淺海圍欄牧場(chǎng)中柱樁受力及波浪場(chǎng)分布試驗(yàn)

王剛 王建康 陳丁 王新鳴 陳國強(qiáng) 宋煒 王磊

摘?要：通過物理模型試驗(yàn)的方法，對(duì)淺海圍欄牧場(chǎng)設(shè)施中柱樁的受力及內(nèi)部波浪場(chǎng)進(jìn)行了研究。試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼w采用1∶20比尺，試驗(yàn)波要素設(shè)定五個(gè)波高，原型分別為1、2、2.5、3、3.5 m，五個(gè)波浪周期分別為5、6、7、8、9 s，五個(gè)流速分別為0.5、0.76、1、1.25、1.57 m/s。測(cè)量在不同波流組合以及不規(guī)則波單獨(dú)作用和流單獨(dú)作用下迎浪側(cè)最前方單根樁柱的受力情況及圍欄牧場(chǎng)內(nèi)波浪場(chǎng)情況。試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著波高和流速的增加，樁柱所受到的波流力逐步增大，在計(jì)算柱樁受力時(shí)，需要考慮到網(wǎng)衣受力帶來的影響。波高及周期越大，圍欄設(shè)施內(nèi)的波浪場(chǎng)分布規(guī)律越明顯，沿著波浪傳播方向呈逐漸減小趨勢(shì)，小波高及短周期時(shí)波浪場(chǎng)分布規(guī)律不明顯。

關(guān)鍵詞：圍欄牧場(chǎng);樁柱;波流力;波浪場(chǎng)

中圖分類號(hào)：S967.2

海上牧場(chǎng)是實(shí)現(xiàn)漁業(yè)資源可持續(xù)利用的漁業(yè)模式[1]。對(duì)我國海洋漁業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)揮著重要的作用[2]。牧場(chǎng)式圍欄設(shè)施由柱樁及銅合金圍網(wǎng)網(wǎng)衣組成，對(duì)比網(wǎng)箱等近岸海水養(yǎng)殖設(shè)施，該設(shè)施具有較好的抗風(fēng)浪性能，養(yǎng)殖空間大，養(yǎng)殖環(huán)境趨于自然生態(tài)。目前該模式發(fā)展迅速，借助樁基工程的工程經(jīng)驗(yàn)和銅合金網(wǎng)衣研究應(yīng)用成果，尤其是在我國椒江大陳島海域大型牧場(chǎng)式淺海圍欄設(shè)施以及大黃魚生態(tài)放養(yǎng)模式的創(chuàng)新發(fā)展方面取到了很好的應(yīng)用效果。銅合金網(wǎng)衣在漁業(yè)工程領(lǐng)域特別是網(wǎng)箱和圍欄網(wǎng)海水養(yǎng)殖中得到了廣泛的應(yīng)用，并取得良好效果[3]。

圍欄牧場(chǎng)養(yǎng)殖設(shè)施是漁業(yè)裝備與工程集成應(yīng)用、相輔相成的重要體現(xiàn)，針對(duì)我國出現(xiàn)的新型淺海式牧場(chǎng)圍欄設(shè)施工程的相關(guān)研究還較少，包括圍欄樁基的布局及工程設(shè)計(jì)等，制約了圍欄設(shè)施工程的發(fā)展，影響了工程的設(shè)計(jì)應(yīng)用和科學(xué)推廣。在波浪對(duì)樁柱作用的研究上，俞聿修等[4-7]對(duì)三維隨機(jī)波浪對(duì)樁柱的作用、不規(guī)則波作用于垂直樁柱上的正向力、雙樁樁列上的不規(guī)則波浪力進(jìn)行了研究。張昊宸等[8]對(duì)多向不規(guī)則波作用下九樁群樁效應(yīng)試驗(yàn)進(jìn)行了研究。Chaplin等[9-11]對(duì)多向不規(guī)則波浪與單樁的作用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)多向不規(guī)則波作用下的單樁正向波浪力小于單向不規(guī)則波作用下的單樁正向波浪力。為配合柱樁總體設(shè)計(jì)技術(shù)要求的提出，需要通過物理模型試驗(yàn)，研究分析圍欄設(shè)施不同設(shè)計(jì)工況情況下柱樁的受力情況及圍欄設(shè)施內(nèi)波浪場(chǎng)情況，這兩個(gè)方面結(jié)果是影響圍欄設(shè)施工程設(shè)計(jì)的重要因素，可最終對(duì)圍欄設(shè)施柱樁總體設(shè)計(jì)要求的編制提出參考依據(jù)。

