图1 深水延绳式浮筏养殖装置结构示意图
Fig.1 Structure diagram of deepwater long-line rope raft facility in aquaculture
摘要:基于静力分析方法对延绳式深水台筏养殖设施(简称台筏系统)的结构进行了优化设计。通过分析台筏系统的受力情况及其失效形式，建立了台筏系统抗风浪能力分析模型，基于该模型对台筏系统的结构参数、锚固方式、总体布置、总体结构形式及其对台筏系统的抗风浪能力的影响进行分析，并针对这些结构参数及其结构形式提出相应的优化设计方法和选取原则。利用上述静力分析模型和优化设计方法，对架设于獐子岛海域30 m水深的台筏养殖设施进行了分析计算和优化设计改造，并在相同海域进行了验证实验，通过对比，分析了优化设计方案的可行性及其优化效果。研究表明，通过优化设计改造的台筏系统抗风浪能力明显提高，且台筏系统的缠绕现象明显减少。本研究中提出的优化设计方法可为深水延绳式浮筏养殖设施的设计提供参考。
关键词:深水筏式养殖；结构优化设计；静力分析；抗风浪能力
DOI：10.3969/J.ISSN.2095-1388.2015.01.018
文章编号：2095-1388(2015)01-0096-06
中图分类号：S967.7
文献标志码：A
收稿日期： 2014-05-24
基金项目： 国家科技支撑计划项目(2012BAD18B03)
Abstract： The structure optimization design of deep water long-line rope rafts in aquaculture was established based on method of statics analysis. The stress state and failure model of deep water long-line rope rafts in aquaculture were evaluated to establish the statics analysis model for evaluating anti-wave ability of the aquaculture facility. The effect of main structure parameters, anchoring mode, and general layout of the aquaculture facility on its anti-wave ability was analyzed and discussed by the evaluating model. The optimization method and selection principle were proposed. The aquaculture facility erected in 30 m deepwater in Zhangzidao sea area was calculated and optimized designed and modified using the established statics analysis model and optimal design method. A comparative physical experiment was carried out to prove the optimization efficiency. The result showed that the anti-wave ability of remade aquaculture facility by optimization designing was improved markedly and the winding phenomenon was reduced. The findings provide a reference with the design of deep water long-line rope raft aquaculture facility.
