新型自堆叠人工鱼礁效能与稳定性分析

刘振坤; 金志晗; 高榕泽; 任兴月

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2600350

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (29) :12496-12506 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2600350

天文学、地球科学

新型自堆叠人工鱼礁效能与稳定性分析

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Efficacy and Stability Analysis of Innovative Self-stacked Artificial Reefs

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摘要

为解决大型复杂人工鱼礁制造、运输及近海安装成本高的问题,并满足深远海海洋牧场建设对低成本、高稳定性礁体结构的需求,提出了一种小鱼礁自由堆叠成大鱼礁的设计理念,即通过投放多个易于互相搭接的小型礁体单元,随机堆积形成稳定的大型礁堆结构,降低鱼礁投放的施工设备需求及安装难度,以完成低成本深远海成礁。由小鱼礁随机投放堆叠成大鱼礁,需要对小鱼礁的几何结构、投放数量以及大鱼礁的稳定性进行精细设计,所以,采用离散元方法(discrete element method,DEM)对鱼礁的投放施工过程进行数值模拟,考察鱼礁与鱼礁之间的作用力及鱼礁个体的堆集效果,并通过比较所形成礁堆的空间增长率、鱼礁堆集高度、鱼礁底面积、鱼礁坡度等几何参数,分析鱼礁结构的搭接效果,优化鱼礁块体的结构形状。同时,还开展了振动台堆积实验,验证了堆集鱼礁的稳定性。结果表明:DEM 模型可有效模拟小型礁体单元的投放堆积过程,通过对比礁堆几何参数能实现鱼礁单体结构形状的优化;自堆叠礁体单元能够实现快速堆积与稳定搭接,最终形成具有良好空间结构与力学稳定性的大型礁堆,为深远海人工鱼礁低成本建设与规模化应用提供了一种新的技术路径。

Abstract

To address the high costs associated with the manufacturing, transportation, and offshore installation of large and complex artificial reefs, and to meet the demand for low-cost and highly stable reef structures in deep-sea marine ranching, a novel design concept in which small reef units are freely stacked to form a large-scale reef was proposed. Specifically, multiple small-scale reef units, designed for easy interlocking, are randomly deployed and accumulated to form a stable large reef structure. This approach reduces the requirements for deployment equipment and installation complexity, thereby enabling cost-effective reef construction in deep offshore environments. The formation of large reef structures through the random stacking of small units requires careful design of the unit geometry, deployment quantity, and overall structural stability. Therefore, the discrete element method (DEM) was employed to numerically simulate the deployment and stacking process, investigating the interaction forces between reef units and their accumulation behavior. By comparing geometric parameters of the resulting reef mound, such as spatial growth rate, stacking height, base area, and slope, the interlocking performance of the reef structure was analyzed, and the unit geometry was further optimized. In addition, shaking table experiments were conducted to validate the stability of the stacked reef structure. The results demonstrate that the DEM model can effectively reproduce the stacking process of small reef units, and that optimization of unit geometry can be achieved through comparative analysis of reef mound parameters. The self-stacking reef units exhibit rapid accumulation and stable interlocking, ultimately forming a large-scale reef structure with a favorable spatial configuration and mechanical stability. This study provides a new technical pathway for the low-cost construction and large-scale application of artificial reefs in deep offshore environments.

Graphical abstract

关键词

人工鱼礁 / 礁体结构优化 / 礁堆稳定性 / 离散元模拟 / 振动台实验

Key words

artificial reef / optimization of reef structure / reefs stability / discrete element simulation / shaking table test

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刘振坤, 金志晗, 高榕泽, 任兴月. 新型自堆叠人工鱼礁效能与稳定性分析[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(29): 12496-12506 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2600350

LIU Zhen-kun, JIN Zhi-han, GAO Rong-ze, REN Xing-yue. Efficacy and Stability Analysis of Innovative Self-stacked Artificial Reefs[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(29): 12496-12506 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2600350

