三种浮绳式框架养殖围网系泊缆绳和框架纲张力试验研究❋

王 飞， 胡夫祥， 高 敏， 董书闯， 彭道民， 宋伟华❋❋

(1.浙江海洋大学水产学院，浙江 舟山 316022; 2.東京海洋大学，日本 東京 1088477; 3.浙江省海洋渔业装备技术研究重点实验室，浙江 舟山 316022)

浅海围网养殖是一种新的生态型、健康型、大面积型的海水养殖方式，主要由网衣、框架、贴底锚链和系泊缆绳等构件组成，敷设在开放海域，主要承受风、浪、流等因子的综合作用。在灾害天气袭击下，围网易发生变形和扭曲，造成养殖水体减少、安全性能下降，甚至导致缆绳断裂或设施摧毁等巨大损害。因此，框架系统受力和变形直接影响围网养殖容量的变化和安全使用。

Suhey等[1]对碟形网箱中的框架结构进行变形和受力情况的研究分析；Fredriksson[2]采用有限元法分析了HDPE网箱浮式框架结构的力学性能；Ursell[3-5]对漂浮圆柱在波浪作用下的荷载和运动响应进行了研究；Slaattelid[6]对一种重力式网箱在各种海况条件下的锚绳受力特性和浮架结构的应力特性进行了试验研究。林德芳等[7]对不同网箱框架系统的材料性能进行了对比研究；陈昌平等[8-12]通过物理模型试验和数值模拟对网箱在波流作用下的水动力特性进行了研究，分析了锚绳的张力分布和浮架的运动响应。尽管学者们使用不同的方法对网箱框架在波、流作用下的水动力特性进行了研究，但关于不同浮筒系泊下系泊缆绳和框架纲张力的研究未见报道。为此，本文依据海洋工程和渔具力学等理论，结合围网敷设情况和水文条件等海上实际状况，根据松田皎模型准则设计制作长方体、圆柱体和球体3种不同浮筒形状的浮绳式柔性框架养殖围网模型，采用预加张力的系泊方法，在流速为17、23、28、35和45 cm/s、系泊角度为59°、63°、68°、71°、74°、76°和90°的工况下进行水槽模型试验，分析围网框架纲和系泊缆绳的张力变化规律，同时研究框架纲和系泊缆绳的张力与水流速度和系泊角度的关联度。研究结论对设计、完善海水养殖围网的设施，提高设施的耐久性、稳定性具有现实指导意义。

1 试验材料

1.1 实物围网

通过对浙江省围网养殖基地调查，本研究选择周长300 m的正方形浮绳式养殖围网作为实物母网，网衣的网目尺寸均为65 mm，网线直径1.5 mm，3种浮绳式柔性框架围网的结构名称和规格尺寸见表1。

表1 3种浮绳式柔性框架围网的结构名称和规格尺寸

1.2 模型准则

在选择模型试验准则时，假定大比例尺为50，周长300 m、网高13.5 m实物围网经换算的后模型网周长和网高分别为6和0.27 m。由于垂直方向上尺寸的缩减过大，导致水槽试验无法正常进行。因此，依据日本学者松田皎[13]模型试验理论，对于这种“极窄”类型的网渔具和渔业设施，分别建立水平和垂直方向两个模型大尺度比，以解决围网模型设计的空间缺陷问题。由于本文主要针对浮绳式围网框架系统水动力性能进行研究，因而没有涉及网衣受力的测试。

1.3 试验模型

参照实物围网的结构制作了长方体、圆柱体和球体3种类型浮子的围网框架模型网。考虑到水槽试验中水槽尺寸的实际要求和围网形状测量的需求，模型框架设为正方形，边长为1.5 m，周长为6 m。模型尺寸满足水槽的空间要求，并充分考虑了尺寸效应和池壁效应。模型网衣的网目尺寸均为21.5 mm，网线直径0.5 mm，模型材料为聚酰胺(PA)有结网衣。3种围网模型的沉链配重均为1.17 kg/m(见表2)。

2 试验方法和数据处理

2.1 试验设计

试验设备及模型的安装如图1。围网模型由柔性的框架、网衣、以及系泊绳索、贴底沉链等组成。水下共装配5个传感器，分别安装在2条框架纲和3条系泊缆绳上。试验时，传感器将信号值传输到计算机。

本试验模型设计采用日本学者松田皎的渔具模型试验特别准则[13]，按照日本东京海洋大学水平循环式动水槽的尺寸参数(长9.0 m、宽2.2 m、深1.95 m)，模型设计比例如下：

