王　靖，焦　爾，張　彬，諶志新

(農(nóng)業(yè)部遠(yuǎn)洋漁船與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092)

近年來，隨著近海養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展以及資源的過度開發(fā)，養(yǎng)殖中的深層次問題日漸暴露。改變海水設(shè)施養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀、提升產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平、緩解近海養(yǎng)殖環(huán)境壓力是中國(guó)海水魚類養(yǎng)殖可持續(xù)發(fā)展的迫切需要[1-2]。在遠(yuǎn)離港灣的開放海域發(fā)展遠(yuǎn)海養(yǎng)殖，符合海水養(yǎng)殖可持續(xù)發(fā)展要求，是促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)調(diào)整、漁業(yè)增產(chǎn)、漁民增收的有效途徑，有利于加快漁業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，引導(dǎo)淺海港灣養(yǎng)殖向遠(yuǎn)海養(yǎng)殖發(fā)展，更好地保護(hù)近海生態(tài)環(huán)境[3]。為適應(yīng)遠(yuǎn)海惡劣的自然環(huán)境條件，提高養(yǎng)殖效率和養(yǎng)殖效益，發(fā)展遠(yuǎn)海養(yǎng)殖必須具備安全的養(yǎng)殖設(shè)施、先進(jìn)的配套裝備及精準(zhǔn)的養(yǎng)殖技術(shù)。遠(yuǎn)海養(yǎng)殖平臺(tái)是養(yǎng)殖設(shè)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(yǎng)殖設(shè)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(duì)大型船舶及海洋工程的錨、系泊研究較多[4-16]，對(duì)于尺度相對(duì)較小，吃水相對(duì)較淺，作業(yè)海域相對(duì)較深，在海況惡劣下使用的養(yǎng)殖平臺(tái)錨泊狀態(tài)研究較少。國(guó)內(nèi)，王紹敏等[17]基于運(yùn)動(dòng)特性分析法的海上養(yǎng)殖平臺(tái)多點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用三維勢(shì)流理論及時(shí)域耦合分析法對(duì)平臺(tái)移位、錨泊系統(tǒng)預(yù)張力、最大張力等進(jìn)行仿真校核，為遠(yuǎn)海(開放海域)錨、系泊設(shè)計(jì)提供了參考。

為深入研究該類型養(yǎng)殖平臺(tái)的錨泊，需要對(duì)其進(jìn)行風(fēng)、浪、流水池錨泊試驗(yàn)。本文研究的遠(yuǎn)海鋼質(zhì)養(yǎng)殖平臺(tái)為駁船形式，自身無動(dòng)力，具有自動(dòng)投飼和人員工作、休息等功能，作業(yè)海域?yàn)殚_放海域。海況惡劣，臺(tái)風(fēng)過境頻率較高，在風(fēng)、浪、流較大的惡劣條件下，養(yǎng)殖平臺(tái)的錨泊纜繩由于受力會(huì)出現(xiàn)走錨甚至繃斷等狀況。故有必要通過錨泊模型試驗(yàn)，測(cè)量出繩索的受力情況和養(yǎng)殖平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)情況評(píng)估該養(yǎng)殖平臺(tái)錨泊設(shè)計(jì)系統(tǒng)是否安全。

1　材料與方法

錨泊模型試驗(yàn)在上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所風(fēng)浪流水池進(jìn)行，該水池長(zhǎng)100 m，寬15 m，水深0.2～2.0 m。波浪由造波設(shè)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(fēng)速由架在水池上的吹風(fēng)機(jī)控制，最大風(fēng)速12 m/s。在造波設(shè)備的對(duì)岸設(shè)置消波灘，避免波浪反射回去，造成干擾。風(fēng)浪流水池示意簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1　風(fēng)浪流水池示意簡(jiǎn)圖

1.1　試驗(yàn)材料

1.1.1試驗(yàn)自然荷載參數(shù)及縮尺比

錨泊海域水深為20 m，風(fēng)、浪、流始終同向，分別為0°、45°、90°。根據(jù)自然環(huán)境載荷參數(shù)有義波高譜峰周期、風(fēng)速和流速對(duì)8種工況進(jìn)行試驗(yàn)，其取值見表1。

表1　自然環(huán)境載荷參數(shù)

采用正態(tài)模型進(jìn)行試驗(yàn)[18]，根據(jù)作業(yè)海域情況，采用不規(guī)則波浪和JONSWAP波浪譜[19]，其譜型表達(dá)式為：

