固定方式對樁柱式圍網網片波浪力學特性影響研究

桂 福 坤， 陳 天 華， 趙 云 鵬， 董 國 海

( 1.浙江海洋大學 國家海洋設施養殖工程技術研究中心， 浙江 舟山 316022；2.大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室, 遼寧 大連 116024 )

固定方式對樁柱式圍網網片波浪力學特性影響研究

桂 福 坤*1， 陳 天 華1， 趙 云 鵬2， 董 國 海2

( 1.浙江海洋大學 國家海洋設施養殖工程技術研究中心， 浙江 舟山 316022；2.大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室, 遼寧 大連 116024 )

淺海圍網養殖是新興的一種生態型養殖模式，其中比較典型的樁柱式圍網，主體由排樁和網片組成．圍網網衣系統安全是決定圍網養殖工程安全的關鍵所在，因此針對樁柱式圍網中的單元網片，采用數值方法對其在波浪作用下的力學特性進行了研究，著重分析了不同網片尺度和固定方式下單元網片的網線張力分布、結節偏移和樁柱系縛點受力特性．結果表明，波浪條件下樁柱式圍網單元網片的網線最大張力主要出現在網片上端兩側位置，網線最大張力與網片尺寸成正比；單元網片結節最大偏移主要出現在網片的中上位置，同樣結節最大偏移與網片尺寸成正比．兩者均隨系縛點數量的增加先減小后在系縛點多于4個時趨于穩定；網片與樁柱的系縛點最大受力出現在上端點，其次是下端點，且數值上均遠遠大于樁柱中間的系縛點，并隨網片尺寸的增大而增大，隨系縛點數量的增加而不斷減小．

樁柱式圍網養殖；單元網片；數值模擬；固定方式；波浪

0 引 言

淺海圍網養殖是繼陸基工廠化養殖、岸邊灘涂養殖和圍塘養殖、淺海網箱養殖之后研發的一種新興的海水生態養殖模式．樁柱式圍網主要由管樁和網片構成．布置方式是圍網養殖工程最為重要的影響因素之一，圍網安全與固定方式緊密相關，因此，開展圍網網片在不同固定方式下受波浪作用的水力特性研究意義重大．近年來，國內外已有許多有關網衣在波浪作用下的水動力特性研究，宋偉華等[1]采用4種網箱系泊方法，進行了單點系泊網衣構件水槽波浪試驗研究，結果表明單點系泊在波浪條件下構件水動力有較大的增加．李玉成等[2]利用模型試驗對單片網衣在波浪作用下的水動力特性進行了研究，其結果表明網衣密實度對網衣速度力系數的影響相對較大，網衣所受慣性力項和速度力相比很小，可以忽略．劉莉莉等[3]應用有限元方法與集中參數法建立了張網在波流場中的數值模型，通過數值模擬來研究張網在波流作用下的水動力特性，并將數值計算結果與水槽模型試驗結果進行比較，符合良好．Chan等[4]通過數值模擬對穿過柔性漁網的表面波散射進行了研究分析，清楚地揭示了柔性滲透屏障對波浪傳播的影響規律．Tsukrov等[5]應用有限元法建立了網片在波浪和水流環境負荷下的水動力響應模型，并將其結果應用到計算張力腿網箱中．葉衛富[6]通過模型試驗對浮繩式圍網的水動力特性進行了初步研究，但受試驗條件限制，測試內容及結果的應用有一定局限性．

樁柱式圍網養殖是一種新興的海洋養殖模式，結構上有其特殊性，對圍網網衣系統的水動力研究目前少有報道．淺海圍網工程的網衣系統與深水網箱、捕撈漁具結構上有較多不同，網衣系統安全是決定圍網養殖工程安全的關鍵所在．本文采用集中質量點法對樁柱間單元網片建立波浪作用下網片的運動響應數學模型，并通過計算機數值模擬研究不同布置方式下圍網網片的網線張力分布、結節偏移和系縛點受力，為樁柱式圍網設計、制作、海上敷設和圍網抗風浪技術的研發等提供理論依據和技術支撐．