(1)大比例：水平方向，λh=Lh1/Lh2=50；垂直方向，λv=Lv1/Lv2=10。

(2)小比例：网目尺寸比、网线直径比λ2=a1/a2=d1/d2=3。

表2 浮绳式框架模型所用材料参数

图1 试验模型及设备安装示意图

(4)受力比例：G1/G2=λhλvλ2。

(5)试验水深：1.35 m。

式中：下标“1”对应实物母网，下标“2”对应模型网。

2.2 试验工况

通过对围网敷设海域的水流流速的实际调查，极限水流约0.8 m/s，常见流速范围为0.4～0.6 m/s，因此选取0.2、0.4、0.5、0.6和0.8 m/s 5档流速水平。根据模型试验准则计算的水槽试验流速对应分别为17、23、28、35和45 cm/s。试验时使用螺旋式流速计(东京计测技研株式会社制造，测量误差±3% FS)测定实际水流流速。

系泊角度依据系泊距离的远近确定。假设系泊距离无限远，或者围网设施外围依靠“浮绳框”系泊，则认为此时的系泊角度为90°，即系泊缆绳绳与围网垂直方向的夹角为直角。根据实际调查，围网实际系泊缆绳离围网中心的距离范围为20～55 m，因此分别取20、27、34、41、48、55 m及无限远为试验长度，对应系泊角度依次为59°、63°、68°、71°、74°、76°、90°。水槽试验时，通过调节围网试验时前方安装的剑突装置来调节系泊角度，以满足试验的需要。

2. 3测试点的选择

为了对围网模型框架系统的水动力变化规律进行记录与分析，在框架纲和系泊缆绳上共选择了5个测量点(见图2)，并分别在3条系泊缆绳和2条框架纲上安装水下张力传感器(日本电子工业株式会社制造，型号分别为A3604-1和A3604-2，量程均为10 kg，测量误差±1%FS)。为方便记录，标记顺流方向右边系泊缆绳张力为F1、顺流方向第二条系泊缆绳张力为F2，垂直方向右边侧向系泊缆绳张力为F3，垂直水流方向框架纲张力为T1，顺流方向右边框架纲张力为T2，其中，水流方向4条系泊缆绳等距离系泊敷设，相邻两纲间距为0.5 m。通过系泊距离和水深关系计算系泊缆绳与垂直方向的夹角α。

图2 测试点选择示意图

2.4 关联度分析

采用灰色关联分析方法[14]对水流速度和系泊角度的变化趋势进行量化分析，对比系泊缆绳和框架纲的张力，计算各影响因素与张力之间的灰关联度。关联度计算公式如下：

3 结果和讨论

3.1 系泊缆绳张力与流速的关系

长方体浮筒、圆柱体浮筒和球体浮筒在系泊角度α= 71°、不同流速的情况下，系泊缆绳张力的变化情况见图3。实验结果表明，随着流速的不断增大，3种类型浮筒的系泊缆绳张力均不断增大。当流速V≤35 cm/s时，系泊缆绳的张力变化均比较平稳。当V>35 cm/s时，3条系泊缆绳的张力急剧增大，其中F1、F2增幅最为明显，特别是圆柱体浮筒的F2从V=35 cm/s时的3.88 N增大到V=45 cm/s时的8.39 N，增幅高达116.24%。系泊缆绳这种变幅从纲索的布局结构来看，其张力主要分布在平行于水流方向的2条纲索上，平行于水流方向的2条系泊缆绳张力中，长方体浮筒明显大于圆柱体浮筒和浮球浮筒，而与水流相垂直的系泊缆绳F3较小，且随流速的增加变化也较小，说明张力的大小与缆绳的装配有关。

3.2 框架纲张力与流速的关系

图4显示系泊角度α= 71°、不同流速下，框架纲张力的变化情况。结果显示，随着流速的不断增大，两条框架纲张力都不断增大，且平行于水流方向的T2较明显，特别是球体浮筒的T2从V=35 cm/s时的5.32 N增大到V=45 cm/s时的9.07 N，增幅达70.48%。相同流速时，T2>T1。由于水流垂直方向的框架纲受到的张力沿框架均匀分布，且水流为均匀流，因此在与水流垂直方向上无附加质量力产生，导致该方向框架所受张力较小。相比之下，与水流平行的框架纲因承受水流对框架和网衣等所产生的作用力，张力随流速增加而明显增大。对比3种形状的浮筒，当V≤35 cm/s时的变化相对于V>35 cm/s时小，尤其是长方体浮筒的框架纲张力的变化更为平缓且数值最小，由于张力通常与流速平方成正比，随着流速增加的趋势更加明显。

