基于靜力分析的深水臺筏養(yǎng)殖設(shè)施結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

張光發(fā)1，張斌2,魏文2,梁峻3

(1.大連海洋大學(xué) 航海與船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.大連海洋大學(xué) 海洋科技與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116023；3.獐子島集團股份有限公司，遼寧 大連 116001)

摘要:基于靜力分析方法對延繩式深水臺筏養(yǎng)殖設(shè)施(簡稱臺筏系統(tǒng))的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。通過分析臺筏系統(tǒng)的受力情況及其失效形式，建立了臺筏系統(tǒng)抗風(fēng)浪能力分析模型，基于該模型對臺筏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、錨固方式、總體布置、總體結(jié)構(gòu)形式及其對臺筏系統(tǒng)的抗風(fēng)浪能力的影響進(jìn)行分析，并針對這些結(jié)構(gòu)參數(shù)及其結(jié)構(gòu)形式提出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計方法和選取原則。利用上述靜力分析模型和優(yōu)化設(shè)計方法，對架設(shè)于獐子島海域30 m水深的臺筏養(yǎng)殖設(shè)施進(jìn)行了分析計算和優(yōu)化設(shè)計改造，并在相同海域進(jìn)行了驗證實驗，通過對比，分析了優(yōu)化設(shè)計方案的可行性及其優(yōu)化效果。研究表明，通過優(yōu)化設(shè)計改造的臺筏系統(tǒng)抗風(fēng)浪能力明顯提高，且臺筏系統(tǒng)的纏繞現(xiàn)象明顯減少。本研究中提出的優(yōu)化設(shè)計方法可為深水延繩式浮筏養(yǎng)殖設(shè)施的設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞:深水筏式養(yǎng)殖；結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計；靜力分析；抗風(fēng)浪能力

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-1388.2015.01.018

文章編號：2095-1388(2015)01-0096-06

中圖分類號：S967.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-05-24

基金項目：國家科技支撐計劃項目(2012BAD18B03)

作者簡介：張光發(fā)(1970—)， 男， 副教授。E-mail:zhangguangfa@dlou.edu.cn

Abstract：The structure optimization design of deep water long-line rope rafts in aquaculture was established based on method of statics analysis. The stress state and failure model of deep water long-line rope rafts in aquaculture were evaluated to establish the statics analysis model for evaluating anti-wave ability of the aquaculture facility. The effect of main structure parameters, anchoring mode, and general layout of the aquaculture facility on its anti-wave ability was analyzed and discussed by the evaluating model. The optimization method and selection principle were proposed. The aquaculture facility erected in 30 m deepwater in Zhangzidao sea area was calculated and optimized designed and modified using the established statics analysis model and optimal design method. A comparative physical experiment was carried out to prove the optimization efficiency. The result showed that the anti-wave ability of remade aquaculture facility by optimization designing was improved markedly and the winding phenomenon was reduced. The findings provide a reference with the design of deep water long-line rope raft aquaculture facility.

筏式養(yǎng)殖技術(shù)源于日本，目前被廣泛用于牡蠣、扇貝和大型藻類的養(yǎng)殖中。中國海帶筏式養(yǎng)殖技術(shù)從20世紀(jì)50年代逐漸開始完善和成熟，至今已涉及藻類、貝類、棘皮類、蟹類等諸多品種，養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴大，并逐漸向外海海域拓展。延繩式深水浮筏養(yǎng)殖設(shè)施屬于筏式養(yǎng)殖方式的一種，其結(jié)構(gòu)主要由浮漂、網(wǎng)籠、主繩、樁繩和入海底的錨固錨樁構(gòu)成，養(yǎng)殖設(shè)施處于風(fēng)大、浪高、流急的深水開放水域，受到復(fù)雜海況的作用，其結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性將直接影響整個養(yǎng)殖生產(chǎn)的成敗。因此,對其結(jié)構(gòu)設(shè)計時要結(jié)合其養(yǎng)殖工藝要求，并充分考慮海洋風(fēng)浪流的影響，并對其受力和運動特性以及優(yōu)化設(shè)計方法進(jìn)行研究。