1 數值模擬方法

1.1 數學模型

圍網網片屬于典型的柔性結構物，可采用集中質量法進行模擬．假定網片是由有限的無質量彈簧連接的集中質量點所構成，通過計算集中質量點在波浪和邊界條件作用下的位移，來得到網的形狀．模型的集中質量點設于每個網目目腳的兩端，每個集中質量點包含網目的一個結節和兩個目腳，如圖1(a)所示．把結節近似看成圓球，目腳看作圓柱形桿件，所以它具有圓柱的水動力性質．

(a) 集中質量點示意圖

(b) 單元網片示意圖

圖1 單元網片計算模型示意圖

Fig.1 The schematic diagram of calculation model for unit net panel

網衣集中質量點受力主要包括重力、浮力、網線張力、波浪力等，網衣受到的波浪力可根據莫里森方程[7]來計算．在計算目腳的波浪力時需考慮波浪入射方向與網線夾角關系，本文在目腳上建立局部坐標系(ξ，η，τ)，τ方向為沿目腳方向，ξ軸為在τ和水質點相對速度vr組成的平面內與τ垂直[8-10]．在整體坐標系下，局部坐標系的ξ、η、τ軸單位矢量可以通過已知的水質點相對速度vr=vw-v0和目腳方向τ=(x1-x0y1-y0z1-z0)向量叉乘得到，為

FD bar=FDξ+FDη+FDτFI bar=FIξ+FIη+FIτ

其中

在整體坐標系下將集中質量點所包含的結節和目腳的受力進行累加：

T=T1+T2+T3+T4FD=FD node+FD barFI=FI node+FI barW=Wnode+WbarB=Bnode+Bbar

然后利用牛頓第二定律建立質點運動方程．網衣模型簡化后的質點運動方程[11-13]為

(M+ΔM)a=T+FD+FI+W+B

其中

式中：ΔM、M分別表示各集中質量點的附加質量和質量，a表示各集中質量點的加速度矢量，T表示集中質量點所受到的張力矢量，FD、FI分別表示集中質量點的速度力矢量和慣性力矢量，W表示質點的重力矢量，B表示質點的浮力矢量，ρw表示水體的密度，CD表示速度力項系數，A表示網線沿波浪方向的投影面積，v、vr分別表示波浪水質點的速度矢量和相對速度矢量，CM表示慣性力項系數，?表示網線構件的體積，Cm表示附加的質量力項系數，d為網線直徑，l0為網線原始長度，l為變形后的長度，C1、C2為構件材料彈性系數．

建立的質點運動方程為典型的二階偏微分方程，可采用歐拉法、龍格庫塔法等多種方法求解．本文利用Fortran軟件編程計算求解，采用歐拉法即可獲得良好的收斂性．計算中首先根據網片的初始狀態，計算網線上的波浪力以及網線變形所產生的拉力，基于質點運動方程求解出質點的加速度，然后根據向前歐拉公式[14]：yi+1=yi+h·f(xi，yi)，求出下一時間步長的質點位移和速度，從而確定網片形狀，最后以求出的質點位置和速度作為網片新的狀態參數，重復上述步驟直至結束．

1.2 模型驗證

本文引用文獻[15]中的預加張力放射法系泊網衣波浪試驗情況，對實際漁用網衣J，在波浪周期1.6 s試驗條件下進行了數值模擬．網衣J尺寸為90.5 cm×80.6 cm(寬×高)，材料為PE，縮結系數為0.707，網目大小為4 cm，網線直徑為1.95 mm，網目數為32×28.5．網衣框架為HDPE空心管材，管材外徑14 mm，框架底部距離池底100 mm，水深0.7 m．圖2給出了各種波高下網衣水平波浪力最大值的模擬結果．由圖可見，在各種不同的波高條件下，網衣水平波浪力最大值的模擬值和試驗值吻合較好．