1?物理模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)在中國水產(chǎn)科學(xué)研究院江蘇如東試驗(yàn)基地進(jìn)行，基地波浪試驗(yàn)大廳配備三維波浪水池，水池有效使用尺寸為長50 m，寬26 m，深1.2 m。

波浪測(cè)量采用大連理工大學(xué)海岸及近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的LYL-Ⅲ型浪高儀;流速儀采用的是進(jìn)口小威龍ADV，是一款高精度三維點(diǎn)式流速儀;力的測(cè)量采用中交天津港灣研究院生產(chǎn)的二維測(cè)力傳感器，能同時(shí)測(cè)量X、Y兩個(gè)方向的受力情況以及Mz的扭矩大小。

1.1?試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分別在純浪、純流、浪流共同作用下，測(cè)量不同波高、不同周期、不同流速組合情況下柱樁及柱樁與網(wǎng)具整裝設(shè)備下單樁的受力結(jié)果。柱樁原型的直徑為1 m，模型的直徑為5 cm。試驗(yàn)采用不規(guī)則波進(jìn)行，波譜采用JONSWAP頻譜。海洋牧場(chǎng)模型共25根樁，主要測(cè)量迎浪側(cè)最前方的一根樁所受的力，傳感器安裝在樁柱的上方。

1.2?試驗(yàn)水位及波浪要素

試驗(yàn)遵照《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，根據(jù)設(shè)計(jì)水位、波浪要素、試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃驮囼?yàn)設(shè)備條件等因素，模型幾何比尺取1∶20。網(wǎng)衣所受的波流力取決于網(wǎng)衣面積，網(wǎng)衣按照1∶2比尺縮小后，線面積系數(shù)d/A（直徑/網(wǎng)目面積）是一致的，網(wǎng)衣總尺度范圍的受力面積取得了幾何相似，力比尺同樣采用：λF=λ3。桂福坤，李玉成等[12-13]在其文獻(xiàn)中對(duì)網(wǎng)衣受力試驗(yàn)的模型相似條件進(jìn)行過相應(yīng)的研究。

原型水深為10 m，按照1∶20的模型比尺換算，模型試驗(yàn)時(shí)的水深為0.5 m。試驗(yàn)波要素設(shè)定原型五個(gè)波高，分別為1、2、2.5、3、3.5 m;五個(gè)波浪周期分別為5、6、7、8、9 s;五個(gè)流速分別為0.5、0.75、1、1.25、1.5 m/s。按照相應(yīng)的模型比尺換算成模型試驗(yàn)時(shí)的波要素如表1所示，為理論波要素與湊譜對(duì)應(yīng)的結(jié)果。其中“-”代表在實(shí)驗(yàn)室無法湊得相應(yīng)的波浪參數(shù)。

實(shí)際湊得的模型流速與換算成原型流速如表2所示。

2?試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)采用不規(guī)則波進(jìn)行，圖3給出了原型有效波高H=3.5 m，波浪周期T=9 s，流速v=1.57 m/s時(shí)的單樁受力歷時(shí)曲線。

2.1?相同波浪周期條件下不同波高、流速組合時(shí)單樁所受波流力

試驗(yàn)主要側(cè)量迎浪側(cè)最前方單根樁所受的波流力。由圖4的（1）-（5）可以看出，在無網(wǎng)衣的情況下，隨著波高以及流速的增大，單樁所受到的波流力呈現(xiàn)出明顯的增大的趨勢(shì)，并且不同周期下此規(guī)律基本相同。

每組試驗(yàn)中，采集到的最大受力情況為：在波浪周期T=5 s時(shí)，波高H=2.5 m，流速v=1.57 m/s時(shí)，最大力約為25 kN;波浪周期T=6 s時(shí)，波高H=3 m，流速v=1.57 m/s時(shí)，最大力約為30 kN;波浪周期T=7 s時(shí)，波高H=3.5 m，流速v= 1.57 m/s時(shí)，最大力約為34 kN;波浪周期T=8 s時(shí)，波高H=3.5 m，流速v=1.57 m/s時(shí)，最大力約為43 kN;波浪周期T=9 s時(shí)，波高H=3.5 m，流速v=1.57 m/s時(shí)，最大力約為46 kN。波浪周期相同時(shí)，隨著流速的增加，波高的增大，單樁所受的波流力呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。