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人工鱼礁具有多重生态效益,其在海洋资源养护、生态系统改善和生物多样性维持方面的作用已获广泛认可^[1-4]。鱼礁通过扰动周边海底流场,诱发上升流以促进水体垂向交换,并形成有利于饵料生物聚集的低流速区^[5-7],流体流动情况是调控人工鱼礁周围生物群落发育的关键因素^[8]。由于流场分布情况主要受鱼礁的几何结构和布置方式影响,鱼礁的排列与布局会改变流场局部结构^[9],礁体的数量越多,造成的流场效应越强^[10]。姜昭阳等^[11]对人工鱼礁结构的研究显示,不同结构的鱼礁其鱼类聚集效应存在差异,结构复杂且表面积较大的人工礁能够显著增强生态栖息地的供给能力。李建都等^[12]在黄渤海的渔业生物调查中发现,复杂的礁体结构会提高礁区流场效应、饵料效应和庇护效应的覆盖面和影响尺度,形成更加充足的庇护空间,从而增加鱼类等渔业生物的存活率。可见,结构复杂且体积较大的人工鱼礁可以营造更好的海洋生物栖息环境。

近年来模块化与高大人工鱼礁建设的设计理念逐渐成为人工鱼礁结构创新的重要方向^[13-14]。Maslov等^[15]系统提出了基于参数化设计与模块化构造的多功能人工鱼礁概念,强调通过标准化单元的组合实现结构多样性与功能集成。Cruz^[16]进一步开发了适用于模块化鱼礁的多种连接系统,验证了模块间机械连接的可行性与结构性能。然而,这些设计仍依赖主动连接件固定单元,其水下安装复杂,连接件耐久性有限且维护成本高。部分研究尝试通过模块化鱼礁单元建设形成大鱼礁堆^[17-18]。但由于缺少有效搭接,礁堆在波浪作用下容易散落,水下施工依然依赖人工操作,生态功能受到限制^[16,19]。此外,针对堆积鱼礁的数值模拟、堆积过程模拟、堆积效果测试及整体结构优化设计的研究尚处于空白状态。

因此,现提出一种具有有效搭接设计单元的自堆叠人工礁体,这些单元可随机投入水中自然沉降,并自行堆叠形成结构更稳定的高大礁体堆,在这种情况下,施工不需要大型吊装船和水下作业,可以有效地降低安装成本。为了优化鱼礁的堆积效果,设计了多种礁体单元形式,综合考虑几何形态、堆叠体结构性能与制造成本等因素,筛选出3种综合性能较优的新型礁体:异形四面体礁、Z形礁与异形圆柱体礁。并通过数字高程模型(digital elevation model,DEM)模拟鱼礁投放过程,比较生成礁堆的体积与高度等参数,优选具有更优自堆积几何形态的单元,同时,采用振动台实验来评估礁体稳定性,从而形成一套可行的自堆叠高大鱼礁设计与优化方案。该设计在保证生态效益的同时,可以实现施工简便性和高大礁体自然成型的结合,为未来深海鱼礁建设提供参考。

1 材料与方法

为获得结构复杂性和物理稳定性更优的自堆叠鱼礁单元,将礁体视为自定义颗粒形状,采用DEM方法对堆叠过程进行了数值模拟分析,以计算鱼礁与鱼礁之间的相互作用,模拟小鱼礁投放成大型鱼礁的整个演变过程。重点分析不同单体几何形状对堆积形态演化及堆集礁体的空方特征参数的影响,重点考查鱼礁个体穿插形成的拓扑结构。所以,在实验过程中忽略了水动力作用,同时假定投放区域海底地形平整、基底刚性不发生挤压变形。试验选用4种礁型:3种专为堆积设计的新型单体及HUT型单体^[20-21],结构示意如图1所示。研究的鱼礁均采用混凝土材料制成,其用于DEM数值模拟的材料参数如表1所示。为了分析4种鱼礁在堆积过程中的性能差异,结合各型鱼礁单体空方体积(表2)对比,统计出了鱼礁堆的体积、高度、坡度角数值,判断不同结构在堆积过程中的几何特征与空间差异,为后续堆积性能与稳定性分析提供基础数据支撑。

