浅海围栏牧场中柱桩受力及波浪场分布试验

2024.06.09

王刚王建康陈丁王新鸣陈国强宋炜王磊

摘?要：通过物理模型试验的方法，对浅海围栏牧场设施中柱桩的受力及内部波浪场进行了研究。试验模型整体采用1∶20比尺，试验波要素设定五个波高，原型分别为1、2、2.5、3、3.5 m，五个波浪周期分别为5、6、7、8、9 s，五个流速分别为0.5、0.76、1、1.25、1.57 m/s。测量在不同波流组合以及不规则波单独作用和流单独作用下迎浪侧最前方单根桩柱的受力情况及围栏牧场内波浪场情况。试验结果显示，随着波高和流速的增加，桩柱所受到的波流力逐步增大，在计算柱桩受力时，需要考虑到网衣受力带来的影响。波高及周期越大，围栏设施内的波浪场分布规律越明显，沿着波浪传播方向呈逐渐减小趋势，小波高及短周期时波浪场分布规律不明显。

关键词：围栏牧场;桩柱;波流力;波浪场

中图分类号：S967.2

海上牧场是实现渔业资源可持续利用的渔业模式[1]。对我国海洋渔业的转型升级发挥着重要的作用[2]。牧场式围栏设施由柱桩及铜合金围网网衣组成，对比网箱等近岸海水养殖设施，该设施具有较好的抗风浪性能，养殖空间大，养殖环境趋于自然生态。目前该模式发展迅速，借助桩基工程的工程经验和铜合金网衣研究应用成果，尤其是在我国椒江大陈岛海域大型牧场式浅海围栏设施以及大黄鱼生态放养模式的创新发展方面取到了很好的应用效果。铜合金网衣在渔业工程领域特别是网箱和围栏网海水养殖中得到了广泛的应用，并取得良好效果[3]。

围栏牧场养殖设施是渔业装备与工程集成应用、相辅相成的重要体现，针对我国出现的新型浅海式牧场围栏设施工程的相關研究还较少，包括围栏桩基的布局及工程设计等，制约了围栏设施工程的发展，影响了工程的设计应用和科学推广。在波浪对桩柱作用的研究上，俞聿修等[4-7]对三维随机波浪对桩柱的作用、不规则波作用于垂直桩柱上的正向力、双桩桩列上的不规则波浪力进行了研究。张昊宸等[8]对多向不规则波作用下九桩群桩效应试验进行了研究。Chaplin等[9-11]对多向不规则波浪与单桩的作用进行了研究，发现多向不规则波作用下的单桩正向波浪力小于单向不规则波作用下的单桩正向波浪力。为配合柱桩总体设计技术要求的提出，需要通过物理模型试验，研究分析围栏设施不同设计工况情况下柱桩的受力情况及围栏设施内波浪场情况，这两个方面结果是影响围栏设施工程设计的重要因素，可最终对围栏设施柱桩总体设计要求的编制提出参考依据。

1?物理模型试验设计

本次试验在中国水产科学研究院江苏如东试验基地进行，基地波浪试验大厅配备三维波浪水池，水池有效使用尺寸为长50 m，宽26 m，深1.2 m。

波浪测量采用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;流速仪采用的是进口小威龙ADV，是一款高精度三维点式流速仪;力的测量采用中交天津港湾研究院生产的二维测力传感器，能同时测量X、Y两个方向的受力情况以及Mz的扭矩大小。

1.1?试验方法

试验分别在纯浪、纯流、浪流共同作用下，测量不同波高、不同周期、不同流速组合情况下柱桩及柱桩与网具整装设备下单桩的受力结果。柱桩原型的直径为1 m，模型的直径为5 cm。试验采用不规则波进行，波谱采用JONSWAP频谱。海洋牧场模型共25根桩，主要测量迎浪侧最前方的一根桩所受的力，传感器安装在桩柱的上方。

1.2?试验水位及波浪要素

试验遵照《波浪模型试验规程》相关规定，根据设计水位、波浪要素、试验模型和试验设备条件等因素，模型几何比尺取1∶20。网衣所受的波流力取决于网衣面积，网衣按照1∶2比尺缩小后，线面积系数d/A（直径/网目面积）是一致的，网衣总尺度范围的受力面积取得了几何相似，力比尺同样采用：λF=λ3。桂福坤，李玉成等[12-13]在其文献中对网衣受力试验的模型相似条件进行过相应的研究。

原型水深为10 m，按照1∶20的模型比尺换算，模型试验时的水深为0.5 m。试验波要素设定原型五个波高，分别为1、2、2.5、3、3.5 m;五个波浪周期分别为5、6、7、8、9 s;五个流速分别为0.5、0.75、1、1.25、1.5 m/s。按照相应的模型比尺换算成模型试验时的波要素如表1所示，为理论波要素与凑谱对应的结果。其中“-”代表在实验室无法凑得相应的波浪参数。

