不同布置類型人造牡蠣礁抗浪穩(wěn)定性評(píng)估方法研究

倪 博，魯?shù)义|，員 鵬，董偉良

（1.樂(lè)清市交通水利投資集團(tuán)有限公司，浙江 樂(lè)清 325600；2.浙江省錢塘江流域中心，浙江 杭州 310016；3.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310017；4.浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310017）

0 引 言

牡蠣礁是一類由大量牡蠣聚集生長(zhǎng)而形成的生物礁體系統(tǒng)，具有高效凈化水質(zhì)、埋藏大量藍(lán)碳、提供魚(yú)類育幼場(chǎng)、減輕海洋災(zāi)害損失等重要生態(tài)服務(wù)功能[1-3]。近幾十年來(lái)，美國(guó)、澳大利亞以及歐洲國(guó)家實(shí)施了大量的牡蠣礁修復(fù)項(xiàng)目。自2000年以來(lái)，美國(guó)平均每年修復(fù)的牡蠣礁體面積達(dá)190 hm2[4]。澳大利亞已實(shí)施十余個(gè)牡蠣礁修復(fù)項(xiàng)目，幾乎覆蓋全境[5]。在認(rèn)識(shí)到牡蠣礁的多種重要生態(tài)服務(wù)功能后，我國(guó)也積極推動(dòng)牡蠣礁修復(fù)工作。中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)院東海水產(chǎn)研究所率先啟動(dòng)長(zhǎng)江口牡蠣礁生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)項(xiàng)目，構(gòu)造長(zhǎng)達(dá)147 km，面積約75 km2的人工牡蠣礁體[6]。2013—2019年，江蘇小廟洪、天津大神堂和三門(mén)灣健跳港分別完成牡蠣礁修復(fù)[7]。近年來(lái)，全國(guó)海岸帶保護(hù)修復(fù)工程和浙江省海塘安瀾千億工程均提出鼓勵(lì)通過(guò)牡蠣礁修復(fù)開(kāi)展海堤生態(tài)化建設(shè)，進(jìn)一步推動(dòng)了牡蠣礁修復(fù)工作。

浙江沿海多為粉砂淤泥質(zhì)海岸，在實(shí)施牡蠣礁修復(fù)時(shí)極易受波浪作用產(chǎn)生傾覆，致使礁體構(gòu)建失敗。目前，國(guó)內(nèi)外尚未有針對(duì)牡蠣礁體安全穩(wěn)定性評(píng)估的技術(shù)方法或規(guī)程規(guī)范。本文以舟山市六橫大岙鹽沼修復(fù)及海堤生態(tài)化建設(shè)工程的人造牡蠣礁為研究對(duì)象，根據(jù)人造牡蠣礁布置方式進(jìn)行分類，針對(duì)每種類型礁體開(kāi)展波浪試驗(yàn)研究，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果提出不同布置類型人造牡蠣礁體的穩(wěn)定性評(píng)估方法，并利用六橫大岙鹽沼修復(fù)項(xiàng)目中的牡蠣礁體進(jìn)行檢驗(yàn)。該研究對(duì)于其他人造牡蠣礁體抗浪穩(wěn)定性分析具有重要指導(dǎo)意義。

1 工程概況

舟山市六橫大岙鹽沼修復(fù)及海堤生態(tài)化建設(shè)工程位于舟山市六橫島東北部，大岙客運(yùn)碼頭南側(cè)。2020 年7月，項(xiàng)目成功納入中央重點(diǎn)生態(tài)保護(hù)修復(fù)資金項(xiàng)目庫(kù)并獲得中央財(cái)政支持。工程建設(shè)內(nèi)容主要為牡蠣礁修復(fù)、鹽沼濕地修復(fù)、海堤生態(tài)化建設(shè)等。其中牡蠣礁修復(fù)區(qū)域面積約3.74 hm2，修復(fù)礁體類型包括樹(shù)形牡蠣礁和異形牡蠣礁（見(jiàn)圖1）。

圖1 工程平面布置圖

樹(shù)形牡蠣礁體布置于南側(cè)岸線，總長(zhǎng)100.0 m，寬5.0 m，總面積500 m2。礁群內(nèi)布設(shè)樹(shù)形礁體3排，單個(gè)樹(shù)形礁體按間距（相鄰2個(gè)樹(shù)形礁體的頂面圓心距）2.5 m排列。南部鹽沼修復(fù)區(qū)外側(cè)高程約0.40 m，樹(shù)形牡蠣礁高度為4.0 m，下部3.0 m插入淤泥內(nèi)，控制樹(shù)形牡蠣礁整體高程為+1.00 m。異型牡蠣礁體沿海堤向海側(cè)0 m等深線呈條狀間斷布置，單個(gè)礁群長(zhǎng)度為20.0 m，寬度為5.0 m，礁群間距為10.0 m。每個(gè)牡蠣礁群由751個(gè)單體牡蠣礁體分2層組成，單體牡蠣礁之間緊密布置，為后期牡蠣等底棲生物的附著與棲息提供良好基礎(chǔ)條件。異形牡蠣礁總長(zhǎng)約200.0 m，寬5.0 m，總面積約1 000 m2。

