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回字型人工鱼礁礁体设计及其稳定性计算 武汉理工大学学报Vol.32(No.12) 2010.06

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回字型人工鱼礁礁体设计及其稳定性计算 武汉理工大学学报Vol.32(No.12) 2010.06 第 32 卷  第 12 期 2010 年 6 月 武  汉  理  工  大  学  学  报 JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vol. 32  No. 12  J un. 2010 DOI :10. 3963/ j. issn. 167124431. 2010. 12. 019 回字型人工鱼礁礁体设计及其稳定性计算 许柳雄1 ,2 ,3 ,刘  健3 ,张  硕1 ,2 ,3 ,章守宇1 ,2 ,3 (1. 上海海洋大学大洋渔业资源可持续开发省部共建...

回字型人工鱼礁礁体设计及其稳定性计算 武汉理工大学学报Vol.32(No.12) 2010.06
第 32 卷  第 12 期 2010 年 6 月 武  汉  理  工  大  学  学  报 JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vol. 32  No. 12  J un. 2010 DOI :10. 3963/ j. issn. 167124431. 2010. 12. 019 回字型人工鱼礁礁体 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 及其稳定性计算 许柳雄1 ,2 ,3 ,刘  健3 ,张  硕1 ,2 ,3 ,章守宇1 ,2 ,3 (1. 上海海洋大学大洋渔业资源可持续开发省部共建教育部重点实验室 ,上海 201306 ;2. 上海海洋大学大洋 生物资源开发与利用上海市高校重点实验室 ,上海 201306 ;3. 上海海洋大学海洋科学学院 ,上海 201306) 摘  要 :  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 ,设计了回字型人工鱼礁 ,并根据波流动力学理 论对此礁体进行了稳定性计算。结果 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 ,在波、流共同作用下 ,礁体最大受力为 43 178 N ,最大作用力矩为 64 797 N·m ,抗漂移系数为 1. 78 ,抗倾覆系数为 2. 36 ,使鱼礁丧失稳定性的流速为 2. 66 m/ s ,大于该海域最大流速 ,满足 礁体稳定条件 ,礁体在该海域不会发生漂移及倾覆。为今后设计适宜我国近海海域环境特征的高稳定性和多功能鱼礁 提供重要的理论依据。 关键词 :  回字型 ;  人工鱼礁 ;  稳定性 中图分类号 :  S 953. 1 文献标识码 :  A 文章编号 :167124431 (2010) 1220079205 Research on the Design and Stabil ity Calculation of the Artif icial Hui Style Reef X U L i u2x iong1 ,2 ,3 , L IU Jian3 , ZHA N G S huo1 ,2 ,3 , ZHA N G S hou2yu1 ,2 ,3 (1. The Key Laboratory of Sustainable Exploiation of Oceanic Fisheries Resources of Ministey of Education , Shanghai Ocean University ,Shanghai 201306 ,China ;2. The Key Laboratory of Shanghai Education Commission for Oceanic Fisheries Resources Exploitation ,Shanghai Ocean University ,Shanghai 201306 ,China ; 3. School of Marine Sciences ,Shanghai Ocean University ,Shanghai 201306 ,China) Abstract : Based on the states of the sea area of