關(guān)于筏式養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)的研究，國外主要采用有限元方法利用商業(yè)軟件進(jìn)行分析。Grant等[1]利用有限元方法對一種筏式養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬；Lien等[2]利用商業(yè)軟件對延繩式和浮管式筏式養(yǎng)殖系統(tǒng)的抗風(fēng)浪性能進(jìn)行了對比研究。在國內(nèi)，近年來圍繞沿海近岸養(yǎng)殖設(shè)施的養(yǎng)殖區(qū)域規(guī)劃、養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)動力分析、波浪與水流對養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)的影響、養(yǎng)殖設(shè)施的抗風(fēng)浪性能、養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面開展了諸多研究。李冠穎等[3]運用物理實驗和數(shù)值模型相結(jié)合的方法對外海浮筏式蚵架養(yǎng)殖裝置的動力特性進(jìn)行了研究；鄧推等[4-5]利用集中質(zhì)量法對一種新型筏式養(yǎng)殖系統(tǒng)在波浪作用下的整體運動情況進(jìn)行了模擬和分析；崔勇等[6]利用有限單元法對浮筏設(shè)施中浮標(biāo)和吊籠結(jié)構(gòu)的最大位移以及錨繩受力及其抗風(fēng)浪性能進(jìn)行了分析；王經(jīng)坤等[7]利用Pro/Engineer和Ansys軟件作為建模分析平臺，應(yīng)用虛擬設(shè)計技術(shù)對筏式養(yǎng)殖裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計研究。目前，國內(nèi)的筏式養(yǎng)殖技術(shù)及其相關(guān)研究主要集中在近岸20 m等深線以內(nèi)水域，離岸外海深水養(yǎng)殖技術(shù)還剛剛起步，尤其是對外海深水延繩式浮筏養(yǎng)殖設(shè)施，國內(nèi)外研究較少。

本研究中，基于靜力假定對深水延繩式浮筏養(yǎng)殖設(shè)施(以下簡稱臺筏養(yǎng)殖設(shè)施)的結(jié)構(gòu)形式及其受力情況進(jìn)行了分析，建立了臺筏養(yǎng)殖設(shè)施的抗風(fēng)浪能力靜力分析模型，并基于該模型對臺筏養(yǎng)殖設(shè)施的主繩長度、浮漂數(shù)量、養(yǎng)殖網(wǎng)籠數(shù)量等結(jié)構(gòu)尺度以及繩索材質(zhì)與直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了分析，同時還分析了錨固方式、布設(shè)方向、總體結(jié)構(gòu)形式和海洋環(huán)境參數(shù)等對其抗風(fēng)浪能力的影響，并從其結(jié)構(gòu)尺度、錨固方式和布設(shè)方向等幾個方面提出了臺筏養(yǎng)殖設(shè)施的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，同時以架設(shè)于獐子島海域30 m水深的臺筏養(yǎng)殖設(shè)施為實例，提出了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計改造方案，并進(jìn)行了驗證實驗，通過對比分析了優(yōu)化設(shè)計方案的可行性及其優(yōu)化效果。

通信作者： 梁峻(1979—)， 男， 高級工程師。E-mail:lj@zhangzidao.com

1臺筏養(yǎng)殖設(shè)施的結(jié)構(gòu)形式

臺筏養(yǎng)殖設(shè)施的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，主要由浮漂、主繩、養(yǎng)殖網(wǎng)籠、樁繩和海底錨樁組成，浮漂用繩索與主繩相連，主繩與兩端的樁繩連接成一體，樁繩與海底的錨樁相連，養(yǎng)殖網(wǎng)籠吊掛在主繩上。浮漂的直徑一般為35～45 cm，主繩長為200～400 m，養(yǎng)殖網(wǎng)籠為圓柱體結(jié)構(gòu)，直徑為30～40 cm，長度為2～5 m，樁繩長度按海底錨樁角度與水深計算，海底錨樁角度一般為30°～60°，養(yǎng)殖設(shè)施一般順流布設(shè)(即裝置的主軸與海浪流的方向之間的夾角為0°)，水深為15～40 m。養(yǎng)殖網(wǎng)籠間距一般取網(wǎng)籠長度(以避免網(wǎng)籠之間的相互纏繞)，其數(shù)量按主繩的長度及其間距計算，浮漂與養(yǎng)殖網(wǎng)籠的數(shù)量按照臺筏系統(tǒng)的浮力與重力平衡原則來配備。