筏式养殖技术源于日本，目前被广泛用于牡蛎、扇贝和大型藻类的养殖中。中国海带筏式养殖技术从20世纪50年代逐渐开始完善和成熟，至今已涉及藻类、贝类、棘皮类、蟹类等诸多品种，养殖规模不断扩大，并逐渐向外海海域拓展。延绳式深水浮筏养殖设施属于筏式养殖方式的一种，其结构主要由浮漂、网笼、主绳、桩绳和入海底的锚固锚桩构成，养殖设施处于风大、浪高、流急的深水开放水域，受到复杂海况的作用，其结构的安全性与可靠性将直接影响整个养殖生产的成败。因此,对其结构设计时要结合其养殖工艺要求，并充分考虑海洋风浪流的影响，并对其受力和运动特性以及优化设计方法进行研究。
关于筏式养殖结构的研究，国外主要采用有限元方法利用商业软件进行分析。Grant等 [1]利用有限元方法对一种筏式养殖结构进行了数值模拟；Lien等 [2]利用商业软件对延绳式和浮管式筏式养殖系统的抗风浪性能进行了对比研究。在国内，近年来围绕沿海近岸养殖设施的养殖区域规划、养殖结构动力分析、波浪与水流对养殖结构的影响、养殖设施的抗风浪性能、养殖结构设计等方面开展了诸多研究。李冠颖等 [3]运用物理实验和数值模型相结合的方法对外海浮筏式蚵架养殖装置的动力特性进行了研究；邓推等 [4-5]利用集中质量法对一种新型筏式养殖系统在波浪作用下的整体运动情况进行了模拟和分析；崔勇等 [6]利用有限单元法对浮筏设施中浮标和吊笼结构的最大位移以及锚绳受力及其抗风浪性能进行了分析；王经坤等 [7]利用Pro/Engineer和Ansys软件作为建模分析平台，应用虚拟设计技术对筏式养殖装置的结构进行了参数优化设计研究。目前，国内的筏式养殖技术及其相关研究主要集中在近岸20 m等深线以内水域，离岸外海深水养殖技术还刚刚起步，尤其是对外海深水延绳式浮筏养殖设施，国内外研究较少。
本研究中，基于静力假定对深水延绳式浮筏养殖设施(以下简称台筏养殖设施)的结构形式及其受力情况进行了分析，建立了台筏养殖设施的抗风浪能力静力分析模型，并基于该模型对台筏养殖设施的主绳长度、浮漂数量、养殖网笼数量等结构尺度以及绳索材质与直径等结构参数进行了分析，同时还分析了锚固方式、布设方向、总体结构形式和海洋环境参数等对其抗风浪能力的影响，并从其结构尺度、锚固方式和布设方向等几个方面提出了台筏养殖设施的结构优化设计方法，同时以架设于獐子岛海域30 m水深的台筏养殖设施为实例，提出了相应的优化设计改造方案，并进行了验证实验，通过对比分析了优化设计方案的可行性及其优化效果。
通信作者： 梁峻(1979—)， 男， 高级工程师。E-mail:lj@zhangzidao.com
台筏养殖设施的结构形式如图1所示，主要由浮漂、主绳、养殖网笼、桩绳和海底锚桩组成，浮漂用绳索与主绳相连，主绳与两端的桩绳连接成一体，桩绳与海底的锚桩相连，养殖网笼吊挂在主绳上。浮漂的直径一般为35～45 cm，主绳长为200～400 m，养殖网笼为圆柱体结构，直径为30～40 cm，长度为2～5 m，桩绳长度按海底锚桩角度与水深计算，海底锚桩角度一般为30°～60°，养殖设施一般顺流布设(即装置的主轴与海浪流的方向之间的夹角为0°)，水深为15～40 m。养殖网笼间距一般取网笼长度(以避免网笼之间的相互缠绕)，其数量按主绳的长度及其间距计算，浮漂与养殖网笼的数量按照台筏系统的浮力与重力平衡原则来配备。
图1 深水延绳式浮筏养殖装置结构示意图
Fig.1 Structure diagram of deepwater long-line rope raft facility in aquaculture
整个结构靠浮漂提供浮力，并依靠海底锚桩的锚固力来保证结构的稳定性。台筏系统在环境载荷的作用下，将产生运动和变形，在台筏系统的运动过程中，绳索(主绳、桩绳等)内部以及桩绳与锚桩、锚桩与海底都会产生张力的作用，如果主绳尺度、桩绳尺度、锚桩海底抓力不满足结构张力的要求，都会使台筏结构失稳或者产生推筏事故。作者通过对獐子岛海域台筏养殖设施中以往推筏事故的调研与分析，其破损失效模式一般有4种情况：
(1)主绳的最大张力超过其强度极限而导致主绳断裂。
(2)桩绳的最大张力超过其强度极限而导致桩绳断裂。
(3)桩绳的最大张力超过锚桩的海底抓力而导致锚桩从海底脱落(即脱锚现象)。
(4)由于桩绳张力的大小与方向的经常变化而产生桩绳的频繁摇晃，最终导致锚桩的疲劳破坏而脱锚。