reefs deployed in Shengsi , Zhejiang province and Haizhou Bay of Lianyun2 gang , Jiangsu province , a reef of Hui style was designed. This paper calculated the stability of the reef according to the hydro2 dynamics of wave and current . The maximum force and torque are 43 178 N and 64 797 N·m respectively , the coefficient of anti2slide and anti2rolling are 1. 78 and 2. 36 respectively , the velocity of flow causing the reef lose stability is 2. 66 m/ s , higher than the maximum velocity of this sea area. The calculated result achieve the object of the stability of the reef , the reef will not slide or roll in this sea area. Key words : Hui style ;  artificial reef ;  stabilit y 收稿日期 :2010201210. 基金项目 :国家 863 重点资助项目 ( 2006AA100303) ,上海市教委优秀青年基金 ( 0701701) ,上海市教委科研创新项目 (09 YZ272) ,上海市重点学科建设项目 (S30702) ,农业部海洋牧场示范工程项目 (技207231) 和上海海洋大学研究生科研基金 (A225012082198) . 作者简介 :许柳雄 (19562) ,男 ,教授. E2mail :lxxu @shou. edu. cn人工鱼礁是用于改善与优化海域生态环境、建设渔场和养殖场的人工设施 ,在水中为鱼类等生物提供索饵、繁殖、生长的场所 ,以改善水生生物生存栖息环境 ,提高海洋渔业资源量[1 ] 。人工鱼礁的研究和建设在 我国已有近 30 年的历史 ,对近海生态环境修复和渔业资源增殖发挥了较好效果[224 ] ,走在前列的主要是广 东和台湾 2 省以及香港特别行政区。此外 ,辽宁大连、浙江温州和舟山、江苏连云港等地也做过人工鱼礁建 设的试验或正在规划大规模建设人工鱼礁渔场[5 ] 。目前我国人工鱼礁建设以借鉴国外经验为主 ,在实际的 设计过程中会出现人工鱼礁礁体形状、结构和材料的选择不适宜我国海域特点 ,使得在礁体投放过程中发生 漂移、倾覆、碰撞等失稳现象 ,既造成不必要的经济损失 ,又不能充分产生应有的效果。因此 ,如何延长鱼礁 的生态稳定性是人工鱼礁工程建设追求的最重要目标[6 ] 。为了保证人工鱼礁建设能取得预期效果 ,必须在 礁体设计方面进行科学的验算。分别有学者针对连云港海区和台州海域 ,设计了十字型礁体和钢制四方台 型礁体 ,并对其稳定性进行了校核[1 ,5 ] 。 根据浙江嵊泗和江苏连云港海州湾海域的实际海况及资源状况 ,设计了回字型人工鱼礁 ,并对其在波、 流共同作用下的水动力及安全性进行计算和校核 ,旨在为这两地在人工鱼礁建设中应用该种礁体及国内继 续深入开展人工鱼礁工程设计的研究提供参考和理论依据。 1  回字型鱼礁的礁体设计 为使人工鱼礁能最大限度地适合投放海域的海况以及生态特点 ,在设计礁体时需要考虑以下几种主要 的因素。 1 . 1  投放海域的资源状况 水质和饵料生物 (浮游生物和底栖生物的状况) 等是选择投放人工鱼礁海域时必须首先满足的基本条 件[7 ] 。规划海区的渔业资源主要为沿岸性、岛礁性种类 ,也有部分洄游性主要经济种类的幼体。其中礁区 鱼类主要有小黄鱼 ( Pseudosciaena polyatis) 、龙头鱼 ( Harpodon nehereus) 、褐鲳 ( Sebastiscus m armorat us) 、 鱼 ( M iichthys m ii uy) 、皮氏叫姑鱼 ( Johni us grypot us) 、 虎鱼类 ( O dontobutis obscura) 等[8 ] 。虾类主要有 细巧仿对虾 ( Penaeus tenell us B ate) 、鹰爪糙对虾 ( T rachypenaeus currost ris) 等。