船型桁架结构网箱单点系泊受力试验研究

吴元紧，黄小华，刘海阳，胡 昱，陈昌平，袁太平，王绍敏，陶启友

（1. 中国水产科学研究院南海水产研究所/广东省网箱工程技术研究中心/农业农村部外海渔业开发重点实验室，广东 广州 510300； 2. 大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023）

深海网箱是发展现代海洋渔业的一种重要养殖装备，其组成一般包括框架系统、网衣系统和锚碇系统。其中锚碇系统作为保障网箱安全运行的关键组成部分[1]，一直是网箱抗风浪性能研究的重点。深海网箱系泊形式主要分为多点式和单点式。多点式采用多个锚点固定网箱，网箱活动范围稳定、占用海域面积小，与其相关的水动力特性研究较多。宋协法等[2]根据Morison公式建立数学模型，采用Goodman-Lance方法求得网箱受力，并基于此方法对网箱的锚泊系统进行设计。Hou等[3-4]研究了极限状态下网格式系泊系统的可靠性，通过对网箱系泊系统疲劳损失的研究，建立数值模型用以预测系泊系统的失效概率。

然而，传统的多点式系泊网箱一般需要通过精确调整以使每个锚所受荷载相当，安装工艺较为复杂[5]，加上多点系泊网箱的活动范围较为固定，常年大规模养殖容易造成局部海洋环境污染，不利于养殖生产优质水产品。相比较多点式系泊方式，单点系泊网箱能够随着涨落潮在风浪流作用下进行360°全方位旋转，即风标效应，有效增加网箱的活动区域，大幅减少鱼饵残料、鱼排泄物等废弃物的海底沉积，并且单点系泊方式所需的硬件、安装和维护成本上也能大幅降低[6]。因此，单点式系泊被推荐为多点式系泊的替代方案[7]，国内外已有较多企业、科研机构开展相关研究，尤其在高海况条件下单点系泊网箱的安全性分析吸引了广泛关注。如2018年由挪威NSK公司研发设计、中集来福士公司负责建造的“Havfarm 1”深海养殖工船采用外转塔单点系泊系统[8]，采用单点系泊系统的大型船型养殖设施，往往需要考虑极限状态对系泊系统进行优化设计，以保证锚泊足够的安全可靠性[9]。由于实际海况环境条件下网箱所受的动力荷载是实时变化的，在研究分析单点系泊系统时需要考虑系泊系统和网箱之间的耦合以及网箱的运动响应[10]。目前常用的研究方法有数值模拟、物理模型试验、现场测量等。中国台湾学者Huang等[11-12]、Huang和Pan[13]采用数值模拟和现场测量的方法研究网箱的系泊受力，验证数值模型的有效性，并评估了缆绳失效的风险。Xu等[14]建立数值模型研究网箱前部刚性框架、连接点深度以及锚绳斜率对波流作用下单点系泊重力式网箱锚绳拉力的影响，并将结果与物理模型试验[15-17]进行比对，验证了该数值模型的可靠性。Huang等[18]通过物理模型试验，比较了3种不同的单点系泊方式并基于其中锚绳受力最小的系泊方式研究了网箱在波浪流作用下的运动响应。

本文针对一种船型桁架结构网箱的单点系泊系统 (Single-point mooring, SPM)，通过模型比尺为1∶40的网箱水动力物理模型试验，研究分析了在不同系泊方式、波浪流和有无网衣条件下网箱系泊受力情况，旨在了解网箱单点系泊系统的安全性能，为深海养殖网箱的安全性评估及锚泊系统的科学设计提供理论依据和关键数据支撑。

1 材料与方法

1.1 设备与仪器

本研究船型桁架结构网箱单点系泊受力试验在中国水产科学研究院江苏如东试验基地进行。试验水池长 50 m、宽 26 m、深 1.2 m，造波机总宽 24 m，单块造波板宽度为0.5 m。水池前端及两侧配备直立式消能网，尾端为斜坡式消能网，用以减少波浪反射对试验的影响。浪高测量仪器为大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室研制的LYL-Ⅲ型浪高仪，量程介于0～50 cm，测试相对误差小于1%。系泊力测量采用应变式水下拉力计，具有良好的温度特性和水密性能，测力计量程200 N，误差小于1%。水流流速采用ADV声学多普勒流速仪测量，该仪器采样频率为200 Hz，测量量程为1 m∙s–1，精度为测量值的 0.5%。对边界测量、底部测量和贴近水面的测量均能获得非常理想的数据。