DEM离散元颗粒间的接触碰撞由牛顿第二定律控制,作用在颗粒上的力采用Hertz-Mindlin非线性接触模型进行描述,在堆积实验中主要考虑颗粒-颗粒间接相互作用以及各种体积力,颗粒 i 的运动方程和力矩平衡方程如下。

(1)m_i$\frac{\mathrm{d}{\mathit{U}}_{\mathit{i},\mathrm{p}}}{\mathrm{d}\mathit{t}}$=$\stackrel{{\mathit{n}}_{\mathit{i},\mathrm{c}}}{\sum _{\mathit{j}=1}}$F_ij_,c+F_i_,g

(2)I_i$\frac{\mathrm{d}{\mathit{\omega }}_{\mathit{i},\mathrm{p}}}{\mathrm{d}\mathit{t}}$+ω_i_,pI_iω_i_,p=$\stackrel{{\mathit{n}}_{\mathit{i},\mathrm{c}}}{\sum _{\mathit{j}=1}}$M_ij_,c

式中:m_i和I_i分别为颗粒i的质量和转动惯量;U_i_,p和ω_i_,p分别为颗粒i的平动速度和角速度;n_i_,c为颗粒i周围的接触颗粒数量;F_i_,g为颗粒i所受的重力;F_ij_,c和M_ij_,c分别为颗粒j作用于颗粒i所产生的接触力和力矩。

该模型允许相邻单体在接触过程中产生一定程度的重叠、切向相对滑移及滚动位移,并基于这些局部接触变形计算接触力与力矩。随后,依据牛顿第二定律对每个礁体的平动与转动状态进行更新。当两个礁体的球形近似接触半径分别为R_i与R_j时,只要其中心距小于接触阈值R_i+R_j,即可判定为发生接触。颗粒间接触力与变形关系为

(3)F=(k_nδ_ij_,_n-γ_nν_ij_,_n)+(k_tδ_ij_,_t-γ_tν_ij_,_t)

式(3)中:δ_ij_,n和δ_ij_,t分别为颗粒在法向和切向上的形变量;ϑ_ij_,n和ϑ_ij_,t分别为颗粒在法向和切向上的运动速度;ν_ij_,n、ν_ij_,t分别为颗粒在法向和切向上的运动速度;k_n、k_t、γ_n、γ_t分别为模型中的接触刚度及阻尼系数,由颗粒材料的泊松比、剪切模量及恢复系数计算得到。

首先基于离散元法(DEM)生成鱼礁单体颗粒模型并建立计算域(图2),在计算域上方设置了一个可以随机生成并投放鱼礁单体的区域,考虑浮力对鱼礁沉降的影响,使礁体在水下重力作用下自由下落,直至与其他礁体或底面接触并形成堆积结构,以此模拟人工鱼礁在实际施工过程中的自堆叠行为。在此过程中,模型实时追踪每个鱼礁单元的运动轨迹、线位移及旋转角度,捕捉单元间的相互作用与整体堆积形态的演化过程。每次计算共计投放100个礁体单元,并自编MATLAB程序计算堆体的几何参数,包括堆叠高度、底面积及空方体积(图3)。由于堆积过程具有显著的随机性,为保证统计结果的可靠性,对每种礁型分别进行了20次独立计算模拟,获得代表性堆积特征与稳定性指标。

1.1 鱼礁堆集效果评估参数指标

人工鱼礁堆的性能需兼顾结构稳定性、空间开放性与三维栖息地效能^[22]。为系统评估其几何与生态特征,需综合分析空方体积、堆叠高度及海底占地面积等关键参数。鱼礁堆积效率越高,通常对应更优的水体渗透性与流场通透性,有利于提供更多生物可利用的生境空间^[23],定义空方增长率为礁堆空方体积与单体礁单元空方体积之和的比值[式(4)],用来表征堆积过程中体积利用率的变化。该指标越高,表明单元间形成的孔隙空间越多。为进一步评估经济性与建造成本效益,定义空方体积比为礁堆总孔隙体积与混凝土材料总体积之比[式(5)],该参数反映单位材料所形成栖息空间的规模,是衡量结构经济性的关键指标。此外,堆体坡度角用于表征礁堆外表面的陡峭程度,与稳定性及单元间机械联结能力密切相关。鉴于实际堆体形态不规则,将其简化为圆锥体,基于高度与底面半径关系通过式(6)计算坡度角,以实现对不同礁堆宏观形态特征的量化比较。

