔内聚力c值代入公式计算得到Pu，取安全系数k=1.5，得到地基承载力fk。斯凯普顿公式只限于φ=0°的饱和软土地基和浅基础。将各钻孔物理力学参数编入Excel表格，利用函数即可求出各孔的地基承载力值。

图2 2 m×2 m×2 m规格的方形混凝土人工鱼礁

如果是砂性土，则采取Terzaghi公式求其承载力，公式为：

(2)

式中：ck、φk为分别为基础下一倍基础宽度的深度范围内土的粘聚力(kPa)和内摩擦角(°)标准值；ξc、ξd、ξb为基础形状系数，按表1确定。

表1 基础形状系数表

计算时将各孔c和φk值代入公式(2)计算得到Pu，取安全系数k=3.5，得到地基承载力fk。

对于表层样进行了微型贯入仪(沈阳产)试验的，按照表2进行地基承载力换算。对于有各层位标贯击数的钻孔，参照《建筑地基检测技术规范》中标准贯入锤击数与地基承载力特征值的关系[34]换算成地基承载力标准值。

表2 贯入阻力换算数据表

1.2.3 沉降量计算方法 方型混凝土人工鱼礁是常用的鱼礁类型(见图2)，2 m×2 m×2 m单个鱼礁重量4.3 t，水下重量则为2.61 t，基底接触面积为2.87 m2，忽略鱼礁下沉深度，按矩形面积、中心荷载计算此基础在陆地上产生的基底附加压力约为15 kPa，在水下产生的基底附加压力约为10 kPa。投放鱼礁时有可能是1～5个礁体叠置，按平均3层计算，水下则产生30 kPa基底附加压力。根据不同的海床表层土层类型，计算地基土的自重应力和附加应力，确定鱼礁的受压地层深度，由于海底大部分区域为软土，受压土层深度按0.1倍自重应力计算，然后再分层，最后按《建筑地基基础设计规范》[35]的分层总和法计算此类鱼礁在莱州湾不同位置时发生的沉降量。以ZK15的土工参数为例，利用上述方法得出ZK15孔处受压土层范围内方形混凝土人工鱼礁沉降量(见表3)达到459.31 mm。其它站位沉降量计算依此类推。

表3 利用分层总和法计算ZK15沉降量计算表

1.2.4 液化判别 莱州湾海底砂土液化的外力可能来自于波浪和地震，对于波浪作用下的液化，刘晓瑜[36]的研究表明，在50年一遇的波浪作用下表层为粉土或者砂土的地层液化深度为1.5 m以浅的土层。根据已有的工程实践，莱州湾底质为粉土或者细砂的区域都视为可液化地层，极端天气波浪作用下液化深度小于1.0 m。对于塑性指数IP>10的黏性土则不考虑波浪液化。地震作用下的液化判定可根据《建筑抗震设计规范》中的规定用原位标贯试验击数进行判定[37]。

2 研究结果

2.1 底质分布

根据各站位土工试验数据，按照《海洋调查规范第11部分海洋工程地质调查》给表层土体进行定名，绘制底质类型平面分布图(见图3)，结果显示莱州湾内由细到粗分布有淤泥、淤泥质黏土、黏土、粉土、粉砂和细砂。从可以看出，细砂、粉砂和粉土主要分布在近岸区域和莱州浅滩区，而淤泥和淤泥质黏土呈扇形展布于黄河口外和水深大于14 m的深水区，莱州刁龙嘴湾内亦有分布。黏土分布于莱州湾中部的粉土和淤泥质黏土的过渡区。从各钻孔柱状图与浅地层剖面图上发现研究区10 m以浅地层可分为三层，莱州湾西岸第一层为砂质粉土，厚度0～2.0 m，向海变薄至尖灭，第二层为粉质黏土与粉土互层，厚度5 m左右，变化稳定，第三层为粉土层(见图4(a))，标贯击数9～17击；莱州湾南岸第一层为粉砂，表层呈流塑状态，向下为稍密-中密状态，厚度0～2.5 m，向海变薄至尖灭，第二层为粉质黏土与粉土互层，近岸厚度4.5 m，向海尖灭(见图4(b))。东岸第一层为淤泥质粉土，向海变厚，层厚0.4～2.7 m，第二层为粉土，松散-稍密，土质不均匀，层厚0.30～4.50 m，第三层为粉质黏土夹粉土(见图4(c))，可塑。各自代表浅地层剖面如图1所示。莱州湾中部的3.5 kHz上显示第一层土声学同相轴反射连续，层理清晰，根据其声学反射特征(见图5)和箱式取样器分析结果判定为淤泥质粉质黏土，厚度2.7 m左右，第二层同相轴连续性差，声穿透弱，说明底质较硬，与附近钻孔对比分析为粉质黏土与粉土互层沉积，第三层同相轴连续性极差，声穿透很弱，与附近钻孔对比分析为细砂沉积。

