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(jì)

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(jì)

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(tuán)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(jì)。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(jì)方法和選取原則。利用上述靜力分析模型和優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)改造，并在相同海域進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，通過對比，分析了優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)方法可為深水延繩式浮筏養(yǎng)殖設(shè)施的設(shè)計(jì)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(jì)；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(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)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(kuò)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(jì)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(yùn)動特性以及優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)等方面開展了諸多研究。李冠穎等[3]運(yùn)用物理實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)例，提出了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)改造方案，并進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，通過對比分析了優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(yùn)動和變形，在臺筏系統(tǒng)的運(yùn)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(qiáng)度極限而導(dǎo)致主繩斷裂。

(2)樁繩的最大張力超過其強(qiáng)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(shí)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(yùn)動機(jī)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(qiáng)度、臺筏系統(tǒng)各繩索的斷裂強(qiáng)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(qiáng)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(jì)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(qiáng)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(jì)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(xiǎn)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(jì)算時，先分別計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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來選取；u與a分別為波浪與海流水質(zhì)點(diǎn)的速度與加速度，并根據(jù)海流和波浪模型進(jìn)行計(jì)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(jì)算模型。本研究中利用簡化計(jì)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(jì)算：

fc=kf。

(4)

其中：f為按照公式(1)～(3)計(jì)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(shí)系數(shù)，即考慮網(wǎng)籠透水性的系數(shù)，根據(jù)實(shí)際網(wǎng)籠的平均滿實(shí)率利用試驗(yàn)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(jì)。

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(jì)算方法進(jìn)行計(jì)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(jì)算的狀態(tài)(系統(tǒng)最危險(xiǎn)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(jì)。

為了計(jì)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(jì)算波浪水質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度u與a[11]，其計(jì)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(jì)算點(diǎn)水深。對于相位角kx-wt，在計(jì)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(jì)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(jì)算實(shí)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(jì)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(jì)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(qiáng)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)浪能力就越小；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(jì)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(jì)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(jì)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(qiáng)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(jì)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(jì)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(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)是抗風(fēng)浪能力強(qiáng)，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?yàn)榇藭r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(jì)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(diǎn)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(diǎn)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(jì)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(shí)地測出錨固點(diǎn)各個角度的海底抓力后，根據(jù)抗風(fēng)浪要求所需錨固點(diǎn)的海底抓力選取最大的角度。

4實(shí)驗(yàn)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(jì)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(yàn)證實(shí)驗(yàn)。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(jì)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(jì)算分析，達(dá)到對臺筏養(yǎng)殖設(shè)施的優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jì)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(jì)方法可為深水延繩式浮筏養(yǎng)殖設(shè)施的設(shè)計(jì)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