(4)E=$\frac{\mathit{V}}{\stackrel{\mathit{N}}{\sum _{\mathit{n}=1}}\mathit{v}}$

(5)ε=$\frac{\mathit{V}}{\stackrel{\mathit{N}}{\sum _{\mathit{n}=1}}\mathit{W}}$

(6)β=tan^-1$\left(\mathit{h}\sqrt{\frac{\mathrm{\pi }}{\mathit{S}}}\right)$

式中:S为礁体的占地面积,m²;h为礁体的高度,m;W为混凝土礁单元的体积,m³;V为对应礁体的整体空方体积,m³;v为单个礁单元的包络体积,m³;N为用于堆积的礁单元数量。

1.2 模型验证

图4(a)展示了DEM数值模型堆积的数值计算结果,为验证数值结果的可靠性,使用3D打印的1∶20缩尺A型鱼礁模型做堆叠实验[图4(b)]。每次堆叠结束后,通过多角度摄影获取堆体的图像,利用三维建模软件重建堆体表面包络模型,基于点云数据计算堆体的空方体积,同样进行了20次独立计算模拟,实验结果按体积尺度关系换算至原型尺度。从成礁效果方面看,DEM数值模拟结果基本符合物理堆叠结果(图5),证明了DEM模型可以用于精确模拟鱼礁的堆叠施工过程。

2 数值模拟堆积结果

2.1 正态分布检验

采用夏皮洛-威尔克检验(Shapiro-Wilk test)对4种人工鱼礁堆体的底部占据面积、堆叠高度及空方体积等关键参数进行正态分布检验,并计算显著性概率P(表3)。当P> 0.05 时,认为样本数据服从正态分布,即鱼礁的形态具备良好的重复性与趋同性,在重复性施工中,堆积鱼礁的体积等几何参数大概率落在一个比较集中的区间内。

如表3所示,堆积结果的波动主要源于随机堆积过程,在投放数量达到60个以后,鱼礁的各项数值趋于稳定,并且在本轮实验过程中,堆体各项参数的分布基本符合正态分布假设。在HUT型与B型礁堆中,绝大多数参数在不同堆积数量下均通过正态性检验。当投放数量超过80个以后,高耸的礁堆结构在持续的堆积过程中易出现局部嵌固或塌落,所以,A型礁及C型礁会构成多样化的礁体形态。此外,空方体积参数整体表现稳定,其中HUT型与A型在投放量为40~80个时,空方形成虽具有较高随机性,但分布形态稳定。

图6展示了C型礁堆的4种代表性形态。可以看出,C型礁在堆积过程中可能形成钝顶、孔洞、外悬或尖塔等不同形态。这表明数值模拟方法能够捕捉不同礁型因结构特征引起的堆叠形态差异,从而验证该方法在分析自堆叠行为方面的可行性与准确性。

2.2 空方增长率、空方体积比与礁体投放数量的关系

4种礁型在不同投放数量下的空方增长率与空方体积比分布如图7与图8所示。整体上,随着投放数量增加,两项指标均呈现出由初始离散向稳定收敛的趋势。当投放量为20个单体时,各类型箱线范围较大,离群值较多,空方指标的波动范围较宽,表明堆体结构受初始随机堆积影响显著,局部支撑不足导致空方规模变异明显。当投放量达到60个单体以后,各礁型箱体高度显著收敛,离群值减少,中位数趋于稳定,此时堆体已形成较为稳定的三维支撑结构,其形态不再主要由随机因素主导,不同投放数量下的空方特征差异也随之减弱。

横向比较4种礁型可见,A型与C型礁在各投放数量下均具有较高的空方增长率与空方体积比,为4种结构中孔隙生成能力最突出的两类。其中,C型礁分布最为稳定,体现出较高的结构均匀性与堆体重复性。