对于上述第1种情况，由于从养殖工艺的角度出发而选择的主绳直径一般比较大，而其最大张力一般比桩绳小，因而，这种失效模式较少发生。而对于第4种情况，涉及到养殖装置的疲劳寿命分析，在静力分析时，暂不予考虑。在实际养殖过程中，养殖设施的破坏情况大部分属于第2、3种情况。
台筏系统在海洋风浪流作用下的运动机理、受力及其破坏情况非常复杂，系统各部件之间相互作用，水深、风浪大小、海流大小是影响台筏养殖设施结构稳定性的主要因素，因而可以用台筏系统的抗风浪能力来衡量其结构的稳定性。台筏系统的抗风浪能力取决于系统储备浮力、波浪强度、台筏系统各绳索的断裂强度、锚桩对海底的抓力等因素，对其抗风浪能力进行理论分析非常困难。通过以上对台筏系统破损失效模式的分析可以看出，台筏系统的失效大部分是由于桩绳的最大张力超过了桩绳材料的断裂强度或者超过了锚桩的海底抓力，因此，通过对台筏系统进行一定的假定和简化，并基于静力学原理，计算台筏系统在不同海浪级别下的桩绳最大张力，将其与桩绳材料的断裂强度和锚桩的海底抓力进行比较，得到台筏系统所能抵抗的最大海浪级别，可据此来初步评价系统的抗风浪能力。
台筏系统的所有部件在海洋环境中除了受到重力、浮力的作用外，还受到风力、波浪力、潮流力等方面的环境载荷。为了分析台筏系统的抗风浪能力，需要计算桩绳的最大张力。桩绳的最大张力发生在波浪与海流的作用方向都与筏架主绳方向一致时，在此情况下，所有的作用力都集中在一根桩绳上，此时系统处于最危险状态。在这种情况下，台筏系统的受力主要是桩绳、主绳、浮漂，以及养殖网笼的浮力、重力和水动力。在计算时，先分别计算相应海况下台筏系统所有浮漂、网笼、主绳和桩绳上的水平和垂直方向的作用力，然后再对其进行合并，即得到桩绳的最大作用力。
台筏系统中的浮漂、网笼、桩绳和主绳等部件，属于小尺度海洋结构物，按照Morison公式 [8]计算以下变量：
f= f d+ f m，
(1)
f d= C d ρ A d| u| u，
(2)
f m= C m ρ A m a。
(3)
其中： f d为由波浪速度场所产生的速度力； f m为由波浪加速度场所产生的加速度力； C d为阻力系数； C m为惯性力系数； A d、 A m分别为计算速度力和加速度力时物体对水流方向的投影面积； ρ为海水密度(mg/m 3)； C d、 C m、 A d、 A m按照构件类型参照文献[8]第266页表1和表2来选取； u与 a分别为波浪与海流水质点的速度与加速度，并根据海流和波浪模型进行计算。
对于浮漂，其结构为球体， C d=0.5， C m=1.5， A d=π D 2/4， A m=π D 3/6， D为浮漂直径。
参考文献对于网笼，可[9]中的方法，利用集中质量法建立水动力计算模型。本研究中利用简化计算法，将其结构简化为具有一定透水性的圆柱体，其横向波浪力按下式计算：
f c= kf。
(4)
其中： f为按照公式(1)～(3)计算的圆柱体的波浪作用力，式中 C d取1.0， C m取2.0， A d=0.5 DL d， A m=0.25π D 2 L d， D为柱体直径， L d为柱体单位长度。将网笼圆柱体在柱体长度方向( z方向)积分，即可得到整个柱体所受的波浪力。 k为满实系数，即考虑网笼透水性的系数，根据实际网笼的平均满实率利用试验数据获取。对于网笼垂直方向的水动力，由于其垂向截面积较小而忽略不计。
对于桩绳，将其离散为圆柱体单元，利用Morison公式，参照文献[10]中所述的倾斜圆柱体的水动力计算方法进行计算，然后再积分求得整条桩绳的水动力。
对于主绳，由于在所计算的状态(系统最危险状态)下，主绳方向与波浪、流的作用方向一致，其水动力较小可忽略不计。
为了计算不同等级的波浪，需要考虑比较大的入射波高，不能忽略非线性波浪力，因此，采用二阶Stokes波浪理论计算波浪水质点的速度和加速度 u与 a [11]，其计算公式为
cos 2(kx-wt)，
(5)
sin 2(kx-wt)，
(6)
sin(kx-wt)+
sin 2(kx-wt)，
(7)
cos 2(kx-wt)。
(8)