图3 莱州湾底质分布图

图4 莱州湾西岸(a)、南岸(b)和东岸(c)典型浅地层剖面解译图

图5 莱州湾中部d测线3.5 kHz典型声学反射图像

2.2 地基承载力计算结果

根据本文的地基承载力计算方法，莱州湾地基承载力在20～136 kPa之间，地基承载力的大小与底质类型密切相关，其中细砂、粉砂较高，地基承载力值大于50 kPa，而淤泥、淤泥质黏土地基承载力值低于30 kPa，黏土和粉土承载力值介于二者之间。其平面分布结果如图6所示。从图上可以看出，莱州湾水深小于7 m的近岸区、从刁龙嘴到龙口市海域地基承载力普遍大于40 kPa，承载力小于40 kPa的区域主要分布在现代黄河三角洲影响的大片范围内，其中位于黄河大嘴呈扇形的海域地基承载力小于30 kPa。

图6 莱州湾地基承载力分布图(单位：kPa)

2.3 沉降估算结果

利用收集的钻孔数据，根据本文的地基沉降计算方法计算出所有孔位处的沉降量如图7所示。从图7可以看出地基沉降量在178～834 mm之间，沉降量的大小也与底质类型密切相关，其中细砂、粉砂地基沉降量较小，而淤泥、淤泥质黏土地基沉降量较大。按上述钻孔绘制莱州湾方形混凝土鱼礁的沉降量分布图(见图8)，从图可以看出沉降量大于400 mm的区域主要分布在黄河大嘴外的扇形区域和刁龙嘴西南的小海湾内，最大沉降量可达834.12 mm，位于黄河大嘴西南海域。以现代黄河三角洲为中心向四周扩散延伸，人工鱼礁的沉降量逐渐减小。莱州湾西南沿岸海域人工鱼礁沉降量较小，莱州湾东岸除刁龙嘴至海北嘴向北延伸的区域沉降量较小之外，其他区域沉降量较大。

图7 方形混凝土人工鱼礁沉降量统计图

图8 方形混凝土人工鱼礁沉降分布图

2.4 液化判别结果

人工鱼礁是一种浅层地基，对海底表层1～2 m内的土层液化是比较敏感的，进行液化判别最好是2 m以浅地层的标贯击数，但大多数工程勘察针对深基础类型或者为地质钻探兼顾工程性质的钻孔，标贯试验都是从2 m以下地层开始的。本项目组在莱州湾内进行过多次工程地质钻探取样和原位标贯试验，根据工作经验，莱州湾从近岸到深水区的表层1 m以浅的标贯试验击数在0～4之间，底质为粉土、粉砂和细砂的大部分地区7度及以上地震作用下判别为可液化地层，液化程度轻微到中等，没有严重液化区域；波浪作用下在8 m水深以浅海床液化深度为0.6～1.0 m。1 m以下地层标贯击数区域差异很大，在莱州湾东部可达10击以上，7度地震作用下判别为不液化，南部标贯击数6～15击，也判别为不液化，西部标贯击数4～11击，部分地区判别为液化，液化程度为轻微至中等。