蟹类和软体类种类较少。人 工鱼礁投放后可以为这些鱼类提供较为理想的产卵和索饵的环境 ,使资源量逐渐增加。 1 . 2  投放海域的海洋环境状况 浙江嵊泗海域近岸底质多为粉砂质粘土及粘土质粉砂[9 ] 。江苏连云港海州湾海底地层顺序为淤泥、粘 土和沙质粘土 3 层[10 ] 。为防止礁体下陷过快以及在潮流的洗掘作用下过早地被掩埋 ,在保证礁体强度的基 础上应尽量减轻礁的自重 ,同时预留一定的下陷高度。浙江嵊泗海域年最多风向为南风 ,当地波浪属于浅水 风浪 ,平均波高为 1. 55 m ,波高最大值 5. 45 m ,流速大多在 1. 5 kn (1 kn = 1 n mile / h) 左右 ,岛屿附近为往 复流[11 ] 。江苏连云港海州湾全年盛行波向为偏东北向 ,以混合浪为主 ,波高的平均值为 0. 52 m ,最大波高 值 (4. 6 m)一般出现在 9 月份 ,波浪周期的范围在 3. 5~2. 7 s 之间。涨潮流流速 (最大流速 2. 08 kn) 大于落 潮流流速 (最大流速 1. 27 kn) 。参照国内外研究成果及实际效益经验 ,在 20~40 m 水深海域投放人工鱼 礁 ,从性价比方面考虑 ,设计的礁体高一般应为水深的 1/ 5~1/ 10。 1 . 3  礁体结构 从增殖对象生物和礁体所产生的生态效应角度考虑 ,设计礁型的结构要 相对复杂 ,以便礁体周围产生复杂多变的流态 ,并产生相当规模的背涡流 ;同 时根据岩礁性鱼类的习性 ,设计礁体时既要有充分的洞穴、较大的内部空间 和阴影面积 ,又要有相当数量的平台面。钢混制鱼礁目前使用最为普遍 ,效 果好、可塑性强而且经久耐用。 因此 ,针对浙江嵊泗海域和江苏连云港海州湾海域的资源状况、海况及 礁体结构等因素综合考虑 ,设计了回字型鱼礁[12 ] ,礁体采用钢筋混凝土结 构 ,礁体尺寸为 3 m ×3 m ×3 m ,中间方形孔洞尺寸为 1 m ×1 m ,重 18. 067 t ,如图 1 所示。该回字型礁体采用了“回”字型对称的框架结构和向内拔模 倾斜的导流结构 ,内部空间结构复杂 ,通透性好 ,平台面多 ,整个礁体的空间 利用率高。回字型礁体附近可以产生丰富的流态 ,有利于集鱼 ,并为海洋生 物提供良好的栖息场所。 08                  武  汉  理  工  大  学  学  报               2010 年 6 月 2  稳定性计算 2 . 1  强度设计   将鱼礁投放海中 ,当它下落着地时 ,会产生 很大的冲击力 ,此时鱼礁构件内的应力便是危 险应力 ,需要进行强度校核计算[13 ] 。依据文献 [13 ]的计算方法 ,该回字型礁体着地时的受力 计算结果如表 1 所示。由计算结果可以看出 , 表 1  礁体受力分析计算结果 正方体鱼礁 最大弯矩/ (MN·m) 最大轴力/ MN 最大剪力/ MN 面着地 0. 033 0. 035 0. 035 棱着地 0. 127 0. 164 0. 164 礁体的最大应力状态出现在棱着地时。对于棱截面 ,计算可得最大弯曲正应力σ= 32. 30 MPa ,最大弯曲切 应力τ= 2. 23 MPa ,应用第四强度理论校核 :σr4 = (σ2 + 3τ2) 1/ 2 = 32. 53 MPa ≤[σ] (回字型鱼礁混凝土实测 强度[σ] = 45. 9 MPa) ,所以该回字型礁体符合强度条件要求。 2 . 2  礁体作用力计算 依据日本学者中村充对人工鱼礁礁体在波浪和潮流的共同作用下的流速及其作用力大小的研究结 果[14 ] ,及人工鱼礁礁体在流速下的流体作用力 F 可分为拖曳力 Fd 和附加质量力 Fm 2 部分的理论[15 ] ,可以 得到计算礁体作用力 F 只随波向角θ的变化而变化 ,通过 Excel 规划求解工具 ,可以求出θ值和 Fmax值。在 不同波向角的情况下各礁体所受作用力结果如图 2 所示。 当流速以约 0. 5 m/ s (1 kn) 速度递增时 ,礁体所受最大作用力也随之增加。在同一流速条件下 ,礁体所 受作用力随着波向角的增加先增大而后减小 ,礁体所受最大作用力出现于波向角为 90°~120°时。流速为 0. 51 m/ s(1 kn)时 ,当波向角θ= 138. 6°时 ,最大作用力 Fmax = 4 695 N ;流速为 1. 03 m/ s(2 kn)时 ,当波向角 θ= 122. 4°时 ,最大作用力 Fmax = 10 054 N ;流速为 1. 54 m/ s(3 kn)时 ,当波向角θ= 114. 15°时 ,最大作用力 Fmax = 18 317 N ;流速为 2. 06 m/ s (4 kn) 时 ,当波向角θ= 109. 