樹(shù)形和異形礁體均用混凝土澆筑，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。單個(gè)樹(shù)形礁體直徑約0.4 m，高度4.0 m，由半球體、圓臺(tái)和圓柱體3部分組成。圓柱體最上端（露出地面部分）分為6層，每層各有3個(gè)橫向分支，每個(gè)分支半徑為7.5 cm，長(zhǎng)度0.3 m，單層的3個(gè)分支互為120°角排列，每層的分支錯(cuò)落排列。單個(gè)異形礁體外壁尺寸為0.5 m×0.5 m×0.5 m，壁厚0.08 m，礁體頂部有開(kāi)口，開(kāi)口尺寸為0.1 m×0.2 m（深度×寬度）。

圖2 樹(shù)形和異形牡蠣礁結(jié)構(gòu)圖 單位：mm

2 評(píng)估方法

目前尚無(wú)明確針對(duì)人造牡蠣礁波浪作用下的穩(wěn)定性評(píng)估方法。本文研究認(rèn)為人造牡蠣礁根據(jù)施工布置方式不同主要可以分為安放式和插入式2種，如舟山市六橫大岙鹽沼修復(fù)及海堤生態(tài)化建設(shè)工程中的異型牡蠣礁屬于安放式人造牡蠣礁，而樹(shù)形牡蠣礁則屬于插入式人造牡蠣礁。

2.1 安放式人造牡蠣礁

安放式人造牡蠣礁形態(tài)多為異型塊體，通過(guò)機(jī)械設(shè)備將人造牡蠣礁吊放至指定海床位置，波浪作用下主要通過(guò)自身重量來(lái)維持穩(wěn)定性，一般以穩(wěn)定重量作為穩(wěn)定性的評(píng)估方法，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，目前暫未有明確公式來(lái)直接計(jì)算該類型人造牡蠣礁體的穩(wěn)定性。本文研究認(rèn)為，安放式人造牡蠣礁和海堤迎浪面護(hù)面塊體的穩(wěn)定類型基本一致，可以參考護(hù)面塊體穩(wěn)定性的研究方法，直接通過(guò)波浪模型試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行穩(wěn)定性判定。同時(shí)針對(duì)具體人造牡蠣礁的結(jié)構(gòu)，根據(jù)系列試驗(yàn)結(jié)果提出相關(guān)人造牡蠣礁的穩(wěn)定重量計(jì)算公式，以此來(lái)評(píng)估安放式人造牡蠣礁的穩(wěn)定性。

2.2 插入式人造牡蠣礁

插入式人造牡蠣礁形態(tài)多為柱狀，通過(guò)人工或設(shè)備將部分礁體插入土體中，波浪作用下主要靠土體和部分自身結(jié)構(gòu)重量來(lái)維持穩(wěn)定性。但由于插入式人造牡蠣礁的穩(wěn)定性涉及土體作用，一般以安全系數(shù)作為穩(wěn)定性的評(píng)估方法，與安放式人造牡蠣礁相比，其穩(wěn)定性計(jì)算方法更為復(fù)雜且目前尚未明確。本文研究認(rèn)為，插入式人造牡蠣礁形態(tài)以柱狀為主，在主桿的基礎(chǔ)上再增加橫向柱狀結(jié)構(gòu)，該類型結(jié)構(gòu)和樁基結(jié)構(gòu)較相似，其穩(wěn)定性計(jì)算方法可以參考樁基結(jié)構(gòu)，通過(guò)人造牡蠣礁所受的最大波浪力和土體提供的最大傾覆力關(guān)系，來(lái)判斷插入式人造牡蠣礁的穩(wěn)定性。主要分為3個(gè)計(jì)算過(guò)程：

1）對(duì)于簡(jiǎn)單的插入式人造牡蠣礁，當(dāng)波浪不發(fā)生破碎時(shí)，波浪力計(jì)算可參考Morison公式；當(dāng)插入式人造牡蠣礁位于淺水破波區(qū)，作用于插入式人造牡蠣礁的最大破波力可按照J(rèn)TS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》中10.3.9規(guī)定進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，海況類型不易判斷時(shí)，建議采用物理模型試驗(yàn)進(jìn)行人造牡蠣礁波浪力的測(cè)量。

2）根據(jù)土力學(xué)原理，傾覆穩(wěn)定計(jì)算方法是：假定插入式人造牡蠣礁在波浪力作用下繞礁趾傾覆，求出波浪力對(duì)礁趾的傾覆力矩和土體對(duì)礁趾的抗傾覆力矩，定義前者與后者之比為抗傾覆力穩(wěn)定安全系數(shù)。

