南麂列島海域兩種框型人工魚礁水動力性能試驗

葉功照，王 瑩，陳 舜，蕭云樸，俞鴻源,，胡夫祥，尤鑫星，宋偉華

(1 浙江海洋大學水產(chǎn)學院，浙江省海洋漁業(yè)裝備技術(shù)研究重點試驗室，浙江 舟山，316000；2 浙江省平陽縣海洋與漁業(yè)局，浙江 平陽，325400；3 日本東京海洋大學，日本 東京，1080075)

隨著海洋漁業(yè)資源的衰退，海洋牧場作為一種生態(tài)型漁業(yè)增養(yǎng)殖模式是短期內(nèi)恢復漁業(yè)資源的重要舉措[1]。南麂列島是1990年經(jīng)國務院批準建立的中國首批5個國家級海洋自然保護區(qū)之一，漁業(yè)修復實踐已進行了30多年并卓有成效。但經(jīng)過基于計算回波角瞬時圖像技術(shù)的側(cè)掃聲吶技術(shù)(C3D)對南麂列島海域5個海區(qū)人工魚礁的位置及布局、礁體穩(wěn)定性、礁體沉降情況等進行側(cè)掃探測分析，南麂列島所建礁體普遍存在沉陷、移位等現(xiàn)象，建設效果沒有達到預期的目標[2]。對南麂列島所布設的人工魚礁進行相應的水動力性能分析研究很重要[3-4]。

目前，國內(nèi)對于人工魚礁水動力性能的研究方法較常使用的有水槽模型試驗[5-7]、粒子圖像測速水槽試驗[6-8]及數(shù)值模擬試驗[8-13]。水槽模型試驗以其直觀、真實的特點而在國內(nèi)外得到了快速發(fā)展。史紅衛(wèi)等[14]通過水槽試驗對無蓋礁體和有蓋礁體在不同迎流角度下的水動力性能進行對比研究。張碩等[15-16]通過水槽模型試驗對6種不同高度的混凝土魚礁模型的流場特性進行了對比。姜昭陽等[17-18]通過水槽試驗、數(shù)值模擬以及粒子圖像測速技術(shù)對人工魚礁模型各斷面壓力分布、流場效應以及礁體的受力情況進行對比驗證。佐藤修等[19]通過水槽模型試驗研究了4種不同形狀魚礁的水動力性能和其他系數(shù)?？傮w上，對框型人工魚礁在不同迎流角度與迎流速度的水動力性能尚缺乏研究。

利用水槽模型試驗，對傳統(tǒng)的與改良后的兩種框型礁體在不同水流速度和迎流方式時的水動力和安全性能進行比較研究，探討礁體結(jié)構(gòu)的改變對水動力性能的影響，為進一步改良人工魚礁的穩(wěn)定性與防沉陷性能研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗模型

實物礁體有兩種(礁體A和礁體B，見圖1)。

都是以鋼筋混凝土為材料，查詢水力學表糙率為nf=0.014[20-22]。礁體A為邊長3 m的正方形框型魚礁，棱柱寬0.3 m，礁體內(nèi)部加入框架結(jié)構(gòu)，框架棱柱寬0.3 m；礁體B以礁體A為基礎，底部再加高1 m，加高部分棱柱寬0.3 m，各棱柱末端以平板連接，平板長3 m、寬3 m、厚0.2 m，平板中心為1 m×1 m的鏤空，相比礁體A，礁體B既增加了礁體底面積，減緩了礁體淤泥底質(zhì)環(huán)境的沉降速度，同時還增加了礁體高度，可保證沉降過程中礁體的有效高度。

兩種礁體的實物與模型參數(shù)見表1。

表1 兩種礁體的實物與模型參數(shù)

1.2 水槽試驗條件

試驗在東京海洋大學(TUMST)的大型回流水槽中進行。水槽的觀測部長9.0 m、寬2.2 m、水深1.6 m，水流速度可由變速裝置控制，可以在0～3 m/s之間變換。其中，魚礁模型試驗均在中層水域進行，以減弱流體池壁效應與自由表面效應的影響。試驗時采用螺旋式流速計來測量流速，六分力測力儀來測量模型的升力與阻力。圖2為測量系統(tǒng)示意圖。

1.3 研究方法

1.3.1 水槽模型試驗

對A、B兩種礁體模型，測量其在水平方向迎流角度為0°、15°、30°、45°時(圖3)，按照雷諾相似準則計算出0.15、0.20、0.25、0.30、0.35 m/s時的水動力性能。在穩(wěn)定流速時，采集阻力值與升力值。

1.3.2 阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的計算方法

礁體的迎流面積A：

A=P(cosθ+sinθ)

(1)

礁體的阻力系數(shù)Cd：

(2)

礁體的雷諾數(shù)Re：

(3)

式中：A為礁體迎流面積，m2；P為礁體正面迎流時的投影面積，m2；Cd為阻力系數(shù)；F為阻力，N；ρ為海水密度，一般取1 025 kg/m3；u0為海水流速，本試驗中即為水流速度，m/s；Re為雷諾數(shù)；d為特征長度，m；v為運動黏性系數(shù)，m2/s。兩種礁體的實物與模型迎流面積見表2。