1.2 网箱模型与布置

网箱采用全锚链单点系泊系统，主体为船型桁架与浮体混合结构，能够在台风大浪来临时自适应调整自身位置，大幅减小风浪对网箱的冲击，具备安全性高、结构稳定性强等特点，网衣铺设固定在桁架内侧，即使在大水流的作用下也能保证网箱的养殖空间 (图1)。同时可通过网箱前、后端浮体压载水实现平台的整体上浮和下潜，满足养殖过程的操作需求。原型网箱长102.2 m、宽35.1 m、型深9 m，艏部浮体高 17.5 m，艉部浮体高 17 m，正常吃水8.2 m。锚链采用直径62 mm的AM 3级锚链钢，其单位长度质量为 84.2 kg∙m–1。

图1 船型桁架结构深海养殖网箱设计示意图Figure 1 Schematic diagram of design of deep-sea aquaculture cage with ship-type truss structure

本试验采用正态模型，根据《波浪模型试验规程》(JTJ/T 234—2001) 相关规定，同时考虑设备的综合能力，模型比尺设定为1∶40。根据重力相似准则，时间比尺为1∶，动力相似比尺为1∶64 000，网箱结构主要参数见表1，模型试验布置见图2。由于原型网衣的网目及线径尺寸较小，若按照1∶40的比尺进行缩放，现实试验中往往很难实现，关于这方面的研究各国学者也开展了很多工作，谢璇[19]详细探讨了关于网衣的相似准则及应用的合理性。本试验采用桂福坤等[20]、李玉成等[21]提出的网衣变尺度相似准则，即网衣三维大尺度的长宽高采用大比尺1∶40，网目及目脚直径采用小比尺，设定为1∶1，网衣材质采用与原型网衣相同的聚乙烯 (PE) 网，网衣底部与桁架底端连接固定。为了最大程度减小边界效应的影响，同时满足试验规程的相关要求，网箱模型布置与造波板距离应大于6倍波长。

图2 模型试验布置图Figure 2 Layout of model test

表1 网箱结构主要参数Table 1 Main parameters of cage

1.3 波浪要素和数据采集

根据重力相似原理，几何比尺1∶40，试验波浪流要素见表2。模型放置之前，先进行凑波、凑流试验，波浪平均波高和波周期偏差控制在±3%，水流平均流速偏差控制在±5%。规则波采用10～20个波的平均波高，每组工况进行多次试验，分析结果，剔除明显错误或重复性不好的试验组次，保留3组重复性较好的试验组次，取平均值。

表2 试验波浪参数Table 2 Wave parameters in physical model test

1.4 试验方案设计

本试验主要研究网箱2种系泊方式网箱受力，一种为正常工况，单点双侧“Y”字型系泊 (图3-a)，另一种基于“Y”字型的单侧失效工况 (图3-b中“一”字型系泊)。

双侧“Y”字型系泊，前段两根1.5 m长锚链与网箱艏部两端相连，后段一根0.75 m长锚链与锚固点连接，节点处悬一挂重，质量78 g (原型5 t)。测量该系泊方式下的网箱受力需两个测力计，分别布置在图3-a中①和②号点，网箱系泊受力数据采用两个测力计在网箱中线上的合力，计算方式如下：

“一”字型系泊，作为“Y”字型系泊一侧失效的情况，通过一根2.25 m长的锚链与网箱艏部相连，在锚链距离底端0.75 m处悬一相同挂重。该种布置方式只需一个测力计，放置在锚链末端图3-b中③号点位置，该点受力即为网箱系泊受力，计算方式如下：

图3 2种系泊方式示意图Figure 3 Schematic diagram of two mooring modes

式 (1) 和 (2) 中：F为网箱系泊受力合力；F1、F2、F3分别为①、②、③号点的测力计所测网箱受力。

通过波浪试验对比分析2种系泊方式条件下的网箱受力变化，了解“Y”字型系泊一侧失效后会引起网箱的受力如何变化，从安全性、稳定性等方面评估其风险。在此基础上，进一步开展“Y”字型系泊网箱受外界环境和自身结构等因素影响的相关试验研究。外界环境因素主要分析波浪流对网箱受力的影响，自身结构因素主要分析网箱在有网衣和无网衣时的受力，旨在为网箱系泊系统的设计安装、维护及运行等提供数据参考和理论依据。