2°时 ,最大作用力 Fmax = 29 371 N ;流速为 2. 57 m/ s(5 kn)时 ,当波向角θ= 105. 9°时 ,最大作用力 Fmax = 43 178 N。 2 . 3  礁体抗漂移安全性校核 礁体在水流冲击下不发生移动 ,即礁体不滑动 ,这就要求礁体与海底接触面间的静摩擦力大于流体作用 力。静摩擦力与最大流体作用力 Fmax比值称为抗漂移系数 S 1 ,该数值必须大于 1 ,才能保证礁体不发生滑 动或漂移。依据文献[ 1 ]、文献[ 5 ]、文献[ 13 ]的安全性校核计算方法 ,求得在不同流速下 ,礁体的抗漂移安全 系数 ,如图 3 所示。 当流速以约 0. 5 m/ s (1 kn) 速度递增时 ,礁体抗漂移安全系数随之降低。在同一流速条件下 ,礁体抗漂 移安全系数随着波向角的增大呈下降趋势。当流速大于 1. 54 m/ s (3 kn) 时 ,礁体抗漂移安全系数随波向角 的变化幅度变小。流速为 0. 51 m/ s(1 kn)时 ,当波向角θ= 138. 6°时 ,礁体抗漂移系数最小 , S 1 = 16. 39 ;流 速为 1. 03 m/ s(2 kn)时 ,当波向角θ= 122. 4°时 ,礁体抗漂移系数最小 , S 1 = 7. 66 ;流速为 1. 54 m/ s (3 kn) 时 ,当波向角θ= 114. 15°时 ,礁体抗漂移系数最小 , S 1 = 4. 20 ;流速为 2. 06 m/ s (4 kn) 时 ,当波向角θ= 109. 2°时 ,礁体抗漂移系数最小 , S 1 = 2. 62 ;流速为 2. 57 m/ s (5 kn) 时 ,当波向角θ= 105. 9°时 ,礁体抗漂移 系数最小 , S 1 = 1. 78。结果表明 ,潮流流速在 0~2. 57 m/ s(1~5 kn)范围内变化时 ,回字型礁体的抗漂移系 18第 32 卷  第 12 期      许柳雄 ,刘  健 ,张  硕 ,等 :回字型人工鱼礁礁体设计及其稳定性计算         数均大于 1 ,即不会发生漂移现象。 2 . 4  礁体抗倾覆安全性校核 礁体在波流作用下不翻滚 ,这就要求礁体的重力和浮力的合力矩 M 1 大于波流最大作用力矩 M 2 。M 1 与 M 2 的比值成为抗倾覆系数 S 2 ,该数值必须大于 1 ,才能保证礁体不发生倾覆。 由于礁体的结构较为复杂 ,难以准确地求出 M 2 值 ,为简化计算 ,假设最大流体作用力 Fmax对整个迎流 面产生一均布载荷 ,其分布密度 q = Fmax/ A 在迎流面 (面积为 A ) 上划分礁体空间区域进行分块积分 (如图 4 所示) ,其积分之和就是 M 2 值 ,即 M 2 = κ D1 qyd x d y + 2 ×κ D2 qyd x d y + κ D3 qyd x d y (1)   依据文献[ 1 ]、文献[ 5 ]、文献[ 13 ]的安全性校核计算方法 ,得出在不同流速下 ,礁体的抗倾覆安全系数如 图 5 所示。 当流速以约 0. 5 m/ s (1 kn) 速度递增时 ,礁体抗倾覆安全系数随之降低。在同一流速条件下 ,礁体抗倾 覆安全系数随着波向角的增大呈下降趋势。当流速大于 1. 54 m/ s (3 kn) 时 ,礁体抗倾覆安全系数随波向角 的变化幅度变小。流速为 0. 51 m/ s(1 kn)时 ,当波向角θ= 138. 6°时 ,礁体抗倾覆系数最小 , S 2 = 21. 74 ;流 速为 1. 03 m/ s(2 kn)时 ,当波向角θ= 122. 4°时 ,礁体抗倾覆系数最小 , S 2 = 10. 15 ;流速为 1. 54 m/ s (3 kn) 时 ,当波向角θ= 114. 15°时 ,礁体抗倾覆系数最小 , S 2 = 5. 57 ;流速为 2. 06 m/ s (4 kn) 时 ,当波向角θ= 109. 2°时 ,礁体抗倾覆系数最小 , S 2 = 3. 48 ;流速为 2. 57 m/ s (5 kn) 时 ,当波向角θ= 105. 9°时 ,礁体抗倾覆 系数最小 , S 2 = 2. 36。结果表明 ,潮流流速在 0~2. 57 m/ s(1~5 kn)范围内变化时 ,回字型礁体的抗倾覆系 数均大于 1 ,即不会发生倾覆现象。 2 . 5  礁体冲掘安全性校核 鱼礁设置在砂质地盘上时 ,鱼礁周边由于水流紊乱会引起局部冲掘。 根据文献[ 13 ]给出的因冲掘使鱼礁丧失稳定的流速 uc 公式 ,计算得该回字型鱼礁失稳流速 uc = 2. 66 m/ s ,远大于实际流速 ,即回字型鱼礁礁体不会因水流冲掘而失稳。 3  结果与讨论 3 . 