遠海鋼質養殖平臺錨泊模型試驗研究

王　靖，焦　爾，張　彬，諶志新

(農業部遠洋漁船與裝備重點實驗室，中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海 200092)

近年來，隨著近海養殖業的快速發展以及資源的過度開發，養殖中的深層次問題日漸暴露。改變海水設施養殖產業生產現狀、提升產業技術水平、緩解近海養殖環境壓力是中國海水魚類養殖可持續發展的迫切需要[1-2]。在遠離港灣的開放海域發展遠海養殖，符合海水養殖可持續發展要求，是促進水產養殖結構調整、漁業增產、漁民增收的有效途徑，有利于加快漁業現代化進程，引導淺海港灣養殖向遠海養殖發展，更好地保護近海生態環境[3]。為適應遠海惡劣的自然環境條件，提高養殖效率和養殖效益，發展遠海養殖必須具備安全的養殖設施、先進的配套裝備及精準的養殖技術。遠海養殖平臺是養殖設施中的重要成員，可滿足人員的工作、休息，投飼飼料的存放、輸送，養殖設備的存放、使用等具體要求，故要保證其在惡劣海況下錨泊安全。

目前，對大型船舶及海洋工程的錨、系泊研究較多[4-16]，對于尺度相對較小，吃水相對較淺，作業海域相對較深，在海況惡劣下使用的養殖平臺錨泊狀態研究較少。國內，王紹敏等[17]基于運動特性分析法的海上養殖平臺多點系泊系統設計，采用三維勢流理論及時域耦合分析法對平臺移位、錨泊系統預張力、最大張力等進行仿真校核，為遠海(開放海域)錨、系泊設計提供了參考。

為深入研究該類型養殖平臺的錨泊，需要對其進行風、浪、流水池錨泊試驗。本文研究的遠海鋼質養殖平臺為駁船形式，自身無動力，具有自動投飼和人員工作、休息等功能，作業海域為開放海域。海況惡劣，臺風過境頻率較高，在風、浪、流較大的惡劣條件下，養殖平臺的錨泊纜繩由于受力會出現走錨甚至繃斷等狀況。故有必要通過錨泊模型試驗，測量出繩索的受力情況和養殖平臺的運動情況評估該養殖平臺錨泊設計系統是否安全。

1　材料與方法

錨泊模型試驗在上海船舶運輸科學研究所風浪流水池進行，該水池長100 m，寬15 m，水深0.2～2.0 m。波浪由造波設備提供，最大波高35 cm，噴流裝置提供所需最大水流流速為0.7 m/s，風速由架在水池上的吹風機控制，最大風速12 m/s。在造波設備的對岸設置消波灘，避免波浪反射回去，造成干擾。風浪流水池示意簡圖見圖1。

圖1　風浪流水池示意簡圖

1.1　試驗材料

1.1.1試驗自然荷載參數及縮尺比

錨泊海域水深為20 m，風、浪、流始終同向，分別為0°、45°、90°。根據自然環境載荷參數有義波高譜峰周期、風速和流速對8種工況進行試驗，其取值見表1。

表1　自然環境載荷參數

采用正態模型進行試驗[18]，根據作業海域情況，采用不規則波浪和JONSWAP波浪譜[19]，其譜型表達式為：

式中：α—無因次常數；Hs—有義波高 ，m；Tp—譜峰周期，s；γ—譜峰提升因子，取γ=3.3；σ—譜形參數；fP—譜峰頻率；f—頻率。

模型試驗滿足的相似準則主要有：幾何相似、流體動力相似、 非定常流動相似 、模型錨鏈彈性模擬、纜繩模擬等。綜合考慮各種因素，錨泊養殖平臺尺度，水文及自然載荷參數，測試設備條件及測量精度等，經計算采用模型縮尺比λ=25。

1.1.2養殖平臺模型

養殖平臺模型材料采用玻璃鋼復合材料，模型包括平臺主體部分模型及上層建筑模型，上層建筑模型安裝于甲板上，與實體上層建筑的受風面積相當。模型甲板上，參考養殖平臺系纜樁位置，設置系纜樁模型。實際養殖平臺和模型尺度對照見表2。

表2　主要尺度和參數

1.1.3錨泊線組成及相關參數

該養殖平臺放置在開放海域工作，風、浪、流來向有不確定性，為抵抗各個方向的風、浪、流作用，錨泊系統采用8點分布式錨泊方式(圖2)。

圖2　錨泊布置圖

每組錨泊組合纜由錨、錨鏈和丙綸纜繩組成，養殖平臺上系纜孔到錨碇點水平距離為100 m，錨泊線為纜繩和錨鏈組合，具體參數見表3。

根據模型試驗的相似準則，錨鏈與纜繩模型和實體應滿足彈性相似條件。纜繩模型采用細線加彈性的組合體，使模型纜繩與實體纜繩的彈性滿足相似條件。

表3　養殖平臺錨泊系統參數

1.2　試驗方法

1.2.1試驗步驟

試驗在風、浪、流水池中進行，試驗步驟如下：1)在慣量校驗架上調整模型重心位置及慣量至要求值；2)在水池中生成要求波浪參數的模擬不規則波浪；要求風速和流速的模擬風及模擬水流；3)根據試驗工況的風、浪、流相對模型錨泊系統的方向，在水池中安裝模型及布置錨鏈、纜繩模型，并給以一定的纜繩預緊力；4)進行靜水中的衰減試驗及系錨系統剛度試驗；5)進行風、浪、流組合工況的試驗。