图3 系泊缆绳张力随流速的变化

图4 框架纲张力随流速的变化

3.3 系泊缆绳张力与系泊角度的关系

图5显示流速45 cm/s时，不同系泊角度下系泊缆绳水动力的变化情况。结果表明，对比系泊缆绳F1，当系泊角度范围为59°～71°时，长方体浮筒的系泊缆绳所受到的水动力与圆柱体浮筒的比较接近，但两者都明显大于球体浮筒的系泊缆绳所受到的水动力；当系泊角度继续增大，球体浮筒的系泊缆绳F1明显大于其他两种，其原因为框架上配置的球体浮筒数量最多而且间距最小，因而在系泊角度超过74°时，所受阻力最大。此外，考虑到围网设施为方形结构，而系泊缆绳F1处在角部，为整个围网设施中应力集中区域，因此系泊角度的变化导致波动较大。

系泊缆绳F2在系泊角度变化的过程中变化较平稳，长方体浮筒的受力大于其他两种。其原因为第2条系泊缆绳与水流平行，因此在不同系泊角度下，所受张力比较均匀，随系泊角度变化波动较小。由于长方体浮筒自身结构产生的水阻力较大，因此随系泊角度变化，所产生的张力大于其他两种浮筒所受张力。

对于系泊缆绳F3，长方体浮筒的张力基本随系泊角度的增大而逐渐减小；圆柱体浮筒的F3在系泊角度的变化过程中先减小后增大，当α= 71°时达到最小。球体浮筒除了在系泊角度为76°时出现最大值外，在其他系泊角度下均处于一个稳定的变化趋势。其原因为张力F3与水流方向垂直，随系泊角度的增大，长方体浮筒在垂直于来流方向产生的横向剪切力减小，因此张力F3逐渐减小。由于球体浮筒的对称性，在来流作用下不产生横向剪切力或剪切力微弱，因此张力F3变化较小。

图5 系泊缆绳张力随系泊角度的变化

3.4 框架纲张力与系泊角度的关系

图6为流速45 cm/s时框架纲水动力随系泊角度的变化情况。对垂直于水流方向的框架纲水动力T1而言，圆柱体浮筒的T1基本大于其他两种，当角度范围为74°～90°时，球体浮筒的T1基本处于平稳状态，而长方体浮筒T1随角度的增加而减小。对于平行于水流方向的框架纲张力T2，在不同的系泊角度下，球体浮筒始终大于圆柱体浮筒和长方体浮筒，由于球体浮筒数量多且间距小，水阻力比较大，致使T2随系泊角度增大而增大。长方体浮筒的框架纲张力T2始终处于最小且平稳状态，这有利于长方体浮筒浮绳式框架养殖围网敷设的稳定性。

图6 框架纲张力随系泊角度的变化

3.5 关联度分析

基于灰色关联度的F1、F2、F3、T1、T2、流速和系泊角度数据的结果见表3。3种类型浮筒的流速、系泊角度与系泊缆绳的张力F1、F2、F3、框架纲的张力T1、T2的关联度均表明流速大于系泊角度。在实验条件下，当流速较小时系泊角度不变或者变化微弱，随着流速的增加，系泊缆绳和框架纲的张力不断增加。关联度分析结果表明，系泊角度对系泊缆绳和框架纲张力影响也是由流速变化而产生的。因此，与流速影响相比，系泊角度对纲索张力的影响居次要地位。

表3 系泊缆绳、框架纲张力与流速、系泊角度的关联度

注: 流速Current speeds; 角度Angles。

4 结语

本研究针对长方体、圆柱体和球体3种不同筒形状的浮绳式柔性框架养殖围网模型，通过5种流速和7种冲角工况下的张力动水槽试验研究表明，流速与张力的关联度大于系泊角度与张力的关联度；系泊角度在63°～74°时，系泊缆绳和框架纲张力的变化较平稳，且当系泊角度为71°时，张力均较小；对比3种不同浮筒形状围网，长方体浮筒浮绳式框架养殖围网的系泊缆绳和框架纲张力的变化相对较平稳。根据实际情况，长方体、圆柱体和圆球的抗浪能力逐渐降低，因而在生产应用中，用圆球制成的框架围网需要有网盖来防止养殖对象从框架上顶跃过而逃逸。试验结果为近海浮绳式柔性框架养殖围网浮筒形状和系泊角度及适宜流速的选择提供重要的参考依据，也为柔性框架围网养殖设施性能研究提供参考。由于条件所限，本次试验仅在均流工况下进行，未考虑波浪、海表面风等因素对围网养殖设施的水动力性能及安全性影响进行研究，今后在有条件的情况下，应对上述几方面开展相关试验研究，以使研究得到进一步完善。