表2 兩種礁體的迎流面積

1.3.3 實物礁體作用力計算方法

人工魚礁礁體在一定流速下的流體作用力可分為拖曳力Fd和附加質(zhì)量力Fm兩部分，可以用數(shù)學形式表示成流速與流速導數(shù)的函數(shù)關系。根據(jù)中村充[23]的研究，在無波浪的條件下，礁體所受的作用力F就等于拖曳力Fd：

(4)

式中：Cd為阻力系數(shù)，取礁體在流場中達到自動模型區(qū)時的值，需要從試驗中得出；ρ為海水密度，一般取1 025 kg/m3；A為礁體的迎流面積，m2。計算出的礁體作用力與實際測得作用力比較，根據(jù)中村充的研究[23]，模型礁體所受的作用力FM與實物礁體所受作用力FS的比值與流體密度、迎流面積、海流速度有關：

(5)

式中：ρS為海水密度，一般取1 025 kg/m3；ρM為水槽中的水密度，一般取1 000 kg/m3；AS為實物礁體迎流面積；AM為模型礁體迎流面積，m2；u0S為實物礁體的迎流速度，m/s；u0M為模型礁體的迎流速度，m/s。

1.3.4 礁體安全性校核計算公式

礁體在水流沖擊下不發(fā)生移動，即礁體不滑動，要求礁體與海底接觸面間的靜摩擦力大于流體作用力。靜摩擦力與最大流體作用力的比值稱為抗漂移系數(shù)S，該數(shù)值必須大于1，才能保證礁體不發(fā)生滑動或漂移[24]。

礁體的抗滑移安全性校核計算公式為：

(6)

式中：W為礁體所受重力(N)，其中，礁體A所受重力WA=148 204 N，礁體B所受重力WB=207 288 N；ω0為海水密度，取1 025 kg/m3；σG為魚礁材料密度，取值1 900 kg/m3；μ為魚礁與底質(zhì)摩擦系數(shù)，一般情況下取0.5；F為礁體作用力，由式(3)得出。

礁體在波流作用下不發(fā)生翻滾，這就要求礁體的重力和浮力的合力矩M1大于波流最大作用力矩M2，M2與M1的比值稱為抗傾覆系數(shù)S，該數(shù)值必須大于1，才能保證礁體不發(fā)生傾覆[25-26]。

礁體的抗傾覆安全性校核計算公式為：

(7)

式中：L為翻轉(zhuǎn)中心到礁體中心的水平距離，m；h0為流體作用力的作用高度，m。

吳子岳等[27-28]研究認為，結(jié)構(gòu)簡單且對稱的礁體可假設L為其邊長的1/2，F(xiàn)為礁體作用力由式(3)得出，h0為礁高的1/2。

1.4 試驗數(shù)據(jù)處理

由于水槽試驗中不可避免的會產(chǎn)生一定的誤差，此次水槽試驗采用求取平均值的方法來作為水槽試驗的最終試驗結(jié)果。并將試驗結(jié)果代入式(4)，以求得礁體在不同流速、沖角下的作用力，計算得出抗滑移系數(shù)與抗傾覆系數(shù)。

2 水動力試驗結(jié)果與分析

2.1 礁體阻力與流速的關系

流速是影響礁體所受作用力的重要因素。針對兩種礁體、4種迎流方式，所測得的阻力與流速的關系如圖4與圖5所示。從兩圖中可以看出，不論是模型礁體A還是B，均能反映出人工魚礁模型的水阻力隨著流速增大而增大的規(guī)律，且兩者的變化趨勢基本相同。

當迎流角度為0°、15°、30°、45°時，在5種流速(0.15、0.20、0.25、0.30和0.35 m/s)下，模型礁體B比A的水阻力分別高34.50%～51.49%、29.39%～40.10%、35.96%～43.16%、40.30%～45.06%、25.84%～30.33%，平均高40.95%、33.43%、38.72%、42.49%、27.67%。從平均差值可以看出，兩種模型礁體在迎流速度v=0.35 m/s時阻力差值明顯小于其他迎流速度下的阻力差值。

通過回歸分析，模型礁體A與B的阻力與流速的關系相似，礁體所受阻力與迎流速度的關系呈冪函數(shù)關系。從冪函數(shù)關系式種可以看出，在迎流角為0°、15°、30°、45°時，模型礁體B冪函數(shù)關系式的系數(shù)與指數(shù)都要比A的大；且A與B的冪函數(shù)關系相似，即都在沖角θ=30°時系數(shù)最大，指數(shù)隨沖角遞增而遞減。

2.2 礁體阻力與沖角的關系

沖角也是影響礁體所受作用力的重要因素。針對兩種礁體、5種迎流速度，所測得的阻力與流速的關系如圖6所示。從圖6中能反映出人工魚礁模型的水阻力隨著沖角增大而增大的規(guī)律，這與唐衍力等[29]的研究結(jié)果相似，且兩者所有速度隨沖角的變化趨勢基本相同，即：角度越大上升的斜率越低。無論是哪一種迎流方式，模型礁體B所受阻力都要大于A。

