浮式防波堤與網(wǎng)箱組合結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性

王娜 周冠廷 王剛 陳國(guó)強(qiáng) 冀逸峰 劉年飛

摘?要：兼具網(wǎng)箱養(yǎng)殖功能的浮式防波堤結(jié)構(gòu)，為深水浮式防波堤和深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖提出了一條新的研究思路，不僅解決了海洋工程與海水養(yǎng)殖爭(zhēng)地的矛盾，基于防波堤開(kāi)展養(yǎng)殖的模式更較大降低海水養(yǎng)殖的成本。通過(guò)對(duì)浮式防波堤兼做網(wǎng)箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，得到該結(jié)構(gòu)在不規(guī)則波作用下，不同吃水深度、網(wǎng)箱深度以及周期對(duì)其水動(dòng)力特性的影響，結(jié)果表明，在短周期波浪作用下，網(wǎng)箱深度為0.1～0.15 m時(shí)結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力特性最好。該結(jié)構(gòu)具有良好的工程應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：浮式防波堤;網(wǎng)箱養(yǎng)殖;物理試驗(yàn);水動(dòng)力特性

中圖分類號(hào)：U656.2

隨著科技的發(fā)展，海洋資源顯得越來(lái)越稀有，遠(yuǎn)洋資源的有限及國(guó)際漁業(yè)協(xié)定的制約，捕撈業(yè)總體規(guī)模將維持或有所縮減。在養(yǎng)殖業(yè)方面，網(wǎng)箱養(yǎng)殖所具有的優(yōu)點(diǎn)使得網(wǎng)箱養(yǎng)殖成為養(yǎng)殖業(yè)賴以生存的一部分，而面對(duì)逐漸匱乏的海洋資源，對(duì)海洋水產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)利用成為了現(xiàn)在的首要目標(biāo)，科學(xué)提高養(yǎng)殖密度成為了發(fā)展的重點(diǎn)。所有這些都離不開(kāi)海洋工程設(shè)施和相關(guān)技術(shù)裝備。浮式防波堤有著建造迅速、移動(dòng)方便、便于水體交換等優(yōu)點(diǎn)，成為網(wǎng)箱養(yǎng)殖所用到的最合適的防波堤。想要提高養(yǎng)殖密度，結(jié)合對(duì)浮式防波堤結(jié)構(gòu)形式的研究，提出了一種浮式防波堤兼網(wǎng)箱的一種結(jié)構(gòu)，可以在現(xiàn)有的防波堤基礎(chǔ)上加上網(wǎng)箱，這樣可以在不增加原有海水養(yǎng)殖范圍的基礎(chǔ)上，提高海水養(yǎng)殖密度，可以以較小的投入取得更大的收益[1-2]。

防波堤的水動(dòng)力特性，是決定防波堤能否在實(shí)際工程中應(yīng)用的重要指標(biāo)。物理模型試驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫赜^察出防波堤的水動(dòng)力特性，對(duì)于浮式防波堤的試驗(yàn)研究，鄭艷娜[3]等通過(guò)物理模型試驗(yàn)對(duì)單箱、雙箱以及板式3種不同結(jié)構(gòu)形式的浮式防波堤進(jìn)行研究，結(jié)果表明，板網(wǎng)式浮式防波堤的消浪效果最好。汪宏[4]等對(duì)柔性浮式防波堤進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，柔性浮式防波堤消浪性能優(yōu)越，可以有效地對(duì)波浪進(jìn)行削減，長(zhǎng)波和短波都有較好的消浪效果。K.Murali[5]設(shè)計(jì)了一種新型的“籠式”浮堤，對(duì)浮堤的長(zhǎng)寬比以及錨鏈剛度進(jìn)行了分析，在復(fù)式結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的研究方面有所收獲。侯勇[6]等對(duì)浮式防波堤的錨泊系統(tǒng)進(jìn)行了研究，推導(dǎo)出了深海浮式防波堤的錨鏈剛度曲線表達(dá)式。劉慶凱[7]對(duì)懸鏈?zhǔn)絾胃∠浞啦ǖ痰乃畡?dòng)力特性進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)研究，結(jié)果表明相對(duì)寬度B/L是影響懸鏈?zhǔn)絾胃∠浞啦ǖ滔诵阅艿闹饕蛩?，相?duì)吃水S/d是影響鏈?zhǔn)絾胃∠浞啦ǖ套畲罄Φ闹饕蛩?。Ji[8]等提出了一種圓筒型浮式防波堤加網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)，網(wǎng)箱內(nèi)部裝有小球，并對(duì)其進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，新型防波堤對(duì)波浪有很好的消浪作用。

上述研究是對(duì)浮式防波堤不同種類的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了研究，本文研究的結(jié)構(gòu)形式，不同于以往的浮式防波堤。兼具養(yǎng)殖功能的浮式防波堤從結(jié)構(gòu)形式上，屬于附加了額外的構(gòu)件，其響應(yīng)的水動(dòng)力還鮮有研究。采用物理模型試驗(yàn)的方法，觀察分析浮式防波堤兼網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)在二維波浪作用下的水動(dòng)力特性，分析其在不同吃水、不同網(wǎng)箱深度以及不同波要素情況下的透射系數(shù)和錨鏈最大拉力，為該種結(jié)構(gòu)形式的相關(guān)設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。