1.2.2測量內容

錨泊纜繩及錨鏈組合系統的受力錨泊系統的主要設計參數是錨泊纜繩及錨鏈組合系統的受力。這是判斷系統設計抗風浪能力的主要因素。試驗中將重點測量各種試驗工況的錨泊纜繩及錨鏈組合體的張力。一般主要關心的是系纜孔位置及錨碇點位置的張力。錨碇點位置的張力是水平力及垂向力的合力，根據錨泊設計方案，錨鏈15 m，纜繩100 m，系統總長約115 m，水深20 m。系統在外力作用下，如錨碇點處仍有一定躺地長度，則表明錨碇點主要受水平力作用。因此，試驗中將在錨鏈的下端布置測力傳感器，以及在纜繩上端(系纜孔位置)布置測力傳感器。傳感器為測力環，與錨鏈或纜繩串接，直接測量各試驗工況的錨鏈和纜繩系統的受力。

錨泊模型運動錨泊模型在各種風、浪、流自然荷載的作用下將產生六自由度的搖蕩運動，包括養殖平臺縱搖、橫搖、首搖、縱蕩、橫蕩、垂蕩運動，也是判斷錨泊系統作業安全性的重要參數。

2　結果與討論

2.1　測量結果

通過風浪流水池試驗得到在各個工況下養殖平臺模型錨泊系統纜繩受力和模型本身運動狀態的試驗結果，將其轉換為實際養殖平臺運動狀態和纜繩受力進行統計分析。將橫風、橫浪、橫流(均為90°)，斜風、斜浪、斜流(均為45°)，順風、順浪、順流(均為0°)纜繩最大受力情況列表繪圖見圖3，90°時5#、6#纜繩處于松弛狀態不受力，45°時6#、7#纜繩幾乎不受力，0°時7#、8#纜繩處于松弛狀態不受力；在橫風、橫浪、橫流(均為90°)條件下纜繩相對受力較大，其所受力R1/10(最大波高的十分之一)、R1/3(有義波高)情況進行統計見圖4；將各個工況模型的運動量最大值進行統計，橫搖、縱搖和垂蕩隨著環境載荷的加大成正比變化，縱蕩和垂蕩在有義波高較低時變化不大，當有義波高達到一定數值后，其變化較大，見圖5、圖6。

2.2　討論

對纜繩受力和養殖平臺運動情況進行分析，養殖平臺橫搖、縱搖、垂蕩最大值分別為12.25°、0.71°、7.99 m；斜風、斜流、斜浪(均為45°)作用下，2#和3#錨泊線受力最大，有義波高為4 m時，纜繩受力分別為100 kN和80 kN。養殖平臺橫搖、縱搖、垂蕩最大值分別為9.85°、8.40°、7.84 m；順風、順流、順浪(均為0°)作用下，3#和4#錨泊線受力最大，有義波高為4 m時，纜繩受力分別為78 kN和74 kN，養殖平臺縱搖、垂蕩最大值分別為8.38°、7.88 m；對于縱蕩X方向和橫蕩Y方向，可見在有益波高<2 m時，模型運動量變化不大，當有益波高≥2 m時，其運動量迅速加大。

錨泊系統錨泊線的受力隨著波高的增大，纜繩受力也增大，養殖平臺運動量也變大；在外界環境參數同樣的情況下，90°工況下纜繩受力和養殖平臺運動量最大，其次45°，0°最小；同時90°工況下，纜繩受力統計R1/10值大于R1/3值；橫風、橫流、橫浪(90°)作用下，1#和2#錨泊線受力最大，有義波高為4 m時，纜繩受力分別為115 kN和112 kN，相對于丙綸纜繩破斷力331 kN，安全系數約為2.9，滿足BV船級社指標要求[20]。

圖3　 90°、45°和0°纜繩受力最大值

圖4　90°纜繩受力R1/10值和R1/3值

圖5　模型橫搖、縱搖和垂蕩運動量最大值

圖6　模型縱蕩X方向和橫蕩Y方向運動量最大值

3　結論及建議

研究表明，在遠海開放海域，該錨泊方案可以抵御來自各個方向的風浪流，采用8點分布式錨泊方式可行，纜繩和錨的選型滿足規范設計要求；注意養殖平臺錨泊前，根據錨泊位置風、浪、流來向的數據統計，將養殖平臺縱向迎向較大概率的風、浪、流來向。鑒于該平臺在試驗的各個工況下錨泊纜繩受力都滿足要求，則主要關注養殖平臺的運動量對其能否正常工作的影響。參考中國船級社工程船作業時對海況要求[21]，挖泥船和泥駁在蒲氏風級不超過6級，有義波高不超過2 m時，可進行作業。結合自動投飼設備精度要求，有義波高為2.5 m，風速17.1 m/s時還可進行投飼作業，當有義波高大于2.5 m，風速更大時，縱蕩和橫蕩都加速變大，養殖平臺的工作海況變差，不再適合投飼。同時該養殖平臺舒適度也將變差，可考慮工作人員撤離；當有超級大的臺風來時，及時將養殖平臺拖運到安全海域或碼頭避風。

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