从投放数量变化的影响来看,A型对数量变化最为敏感,其空方指标随数量增加呈现明显的收敛与调整过程。HUT型与B型在投放量达到约60个单体时即趋于稳定,继续增加数量对其空方特征影响有限。C型对数量变化的敏感性最弱,在20~100个的整个投放范围内空方波动均较小。

总体而言,增加投放数量有助于提升堆体整体稳定性,但各礁型最终形成的孔隙特征仍主要由其几何构型决定。

2.3 坡度角与礁体投放数量的关系

如图9所示,4种礁型在投放数量为40~100个时的坡度角均随堆积规模增大而呈小幅上升趋势,但不同结构的坡度角水平及增长幅度存在明显差异。HUT型的坡度角始终为4类中最低,其趋势曲线较为平缓,随数量增加的上升幅度最小。B型的坡度角略高于HUT型,趋势呈温和上升,整体仍保持较为均匀的堆积轮廓。A型与C型的坡度角在较大投放规模下显著高于HUT型与B型,且随投放数量增加上升趋势明显。因此,这两种单体在堆叠时更易形成垂向发育较好的堆积体。

2.4 礁堆高度与底面积的关系

4种鱼礁堆体底面积与高度之间的关系如图10所示,各礁型均呈现幂函数增长趋势,但高度增长能力与数据分布特征存在明显差异。C型的底面积与高度均最为突出,数据点主要分布在图表上部,拟合优度较高。A型在相同投放数量下,其底面积和高度略低于C型,但由于高度增长速率较大,在相同底面积条件下可形成更高的堆体。HUT型的高度增长曲线较为平缓,在同等底面积条件下堆高明显低于A型与C型,呈现宽缓、低矮的堆体形态;B型在堆积规模较小时,能够以较小底面积获得较高堆体,但随着底面积增加,其高度增长速率逐渐降低,在大规模堆积时其堆高甚至低于HUT型。

表4总结了不同底面积范围内各礁型堆积高度的优先级排序。堆体形态优势随规模扩大呈现规律性变化:当底面积较小(S< 33 m²)时,B型表现最优;底面积中等(33~80 m²)时,C型逐渐占据优势;底面积超过80 m²后,A型开始主导,并在S> 93 m²时稳定保持最高堆高。这表明在较大规模堆积时,A型单体间的自稳定与互锁效应更为显著,从而实现更高的堆叠效率与几何稳定性。

综上所述,A型在多尺度堆叠过程中表现出良好的结构连续性与形态发展潜力,其参数分布集中、形态稳定性强,能够在较大规模下形成高效且稳定的高体堆叠结构。

3 礁堆稳定性实验

考虑到在海洋环境中,波浪、潮流紊动及海床响应共同引起的动力扰动与孔隙水压力累积^[24]可能导致礁堆发生局部滑移、形态重构乃至整体失稳。本研究制作了A型、B型和C型礁1∶20缩尺模型(图11),并利用振动台施加可控的周期性加速度激励,模拟考察各类礁型堆体在动态荷载下的形态保持能力、稳定性差异及潜在失稳模式,以及在振动作用下,鱼礁的最终形态。

振动系统主要由振动波控制器、GF-500W功率放大器、ICP加速度传感器、数据采集控制器以及小型精密振动台组成(图12)。振动台平台尺寸为516 mm × 80 mm,加速度传感器固定于平台右侧,用于实时监测振动加速度,并通过计算机记录加速度时程与峰值加速度。受振动台平台尺寸限制,每次实验均堆叠50个礁体模型,以保证三类堆体的规模可比性。为减少基底滑移,于振动台表面铺设细砂纸以增大摩擦。传感器将平台加速度信号实时反馈至控制系统,确保振动过程稳定可控。实验采用频率为5 Hz的正弦波振动信号,其间保持振幅与频率恒定,充分振动直至礁堆形态不再变化。振动试验前,通过调节振幅以获得目标加速度水平。