3 分析与讨论

3.1 影响方形人工鱼礁在位稳定性的因素

根据《人工鱼礁建设技术规范》[38]人工鱼礁建设技术规范，底质承载力小于40 kPa，淤泥层厚度大于60 cm时将不考虑投礁。淤泥层通常是由承载力极低的粉质黏土组成，这类土质具有含水量高，压缩性大，抗剪强度低的特点，这样的海床投放鱼礁后会引起较大的沉降，最后导致鱼礁失效。根据已有的人工鱼礁建设实践，沉降有四种形式，一是在鱼礁投放后因海床承载力不够直接沉入泥面以下；另一种形式是海床承载力尚可，投放鱼礁后不会马上沉降，但在鱼礁的附加应力作用下发生缓慢沉陷；第三种情况是海床底质是由容易液化的粉土、粉砂或者细砂组成，这种底质承载力足够，在一般波浪作用和7度以下地震作用下鱼礁能够保持稳定，但遇到风暴潮[39-41]或者极端恶劣天气产生大风浪[42]或7度以上地震作用下，导致海床液化[43-44]，承载力下降导致鱼礁沉陷进入地层之中。第四种情况是底质较软，投礁后会产生沉降，而在波浪作用下，又发生一定量的液化沉陷，如果沉降量与液化沉陷量超过600 mm，投放鱼礁也会失效。综上所述，影响鱼礁在位稳定性的内部因素就是底质土体类型与力学性质，外部条件主要为极端天气下的波浪作用或者超过7度及以上的地震作用。

3.2 方形人工鱼礁适宜性分区原则

从以上影响因素分析中可以看出，进行方形人工鱼礁的选址首先考虑地基承载力问题，本文按照室内力学性质指标和原位测试方法计算了整个莱州湾内海床地基土的承载力。根据承载力的标准将莱州湾浅层海床适宜性为四级(见表4)，即Ⅰ-适宜区，地基承载力≥150 kPa的土体大部分为晚更世以前沉积的土，由于经过了较长时间的固结压实，具有较小的沉降量和非液化可能性；Ⅱ-一般适宜区，地基承载力在150～40 kPa之间，这部分土体可能为晚更世至全新世沉积的土体，可能完成正常固结，如果是砂土和粉土，仍存在液化可能性，如果是黏性土，在上覆荷载下仍会发生一定量的沉降；Ⅲ-不适宜区，地基承载力在40～15 kPa之间，这部分土体可能为全新世以来新近沉积的粉土和淤泥质黏土，土体没有完全固结，虽满足投放单个方形鱼礁所需要的地基承载力，但可能存在较大的沉降量，或者液化，Ⅳ-极不适宜区，地基承载力<15 kPa，这部分土体可能为全新世以来新近沉积的淤泥质黏土，土体没有完全固结，单个方形鱼礁所需要的地基承载力也满足不了，投下即沉。15 kPa是单个方形鱼礁稳定的基本条件，所以定为极不适宜性的界限。其次考虑鱼礁的沉降，本文根据方形人工鱼礁的基础类型，利用分层总和法计算了鱼礁在不同海床上的沉降量，根据沉降量的大小可将莱州湾海床分为四种适宜性(见表4)：沉降量小于400 mm定为Ⅰ-适宜区，鱼礁下沉400 mm相当于基础埋深，此时鱼礁稳定性好；Ⅱ-一般适宜区，沉降量在400～600 mm之间，2 m高的鱼礁大部分位于泥面以上，能得到基本的空方量；Ⅲ-不适宜区，沉降量在600～800 mm之间，只有一半位于泥面以上，这种海床大多数以淤泥质粉质黏土为主，投礁空方量得不到保证，可能通过利用轻型材料或者改变鱼礁形状增加基底接触面积来建设，这将增加投资量；Ⅳ-极不适宜区，沉降量大于800 mm，会导致得不到投礁空方量。第三需要考虑投礁后的液化沉陷，由细砂、粉砂和粉土组成的底床，在波浪的长期作用下容易液化，液化深度超过了600 mm，这种底质也上不符合投礁条件的。因此，根据液化深度(即液化沉陷量)的大小同时考虑鱼礁的沉降将莱州湾海床分为四种适宜性(见表4)：Ⅰ-适宜区(液化深度小于200 mm)，Ⅱ-一般适宜区(液化深度在200～400 mm之间)，Ⅲ-不适宜区(液化深度在400～600 mm之间)，Ⅳ-极不适宜区(液化深度大于600 mm)。