當迎流速度為0.15、0.20、0.25、0.30和0.35 m/s時，在4種迎流角度(0°、15°、30°、45°)下，模型礁體B比A水阻力分別高30.33%～51.49%、27.94%～43.55%、25.84%～41.04%、26.58%～40.30%，平均高42.03%、36.82%、34.22%、33.55%。從平均差值可以看出，兩種模型礁體的阻力差比值隨沖角遞增而遞減。

2.3 礁體阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關系

模型礁體A與B在不同迎流角度下的阻力系數(shù)和雷諾數(shù)關系曲線如圖7所示。

可以發(fā)現(xiàn)兩種模型礁體阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關系在4種迎流方式下都相似。當阻力系數(shù)Cd隨著雷諾數(shù)Re的增加基本保持穩(wěn)定，即可認為進入自動模型區(qū)域[30]。因此，當兩種礁體模型在迎流方式為θ=0°時，模型礁體A的阻力系數(shù)Cd=2.03，B的Cd=2.10，其自動模型區(qū)域為Re>3×104；當兩種礁體模型在迎流方式為θ=15°時，模型礁體A的阻力系數(shù)Cd=2.13，B的Cd=2.13，其自動模型區(qū)域為Re>3.20×104；當兩種礁體模型在迎流方式為θ=30°時，模型礁體A的阻力系數(shù)Cd=2.22，B的Cd=2.22，其自動模型區(qū)域為Re>3.25×104；當兩種礁體模型在迎流方式為θ=45°時，阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)Re的增加在試驗范圍內(nèi)仍處于遞減的趨勢，因此對后三點采用插值法并估計自動模型區(qū)域為Re>4×104，所得模型礁體A的阻力系數(shù)Cd=2.18，B的Cd=2.16。

2.4 礁體的阻力系數(shù)與沖角的關系

模型礁體A和B的阻力系數(shù)與沖角的關系如圖8、圖9所示。

均能反映出阻力系數(shù)隨沖角增大而增大的規(guī)律，但在大部分情況下，當沖角θ>15°后隨著沖角變大，其上升的效率降低，甚至在迎流速度v=0.35 m/s、沖角θ=45°時的阻力系數(shù)比θ=30°時的還要低；在數(shù)值上，各流速下礁體的阻力系數(shù)在沖角15°時差異最小，在沖角θ=45°時數(shù)值差異最大。

3 實物礁體安全性能校核

3.1 礁體作用力計算

將模型礁體A和B通過試驗所測得的在迎流速度v= 0.35 m/s時的阻力值與實物礁體的計算阻力值、沖角在0°、15°、30°、45°時的結(jié)果進行比較(表3)，可以發(fā)現(xiàn)兩種礁體的實際阻力值小于計算阻力值。模型礁體A的相對誤差小于3%，差異不大；模型礁體B的相對誤差約6%，差異較大。

表3 兩種模型礁體的試驗阻力與計算阻力結(jié)果比較

3.2 礁體抗滑移的安全性分析

實物礁體A、B的抗滑移系數(shù)計算結(jié)果見表4、表5?？梢园l(fā)現(xiàn)，礁體A與礁體B在實際沖角0～45°之間、海水流速≤3節(jié)時，S值均遠>1.2，是相當安全的[31]；當海水流速=4節(jié)、沖角≥30°時，1

表4 實物礁體A抗滑移系數(shù)

表5 實物礁體B抗滑移系數(shù)

3.3 礁體抗傾覆安全性分析

實物礁體A和B的抗傾覆系數(shù)計算結(jié)果見表6、表7?？梢钥闯觯瑑烧呔从吵隹箖A覆系數(shù)隨著沖角增大而增大的規(guī)律，但由于抗傾覆系數(shù)皆大于1.2，因此可以判斷，礁體A、B在此海域不會發(fā)生傾覆。

表6 實物礁體A抗傾覆系數(shù)

表7 實物礁體B抗傾覆系數(shù)

4 結(jié)論

通過水槽試驗和安全性分析，探究框架型人工魚礁的水動力性能。在礁體高度增加40%及底部結(jié)構(gòu)改變的情況下，兩種礁體的阻力系數(shù)在相同雷諾數(shù)時相似；兩種礁體在不同工況的阻力均與流速呈冪函數(shù)關系；低流速時阻力系數(shù)隨沖角增加而增加，可能是超過一定流速、沖角時，形狀對阻力的影響超過了黏性對阻力的影響，這還需進一步研究。改良后礁體抗滑移、抗傾覆能力與改良前相似，但底部結(jié)構(gòu)的改變，使得改良后礁體的防沉陷性能更加突出，達到了改良的目的。但是，底部結(jié)構(gòu)與礁高的改變是否會帶來流場效應的改變，尚未研究，今后將使用數(shù)值模擬相關軟件進行比較研究。

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