圖2 網衣水平波浪力模擬值和試驗值對比

1.3 計算參數選取

圍網所用網衣有多種材質，大多采用PE網和超高相對分子質量纖維網，有些圍網也采用金屬網(如銅網)．網衣的尺寸也有所不同，單元網片寬度一般為3～5 m，高度一般為6～10 m．本文重點研究波浪對網片不同部位受力分布特性的影響，簡單起見，網片全部采用PE材質，網目大小2a=8 cm，網線直徑d=3 mm，水平縮結系數0.66，垂直縮結系數0.75．采用線性波浪理論，水深10 m．為避免波浪條件下，網片露出水面而導致受力差異，研究時，網片上邊纜水下布置深度為二分之一波高．本文主要關注網片尺寸和系縛方式對圍網網片的影響，因此波浪要素僅給定一種情況，即取波高H=3 m，波向θ=90°，波周期T=7 s．網片尺寸取寬×高=1 m×6 m，2 m×6 m，3 m×6 m，4 m×6 m和5 m×6 m；系縛方式主要指單元網片在圍網樁柱上的系縛點數量，共設置6種情況，即單邊系縛點數量分別為2、3、4、5、7、13個，如圖3所示．網片四邊用10 mm繩索加勁，如圖1(b)所示．由于計算中網片結節數較多，為減少計算時間、提高計算效率，采用網目群化方法[16-17]將相鄰64個網目合并為一個等效大網目．

圖3 網片系縛方式示意圖

網目群化后，13點系縛為完全系縛，即計算模型中，每個邊側節點均被約束．

2 計算結果與分析

2.1 網片尺寸對圍網網片波浪力學特性的影響

研究時，給定一種網片系縛方式，即5點系縛，此時系縛點間距與網片橫寬比按網片尺寸的增加依次為1.500、0.750、0.500、0.375、0.300．重點關注5種不同尺寸的單元網片，在波浪作用下的網線最大張力和結節最大偏移，以及網片與樁柱系縛點的受力特性．結節最大偏移指的是網衣變形后，結節到網片初始平面的最大偏移距離．

2.1.1 網線張力與結節偏移 圖4和圖5給出了網線最大張力、結節最大偏移與網片尺寸的關系．由圖可見，兩者均隨網片尺寸增大而增大．網線最大張力出現在網片上端兩側位置(如圖6實粗線所示)，但尺寸為w0(寬)×l0(長)=1 m×6 m 的網片網線最大張力出現位置有所不同．網片中結節最大偏移位置出現在網片中上部(如圖6星號所示)．

圖4 網線最大張力隨網片尺寸的變化

圖5 結節最大偏移隨網片尺寸的變化

2.1.2 圍網網片與樁柱系縛點之間的受力特性 圖7給出了網片在圍網樁柱上的5個系縛點(系縛點編號No.為1、4、7、10、13，見圖3)的最大受力值與網片尺寸的關系．由圖可見，首尾兩端系縛點(No.1和13)的受力遠大于中間系縛點的受力，且最大受力值隨網片尺寸的增大而迅速增大；中間系縛點(No.4、7、10)的最大受力隨網片尺寸的增大變化相對較小．

圖6 不同網片尺寸下網線張力最大的部位(實粗線)和結節偏移最大的部位(星號)

Fig.6 The position of the maximum twine force (heavy lines) and the maximum offset of the nodes (pentagram) under different net panel′s sizes

圖7 不同尺寸網片各系縛點的最大受力情況

2.2 系縛方式對圍網網片波浪受力特性的影響

在給定網片尺寸(寬×高=3m×6m)條件下，本文研究了系縛方式對圍網網片的網線最大張力和結節最大偏移以及網片與樁柱系縛點受力的影響．此時系縛點間距與網片橫寬比按系縛點數的增加依次為2.000、1.000、0.667、0.500、0.333、0.020．