圖1　深水延繩式浮筏養(yǎng)殖裝置結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1　Structure diagram of deepwater long-line rope raft facility in aquaculture

整個結(jié)構(gòu)靠浮漂提供浮力，并依靠海底錨樁的錨固力來保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。臺筏系統(tǒng)在環(huán)境載荷的作用下，將產(chǎn)生運動和變形，在臺筏系統(tǒng)的運動過程中，繩索(主繩、樁繩等)內(nèi)部以及樁繩與錨樁、錨樁與海底都會產(chǎn)生張力的作用，如果主繩尺度、樁繩尺度、錨樁海底抓力不滿足結(jié)構(gòu)張力的要求，都會使臺筏結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或者產(chǎn)生推筏事故。作者通過對獐子島海域臺筏養(yǎng)殖設(shè)施中以往推筏事故的調(diào)研與分析，其破損失效模式一般有4種情況：

(1)主繩的最大張力超過其強度極限而導(dǎo)致主繩斷裂。

(2)樁繩的最大張力超過其強度極限而導(dǎo)致樁繩斷裂。

(3)樁繩的最大張力超過錨樁的海底抓力而導(dǎo)致錨樁從海底脫落(即脫錨現(xiàn)象)。

(4)由于樁繩張力的大小與方向的經(jīng)常變化而產(chǎn)生樁繩的頻繁搖晃，最終導(dǎo)致錨樁的疲勞破壞而脫錨。

對于上述第1種情況，由于從養(yǎng)殖工藝的角度出發(fā)而選擇的主繩直徑一般比較大，而其最大張力一般比樁繩小，因而，這種失效模式較少發(fā)生。而對于第4種情況，涉及到養(yǎng)殖裝置的疲勞壽命分析，在靜力分析時，暫不予考慮。在實際養(yǎng)殖過程中，養(yǎng)殖設(shè)施的破壞情況大部分屬于第2、3種情況。

2靜力分析模型

2.1　靜力分析方法

臺筏系統(tǒng)在海洋風(fēng)浪流作用下的運動機理、受力及其破壞情況非常復(fù)雜，系統(tǒng)各部件之間相互作用，水深、風(fēng)浪大小、海流大小是影響臺筏養(yǎng)殖設(shè)施結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素，因而可以用臺筏系統(tǒng)的抗風(fēng)浪能力來衡量其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。臺筏系統(tǒng)的抗風(fēng)浪能力取決于系統(tǒng)儲備浮力、波浪強度、臺筏系統(tǒng)各繩索的斷裂強度、錨樁對海底的抓力等因素，對其抗風(fēng)浪能力進(jìn)行理論分析非常困難。通過以上對臺筏系統(tǒng)破損失效模式的分析可以看出，臺筏系統(tǒng)的失效大部分是由于樁繩的最大張力超過了樁繩材料的斷裂強度或者超過了錨樁的海底抓力，因此，通過對臺筏系統(tǒng)進(jìn)行一定的假定和簡化，并基于靜力學(xué)原理，計算臺筏系統(tǒng)在不同海浪級別下的樁繩最大張力，將其與樁繩材料的斷裂強度和錨樁的海底抓力進(jìn)行比較，得到臺筏系統(tǒng)所能抵抗的最大海浪級別，可據(jù)此來初步評價系統(tǒng)的抗風(fēng)浪能力。