表4 地基承载力、地基沉降量和液化沉陷量分级表

基于以上分析，根据地基承载力、沉降量和底床液化深度对方形人工鱼礁场址适宜性提出一种量化分区原则：(1)Ⅰ-适宜区：地基承载力大于150 kPa；(2)Ⅱ-一般适宜区，地基承载力在150～60 kPa之间，沉降量和液化深度之和≤600 mm。根据底质类型细分为两个亚区Ⅱ1和Ⅱ2，Ⅱ1亚区底质类型为粉砂或粉土，沉降量小，但是会发生液化沉陷。Ⅱ2亚区底质类型为粉质黏土，不会发生液化沉陷，但是沉降量大；(3)Ⅲ-一般不适宜区，地基承载力在60～40 kPa之间，沉降量和液化深度之和在600～800 mm。根据底质类型细分为两个亚区Ⅲ1、Ⅱ2和Ⅲ3，Ⅲ1亚区底质类型为粉土，不发生液化，但是沉降量大；Ⅲ2亚区底质类型为粉砂或粉土，沉降量小，但是会发生液化沉陷。Ⅲ3亚区底质类型为粉土和黏土，既会液化，也发生沉降。一般不适宜区可通过改变鱼礁布局成为一般适宜区。Ⅳ-极不适宜区，地基承载力小于40 kPa，沉降量和液化深度之和大于800 mm，一般不能通过其他方式进行处理。根据底质类型细分为Ⅳ1和Ⅳ2两个亚区，Ⅳ1亚区底质类型为淤泥质黏土和淤泥，土体处于软塑-流塑状态，地基承载力极低，投礁后可能会立即沉陷。Ⅳ2亚区底质类型为粉土和黏土，地基承载力低，沉降量大，投礁后可能会逐渐沉陷。

3.3 适宜性分区

根据上述分区原则，按方形人工鱼礁将莱州湾划分为四个区域，Ⅰ为适宜区，Ⅱ为一般适宜区；Ⅲ为一般不适宜区；Ⅳ为极不适宜区，分布见图9。适宜区分布在6 m以浅的莱州湾西南至南部，包括莱州浅滩在内的范围内；一般适宜区分布在8 m以浅的莱州湾西南至南部和莱州浅滩西侧-屺姆岛之间南北走向的范围内，根据底质土工性质又分为Ⅱ1和Ⅱ2两个亚区；一般不适宜区主要分布在莱州浅滩以西及北和屺姆岛以北水深大于8 m的海域，根据底质土工性质又分为Ⅲ1、Ⅲ2和Ⅲ3三个亚区；极不适宜区呈扇形分布于黄河大嘴外和莱州湾中部水深大于14 m的大部分海底。

图9 莱州湾人工鱼礁选址适宜性分区图

4 结论

根据现场调查和分析讨论结果，得出以下结论：

(1)莱州湾表层海床平面上存在淤泥、淤泥质黏土、黏土、粉土、粉砂和细砂六种工程土类型，10 m以浅垂向地层上可分为三层结构，第一层土体地基承载力值在20～136 kPa之间，地基沉降量在178～834 mm之间，7度及以上地震作用和极端天气的波浪作用下地基土的液化深度小于2 m。

(2)进行方形人工鱼礁的选址必须考虑浅表层底床的土工特性，至少包括地基承载力、沉降量和地基液化三个影响因子。

(3)根据莱州湾海域的底质类型、浅表层底床地基承载力、人工鱼礁荷载下的地基沉降量和波浪作用下的液化深度，将莱州湾划分为四类区域，即适宜区、一般适宜区、一般不适宜区和极不适宜区。水深8 m以浅的西南至南部范围和莱州浅滩以西及北和屺姆岛以北的海域投放方形人工鱼礁是比较适宜的，黄河大嘴外水深10 m以浅的区域和莱州湾中部水深大于8 m的大部分海底不适宜投放方形人工鱼礁。

致谢：感谢中国海洋大学朱龙海教授为本论文提供了宝贵的部分钻孔资料！感谢自然资源部第一海洋研究所的徐元芹研究员提供了研究区的部分样品分析数据！