1  人工鱼礁礁体设计 在礁体的设计上一般主要考虑鱼礁的结构、材料、水动力及稳定性性能、制作成本等。回字型鱼礁的特 点是清洁环保 ,体积大 ,符合岩礁生物特性 ,稳定性好 ;结构设计新颖、复杂 ,平面较多 ,坚固耐用 ,使用寿命 长。相对于之前设计投放的三角型鱼礁和十字型鱼礁 (如表 2 所示) ,回字型鱼礁内部结构更加复杂 ,礁体内 空隙数量增加 ,空隙大小、形状多变 ,满足了礁体多空洞、缝隙、隔壁、悬垂物结构的设计 ,使得内部流场流态 更加丰富。回字型鱼礁设计了平台面 ,增大了礁体表面积。礁体表面积的增加能够有效增加礁体表面附着 生物的数量 ,使得集鱼效果更加明显[16 ,17 ] 。 28                  武  汉  理  工  大  学  学  报               2010 年 6 月 表 2  不同类型礁体结构特点 礁体类型 结构特点 存在问 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 三角型 结构简单 ,制作投放便捷。 没有平台面 ,流态单一 十字型 设计了隔壁、悬垂物 ,丰富了内部流场变化 ;制作投放较 方便。 平台面较少 钢制四方台 设计了平台面 ,使得内部流场流态更加丰富 ;内部空间、 阴影面积较大 ;制作投放便捷。 钢架结构裸露在海水中 ,影响礁体寿命 回字型 内部结构复杂 ,充分考虑了礁体内部空洞、缝隙、隔壁、悬 垂物 ,平台面更多 ;坚固耐用。 制作工艺复杂 ;单体重量大 ,投放难度加大 3 . 2  人工鱼礁礁体稳定性 该回字型鱼礁投放海中时 ,最大应力状态出现在棱着地时 ,最大应力为 32. 53 MPa ,小于回字型鱼礁混 凝土设计强度 45. 9 MPa ,礁体强度符合要求。当流速取最大值时 ( u0 = 5 kn)计算得礁体最大受力为 43 178 N ,抗漂移系数 S 1 = 1. 78 ,抗倾覆系数 S 2 = 2. 36 ,使鱼礁丧失稳定性的流速 uc = 2. 66 m/ s ,满足礁体稳定条 件 ,即该礁体能够满足浙江嵊泗海域及江苏连云港海州湾海域的海况条件 ,适宜投放 ,不会发生漂移、倾覆和 冲掘等失稳现象。   相对于已投放于江苏连云港海 州湾的十字型鱼礁 ,在波、流共同作 用下最大作用力为 2 940 N 的情况 下 ,其抗漂移系数为 1. 58 ,抗倾覆 系数为 1. 63 ;投放于浙江台州大陈 海域的钢制四方台型鱼礁 ,其稳定 表 3  不同类型礁体稳定性计算结果 礁体类型 最大作用力/ N 最大作用力矩/ (N·m) 抗漂移系数 抗倾覆系数 十字型 2 940 5 699 1. 58 1. 63 钢制四方台 24 559 37 036 1. 44 2. 23 回字型 43 178 64 797 1. 78 2. 36 性安全范围为潮流速度 1~4 kn ,抗漂移系数平均值为 1. 44 ,抗倾覆系数平均值为 2. 23 ,所受最大作用力平 均值为 24 559 N ,最大平均作用力矩为 37 036 N·m (如表 3 所示) 。回字型鱼礁在波、流共同作用下 ( u0 = 5 kn)的最大作用力及最大作用力矩高于前 2 种鱼礁 ,其原因是回字型鱼礁的迎流面积大于这 2 种鱼礁 ,使得 水阻力增加 ,但由于回字型鱼礁单体重量大 ,在一定程度上提高了其抗倾覆性能 ,使得整体的稳定性能有了 一定的提高。 4  结 语 在对礁体进行抗漂移计算时 ,采用的最大静摩擦系数是经验值 ,没有考虑礁体的沉陷 ,虽然礁体的沉陷 通常会增加礁体的稳定性 ,然而如果沉陷量过大 ,礁体将被大部分掩埋 ,失去鱼礁应有的作用。因而有必要 找到一种科学实用的测量方法 ,测定不同底质对人工鱼礁礁体的静摩擦系数 ,减少使用经验数值存在误差的 问题。另外 ,有必要了解人工鱼礁在不同海底地形中的沉陷机理及沉陷作用对礁体稳定性的影响 ,从而给出 设计准则。以期为今后设计适宜我国近海海域环境特征的高稳定性和多功能鱼礁提供重要的理论依据。同 时通过相关试验获得适合我国海域特点及国情现状的人工鱼礁建设的一系列技术参数 ,来为人工鱼礁建设 提供参考。 参考文献 [1 ]  吴子岳 ,孙满昌 ,汤  威. 十字型人工鱼礁礁体的水动力计算[J ] . 海洋水产研究 ,2003 ,12 (4) :32235. 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软件:PDF阅读器
页数:6
分类:工学
上传时间:2010-08-03
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