远海钢质养殖平台锚泊模型试验研究

王　靖，焦　尔，张　彬，谌志新

(农业部远洋渔船与装备重点实验室，中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092)

近年来，随着近海养殖业的快速发展以及资源的过度开发，养殖中的深层次问题日渐暴露。改变海水设施养殖产业生产现状、提升产业技术水平、缓解近海养殖环境压力是中国海水鱼类养殖可持续发展的迫切需要[1-2]。在远离港湾的开放海域发展远海养殖，符合海水养殖可持续发展要求，是促进水产养殖结构调整、渔业增产、渔民增收的有效途径，有利于加快渔业现代化进程，引导浅海港湾养殖向远海养殖发展，更好地保护近海生态环境[3]。为适应远海恶劣的自然环境条件，提高养殖效率和养殖效益，发展远海养殖必须具备安全的养殖设施、先进的配套装备及精准的养殖技术。远海养殖平台是养殖设施中的重要成员，可满足人员的工作、休息，投饲饲料的存放、输送，养殖设备的存放、使用等具体要求，故要保证其在恶劣海况下锚泊安全。

目前，对大型船舶及海洋工程的锚、系泊研究较多[4-16]，对于尺度相对较小，吃水相对较浅，作业海域相对较深，在海况恶劣下使用的养殖平台锚泊状态研究较少。国内，王绍敏等[17]基于运动特性分析法的海上养殖平台多点系泊系统设计，采用三维势流理论及时域耦合分析法对平台移位、锚泊系统预张力、最大张力等进行仿真校核，为远海(开放海域)锚、系泊设计提供了参考。

为深入研究该类型养殖平台的锚泊，需要对其进行风、浪、流水池锚泊试验。本文研究的远海钢质养殖平台为驳船形式，自身无动力，具有自动投饲和人员工作、休息等功能，作业海域为开放海域。海况恶劣，台风过境频率较高，在风、浪、流较大的恶劣条件下，养殖平台的锚泊缆绳由于受力会出现走锚甚至绷断等状况。故有必要通过锚泊模型试验，测量出绳索的受力情况和养殖平台的运动情况评估该养殖平台锚泊设计系统是否安全。

1　材料与方法

锚泊模型试验在上海船舶运输科学研究所风浪流水池进行，该水池长100 m，宽15 m，水深0.2～2.0 m。波浪由造波设备提供，最大波高35 cm，喷流装置提供所需最大水流流速为0.7 m/s，风速由架在水池上的吹风机控制，最大风速12 m/s。在造波设备的对岸设置消波滩，避免波浪反射回去，造成干扰。风浪流水池示意简图见图1。

图1　风浪流水池示意简图

1.1　试验材料

1.1.1试验自然荷载参数及缩尺比

锚泊海域水深为20 m，风、浪、流始终同向，分别为0°、45°、90°。根据自然环境载荷参数有义波高谱峰周期、风速和流速对8种工况进行试验，其取值见表1。

表1　自然环境载荷参数

采用正态模型进行试验[18]，根据作业海域情况，采用不规则波浪和JONSWAP波浪谱[19]，其谱型表达式为：

式中：α—无因次常数；Hs—有义波高 ，m；Tp—谱峰周期，s；γ—谱峰提升因子，取γ=3.3；σ—谱形参数；fP—谱峰频率；f—频率。

模型试验满足的相似准则主要有：几何相似、流体动力相似、 非定常流动相似 、模型锚链弹性模拟、缆绳模拟等。综合考虑各种因素，锚泊养殖平台尺度，水文及自然载荷参数，测试设备条件及测量精度等，经计算采用模型缩尺比λ=25。

1.1.2养殖平台模型

养殖平台模型材料采用玻璃钢复合材料，模型包括平台主体部分模型及上层建筑模型，上层建筑模型安装于甲板上，与实体上层建筑的受风面积相当。模型甲板上，参考养殖平台系缆桩位置，设置系缆桩模型。实际养殖平台和模型尺度对照见表2。

表2　主要尺度和参数

1.1.3锚泊线组成及相关参数

该养殖平台放置在开放海域工作，风、浪、流来向有不确定性，为抵抗各个方向的风、浪、流作用，锚泊系统采用8点分布式锚泊方式(图2)。

图2　锚泊布置图

每组锚泊组合缆由锚、锚链和丙纶缆绳组成，养殖平台上系缆孔到锚碇点水平距离为100 m，锚泊线为缆绳和锚链组合，具体参数见表3。

根据模型试验的相似准则，锚链与缆绳模型和实体应满足弹性相似条件。缆绳模型采用细线加弹性的组合体，使模型缆绳与实体缆绳的弹性满足相似条件。

表3　养殖平台锚泊系统参数

1.2　试验方法

1.2.1试验步骤

试验在风、浪、流水池中进行，试验步骤如下：1)在惯量校验架上调整模型重心位置及惯量至要求值；2)在水池中生成要求波浪参数的模拟不规则波浪；要求风速和流速的模拟风及模拟水流；3)根据试验工况的风、浪、流相对模型锚泊系统的方向，在水池中安装模型及布置锚链、缆绳模型，并给以一定的缆绳预紧力；4)进行静水中的衰减试验及系锚系统刚度试验；5)进行风、浪、流组合工况的试验。