初步实验表明,当最大加速度介于0.05g~0.08g(g为重力加速度)时,各类礁堆的形态变化最为显著,有利于区分其稳定性差异。因此,选取0.05g与0.075g两种加速度工况开展测试,每种工况下对3类礁型分别进行两次重复试验,以保证结果的可重复性与统计可靠性。每次振动结束后,移除从主堆体中滑移或脱落的单体模型,仅保留保持整体稳定的主体结构。随后通过多角度摄影获取振动前后堆体的图像,并利用三维建模软件重建堆体表面包络模型。基于点云数据重新计算堆体的总高度、底面积及空方体积等几何参数,以定量描述振动引发的结构变化。

从3种礁堆振动前后的俯视图(图13)可以观察到,在振动作用下部分单体发生相对位移,堆体整体结构趋于松散化,局部出现塌落与分散现象。在两种加速度工况下,3类礁型的堆高、空方增长率、空方体积比及坡度角的变化规律如图14所示。

总体而言,振动后礁堆的高度与坡度角均有所下降,而空方体积比与空方增长率普遍上升,表明振动引起堆体内部孔隙重组,单体的微小滑移与局部塌落使得结构趋于疏松,内部空隙体积相应增大。

为量化礁堆在振动过程中的响应特征,表5与表6分别列出了3种礁型在0.05g与0.075g加速度下各参数的相对变化率。在0.05g条件下,各礁型参数变化均较小,整体结构保持稳定。

其中C型变化幅度最大,说明其对振动较为敏感;A型变化最小,表明其在轻度振动下具有较好的结构稳定性。当加速度增至0.075g时,各礁型形态变化显著增强:C型的高度下降最为明显(超过30%),且空方增长率与空方体积比出现下降。反映其堆体较早进入局部失稳状态;相比之下,A型的堆高下降最小,空方增长率与空方体积比则明显上升,说明其在振动中仍能维持较好的结构关联性;B型的表现介于二者之间,在中等强度振动下兼顾了一定的稳定性与透空性。

振动过程可分为两个阶段:第一阶段为搭接松动阶段,礁体间搭接面积减小但未完全分离,导致空方指标上升;第二阶段为局部失稳阶段,单体开始分离并伴随局部坍塌,空方体积与底面积由增转减,堆高持续下降。加速度越大,堆体越早进入第二阶段。从结构特征看,C型因初始搭接较少,最早进入第二阶段;A型因单体连接紧密、搭接充分,进入第二阶段最晚,表现出较强的整体性与抗扰动能力;B型则介于二者之间,兼具一定稳固性与几何适应性。

综上所述,鱼礁在振动台作用下没有出现大面积的坍塌现象,A型在较强振动下保持最高的几何稳定性与结构完整性,综合抗振性能最优;B型稳定性稍逊,但具有良好的透水性及能量耗散特性;C型虽堆积效率较高,但抗振性能相对较弱,更适用于水流相对平缓的海域环境。

4 结论

提出了异式四面体形、Z形与异式圆柱形3种新型人工鱼礁,并通过离散元数值模拟对这几种结构的鱼礁进行了堆积成礁模拟研究。通过将空方增长率、空方体积比及坡度角作为评价指标,系统比较了3类新型鱼礁的成礁过程中的结构性能、成礁效果以及成礁稳定性。此外,通过振动台试验,对堆叠50个单体的鱼礁模型进行了稳定性测试,记录了0.05g与0.075g两种加速度工况下振动前后堆体的形态变化,进而评估了各礁型的动力稳定性。主要结论如下。

(1)基于离散元法的数值堆叠模拟能够有效再现人工鱼礁在自堆叠过程中的运动、搭接与稳定特征,在模拟复杂几何礁体的堆积行为方面具有可行性与可靠性。该方法不仅可在设计阶段预测不同礁型的堆积形态与结构参数,还能为实际工程中人工鱼礁的形态优化与投放策略提供指导,为大规模人工鱼礁群的构建提供技术依据。

(2)异式四面体形鱼礁在自堆叠过程中能够形成稳定性高、空方体积大的三维堆体结构,是适用于深海环境、具备自堆叠成高体礁群潜力的理想礁型。

验证了通过小型模块化礁体自堆叠构建大型人工鱼礁的可行性,为未来深水人工鱼礁的结构设计与施工方法提供了新的工程参考与科学依据。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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