1?物理模型試驗(yàn)

1.1?試驗(yàn)設(shè)備與儀器

本試驗(yàn)是在中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院江蘇如東試驗(yàn)基地進(jìn)行，水槽長(zhǎng)50 m、寬1 m、深1.5 m，配有單項(xiàng)不規(guī)則造波機(jī)，可模擬規(guī)則波、不規(guī)則波、橢圓余弦波及各種波浪譜，波高測(cè)量采用LYL-Ⅲ型浪高儀，量程0～50 cm，DJ800型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，量程0～40 cm，精度優(yōu)于1%;力的測(cè)量采用DS30型測(cè)力系統(tǒng)量程0～20 kg，精度優(yōu)于1%。

1.2?模型設(shè)計(jì)與布置

根據(jù)波浪模型試驗(yàn)規(guī)程[9]模型按照重力相似準(zhǔn)則，根據(jù)試驗(yàn)水槽的性能以及現(xiàn)有的材料，在滿足模型比尺的條件下，模型比尺1∶20，制作浮式防波堤的材料選用透明有機(jī)玻璃板，寬40 cm、高15 cm;用壓塊進(jìn)行配重，配重后吃水深度為0.05 m和0.075 m。網(wǎng)箱深度為0.1、0.15、0.2 m 3種，錨鏈選用78AM2錨鏈，錨鏈長(zhǎng)度為1.68 m，采用前后直拉的布置方式，錨點(diǎn)距離浮箱1.4 m。模型在水槽中的布置見(jiàn)圖1，模型位于水槽中部位置，距造波板距離為30 m，模型后方放置有5個(gè)測(cè)波點(diǎn) 1#、2#、3#、4#、5#，分別布置在堤后50、100、150、200、250 cm處;拉力傳感器安裝在錨鏈上靠近模型端處，共有4個(gè)拉力傳感器分別布置在浮式防波堤的迎浪面與背浪面。

1.3?試驗(yàn)方法及波浪要素

本次試驗(yàn)采用0.05 m和0.075 m兩種吃水深度和3種不同的網(wǎng)箱深度（分別為網(wǎng)深0.1、0.15、0.2 m）與無(wú)網(wǎng)箱情況進(jìn)行比較，每組工況進(jìn)行3次試驗(yàn)。試驗(yàn)采用不規(guī)則波進(jìn)行，波譜采用JONSWAP頻譜。即：

試驗(yàn)波要素見(jiàn)表1。

1.4?數(shù)據(jù)采集與處理

在安裝物理模型試驗(yàn)前，需要對(duì)浪高儀和拉力計(jì)進(jìn)行率定，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性減小系統(tǒng)的誤差。本次試驗(yàn)的波高和拉力的采集是同時(shí)進(jìn)行，在造波開(kāi)始前對(duì)浪高儀和拉力計(jì)進(jìn)行定零。采集時(shí)間為120個(gè)波左右，1.12 s和1.565 s周期采樣長(zhǎng)度為8 192，2.01 s周期采樣長(zhǎng)度為16 384。

本文定義透射系數(shù)k來(lái)評(píng)估浮式防波堤的消浪效果。

Ht為入射波高，Hi為堤后波高。

波高和拉力均是選取1/3值。

2?試驗(yàn)結(jié)果分析

主要研究吃水深度0.05 m時(shí)，無(wú)網(wǎng)箱及網(wǎng)箱深度（0.1、0.15、0.2 m）情況下的浮式防波堤兼顧網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及消浪性能，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2―圖5，通過(guò)試驗(yàn)觀察及數(shù)據(jù)分析，背浪側(cè)錨鏈相對(duì)于迎浪側(cè)錨鏈?zhǔn)芰苄。瑪?shù)據(jù)取值為迎浪面，背浪側(cè)錨鏈本文暫不討論。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2―表5。

2.1?吃水深度對(duì)浮式防波堤的錨鏈?zhǔn)芰η闆r以及消浪情況

選取了0.05 m吃水和0.75 m吃水下，相同波高、周期、網(wǎng)箱深度的錨鏈的受力和透射系數(shù)，將錨鏈?zhǔn)芰屯干湎禂?shù)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7。

從圖中可以看出，吃水深度為0.075 m的消浪效果要優(yōu)于吃水深度0.05 m的情況，但吃水深度0.075 m時(shí)的錨鏈?zhǔn)芰σ?.05 m的略大，不過(guò)吃水0.075 m的錨鏈?zhǔn)芰θ赃h(yuǎn)小于錨鏈的最小斷裂荷載。所以選取0.075 m吃水深度較好。下文便選取0.075 m吃水深度情況作為研究對(duì)象，分析其在何種網(wǎng)箱深度下的錨鏈?zhǔn)芰拖诵Ч顑?yōu)。