2 结果与分析

2.1 2种系泊方式受力比较

采用“一”字型和“Y”字型2种不同系泊方式时，网箱在不同波高和周期的规则波作用下受力变化情况见图4。2种系泊方式的网箱受力均随着波高的增加而增大，相同波况条件，“一”字型系泊网箱受力总比“Y”字型系泊大，增幅见表3。波高H=7.5 cm时网箱受力的增幅最大，H=15 cm时增幅最小。这是因为小波高条件下网箱的运动响应程度较低，2种系泊方式的网箱受力较小，随着波高的增加，网箱运动响应程度显著提升，网箱受力也随之明显增大。但2种系泊方式的网箱受力在增量上虽有所差异却没有形成数量级差，因此整体上网箱受力增幅的变化趋势为随波高的增加而减小。

图4 不同系泊方式下网箱随波高、周期变化受力曲线Figure 4 Stress curves of net cage with wave height and period under different mooring modes

表3 单侧失效后网箱受力变化Table 3 Force change of cages after unilateral failure

同时，也正因为小波高时的网箱受力较小，受外界影响的相对误差更大，比值关系将进一步放大误差，仅采用增长幅度或比值作为分析依据难以更好地说明试验结果，因此考虑结合绝对值增量进行对比分析。可以看出，不管是“一”字型系泊还是“Y”字型系泊，网箱受力均随着波高的增加而增大，周期较小(T=1.4 s)时这种变化趋势更为明显。但同时两者之间的差值也越来越大 (表3)，单侧失效后网箱受力增量随波高的增加而增大。

系泊方式的改变会引起网箱受波浪作用后的整个形态发生较大变化，采用“Y”字型系泊时，潜浮式网箱艏部梯形挡板结构是影响网箱水阻力大小的主要原因，采用“一”字型系泊时，影响网箱受力大小除艏部挡板外还有侧边网箱的桁架结构。如网箱由“Y”字型系泊一侧失效后变为“一”字型系泊，艏部挡板会由正向面对波浪 (图3-a)，转动一定角度变为侧向面对波浪 (图3-b)，网箱桁架结构也更多地暴露在波浪冲击之下，造成两者之间的受力大小差异。

2.2 大浪条件下网箱系泊受力

获取网箱在环境较恶劣时的受力数据，对于评估其安全性和稳定性必不可少，同时还可作为锚泊系统规格选择和安装的参考依据，为此围绕“Y”字型系泊网箱在大浪条件下的受力特性开展了试验研究。图5是波高12.5～17.5 cm、周期为1.4～2.1 s时的网箱系泊受力变化。相同周期时网箱系泊受力随波高的增加而增大、周期为1.4 s时波高从12.5 cm增大到17.5 cm，网箱系泊受力分别增长了147.4%、162.4%；周期为1.7 s时分别增长了118.4%、141.8%；周期为2.1 s时分别增长了122.2%、112.7%。随着周期的增加，网箱受力增幅有所下降。在相同波高条件下网箱受力随周期的增加逐渐减小，这是因为随着周期的增加，相同波高的波陡减小，使得波浪拍击在网箱上的有效受力面积减小，同时波浪“击打”的频率也减小，导致网箱受力随之减小。

图5 大浪条件下网箱系泊受力变化Figure 5 Change in mooring force under high waves

2.3 流速对网箱系泊受力的影响

波流联合作用是确定网箱恶劣环境最大受力的重要方式。图6是在大浪条件下加入3个不同的流速后网箱系泊力变化曲线。流速介于9.5～19 cm∙s–1，网箱系泊受力随着流速的增加而增大，随波浪周期的增加而减小。波浪和水流的变化对网箱系泊受力均有较大影响，波高12.5 cm、周期1.4～2.1 s时，流速由 9.5 cm∙s–1增大至 19 cm∙s–1，系泊力分别增加了102%、109%、90%。