2.2　臺筏系統(tǒng)受力分析

臺筏系統(tǒng)的所有部件在海洋環(huán)境中除了受到重力、浮力的作用外，還受到風(fēng)力、波浪力、潮流力等方面的環(huán)境載荷。為了分析臺筏系統(tǒng)的抗風(fēng)浪能力，需要計算樁繩的最大張力。樁繩的最大張力發(fā)生在波浪與海流的作用方向都與筏架主繩方向一致時，在此情況下，所有的作用力都集中在一根樁繩上，此時系統(tǒng)處于最危險狀態(tài)。在這種情況下，臺筏系統(tǒng)的受力主要是樁繩、主繩、浮漂，以及養(yǎng)殖網(wǎng)籠的浮力、重力和水動力。在計算時，先分別計算相應(yīng)海況下臺筏系統(tǒng)所有浮漂、網(wǎng)籠、主繩和樁繩上的水平和垂直方向的作用力，然后再對其進(jìn)行合并，即得到樁繩的最大作用力。

2.3　臺筏系統(tǒng)水動力計算模型

臺筏系統(tǒng)中的浮漂、網(wǎng)籠、樁繩和主繩等部件，屬于小尺度海洋結(jié)構(gòu)物，按照Morison公式[8]計算以下變量：

f=fd+fm，

(1)

fd=CdρAd|u|u，

(2)

fm=CmρAma。

(3)

其中：fd為由波浪速度場所產(chǎn)生的速度力；fm為由波浪加速度場所產(chǎn)生的加速度力；Cd為阻力系數(shù)；Cm為慣性力系數(shù)；Ad、Am分別為計算速度力和加速度力時物體對水流方向的投影面積；ρ為海水密度(mg/m3)；Cd、Cm、Ad、Am按照構(gòu)件類型參照文獻(xiàn)[8]第266頁表1和表2來選?。籾與a分別為波浪與海流水質(zhì)點的速度與加速度，并根據(jù)海流和波浪模型進(jìn)行計算。

對于浮漂，其結(jié)構(gòu)為球體，Cd=0.5，Cm=1.5，Ad=πD2/4，Am=πD3/6，D為浮漂直徑。

參考文獻(xiàn)對于網(wǎng)籠，可[9]中的方法，利用集中質(zhì)量法建立水動力計算模型。本研究中利用簡化計算法，將其結(jié)構(gòu)簡化為具有一定透水性的圓柱體，其橫向波浪力按下式計算：

fc=kf。

(4)

其中：f為按照公式(1)～(3)計算的圓柱體的波浪作用力，式中Cd取1.0，Cm取2.0，Ad=0.5DLd，Am=0.25πD2Ld，D為柱體直徑，Ld為柱體單位長度。將網(wǎng)籠圓柱體在柱體長度方向(z方向)積分，即可得到整個柱體所受的波浪力。k為滿實系數(shù)，即考慮網(wǎng)籠透水性的系數(shù)，根據(jù)實際網(wǎng)籠的平均滿實率利用試驗數(shù)據(jù)獲取。對于網(wǎng)籠垂直方向的水動力，由于其垂向截面積較小而忽略不計。

對于樁繩，將其離散為圓柱體單元，利用Morison公式，參照文獻(xiàn)[10]中所述的傾斜圓柱體的水動力計算方法進(jìn)行計算，然后再積分求得整條樁繩的水動力。

對于主繩，由于在所計算的狀態(tài)(系統(tǒng)最危險狀態(tài))下，主繩方向與波浪、流的作用方向一致，其水動力較小可忽略不計。

為了計算不同等級的波浪，需要考慮比較大的入射波高，不能忽略非線性波浪力，因此，采用二階Stokes波浪理論計算波浪水質(zhì)點的速度和加速度u與a[11]，其計算公式為

cos2(kx-wt)，

(5)

sin2(kx-wt)，

(6)

sin2(kx-wt)，

(7)

cos2(kx-wt)。

(8)