2.2.1 最大網線張力與結節偏移 圖8和9給出了網線最大張力及結節最大偏移與系縛方式的關系．由圖可見，增加系縛點的數量N，有助于減小網線的最大張力和結節的最大偏移，但當系縛點超過一定數量(本文為4點)后，網線最大張力和結節最大偏移不再出現顯著的降低．圖10中，實粗線給出了網線最大張力出現在網片上的位置．由圖可見，兩點系縛時網線最大張力出現在網片上下兩側位置，其他系縛方式網線最大張力出現在網片上端兩側位置．系縛點數量同樣對結節最大偏移位置有影響，隨著系縛點數量增加，最大偏移位置發生上移，并當系縛點達到一定數量(本文為4點)后，位置不再有大的變化，如圖10所示．

圖8 網線最大張力隨系縛方式的變化

圖9 結節最大偏移隨系縛方式的變化

2.2.2 圍網網片與樁柱系縛點之間的最大受力 圖11給出了網片在不同系縛方式下系縛點的受力情況．由圖可見，網片上端系縛點最大受力均略大于下端系縛點最大受力，且均遠遠大于中間系縛點受力．隨著系縛點數的增加，系縛點最大受力整體上在逐漸減小．

圖10 不同系縛方式下網線張力最大的部位(粗線)和結節偏移最大的部位(星號)

Fig.10 The location of the maximum twine force (heavy lines) and the maximum node offset (pentagram) with different fixations

圖11 6種系縛方式下網片各系縛點的最大受力情況

Fig.11 The maximum force at each fixing point with 6 types of fixations

3 討 論

3.1 網片尺寸的影響

樁柱式圍網主體由網片和排樁組成，其中圍網網片起到防止魚類逃脫和敵類侵害等作用，由此可見，保證圍網網衣系統安全十分重要．對圍網網片采用不同的固定方式在波浪中會產生不一樣的效果，其在波浪作用下的網線最大張力、結節最大偏移和樁柱系縛點最大受力是圍網規劃設計者最為關心的指標，也是保證惡劣海況下圍網養殖安全的首要條件．因此，圍網網片的網線最大張力、結節最大偏移和樁柱系縛點最大受力這3個指標在樁柱式圍網養殖工程的風險評估中都具有十分重要的作用．

本文研究發現，網線最大張力和結節最大偏移都與網片尺寸成正比．尺寸為1m×6m的網片因為寬度小于系縛點間距，同時波浪能量隨水深衰減[18]，導致最大張力發生在網片兩側上部與系縛點相連的位置，如圖6所示．而其他網片的寬度都大于系縛點間距，同時伴隨波浪的影響導致最大張力發生在網片上端兩側位置．但所有的網線最大張力都發生在加勁繩上，這也表明對網片四邊進行加勁處理是非常必要的．結節最大偏移位置位于網片中上部，跟波浪能量隨水深的變化有關，在網片此部位的最大偏移以內盡量避免有障礙物，否則易發生網線因磨損而斷裂．研究結果表明，圍網網片上系縛點的整體受力呈現首尾兩端大中間小的現象，而且隨著網片尺寸的增加，首尾系縛點的受力會不斷增大，表明改變網片尺寸對首尾系縛點產生的影響大，而對中間系縛點的影響不明顯．因此，對網片首尾兩端的系縛點進行加固是非常必要的．