1.2.2测量内容

锚泊缆绳及锚链组合系统的受力锚泊系统的主要设计参数是锚泊缆绳及锚链组合系统的受力。这是判断系统设计抗风浪能力的主要因素。试验中将重点测量各种试验工况的锚泊缆绳及锚链组合体的张力。一般主要关心的是系缆孔位置及锚碇点位置的张力。锚碇点位置的张力是水平力及垂向力的合力，根据锚泊设计方案，锚链15 m，缆绳100 m，系统总长约115 m，水深20 m。系统在外力作用下，如锚碇点处仍有一定躺地长度，则表明锚碇点主要受水平力作用。因此，试验中将在锚链的下端布置测力传感器，以及在缆绳上端(系缆孔位置)布置测力传感器。传感器为测力环，与锚链或缆绳串接，直接测量各试验工况的锚链和缆绳系统的受力。

锚泊模型运动锚泊模型在各种风、浪、流自然荷载的作用下将产生六自由度的摇荡运动，包括养殖平台纵摇、横摇、首摇、纵荡、横荡、垂荡运动，也是判断锚泊系统作业安全性的重要参数。

2　结果与讨论

2.1　测量结果

通过风浪流水池试验得到在各个工况下养殖平台模型锚泊系统缆绳受力和模型本身运动状态的试验结果，将其转换为实际养殖平台运动状态和缆绳受力进行统计分析。将横风、横浪、横流(均为90°)，斜风、斜浪、斜流(均为45°)，顺风、顺浪、顺流(均为0°)缆绳最大受力情况列表绘图见图3，90°时5#、6#缆绳处于松弛状态不受力，45°时6#、7#缆绳几乎不受力，0°时7#、8#缆绳处于松弛状态不受力；在横风、横浪、横流(均为90°)条件下缆绳相对受力较大，其所受力R1/10(最大波高的十分之一)、R1/3(有义波高)情况进行统计见图4；将各个工况模型的运动量最大值进行统计，横摇、纵摇和垂荡随着环境载荷的加大成正比变化，纵荡和垂荡在有义波高较低时变化不大，当有义波高达到一定数值后，其变化较大，见图5、图6。

2.2　讨论

对缆绳受力和养殖平台运动情况进行分析，养殖平台横摇、纵摇、垂荡最大值分别为12.25°、0.71°、7.99 m；斜风、斜流、斜浪(均为45°)作用下，2#和3#锚泊线受力最大，有义波高为4 m时，缆绳受力分别为100 kN和80 kN。养殖平台横摇、纵摇、垂荡最大值分别为9.85°、8.40°、7.84 m；顺风、顺流、顺浪(均为0°)作用下，3#和4#锚泊线受力最大，有义波高为4 m时，缆绳受力分别为78 kN和74 kN，养殖平台纵摇、垂荡最大值分别为8.38°、7.88 m；对于纵荡X方向和横荡Y方向，可见在有益波高<2 m时，模型运动量变化不大，当有益波高≥2 m时，其运动量迅速加大。

锚泊系统锚泊线的受力随着波高的增大，缆绳受力也增大，养殖平台运动量也变大；在外界环境参数同样的情况下，90°工况下缆绳受力和养殖平台运动量最大，其次45°，0°最小；同时90°工况下，缆绳受力统计R1/10值大于R1/3值；横风、横流、横浪(90°)作用下，1#和2#锚泊线受力最大，有义波高为4 m时，缆绳受力分别为115 kN和112 kN，相对于丙纶缆绳破断力331 kN，安全系数约为2.9，满足BV船级社指标要求[20]。

图3　 90°、45°和0°缆绳受力最大值

图4　90°缆绳受力R1/10值和R1/3值

图5　模型橫摇、纵摇和垂荡运动量最大值

图6　模型纵荡X方向和横荡Y方向运动量最大值

3　结论及建议

研究表明，在远海开放海域，该锚泊方案可以抵御来自各个方向的风浪流，采用8点分布式锚泊方式可行，缆绳和锚的选型满足规范设计要求；注意养殖平台锚泊前，根据锚泊位置风、浪、流来向的数据统计，将养殖平台纵向迎向较大概率的风、浪、流来向。鉴于该平台在试验的各个工况下锚泊缆绳受力都满足要求，则主要关注养殖平台的运动量对其能否正常工作的影响。参考中国船级社工程船作业时对海况要求[21]，挖泥船和泥驳在蒲氏风级不超过6级，有义波高不超过2 m时，可进行作业。结合自动投饲设备精度要求，有义波高为2.5 m，风速17.1 m/s时还可进行投饲作业，当有义波高大于2.5 m，风速更大时，纵荡和横荡都加速变大，养殖平台的工作海况变差，不再适合投饲。同时该养殖平台舒适度也将变差，可考虑工作人员撤离；当有超级大的台风来时，及时将养殖平台拖运到安全海域或码头避风。

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