其中:H為波高;T為波浪周期，波高與周期參照文獻(xiàn)[12]的方法，根據(jù)海浪等級輸入;ω為波浪角頻率，ω=2π/T;k為波數(shù)，根據(jù)波浪彌散關(guān)系k=ω2/gth-1(kd)來確定;L為波長，L=2π/k；d為水深，z+d為計算點水深。對于相位角kx-wt，在計算時選取波浪力最大時的值。

3臺筏養(yǎng)殖設(shè)施主要技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計及其選取原則

基于上述靜力分析原理，本研究中以架設(shè)于獐子島海域30 m水深的臺筏養(yǎng)殖設(shè)施為計算實例，對臺筏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、錨固方式、總體布置、總體結(jié)構(gòu)形式及其對臺筏系統(tǒng)的抗風(fēng)浪能力的影響進(jìn)行分析，并針對這些結(jié)構(gòu)參數(shù)及其結(jié)構(gòu)形式提出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計方法及選取原則。

架設(shè)于獐子島海域30 m水深的臺筏養(yǎng)殖設(shè)施為一種典型的筏式養(yǎng)殖裝置，主繩長度為200～300 m，浮漂直徑為0.42 m，配備浮漂數(shù)量為40～80個，海底錨樁最大抓力為100～150 kN，海域流速按1.5 m/s計算。主繩與樁繩采用聚丙烯材質(zhì)的繩索，其直徑為20～40 cm，根據(jù)生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品規(guī)格，兩股聚丙烯材質(zhì)的樁繩合股后的斷裂強度為116～250 kN。

3.1　臺筏裝置的結(jié)構(gòu)尺度

臺筏養(yǎng)殖裝置的結(jié)構(gòu)尺度主要是主繩長、養(yǎng)殖網(wǎng)籠數(shù)量和浮漂數(shù)量，其尺度越大，系統(tǒng)所受到的水動力越大，樁繩的最大張力也越大，養(yǎng)殖裝置的抗風(fēng)浪能力就越??；其尺度越小，則影響其施工成本、作業(yè)復(fù)雜度和養(yǎng)殖經(jīng)濟效益。對臺筏裝置結(jié)構(gòu)尺度的選擇原則是在保證其抗風(fēng)浪能力的前提下盡量選擇較大的尺度。利用“2.3”節(jié)所述抗風(fēng)浪能力估算模型，可計算出在1.5 m/s的海流流速下，不同尺度的臺筏裝置抗風(fēng)浪能力如表1所示。在設(shè)計時，可參考表1按照一定的抗風(fēng)浪能力選擇比較大的結(jié)構(gòu)尺度。例如，可根據(jù)7級海浪的抗風(fēng)浪能力要求選擇主繩長220 m的結(jié)構(gòu)尺度。而對于現(xiàn)有養(yǎng)殖設(shè)施，為了提高其抗風(fēng)浪能力，則需要改進(jìn)其結(jié)構(gòu)布置，減少主繩長度，合理配置網(wǎng)籠與浮漂的數(shù)量，以減少樁繩的最大作用力。

表1不同尺度的臺筏養(yǎng)殖裝置的抗風(fēng)浪能力

Tab.1Wind resistance of different dimensions of raft aquaculture facilities

主繩長/mmainropelength浮漂數(shù)numberoffloating網(wǎng)籠數(shù)numberofcage抗風(fēng)浪能力windresistance300601506級海浪/6級風(fēng)280561406級海浪/6~7級風(fēng)260521306級海浪/7級風(fēng)240481206級海浪/7~8級風(fēng)220431107級海浪/8~9級風(fēng)200401007級以上海浪/9級以上風(fēng)

