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人工鱼礁工程能够有效改善海洋生物的栖息地和渔业生态环境,拓宽渔业发展空间,为捕捞渔民转产转业创造条件,是促进沿海地区可持续发展的有效措施之一。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。本文以人工鱼礁礁体的稳定性能(抗漂移性能、抗翻转性能)研究为主题,通过模型实验的方法系统分析影响礁体稳定性的丰要设计参数(水阻力系数和最大静摩擦系数)与人工鱼礁礁体形状、结构和布局的关系,旨在为国内继续深入开展人工鱼礁工程优化设计和提高工程稳定性的研究提供参考和理论依据。
本文由五章组成,第一章介绍了研究背景及主要内容,回顾了国内外学者通过理论计算、数值模拟、模型试验及现场实测等方法对人工鱼礁礁体稳定性进行研究的现状:第二章根据经典物理学原理设计了平面拉动法摩擦系数实验装置,采用全面组合实验法,测量了8种不同开口比礁体底面模型对不同底质泥沙(5种粒径等级、3种含水率)间的最大静摩擦系数,探讨人工鱼礁礁体与海底泥沙间的最大静摩擦系数变化规律及其影响因子;第三章在风洞实验平台中除测量实际设计应用的回字型、正方体型礁体的阻力系数外,还测量了5种不同开口方式的正方体框架型礁体的阻力系数。根据风洞模型实验结果,探讨了人工鱼礁所受水阻力系数的变化规律及其影响因子,系统分析了礁体开口比与水阻力系数的定量关系;第四章根据第二、三章实验结论,对投放于浙江嵊泗和江苏连云港海洋牧场功能区内的回字型人工鱼礁进行了稳定性校核:第五章为结论与展望。主要研究结论如下:
(1)最大静摩擦系数与粒径大小、开口比、开口边长、开口周长呈极显著负相关,与含水率、接触面积呈极显著正相关,与加载重量呈显著正相关;
(2)主成分分析结果表明最大静摩擦系数可由三个主因子来描述。第一主因子包括礁体开口比、开口边长、开口周长及接触面积,贡献率为51.7%,。第二主因子包括加载重量和压强,贡献率为23.1%。第三主因子包括粒径大小和粒径含水率,贡献率为12.6%。第一、第二主因子描述礁体自身的特征信息,即礁体设计完成时就已经固定的属性。第三主因子描述投放海域底质泥沙的特征信息;
(3)在实际人工鱼礁礁体稳定性校核分析中,应根据海域规划阶段进行的本底调查所得实际海域底质泥沙的粒径组成、含水率情况以及礁体本身底部开口情况,选取适当的最大静摩擦系数。建议在进行礁体稳定性校核分析中预估摩擦阻力时最大静摩擦系数的经验数值取为0.4,校核安全系数为1.1;
(4)人工鱼礁礁体通透开口比、投影开口比及迎流冲角是影响礁体水阻力系数的主要影响因子。礁体与来流冲角为0°时,阻力系数Cd通用计算公式为:Cd=-1.107γtt+1.325(R2=0.819,P<0.01,误差±0.2);礁体与来流冲角为30°时,阻力系数Cd计算公式为:Cd=-1.016γtt+0.46γty+1.216(R2=0.489,P<0.01,误差±0.2);礁体与来流冲角为45°时,阻力系数Cd计算公式为:Cd=-1.086γtt+0.799γty+1.244(R2=0.599,P<0.01,误差±0.2)。特殊情况下,对于中心开孔方式(圆孔、三角孔、方孔)礁体,不同迎流冲角下的阻力系数Cd计算公式为:Cd=-0.861γtt+0.145γty+1.268(R2=0.729,P<0.01,误差±0.1);
(5)对于人工鱼礁规划海域采用多行多列方式投放的鱼礁群,其中四周边缘布置的礁体水阻力系数一般按鱼礁单体情况计算。对于礁群内部礁体,若礁体间距小于2倍礁距,水阻力系数取值为鱼礁单体情况下水阻力系数的50%,若礁体间距大于2倍礁距,则仍按鱼礁单体情况计算。特殊情况下,当四周边缘及内部均为回字型礁体时,四周边缘位置的回字型礁体水阻力系数比鱼礁单体情况下数值高约20%;
(6)根据稳定性计算结果,回字型礁体能够在浙江嵊泗海域及江苏连云港海州湾海域的年平均海况条件下达到稳定,适宜投放。为增强礁群内部礁体在热带风暴、台风等极端海况下的稳定性,建议将礁体布置成表面与常流向夹角为90°,并按群体组合式布置成多行多列进行投放。