式中：α—無因次常數(shù)；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(shù)；fP—譜峰頻率；f—頻率。

模型試驗(yàn)滿足的相似準(zhǔn)則主要有：幾何相似、流體動(dòng)力相似、 非定常流動(dòng)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(yǎng)殖平臺(tái)尺度，水文及自然載荷參數(shù)，測(cè)試設(shè)備條件及測(cè)量精度等，經(jīng)計(jì)算采用模型縮尺比λ=25。

1.1.2養(yǎng)殖平臺(tái)模型

養(yǎng)殖平臺(tái)模型材料采用玻璃鋼復(fù)合材料，模型包括平臺(tái)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(shí)體上層建筑的受風(fēng)面積相當(dāng)。模型甲板上，參考養(yǎng)殖平臺(tái)系纜樁位置，設(shè)置系纜樁模型。實(shí)際養(yǎng)殖平臺(tái)和模型尺度對(duì)照見表2。

表2　主要尺度和參數(shù)

1.1.3錨泊線組成及相關(guān)參數(shù)

該養(yǎng)殖平臺(tái)放置在開放海域工作，風(fēng)、浪、流來向有不確定性，為抵抗各個(gè)方向的風(fēng)、浪、流作用，錨泊系統(tǒng)采用8點(diǎn)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(yǎng)殖平臺(tái)上系纜孔到錨碇點(diǎn)水平距離為100 m，錨泊線為纜繩和錨鏈組合，具體參數(shù)見表3。

根據(jù)模型試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則，錨鏈與纜繩模型和實(shí)體應(yīng)滿足彈性相似條件。纜繩模型采用細(xì)線加彈性的組合體，使模型纜繩與實(shí)體纜繩的彈性滿足相似條件。

表3　養(yǎng)殖平臺(tái)錨泊系統(tǒng)參數(shù)

1.2　試驗(yàn)方法

1.2.1試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)在風(fēng)、浪、流水池中進(jìn)行，試驗(yàn)步驟如下：1)在慣量校驗(yàn)架上調(diào)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(shù)的模擬不規(guī)則波浪；要求風(fēng)速和流速的模擬風(fēng)及模擬水流；3)根據(jù)試驗(yàn)工況的風(fēng)、浪、流相對(duì)模型錨泊系統(tǒng)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(yù)緊力；4)進(jìn)行靜水中的衰減試驗(yàn)及系錨系統(tǒng)剛度試驗(yàn)；5)進(jìn)行風(fēng)、浪、流組合工況的試驗(yàn)。

1.2.2測(cè)量?jī)?nèi)容

錨泊纜繩及錨鏈組合系統(tǒng)的受力錨泊系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)是錨泊纜繩及錨鏈組合系統(tǒng)的受力。這是判斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)抗風(fēng)浪能力的主要因素。試驗(yàn)中將重點(diǎn)測(cè)量各種試驗(yàn)工況的錨泊纜繩及錨鏈組合體的張力。一般主要關(guān)心的是系纜孔位置及錨碇點(diǎn)位置的張力。錨碇點(diǎn)位置的張力是水平力及垂向力的合力，根據(jù)錨泊設(shè)計(jì)方案，錨鏈15 m，纜繩100 m，系統(tǒng)總長(zhǎng)約115 m，水深20 m。系統(tǒng)在外力作用下，如錨碇點(diǎn)處仍有一定躺地長(zhǎng)度，則表明錨碇點(diǎn)主要受水平力作用。因此，試驗(yàn)中將在錨鏈的下端布置測(cè)力傳感器，以及在纜繩上端(系纜孔位置)布置測(cè)力傳感器。傳感器為測(cè)力環(huán)，與錨鏈或纜繩串接，直接測(cè)量各試驗(yàn)工況的錨鏈和纜繩系統(tǒng)的受力。

錨泊模型運(yùn)動(dòng)錨泊模型在各種風(fēng)、浪、流自然荷載的作用下將產(chǎn)生六自由度的搖蕩運(yùn)動(dòng)，包括養(yǎng)殖平臺(tái)縱搖、橫搖、首搖、縱蕩、橫蕩、垂蕩運(yùn)動(dòng)，也是判斷錨泊系統(tǒng)作業(yè)安全性的重要參數(shù)。