2.2?相同波高條件下不同波浪周期、流速組合時(shí)單樁所受波流力

由圖5的（1）-（5）可以看出，在無網(wǎng)衣的情況下，隨著流速的增大，單樁所受到的波流力呈現(xiàn)出明顯的增大的趨勢(shì)。在流速小于1.0 m/s的時(shí)候，單樁所受到的波流力受周期的影響不明顯;在流速大于1.0 m/s的時(shí)候，單樁所受到的波流力隨周期的增大而增大。

每組試驗(yàn)中，采集到的最大受力情況為：在波高H=1 m的條件下，波浪周期T=8 s，流速v=1.57 m/s時(shí)，最大力為18 kN;在波高H=2 m的條件下，波浪周期T=9 s，流速v=1.57 m/s時(shí)，最大力為26 kN;在波高H=2.5 m的條件下，波浪周期T=9 s，流速v=1.57 m/s時(shí)，最大力為31 kN;在波高H=3 m的條件下，波浪周期T=9 s，流速v=1.57 m/s時(shí)，最大力為39 kN;在波高H=3.5 m的條件下，波浪周期T=9 s，流速v=1.57 m/s時(shí)，最大力為46 kN。

2.3?相同流速條件下不同波高、周期組合時(shí)所受波流力

由圖6的（1）-（6）可以看出，隨著波高的增大，單樁所受到的波流力呈現(xiàn)出明顯的增大的趨勢(shì)。在流速小于1.0 m/s的時(shí)候，單樁所受到的波流力受周期的影響不明顯;在流速大于1.0 m/s的時(shí)候，單樁所受到的波流力隨周期的增大而增大。

每組試驗(yàn)中，采集到的最大受力情況為：在流速v=0 m/s時(shí)，即純波作用下，在波高H=3.5 m，波浪周期T=9 s時(shí)，最大力為28 kN;在流速v=0.49 m/s條件下，在波高H=3.5 m，波浪周期T=9 s時(shí)，最大力為27 kN;在流速v=0.76 m/s條件下，在波高H=3.5 m，波浪周期T=9 s時(shí)，最大力為30 kN;在流速v=1 m/s條件下，在波高H=3.5 m，波浪周期T=9 s時(shí)，最大力為37 kN;在流速v=1.25 m/s條件下，在波高H=3.5 m，波浪周期T=9 s時(shí)，最大力為43 kN;在流速v=1.57 m/s條件下，在波高H=3.5 m，波浪周期T=9 s時(shí)，最大力為46 kN。

2.4?相同波浪周期，有無網(wǎng)衣時(shí)不同波高、流速組合單樁所受波流力比較

每兩根樁之間均固定一片銅合金網(wǎng)衣，測(cè)量帶網(wǎng)衣時(shí)樁柱受力，結(jié)果明顯比不帶網(wǎng)衣時(shí)受力要大，這是因?yàn)榇藭r(shí)測(cè)得的是樁柱和其相連的網(wǎng)衣所受的總力。圖7（1）-（5）中，實(shí)線代表無網(wǎng)衣時(shí)單樁所受到的波流力，虛線為帶網(wǎng)衣時(shí)，單樁所受到的總的波流力大小。波浪周期相同時(shí)，在T=5 s情況下，有網(wǎng)衣時(shí)受力最大值和無網(wǎng)衣受力最大值分別為39 kN、26 kN，明顯網(wǎng)衣在整體受力中貢獻(xiàn)了很大一部分，相當(dāng)于比單樁受力增加了55%。同理，波浪周期T=6 s時(shí)，最大受力增加了44%;波浪周期T=7 s時(shí)，最大受力增加了47%;波浪周期T=8 s時(shí)，最大受力增加了45%;波浪周期T=9 s時(shí)，最大受力增加了40%。

由圖7中的（1）-（5）可知，隨著波浪周期以及波高越大，網(wǎng)衣對(duì)總體受力的影響越大。同波高、同周期的條件下，隨著流速的增加，波流力的大小基本呈現(xiàn)出線性增加的規(guī)律。