3）利用波浪對(duì)插入式人造牡蠣礁產(chǎn)生的傾覆力矩和土體產(chǎn)生的抗傾覆力矩，計(jì)算出人造牡蠣礁的抗傾覆力穩(wěn)定系數(shù)，再與人造牡蠣礁抗傾覆穩(wěn)定安全閾值進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)計(jì)算的抗傾覆力穩(wěn)定安全系數(shù)大于穩(wěn)定安全閾值時(shí)，則插入式人造牡蠣礁穩(wěn)定性良好。

3 波浪試驗(yàn)

3.1 模型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在不規(guī)則波水槽中進(jìn)行。水槽長(zhǎng)70.0 m，寬1.2 m，高1.7 m，首端采用伺服電機(jī)造波機(jī)系統(tǒng)。為消除波浪反射，在水槽末設(shè)置1:7的消波灘，灘上裝有格柵及浮動(dòng)泡沫板，借以吸收波浪能量。消波設(shè)施性能良好，基本上能消除反射波。水槽試驗(yàn)段分割成0.5 m和0.7 m兩部分，前者用來(lái)安放模型斷面和進(jìn)行模型試驗(yàn)，后者用于擴(kuò)散造波板的二次反射波。試驗(yàn)采用的不規(guī)則波浪譜為JONSWAP譜，波高數(shù)據(jù)采用電容式波高儀量測(cè)，最大量程和量測(cè)信號(hào)均通過(guò)計(jì)算機(jī)采集、記錄和分析，采樣時(shí)間間隔為0.05 s?？紤]人造牡蠣礁體高度、波浪要素、水深及水槽尺寸等因素，采用模型比尺為1:10。

插入式牡蠣礁采用尼龍棒進(jìn)行制作，模型具有足夠的剛度和平直度，且質(zhì)量較輕、方便安裝。模型的結(jié)構(gòu)尺度嚴(yán)格根據(jù)原型的結(jié)構(gòu)型式通過(guò)相似比尺轉(zhuǎn)換得到，模型制作完成后需進(jìn)行多次校核，模型幾何尺度的允許偏差不超過(guò)±1%。

安放式牡蠣礁體按重力相似和幾何相似，采用混凝土一體澆筑進(jìn)行模擬。模型垂直安放，礁體底部略高于地面，保證牡蠣礁結(jié)構(gòu)在波浪作用下僅與總力傳感器接觸。牡蠣礁在水平方向上連接總力儀，總力儀經(jīng)配套螺桿固定在后方槽鋼做成的測(cè)力架上，測(cè)力架采用槽鋼加固與地面連接，以確保整個(gè)測(cè)力系統(tǒng)具備足夠的剛度和整體穩(wěn)定性。

3.2 試驗(yàn)組次

針對(duì)不同類型牡蠣礁的礁體，研究不同水位條件下牡蠣礁體受力和穩(wěn)定性情況（見(jiàn)表1）。

表1 人造牡蠣礁波浪試驗(yàn)參數(shù)表

4 評(píng)估結(jié)果

4.1 安放式人造牡蠣礁的穩(wěn)定性

安放式人造牡蠣礁通過(guò)波浪物理模型可以直接評(píng)估其自身穩(wěn)定性，不同潮位下異型礁體受波浪的作用情況見(jiàn)圖3。海堤外側(cè)0 m等深線處波高較大，根據(jù)波浪數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果可知，不同潮位條件下20 a一遇波浪在0 m等深線處均破碎。在試驗(yàn)中觀察到，由于安放式牡蠣礁的存在，該處波浪破碎更加劇烈，潮位越低，波浪在牡蠣礁處破碎越劇烈。平面上異形牡蠣礁緊密布置在一起，上下層牡蠣礁通過(guò)凹凸面卡緊，在不同潮位組合20 a一遇波浪作用下，安放式牡蠣礁體整體穩(wěn)定性良好。

圖3 不同潮位條件下安放式牡蠣礁受波浪作用圖

4.2 插入式人造牡蠣礁的穩(wěn)定性

不同潮位下樹(shù)形礁體受波浪的作用情況見(jiàn)圖4。由于堤前外側(cè)灘地水深較淺，20 a一遇波浪在不同潮位條件下破碎或接近破碎。由圖4可見(jiàn)，隨著潮位升高，牡蠣礁波浪水平力也在不斷增加，100 a一遇高潮位時(shí)樹(shù)形礁體波浪水平力最大，為2.31 kN，作用點(diǎn)距泥面0.37 m。根據(jù)波浪理論，相同波高條件下水深越大，結(jié)構(gòu)物波浪水平力越小。海堤外側(cè)海域水深小，波浪周期長(zhǎng)，波長(zhǎng)較長(zhǎng)，牡蠣礁體波浪水平力受水深影響較小。根據(jù)波浪計(jì)算成果，海堤外側(cè)20 a一遇波浪較大。100 a和20 a一遇高潮位下，20 a一遇H1%（0.6倍水深）均破碎；2 a一遇高潮位和平均高潮位條件下波高小于0.6倍水深，波浪不破碎，但也接近破碎。海堤外側(cè)水深越大，波高越大，波高對(duì)牡蠣礁水平力影響大于水深影響，所以牡蠣礁波浪水平力隨潮位增加而增加。