其中: H为波高; T为波浪周期，波高与周期参照文献[12]的方法，根据海浪等级输入;ω为波浪角频率，ω=2 π/T;k为波数，根据波浪弥散关系k=ω 2/g th -1(kd)来确定; L为波长，L=2 π/k；d为水深，z+d为计算点水深。对于相位角kx-wt，在计算时选取波浪力最大时的值。
基于上述静力分析原理，本研究中以架设于獐子岛海域30 m水深的台筏养殖设施为计算实例，对台筏系统的结构参数、锚固方式、总体布置、总体结构形式及其对台筏系统的抗风浪能力的影响进行分析，并针对这些结构参数及其结构形式提出相应的优化设计方法及选取原则。
架设于獐子岛海域30 m水深的台筏养殖设施为一种典型的筏式养殖装置，主绳长度为200～300 m，浮漂直径为0.42 m，配备浮漂数量为40～80个，海底锚桩最大抓力为100～150 kN，海域流速按1.5 m/s计算。主绳与桩绳采用聚丙烯材质的绳索，其直径为20～40 cm，根据生产厂商的产品规格，两股聚丙烯材质的桩绳合股后的断裂强度为116～250 kN。
台筏养殖装置的结构尺度主要是主绳长、养殖网笼数量和浮漂数量，其尺度越大，系统所受到的水动力越大，桩绳的最大张力也越大，养殖装置的抗风浪能力就越小；其尺度越小，则影响其施工成本、作业复杂度和养殖经济效益。对台筏装置结构尺度的选择原则是在保证其抗风浪能力的前提下尽量选择较大的尺度。利用“2.3”节所述抗风浪能力估算模型，可计算出在1.5 m/s的海流流速下，不同尺度的台筏装置抗风浪能力如表1所示。在设计时，可参考表1按照一定的抗风浪能力选择比较大的结构尺度。例如，可根据7级海浪的抗风浪能力要求选择主绳长220 m的结构尺度。而对于现有养殖设施，为了提高其抗风浪能力，则需要改进其结构布置，减少主绳长度，合理配置网笼与浮漂的数量，以减少桩绳的最大作用力。
表1 不同尺度的台筏养殖装置的抗风浪能力
Tab.1 Wind resistance of different dimensions of raft aquaculture facilities
主绳长/mmainropelength浮漂数numberoffloating网笼数numberofcage抗风浪能力windresistance300601506级海浪/6级风280561406级海浪/6~7级风260521306级海浪/7级风240481206级海浪/7~8级风220431107级海浪/8~9级风200401007级以上海浪/9级以上风
在筏式养殖中，一般采用聚丙烯材质的绳索，绳索的直径决定了其断裂强度，进而直接影响台筏系统的抗风浪能力。对于主绳，由于其所受最大张力比桩绳小，而且为了满足养殖期间养殖网笼的作业工艺要求，一般主绳直径比桩绳大，其强度基本都能满足要求。下面仅就桩绳的直径对台筏养殖设施抗风浪能力的影响进行分析。实际生产中台筏养殖装置常采用两股聚丙烯绳索,以提高其断裂强度并保证结构的稳定性。现以240 m尺度的台筏结构形式为例，计算出不同直径(20～30 mm)桩绳的台筏装置的抗风浪能力，结果如表2所示。参照表2，如果按7级海浪的抗风浪能力来设计台筏养殖装置，则需要选取直径为26 mm以上的两合股桩绳。
养殖网笼为圆柱形，其尺度主要考虑养殖工艺要求来选取，如养殖扇贝的网笼直径为30～40 cm，长度为3.5～4.5 m，分20～30层，层间距为10～15 cm。另外，网笼的尺度还直接影响其水动力的大小，从而影响台筏系统的整体受力。网笼网目的大小影响其透水性，从而间接影响其水动力，网目大则网笼的透水性好，波浪与海流对网笼的水动力将较小，台筏系统所受的整体水动力就较小。网笼结构尺度的选取原则是：在满足养殖工艺要求的条件下，选择尺度小且网目大的养殖网笼。
表2 不同直径桩绳的台筏养殖装置的抗风浪能力
Tab.2 Wind resistance of aquaculture raft facilities with different mooring ropes
桩绳直径/mmdiameterofmooringrope断裂强度/kNbreakingstrength抗风浪能力windresistance20116.06级海浪/6级风22139.26级海浪/7~8级风24162.66级海浪/7~8级风26188.27级海浪/9级风28214.07级以上海浪/9级以上风30244.47级以上海浪/9级以上风