2　結(jié)果與討論

2.1　測(cè)量結(jié)果

通過風(fēng)浪流水池試驗(yàn)得到在各個(gè)工況下養(yǎng)殖平臺(tái)模型錨泊系統(tǒng)纜繩受力和模型本身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的試驗(yàn)結(jié)果，將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際養(yǎng)殖平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和纜繩受力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。將橫風(fēng)、橫浪、橫流(均為90°)，斜風(fēng)、斜浪、斜流(均為45°)，順風(fēng)、順浪、順流(均為0°)纜繩最大受力情況列表繪圖見圖3，90°時(shí)5#、6#纜繩處于松弛狀態(tài)不受力，45°時(shí)6#、7#纜繩幾乎不受力，0°時(shí)7#、8#纜繩處于松弛狀態(tài)不受力；在橫風(fēng)、橫浪、橫流(均為90°)條件下纜繩相對(duì)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)見圖4；將各個(gè)工況模型的運(yùn)動(dòng)量最大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，橫搖、縱搖和垂蕩隨著環(huán)境載荷的加大成正比變化，縱蕩和垂蕩在有義波高較低時(shí)變化不大，當(dāng)有義波高達(dá)到一定數(shù)值后，其變化較大，見圖5、圖6。

2.2　討論

對(duì)纜繩受力和養(yǎng)殖平臺(tái)運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析，養(yǎng)殖平臺(tái)橫搖、縱搖、垂蕩最大值分別為12.25°、0.71°、7.99 m；斜風(fēng)、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(shí)，纜繩受力分別為100 kN和80 kN。養(yǎng)殖平臺(tái)橫搖、縱搖、垂蕩最大值分別為9.85°、8.40°、7.84 m；順風(fēng)、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(shí)，纜繩受力分別為78 kN和74 kN，養(yǎng)殖平臺(tái)縱搖、垂蕩最大值分別為8.38°、7.88 m；對(duì)于縱蕩X方向和橫蕩Y方向，可見在有益波高<2 m時(shí)，模型運(yùn)動(dòng)量變化不大，當(dāng)有益波高≥2 m時(shí)，其運(yùn)動(dòng)量迅速加大。

錨泊系統(tǒng)錨泊線的受力隨著波高的增大，纜繩受力也增大，養(yǎng)殖平臺(tái)運(yùn)動(dòng)量也變大；在外界環(huán)境參數(shù)同樣的情況下，90°工況下纜繩受力和養(yǎng)殖平臺(tái)運(yùn)動(dòng)量最大，其次45°，0°最小；同時(shí)90°工況下，纜繩受力統(tǒng)計(jì)R1/10值大于R1/3值；橫風(fēng)、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(shí)，纜繩受力分別為115 kN和112 kN，相對(duì)于丙綸纜繩破斷力331 kN，安全系數(shù)約為2.9，滿足BV船級(jí)社指標(biāo)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(yùn)動(dòng)量最大值

圖6　模型縱蕩X方向和橫蕩Y方向運(yùn)動(dòng)量最大值

3　結(jié)論及建議

研究表明，在遠(yuǎn)海開放海域，該錨泊方案可以抵御來自各個(gè)方向的風(fēng)浪流，采用8點(diǎn)分布式錨泊方式可行，纜繩和錨的選型滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求；注意養(yǎng)殖平臺(tái)錨泊前，根據(jù)錨泊位置風(fēng)、浪、流來向的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，將養(yǎng)殖平臺(tái)縱向迎向較大概率的風(fēng)、浪、流來向。鑒于該平臺(tái)在試驗(yàn)的各個(gè)工況下錨泊纜繩受力都滿足要求，則主要關(guān)注養(yǎng)殖平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)量對(duì)其能否正常工作的影響。參考中國(guó)船級(jí)社工程船作業(yè)時(shí)對(duì)海況要求[21]，挖泥船和泥駁在蒲氏風(fēng)級(jí)不超過6級(jí)，有義波高不超過2 m時(shí)，可進(jìn)行作業(yè)。結(jié)合自動(dòng)投飼設(shè)備精度要求，有義波高為2.5 m，風(fēng)速17.1 m/s時(shí)還可進(jìn)行投飼作業(yè)，當(dāng)有義波高大于2.5 m，風(fēng)速更大時(shí)，縱蕩和橫蕩都加速變大，養(yǎng)殖平臺(tái)的工作海況變差，不再適合投飼。同時(shí)該養(yǎng)殖平臺(tái)舒適度也將變差，可考慮工作人員撤離；當(dāng)有超級(jí)大的臺(tái)風(fēng)來時(shí)，及時(shí)將養(yǎng)殖平臺(tái)拖運(yùn)到安全海域或碼頭避風(fēng)。

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