圖4 不同潮位條件下樹(shù)形牡蠣礁受波浪作用圖

由于工程區(qū)域水深較淺，各代表潮位條件下大波破碎或接近破碎。目前現(xiàn)有規(guī)范中還沒(méi)有適用的牡蠣礁波浪力計(jì)算方法，所以本文牡蠣礁水平波浪力參考Morison公式和JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》中的小尺度圓柱最大破波力計(jì)算公式進(jìn)行估算。小尺度圓柱最大破波力計(jì)算公式針對(duì)的是全水深結(jié)構(gòu)物，而牡蠣礁屬于近底結(jié)構(gòu)物，所以破碎波浪力計(jì)算采用受力面積進(jìn)行換算。

插入式牡蠣礁波浪力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。根據(jù)估算結(jié)果可知，牡蠣礁波浪力試驗(yàn)結(jié)果基本介于Morison公式和破碎波公式的計(jì)算結(jié)果之間。由圖5可知，潮位越高牡蠣礁波浪力越大，潮位較高時(shí)波浪基本破碎，而破碎波主要作用于靜水位附近的結(jié)構(gòu)物，采用受力面積換算會(huì)使得近底結(jié)構(gòu)物波浪力偏大。沖擊-繞流法認(rèn)為破波作用力由出現(xiàn)于波峰上部的沖擊力和下部柱體的繞流力組成。沖擊力是由波浪破碎時(shí)變成直立的波峰前部與結(jié)構(gòu)物發(fā)生撞擊引起，可用Karman理論按落體入水發(fā)生砰擊現(xiàn)象的沖擊力進(jìn)行計(jì)算，但要考慮結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)；繞流部分仍按Morison公式進(jìn)行計(jì)算。本文中插入式人造牡蠣礁高潮位所受波浪力屬于破碎波作用近底結(jié)構(gòu)物波浪力，按沖擊-繞流法基本都屬于繞流部分，可以按照Morison公式計(jì)算，但存在部分破碎波作用，所以牡蠣礁波浪力大于Morison公式計(jì)算結(jié)果而小于破碎波公式計(jì)算結(jié)果。由此可見(jiàn)，通過(guò)波浪物理模型試驗(yàn)得到的波浪作用力更為合理。

圖5 插入式人造牡蠣礁波浪力試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)公式估算結(jié)果對(duì)比圖

由模型試驗(yàn)結(jié)果可知，插入式牡蠣礁在最高潮位時(shí)波浪水平力最大。根據(jù)上述穩(wěn)定性評(píng)估方法計(jì)算插入式牡蠣礁抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)插入式牡蠣礁插入涂面以下3 m時(shí)，波浪力作用下的抗傾覆安全系數(shù)為1.7，滿足SL 379—2007《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》要求（安全系數(shù)1.5）。由此可以判定，插入式牡蠣礁插入涂面以下3 m時(shí)，波浪作用下穩(wěn)定性良好。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)人造牡蠣礁施工布置方式不同進(jìn)行分類，并針對(duì)不同類型的人造牡蠣礁提出對(duì)應(yīng)的波浪穩(wěn)定性評(píng)估方法，以舟山市六橫大岙鹽沼修復(fù)及海堤生態(tài)化建設(shè)工程的牡蠣礁修復(fù)方案為示范應(yīng)用。主要結(jié)論如下：

1）本文針對(duì)人造牡蠣礁施工布置方式，將人造牡蠣礁分為安放式和插入式2種，并針對(duì)2種類型提出抗浪穩(wěn)定性評(píng)估方法。

2）以舟山市六橫大岙鹽沼修復(fù)及海堤生態(tài)化建設(shè)工程為示范，利用本文提出的不同類型人造牡蠣礁穩(wěn)定性評(píng)估方法進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)該工程項(xiàng)目中，安放式和插入式人造牡蠣礁在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下整體基本穩(wěn)定。

3）破碎波作用下的人造牡蠣礁波浪力受力較復(fù)雜，本文中插入式人造牡蠣礁的波浪力大于Morison 公式計(jì)算結(jié)果，而小于破碎波公式計(jì)算結(jié)果，建議通過(guò)物理模型試驗(yàn)測(cè)定波浪力作為評(píng)估依據(jù)。