台筏养殖设施的锚固方式一般有两种：一种是利用打入海底的锚桩进行锚固，称为绝对锚固。其优点是施工简单，成本低，但其抗风浪能力差，一旦桩绳断裂或者脱锚，不仅装置本身会破损，而且会破坏临近的装置，从而导致养殖设施的整体推筏事故，造成巨大的损失。另一种是利用沉入海底的重物(如水泥砣)进行锚固，称为相对锚固。其优点是抗风浪能力强，结构本身可相对移动和调整，脱锚损坏的可能性小。综合而言，在海流和风浪比较平缓的海域，可考虑利用锚桩的绝对锚固方式以节省成本；而在海流速比较大、风大浪急的海域，尽量采用水泥砣的锚固方式。
对于锚桩锚固的结构形式，可在每台筏架的中间增加一套桩绳与锚桩，以减小单根桩绳的最大张力，在节省成本的同时可提高台筏养殖设施的抗风浪能力。
3.5.1 养殖设施的布置方向 养殖设施的布置方向是指养殖装置的主轴方向(即主绳的方向)与海浪流方向之间的夹角(以下简称布设角度)。布设角度对其结构稳定性(抗风浪能力)的影响不仅体现在对桩绳张力的影响，而且还体现在对结构的位移和变形(包括浮漂的位移、养殖网笼的位移及其转角、主绳和桩绳的变形)方面的影响。如果桩绳的张力过大，桩绳就容易断裂或者锚桩容易脱锚；而如果浮漂和养殖网笼的位移过大，养殖设施就会产生缠绕影响养殖效果。当布设角度为0°时，结构的所有张力将只由其一端的桩绳来承担，此时桩绳的张力最大，养殖设施的抗风浪能力最差；当布设角度增大时，由于两端的桩绳都参与承担结构的水动力，因而单根桩绳的最大张力将逐渐减小，在90°时达到最小。另一方面，布设角度对结构的位移和变形的影响与对其最大张力的影响相反。崔勇等 [6]研究表明，在相同流速下，布设角度从0～90°变化时，浮漂和网笼的位移和变形将逐渐增加，90°时达到最大。但是，当布设角度为0°时，养殖网笼的位移和转角与主绳方向一致，容易导致养殖网笼与主绳之间的相互缠绕。综上所述，建议布设角度为45°左右，因为此时既能尽量减小单根桩绳的最大张力，又能最大限度地避免养殖网笼与主绳之间以及养殖网笼之间的缠绕与干涉。
3.5.2 主绳与养殖网笼的布置 主绳与养殖网笼的布置主要是合理地选取主绳轴线离海平台的距离(深度)以及网笼间距。网笼的深度主要根据养殖工艺要求来选取，一般在16～25 m，此深度为海产品的适宜养殖水深，因此，养殖网笼的上部应处于16 m左右的水深以下。如果网笼的吊绳按0.5 m左右计算，则主绳的布置深度应该在15 m以下。网笼间距的选取，要尽量避免网笼之间的相互缠绕；如果网笼长度为4 m，则网笼间距应选取2～4 m为宜。
3.5.3 桩绳的布置 桩绳的布置主要是合理地选取桩绳与海底之间的角度，其主要会对锚固点的海底抓力以及台筏结构的总体长度两方面造成影响。角度越小，一方面锚固点的海底抓力越大，对养殖设施的整体抗风浪能力有利；另一方面，台筏结构的总体长度也越大，海域的养殖经济性就差。因此，桩绳与海底之间的角度选取原则是：在满足养殖设施抗风浪要求的条件下，尽量选择比较大的角度。一般是在实地测出锚固点各个角度的海底抓力后，根据抗风浪要求所需锚固点的海底抓力选取最大的角度。
架设于獐子岛海域30 m水深的台筏养殖设施大部分结构尺度为主绳长200～300 m，在养殖过程中，时有推筏事故发生，养殖网笼与主绳缠绕的现象也经常发生，严重影响了其养殖效果。本研究中，利用静力分析原理，对台筏养殖的抗风浪能力进行计算分析后，得出其抗风浪能力为6级海浪(表2)。为了提高其抗风浪能力，减少养殖网笼与主绳的缠绕与干涉，根据上述分析对其结构提出了如下优化改造方案：
(1)对主绳长超过240 m的台筏结构，采用如图2所示的加固方案，在结构的中间增加一套桩绳与锚桩进行加固。
图2 台筏结构加固方案示意图
Fig.2 Schematic diagram of raft system structure reinforcement
(2)对主绳长小于240 m的台筏结构，减少养殖网笼和浮漂数量，按100～120个网笼和40～45个浮漂重新进行了配置。
(3)将养殖设施的整体布设方向由原来的0°改为30°～45°。
按照上述优化方案，改造了獐子岛海域500台台筏养殖装置中的20台，并在相同养殖海域进行了验证实验。通过测量同一时期改造前后两种台筏装置的桩绳最大张力，观测网笼与主绳的缠绕次数以及脱锚事故的次数，对比效果如下：