3.2 系縛方式的影響

研究發現，網片兩側系縛點受力整體呈現出首尾兩端大中間小的現象，其中首端的系縛點受力最大．因此，對網片首尾兩端的系縛點進行加固是非常必要的．同時，網線最大張力和結節最大偏移與系縛點數量有關，隨系縛點數量的增加先減小后趨于穩定，表明增加一定數量的系縛點可以有效降低整個網片中的網線最大張力和結節最大偏移，從而降低網線斷裂的風險．同時，隨著系縛點數量的增加，網片首尾系縛點的最大受力也不斷下降，表明系縛點數量的增加同樣可以分擔首尾兩端系縛點的受力．從整體受力看，系縛點達到一定數量后，網線最大張力趨于穩定，此時進一步增加系縛點數量反而增加了圍網工程的施工難度．因此，圍網網片應存在一個臨界系縛點數量，本文研究該臨界系縛點數量為4～5個，對于不同圍網網片尺度，需要具體分析．研究同時發現，當采用2點系縛時，由于豎向系縛點之間的間距大于網片的橫向寬度，整個網片的最大受力位置出現在了左右側纜上．隨著兩側系縛點數量的增加，當系縛點的間距小于網片的橫向寬度，出現網線張力最大的部位轉移至上邊纜兩端，再次證明了對網片四邊做加勁處理的重要性．

4 結 論

(1)網片尺寸和系縛方式均對網片結構單元的受力和變形特性有著顯著的影響．單元網片中的網線最大張力和結節最大偏移均隨著網片尺寸的增大而增大，網線最大張力一般出現于網片頂端兩側系縛點處，結節最大偏移出現于單元網片的中上部．實際應用時，建議強化頂部綱繩的設計考慮．

(2)波浪條件下，網片系縛點最大受力出現于頂部第一個系縛點處，其次為底端系縛點，中間系縛點受力均遠小于上下兩端系縛點受力．實際應用時，建議強化頂部和底部系縛點的設計考慮．

(3)增加單元網片兩側系縛點的數量，有利于降低所有系縛點的受力．但對單元網片中的網線受力而言，當系縛點數量增至4個以上時，網線的最大受力不再顯著下降．因此從這一角度分析，應存在一臨界系縛點數量，本文研究條件下，臨界系縛點數量為4～5個．實際應用應保證達到臨界數量以上，并保留一定的富余，具體數量需視具體工程而定．

本文研究結果可為樁柱式圍網養殖工程設計和施工提供重要的參考依據．本文僅針對一種波浪條件進行了研究，有關波浪要素等其他因素對單元網片波浪力學特性的影響將于后期進一步研究．

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Study of effect on wave mechanical properties for net panel of pile-column type net enclosure by fixations

GUI Fukun*1, CHEN Tianhua1, ZHAO Yunpeng2, DONG Guohai2

( 1.National Engineering Research Center for Marine Aquaculture, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, China；2.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China )

The net enclosure aquaculture (NEA) in shallow water is a new developing ecological aquaculture mode. The pile-column type net enclosure is one of the most typical structures, which is mainly composed of piles and net panels. The net system is the most important part which affects the security of the whole NEA system, therefore the mechanical performance of unit net panels under different wave conditions is investigated using numerical method. The effects of net panel size and fixations on the tension force in twines, offset of nodes and loads at fixing points are studied. The experimental results show that the maximum twine force occurs mainly at the upper two sides of the unit net panel and increases as the size of net panel increases. The maximum node offset appears at the mid-upper part of net panel and also increases with the increase of the size of net panel. Both of the maximum twine force and the maximum node offset decrease as the fixing points number increases. However, they show little change when the number of the fixing points is over four. Regarding of the force at the fixing points, the largest force appears at the upper, then the bottom fixing points, and they are much higher than those at the other fixing points. The force increases with the increase of the size of net panel, and decreases with the increase of the fixing points number.

pile-column type net enclosure aquaculture; unit net panel; numerical simulation; fixations; wave

1000-8608(2017)03-0285-08

2016-07-05；

2017-03-28．

國家自然科學基金資助項目(51239002)；國家海洋局公益性行業科研專項經費資助項目(201505025-2)；舟山市海洋專項(2015C41001).

桂福坤*(1976-)，男，教授，E-mail:gui2237@163.com.

S955.9

A

10.7511/dllgxb201703011