3?波浪場(chǎng)分析

3.1?無網(wǎng)衣時(shí)圍欄設(shè)施內(nèi)波浪場(chǎng)分布

研究圍欄牧場(chǎng)內(nèi)部波浪場(chǎng)分布時(shí)，主要以此次試驗(yàn)中最大波高、最大波浪周期條件下，不同流速時(shí)圍欄牧場(chǎng)內(nèi)波浪場(chǎng)分布情況進(jìn)行說明，因?yàn)榇朔N工況為對(duì)樁柱影響最大的情況，其中流向和波浪傳播方向均為X軸正向。由圖8中的6張圖可以看出，流速為0.76、1、1.25、1.57 m/s時(shí)，波高大致呈現(xiàn)出沿著波浪傳播方向遞減的趨勢(shì)，但是在沒有流的情況或者流速很小的情況下，即試驗(yàn)中0 m/s和0.49 m/s的流速情況下，波浪場(chǎng)的分布和流速大的情況有所不同，不滿足沿著波浪傳播方向遞減的趨勢(shì)。在波高為3.5 m時(shí)，圍欄內(nèi)部最大波高可達(dá)到3 m左右，沿著波浪傳播方向依次減小，最小為2.4 m左右。

3.2?有網(wǎng)衣時(shí)圍欄設(shè)施內(nèi)波浪場(chǎng)分布

不同波流組合下，有網(wǎng)衣條件下海洋牧場(chǎng)內(nèi)波浪場(chǎng)分布情況，其中流向和波浪傳播方向均為X軸正向。由圖9中的6張圖可以看出，流速為0.76、1、1.25、1.57 m/s時(shí)，波高大致呈現(xiàn)出沿著波浪傳播方向遞減的趨勢(shì)，但是在沒有流的情況或者流速很小的情況下，即試驗(yàn)中0 m/s和0.49 m/s的流速情況下，波浪場(chǎng)的分布與流速大的情況有所不同，不滿足沿著波浪傳播方向遞減的趨勢(shì)?；旧吓c無網(wǎng)衣的情況相同。在波高為3.5 m時(shí)，圍欄內(nèi)部最大波高可達(dá)到2.8 m，沿著波浪傳播方向依次減小，最小為2.1 m左右。

由圖8和圖9綜合對(duì)比可以得出，有無網(wǎng)衣對(duì)海洋牧場(chǎng)內(nèi)的波浪分布并無明顯影響，但是有網(wǎng)衣的條件比之無網(wǎng)衣的條件下波高整體要小一些，這是由于網(wǎng)衣對(duì)波浪的削減作用的影響，波高削減約10%。

4?結(jié)果討論

通過物理模型試驗(yàn)，研究分析淺海圍欄牧場(chǎng)設(shè)施不同設(shè)計(jì)工況情況下柱樁的受力情況及圍欄設(shè)施內(nèi)波浪場(chǎng)情況，并對(duì)圍欄設(shè)施柱樁總體設(shè)計(jì)要求提出建議。在本次試驗(yàn)研究中，具體得到以下結(jié)論：

隨著波高、流速的增加，樁柱所受到的波流力逐步增大，受周期的影響較小。

不帶網(wǎng)衣時(shí)的單樁受力要明顯小于帶網(wǎng)衣時(shí)樁柱所受的總力，因此在樁柱設(shè)計(jì)時(shí)，需要重點(diǎn)考慮網(wǎng)衣受力帶來的影響。本次試驗(yàn)中，最大波高為3.5 m，最大波浪周期為9 s，最大流速1.57 m/s時(shí)，不帶網(wǎng)衣時(shí)，單樁所受最大波流力為46 kN，帶網(wǎng)衣時(shí)，單樁所受最大波流力為64 kN。

流速及波高越大，網(wǎng)衣對(duì)總體受力的影響越大。

波高及周期越大，淺海圍欄牧場(chǎng)內(nèi)的波浪場(chǎng)分布規(guī)律越明顯，沿著波浪傳播方向逐漸減小，有網(wǎng)衣比無網(wǎng)衣情況下，波高減小約10%;小波高以及短周期時(shí)規(guī)律不明顯。建議柱樁設(shè)計(jì)時(shí)不予考慮圍欄設(shè)施內(nèi)波浪衰減對(duì)柱樁設(shè)計(jì)的影響。

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