图6 波流联合作用下网箱系泊受力变化Figure 6 Mooring force changes under wave-current condition

与纯波作用时的网箱受力相比，波流共同作用下，受力有增也有减。一般情况下，增大流速会使得网箱的受力增加，但小流速大波高时存在波流作用下的网箱系泊受力较纯波作用小的现象。这可能是因为大波高时，小流速一定程度上会减小网箱的纵荡运动，使其小于单纯波浪条件下的纵荡幅度，网箱因纵荡幅度减小，由于惯性运动作用于锚绳上的脉冲效应也相应减小，最终导致锚绳受力小于单纯波浪条件下的受力。而当水流较大时，水流自身作用于网箱的荷载超过了网箱惯性运动产生的脉冲效应影响，从而导致锚绳受力大于单纯波浪条件下的受力。

2.4 网衣对网箱系泊受力的影响

网衣系统是深海网箱的重要组成部分，网箱添加网衣后，会增加网箱的自重和水阻力，造成网箱周边的流场变化，影响网箱受力。本组试验将网箱网衣拆除，以系泊受力为研究对象，重点开展在无网衣时网箱受波浪流作用下的受力研究。将试验结果与网箱有网衣时的受力进行比较，旨在了解网衣对网箱系泊受力的影响，为网箱的运行管理提供理论依据和数据参考。

表4和表5为网箱有、无网衣时在纯波和波流联合作用下的受力变化。无论是纯波还是波流联合，当网箱增加网衣后，其系泊力明显增大。工况1—4即纯波作用下，网箱增加网衣后系泊力分别增加了138.3%、254.7%、136.9%、159.6% (表4)。同周期时，随着波高的增加系泊力增幅也有所增大。

表4 网箱有、无网衣时在纯波作用下的受力Table 4 Force of net cage with or without netting under pure wave action

表5 网箱有、无网衣时在波流联合作用下的受力Table 5 Force of net cage with or without netting under combined action of wave and current

工况5—8即波流联合作用下的网箱受力，相较于单纯的波浪作用，增大水流后网箱的整体受力均大幅增加，如工况1和7，网箱系泊受力在无网衣和有网衣时分别增加了9.55和4.69倍 (表5)。这与 Colbourne和 Allen[22]、Cifuentes和 Kim[23]得出的结论一致，即在波流联合作用下，波高和水流流速对网箱系泊力存在同向影响，但其中流速起主导作用。波浪在水流中的变形，使得一定波高下的波浪对网箱受力的影响减小；另外，因为网箱艏部为梯形挡板结构，水流的存在会一直推着整个网箱向水流方向移动，使得锚链一直处于有一定预应力的状态，减弱了波浪的脉冲作用。因此可以看出，波流作用下网箱增加网衣后其系泊力增大幅度为44.3%、60.9%、28.5%、33.1%，较纯波作用时均有所减小。

3 结论

本文首先通过对比2种单点系泊方式下的网箱系泊受力，分析了系泊失效后引起的网箱受力变化，发现当“Y”字型系泊一侧失效后，将导致网箱安全性明显降低。在此基础上，进一步开展“Y”字型系泊网箱受外界环境 (波浪流作用) 和自身结构 (有无网衣) 等因素影响的相关试验研究。得出如下结论：

1) 2种系泊条件下，网箱受力均随波高的增加而增大。当一侧系缆失效，即由“Y”字型系泊变为“一”字型系泊时网箱的受力明显增大，在本试验工况下 (原型波高 3～6 m，周期 9、11 s)，网箱受力的增幅达16.1%～75.4%。

2) 大浪条件下网箱受力随波高的增加而急剧上升，尤其是对于大而陡峭的波，即波高大、周期短的波浪，网箱受力增幅更为明显。

3) 波流试验中，网箱系泊受力与流速变化呈正相关，与周期变化呈负相关。与纯波试验相比，仅在小流速大波高时网箱系泊受力因所受惯性力差异影响而有所减小，多数情况下网箱受力处于增大的变化趋势。

4) 网箱有网衣和无网衣其系泊受力有较大差异。在本文纯波试验中网箱增加网衣后其系泊受力均增大了1倍以上；波流共同作用时，增加网衣后的网箱系泊受力增大，但增幅较纯波时小得多。在表 5中 5—8工况 (原型波高 5、6 m，周期 9 s，流速 0.6、0.9 m∙s–1)下，网箱受力增幅介于 30%～60%。