(1)未改造的桩绳最大张力为115.5 kN，改造后的桩绳最大张力为78.6 kN，减小近32%。
(2)在3个月的观测期间，未改造的台筏系统发生3起脱锚事故，而改造后的台筏系统未发生脱锚推筏事故。
(3)未改造的台筏装置的网笼与主绳之间的缠绕现象比较频繁，而改造后的台筏装置未发现网笼与主绳间或网笼之间的缠绕现象。
本研究中，基于静力分析的抗风浪能力分析模型，对深水台筏养殖设施的抗风浪能力进行了计算，并通过对其结构尺度、锚固方式和整体布设等方面进行计算分析，达到对台筏养殖设施的优化设计，使得台筏养殖设施在满足深水台筏养殖工艺要求及其经济性的前提下，尽量降低台筏结构的桩绳最大张力以提高其抗风浪能力，减少了养殖网笼与主绳之间的缠绕现象以提高其养殖效果。本研究中提出的优化设计方法可为深水延绳式浮筏养殖设施的设计提供参考。
[1] Grant J,Bacher C.A numerical model of flow modification induced by suspended aquaculture in a Chinese bay[J].Can J Fish Aquat Sci,2001,58:1003-1011.
[2] Lien E,Fredheim A.Development of long tube mussel systems for cultivation of blue mussels( Mytilis edulis)[C]//Andrews S.Open Ocean Aquaculture IV Symposium.New Brunswick,Canada,2001:75-76.
[3] 李冠颖，黄材成.外海浮筏式蚵架动力分析[C]//第31届海洋工程研讨会论文集.台湾:国立中山大学，2009:553-560.
[4] 邓推.筏式养殖系统在波浪作用下的数值模拟[D].大连:大连理工大学,2010.
[5] 邓推,董国海,赵云鹏,等.波浪作用下筏式养殖设施的数值模拟[J].渔业现代化,2010,37(2):26-30.
[6] 崔勇,将增杰,关长涛,等.水流作用下筏式养殖设施动力响应的数值模拟[J].渔业科学进展,2012,33(3):102-107.
[7] 王经坤，刘镇昌，杨红生.筏式养殖筏架虚拟设计及仿真研究[J].渔业现代化，2008,35(1):32-35.
[8] 李玉成,腾斌.波浪对海洋建筑物的作用[M].北京:海洋出版社,1992.
[9] 孙霄峰,高帅,尹勇,等.渔船模拟器中中层拖网的建模与仿真[J].大连海洋大学学报,2012,27(3):284-288.
[10] 张光发.导管架下水运动三维数值模拟研究[D].大连:大连理工大学,2007.
[11] 竺艳蓉.海洋工程波浪力学[M].天津:天津大学出版社,1991.
[12] 邵利民.海浪的形成和海浪等级[C]//2004防止船舶航行事故新经验新技术学术研讨会论文集：下册.北京,中国航海学会，2004.
Optimal structure design for deepwater long-line rope rafts
in aquaculture based on statics analysis
ZHANG Guang-fa 1, ZHANG Bin 2,WEI Wen 2, LIANG Jun 3
(1.College of Navigation and Ship Engineering, Dalian Ocean University, Dalian 116023, China; 2.College of Marine Science and Environment，Dalian Ocean University, Dalian 116023, China; 3.Zhangzidao Group Co. Ltd., Dalian 116001, China)
Key words： deepwater long-line raft aquaculture facility; optimization design of structure; statics analysis; anti-wave ability