3.2　繩索直徑

在筏式養(yǎng)殖中，一般采用聚丙烯材質(zhì)的繩索，繩索的直徑?jīng)Q定了其斷裂強度，進(jìn)而直接影響臺筏系統(tǒng)的抗風(fēng)浪能力。對于主繩，由于其所受最大張力比樁繩小，而且為了滿足養(yǎng)殖期間養(yǎng)殖網(wǎng)籠的作業(yè)工藝要求，一般主繩直徑比樁繩大，其強度基本都能滿足要求。下面僅就樁繩的直徑對臺筏養(yǎng)殖設(shè)施抗風(fēng)浪能力的影響進(jìn)行分析。實際生產(chǎn)中臺筏養(yǎng)殖裝置常采用兩股聚丙烯繩索,以提高其斷裂強度并保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性?，F(xiàn)以240 m尺度的臺筏結(jié)構(gòu)形式為例，計算出不同直徑(20～30 mm)樁繩的臺筏裝置的抗風(fēng)浪能力，結(jié)果如表2所示。參照表2，如果按7級海浪的抗風(fēng)浪能力來設(shè)計臺筏養(yǎng)殖裝置，則需要選取直徑為26 mm以上的兩合股樁繩。

3.3　養(yǎng)殖網(wǎng)籠的結(jié)構(gòu)尺度

養(yǎng)殖網(wǎng)籠為圓柱形，其尺度主要考慮養(yǎng)殖工藝要求來選取，如養(yǎng)殖扇貝的網(wǎng)籠直徑為30～40 cm，長度為3.5～4.5 m，分20～30層，層間距為10～15 cm。另外，網(wǎng)籠的尺度還直接影響其水動力的大小，從而影響臺筏系統(tǒng)的整體受力。網(wǎng)籠網(wǎng)目的大小影響其透水性，從而間接影響其水動力，網(wǎng)目大則網(wǎng)籠的透水性好，波浪與海流對網(wǎng)籠的水動力將較小，臺筏系統(tǒng)所受的整體水動力就較小。網(wǎng)籠結(jié)構(gòu)尺度的選取原則是：在滿足養(yǎng)殖工藝要求的條件下，選擇尺度小且網(wǎng)目大的養(yǎng)殖網(wǎng)籠。

表2不同直徑樁繩的臺筏養(yǎng)殖裝置的抗風(fēng)浪能力

Tab.2Wind resistance of aquaculture raft facilities with different mooring ropes

樁繩直徑/mmdiameterofmooringrope斷裂強度/kNbreakingstrength抗風(fēng)浪能力windresistance20116.06級海浪/6級風(fēng)22139.26級海浪/7~8級風(fēng)24162.66級海浪/7~8級風(fēng)26188.27級海浪/9級風(fēng)28214.07級以上海浪/9級以上風(fēng)30244.47級以上海浪/9級以上風(fēng)

3.4　養(yǎng)殖設(shè)施的錨固方式

臺筏養(yǎng)殖設(shè)施的錨固方式一般有兩種：一種是利用打入海底的錨樁進(jìn)行錨固，稱為絕對錨固。其優(yōu)點是施工簡單，成本低，但其抗風(fēng)浪能力差，一旦樁繩斷裂或者脫錨，不僅裝置本身會破損，而且會破壞臨近的裝置，從而導(dǎo)致養(yǎng)殖設(shè)施的整體推筏事故，造成巨大的損失。另一種是利用沉入海底的重物(如水泥砣)進(jìn)行錨固，稱為相對錨固。其優(yōu)點是抗風(fēng)浪能力強，結(jié)構(gòu)本身可相對移動和調(diào)整，脫錨損壞的可能性小。綜合而言，在海流和風(fēng)浪比較平緩的海域，可考慮利用錨樁的絕對錨固方式以節(jié)省成本；而在海流速比較大、風(fēng)大浪急的海域，盡量采用水泥砣的錨固方式。

對于錨樁錨固的結(jié)構(gòu)形式，可在每臺筏架的中間增加一套樁繩與錨樁，以減小單根樁繩的最大張力，在節(jié)省成本的同時可提高臺筏養(yǎng)殖設(shè)施的抗風(fēng)浪能力。