2.2?吃水0.075 m時(shí)，不同網(wǎng)箱深度浮式防波堤的水動(dòng)力特性

試驗(yàn)水深D=0.5 m，周期T=1.12 s 條件下，迎浪側(cè)錨鏈最大拉力與網(wǎng)箱深度的變化規(guī)律見(jiàn)圖8，從圖8可以看出，在不考慮無(wú)網(wǎng)箱情況下，波高不變時(shí)，隨著網(wǎng)箱深度的增加，最大拉力會(huì)略微起伏，但受力幅度不大，不同波高下的變化規(guī)律是相同的。

從圖9可以看出浮式防波堤兼網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)的透射系數(shù)，隨著網(wǎng)箱深度的增大，呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，而且，網(wǎng)箱深度為0.1 m到網(wǎng)箱深度為0.15 m時(shí)，透射系數(shù)下降的趨勢(shì)較明顯，其他兩端下降較平緩。

結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用，浮式防波堤加上網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)后，在錨鏈力增值不大的情況下還能有著良好的消浪性能，所以在1.12 s周期下，網(wǎng)箱深度為0.1～0.15 m時(shí)，是該種結(jié)構(gòu)的最優(yōu)選擇。

試驗(yàn)水深D=0.5 m，周期T=1.565 s 條件下，迎浪側(cè)錨鏈最大拉力與網(wǎng)箱深度的變化規(guī)律見(jiàn)圖10。在不考慮無(wú)網(wǎng)箱情況下，波高為0.12 m時(shí)，錨鏈的最大拉力要遠(yuǎn)大于其余各波高，同時(shí)錨鏈的最大拉力隨著網(wǎng)箱深度的變大而逐漸增大，不同波高下的變化規(guī)律相同。

從圖11可以看出浮式防波堤兼碼頭結(jié)構(gòu)的透射系數(shù)，隨著網(wǎng)箱深度的增大，呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，而且，網(wǎng)箱深度為0.1 m到網(wǎng)箱深度為0.1～0.15 m時(shí)，透射系數(shù)下降的趨勢(shì)較明顯，其他兩端下降較平緩。

結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用，浮式防波堤加上網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)后，在錨鏈力增值不大的情況下還能有著良好的消浪性能，所以在1.565 s周期下，網(wǎng)箱深度為0.15 m時(shí)，是該種結(jié)構(gòu)的最優(yōu)選擇。

試驗(yàn)水深D=0.5 m，周期T=2.01 s 條件下，迎浪側(cè)錨鏈最大拉力與網(wǎng)箱深度的變化規(guī)律見(jiàn)圖12，在不考慮無(wú)網(wǎng)箱情況下，波高為0.12 m時(shí)，錨鏈的最大拉力要遠(yuǎn)大于其余各波高，同時(shí)錨鏈的最大拉力隨著網(wǎng)箱深度的變大先變大，在網(wǎng)箱深度為0.15 m時(shí)達(dá)到最大，隨后減小，其余波高條件下在不考慮無(wú)網(wǎng)箱情況下隨著網(wǎng)箱深度的增加錨鏈力逐漸減小。

從圖13可以看出浮式防波堤兼碼頭結(jié)構(gòu)的透射系數(shù)，隨著網(wǎng)箱深度的增大，呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，但下降趨勢(shì)較緩。

波高在0.04～0.1 m時(shí)，變化規(guī)律較明顯，且隨著網(wǎng)深的增加，錨鏈力的變化幅值不大。對(duì)于0.12 m的波高，網(wǎng)箱所受到的錨鏈力會(huì)遠(yuǎn)超出其余各波高。3?結(jié)論

研究對(duì)象為箱式浮堤與網(wǎng)箱養(yǎng)殖的結(jié)合，其最重要的功能就是消浪和穩(wěn)定，迎浪側(cè)錨鏈的最大拉力會(huì)隨著波高的增大而成指數(shù)趨勢(shì)變化，不建議在較大波高情況下掛養(yǎng)殖網(wǎng)箱，為了滿足實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性，網(wǎng)箱深度也不是越大越好，結(jié)合考慮網(wǎng)箱的消浪性能，雖然浮式防波堤的透射系數(shù)會(huì)隨著附帶網(wǎng)箱的深度的增加而減小，但其中網(wǎng)箱深度為0.1 m到0.15 m的增大趨勢(shì)較明顯。所以，當(dāng)短周期時(shí)，網(wǎng)箱的深度選在0.1～0.15 m之間是該結(jié)構(gòu)的最優(yōu)選擇。而長(zhǎng)周期條件下，錨鏈?zhǔn)芰﹄S網(wǎng)深變化規(guī)律不明顯，不建議掛網(wǎng)箱進(jìn)行養(yǎng)殖。

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)吃水深度0.075 m的消浪效果會(huì)略優(yōu)于吃水0.05 m，并且錨鏈的最大拉力并沒(méi)有顯著提升且遠(yuǎn)小于錨鏈的最小斷裂應(yīng)力，浮式防波堤與網(wǎng)箱組合結(jié)構(gòu)形式選0.075 m吃水深度較好。

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