3.5　養(yǎng)殖設(shè)施的布置

3.5.1養(yǎng)殖設(shè)施的布置方向養(yǎng)殖設(shè)施的布置方向是指養(yǎng)殖裝置的主軸方向(即主繩的方向)與海浪流方向之間的夾角(以下簡稱布設(shè)角度)。布設(shè)角度對其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性(抗風(fēng)浪能力)的影響不僅體現(xiàn)在對樁繩張力的影響，而且還體現(xiàn)在對結(jié)構(gòu)的位移和變形(包括浮漂的位移、養(yǎng)殖網(wǎng)籠的位移及其轉(zhuǎn)角、主繩和樁繩的變形)方面的影響。如果樁繩的張力過大，樁繩就容易斷裂或者錨樁容易脫錨；而如果浮漂和養(yǎng)殖網(wǎng)籠的位移過大，養(yǎng)殖設(shè)施就會產(chǎn)生纏繞影響?zhàn)B殖效果。當(dāng)布設(shè)角度為0°時，結(jié)構(gòu)的所有張力將只由其一端的樁繩來承擔(dān)，此時樁繩的張力最大，養(yǎng)殖設(shè)施的抗風(fēng)浪能力最差；當(dāng)布設(shè)角度增大時，由于兩端的樁繩都參與承擔(dān)結(jié)構(gòu)的水動力，因而單根樁繩的最大張力將逐漸減小，在90°時達(dá)到最小。另一方面，布設(shè)角度對結(jié)構(gòu)的位移和變形的影響與對其最大張力的影響相反。崔勇等[6]研究表明，在相同流速下，布設(shè)角度從0～90°變化時，浮漂和網(wǎng)籠的位移和變形將逐漸增加，90°時達(dá)到最大。但是，當(dāng)布設(shè)角度為0°時，養(yǎng)殖網(wǎng)籠的位移和轉(zhuǎn)角與主繩方向一致，容易導(dǎo)致養(yǎng)殖網(wǎng)籠與主繩之間的相互纏繞。綜上所述，建議布設(shè)角度為45°左右，因為此時既能盡量減小單根樁繩的最大張力，又能最大限度地避免養(yǎng)殖網(wǎng)籠與主繩之間以及養(yǎng)殖網(wǎng)籠之間的纏繞與干涉。

3.5.2主繩與養(yǎng)殖網(wǎng)籠的布置主繩與養(yǎng)殖網(wǎng)籠的布置主要是合理地選取主繩軸線離海平臺的距離(深度)以及網(wǎng)籠間距。網(wǎng)籠的深度主要根據(jù)養(yǎng)殖工藝要求來選取，一般在16～25 m，此深度為海產(chǎn)品的適宜養(yǎng)殖水深，因此，養(yǎng)殖網(wǎng)籠的上部應(yīng)處于16 m左右的水深以下。如果網(wǎng)籠的吊繩按0.5 m左右計算，則主繩的布置深度應(yīng)該在15 m以下。網(wǎng)籠間距的選取，要盡量避免網(wǎng)籠之間的相互纏繞；如果網(wǎng)籠長度為4 m，則網(wǎng)籠間距應(yīng)選取2～4 m為宜。

3.5.3樁繩的布置樁繩的布置主要是合理地選取樁繩與海底之間的角度，其主要會對錨固點的海底抓力以及臺筏結(jié)構(gòu)的總體長度兩方面造成影響。角度越小，一方面錨固點的海底抓力越大，對養(yǎng)殖設(shè)施的整體抗風(fēng)浪能力有利；另一方面，臺筏結(jié)構(gòu)的總體長度也越大，海域的養(yǎng)殖經(jīng)濟性就差。因此，樁繩與海底之間的角度選取原則是：在滿足養(yǎng)殖設(shè)施抗風(fēng)浪要求的條件下，盡量選擇比較大的角度。一般是在實地測出錨固點各個角度的海底抓力后，根據(jù)抗風(fēng)浪要求所需錨固點的海底抓力選取最大的角度。

4實驗及其效果分析

架設(shè)于獐子島海域30 m水深的臺筏養(yǎng)殖設(shè)施大部分結(jié)構(gòu)尺度為主繩長200～300 m，在養(yǎng)殖過程中，時有推筏事故發(fā)生，養(yǎng)殖網(wǎng)籠與主繩纏繞的現(xiàn)象也經(jīng)常發(fā)生，嚴(yán)重影響了其養(yǎng)殖效果。本研究中，利用靜力分析原理，對臺筏養(yǎng)殖的抗風(fēng)浪能力進(jìn)行計算分析后，得出其抗風(fēng)浪能力為6級海浪(表2)。為了提高其抗風(fēng)浪能力，減少養(yǎng)殖網(wǎng)籠與主繩的纏繞與干涉，根據(jù)上述分析對其結(jié)構(gòu)提出了如下優(yōu)化改造方案：

(1)對主繩長超過240 m的臺筏結(jié)構(gòu)，采用如圖2所示的加固方案，在結(jié)構(gòu)的中間增加一套樁繩與錨樁進(jìn)行加固。

圖2　臺筏結(jié)構(gòu)加固方案示意圖 Fig.2　Schematic diagram of raft system structure reinforcement

(2)對主繩長小于240 m的臺筏結(jié)構(gòu)，減少養(yǎng)殖網(wǎng)籠和浮漂數(shù)量，按100～120個網(wǎng)籠和40～45個浮漂重新進(jìn)行了配置。

(3)將養(yǎng)殖設(shè)施的整體布設(shè)方向由原來的0°改為30°～45°。

按照上述優(yōu)化方案，改造了獐子島海域500臺臺筏養(yǎng)殖裝置中的20臺，并在相同養(yǎng)殖海域進(jìn)行了驗證實驗。通過測量同一時期改造前后兩種臺筏裝置的樁繩最大張力，觀測網(wǎng)籠與主繩的纏繞次數(shù)以及脫錨事故的次數(shù)，對比效果如下：

(1)未改造的樁繩最大張力為115.5 kN，改造后的樁繩最大張力為78.6 kN，減小近32%。

(2)在3個月的觀測期間，未改造的臺筏系統(tǒng)發(fā)生3起脫錨事故，而改造后的臺筏系統(tǒng)未發(fā)生脫錨推筏事故。

(3)未改造的臺筏裝置的網(wǎng)籠與主繩之間的纏繞現(xiàn)象比較頻繁，而改造后的臺筏裝置未發(fā)現(xiàn)網(wǎng)籠與主繩間或網(wǎng)籠之間的纏繞現(xiàn)象。

5結(jié)語

本研究中，基于靜力分析的抗風(fēng)浪能力分析模型，對深水臺筏養(yǎng)殖設(shè)施的抗風(fēng)浪能力進(jìn)行了計算，并通過對其結(jié)構(gòu)尺度、錨固方式和整體布設(shè)等方面進(jìn)行計算分析，達(dá)到對臺筏養(yǎng)殖設(shè)施的優(yōu)化設(shè)計，使得臺筏養(yǎng)殖設(shè)施在滿足深水臺筏養(yǎng)殖工藝要求及其經(jīng)濟性的前提下，盡量降低臺筏結(jié)構(gòu)的樁繩最大張力以提高其抗風(fēng)浪能力，減少了養(yǎng)殖網(wǎng)籠與主繩之間的纏繞現(xiàn)象以提高其養(yǎng)殖效果。本研究中提出的優(yōu)化設(shè)計方法可為深水延繩式浮筏養(yǎng)殖設(shè)施的設(shè)計提供參考。

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Optimal structure design for deepwater long-line rope rafts

in aquaculture based on statics analysis

ZHANG Guang-fa1, ZHANG Bin2,WEI Wen2, LIANG Jun3

(1.College of Navigation and Ship Engineering, Dalian Ocean University, Dalian 116023, China; 2.College of Marine Science and Environment，Dalian Ocean University, Dalian 116023, China; 3.Zhangzidao Group Co. Ltd., Dalian 116001, China)

Key words： deepwater long-line raft aquaculture facility; optimization design of structure; statics analysis; anti-wave ability