实际凑得的模型流速与换算成原型流速如表2所示。

2?试验结果及分析

试验采用不规则波进行，图3给出了原型有效波高H=3.5 m，波浪周期T=9 s，流速v=1.57 m/s时的单桩受力历时曲线。

2.1?相同波浪周期条件下不同波高、流速组合时单桩所受波流力

试验主要侧量迎浪侧最前方单根桩所受的波流力。由图4的（1）-（5）可以看出，在无网衣的情况下，随着波高以及流速的增大，单桩所受到的波流力呈现出明显的增大的趋势，并且不同周期下此规律基本相同。

每组试验中，采集到的最大受力情况为：在波浪周期T=5 s时，波高H=2.5 m，流速v=1.57 m/s时，最大力约为25 kN;波浪周期T=6 s时，波高H=3 m，流速v=1.57 m/s时，最大力约为30 kN;波浪周期T=7 s时，波高H=3.5 m，流速v= 1.57 m/s时，最大力约为34 kN;波浪周期T=8 s时，波高H=3.5 m，流速v=1.57 m/s时，最大力约为43 kN;波浪周期T=9 s时，波高H=3.5 m，流速v=1.57 m/s时，最大力约为46 kN。波浪周期相同时，随着流速的增加，波高的增大，单桩所受的波流力呈现出增大的趋势。

2.2?相同波高条件下不同波浪周期、流速组合时单桩所受波流力

由图5的（1）-（5）可以看出，在无网衣的情况下，随着流速的增大，单桩所受到的波流力呈现出明显的增大的趋势。在流速小于1.0 m/s的时候，单桩所受到的波流力受周期的影响不明显;在流速大于1.0 m/s的时候，单桩所受到的波流力随周期的增大而增大。

每组试验中，采集到的最大受力情况为：在波高H=1 m的条件下，波浪周期T=8 s，流速v=1.57 m/s时，最大力为18 kN;在波高H=2 m的条件下，波浪周期T=9 s，流速v=1.57 m/s时，最大力为26 kN;在波高H=2.5 m的条件下，波浪周期T=9 s，流速v=1.57 m/s时，最大力为31 kN;在波高H=3 m的条件下，波浪周期T=9 s，流速v=1.57 m/s时，最大力为39 kN;在波高H=3.5 m的条件下，波浪周期T=9 s，流速v=1.57 m/s时，最大力为46 kN。

2.3?相同流速条件下不同波高、周期组合时所受波流力

由图6的（1）-（6）可以看出，随着波高的增大，单桩所受到的波流力呈现出明显的增大的趋势。在流速小于1.0 m/s的时候，单桩所受到的波流力受周期的影响不明显;在流速大于1.0 m/s的时候，单桩所受到的波流力随周期的增大而增大。

每组试验中，采集到的最大受力情况为：在流速v=0 m/s时，即纯波作用下，在波高H=3.5 m，波浪周期T=9 s时，最大力为28 kN;在流速v=0.49 m/s条件下，在波高H=3.5 m，波浪周期T=9 s时，最大力为27 kN;在流速v=0.76 m/s条件下，在波高H=3.5 m，波浪周期T=9 s时，最大力为30 kN;在流速v=1 m/s条件下，在波高H=3.5 m，波浪周期T=9 s时，最大力为37 kN;在流速v=1.25 m/s条件下，在波高H=3.5 m，波浪周期T=9 s时，最大力为43 kN;在流速v=1.57 m/s条件下，在波高H=3.5 m，波浪周期T=9 s时，最大力为46 kN。

2.4?相同波浪周期，有无网衣时不同波高、流速组合单桩所受波流力比较

每两根桩之间均固定一片铜合金网衣，测量带网衣时桩柱受力，结果明显比不带网衣时受力要大，这是因为此时测得的是桩柱和其相连的网衣所受的总力。图7（1）-（5）中，实线代表无网衣时单桩所受到的波流力，虚线为带网衣时，单桩所受到的总的波流力大小。波浪周期相同时，在T=5 s情况下，有网衣时受力最大值和无网衣受力最大值分别为39 kN、26 kN，明显网衣在整体受力中贡献了很大一部分，相当于比单桩受力增加了55%。同理，波浪周期T=6 s时，最大受力增加了44%;波浪周期T=7 s时，最大受力增加了47%;波浪周期T=8 s时，最大受力增加了45%;波浪周期T=9 s时，最大受力增加了40%。

由图7中的（1）-（5）可知，随着波浪周期以及波高越大，网衣对总体受力的影响越大。同波高、同周期的条件下，随着流速的增加，波流力的大小基本呈现出线性增加的规律。

3?波浪场分析

3.1?无网衣时围栏设施内波浪场分布

研究围栏牧场内部波浪场分布时，主要以此次试验中最大波高、最大波浪周期条件下，不同流速时围栏牧场内波浪场分布情况进行说明，因为此种工况为对桩柱影响最大的情况，其中流向和波浪传播方向均为X轴正向。由图8中的6张图可以看出，流速为0.76、1、1.25、1.57 m/s时，波高大致呈现出沿着波浪传播方向递减的趋势，但是在没有流的情况或者流速很小的情况下，即试验中0 m/s和0.49 m/s的流速情况下，波浪场的分布和流速大的情况有所不同，不滿足沿着波浪传播方向递减的趋势。在波高为3.5 m时，围栏内部最大波高可达到3 m左右，沿着波浪传播方向依次减小，最小为2.4 m左右。

3.2?有网衣时围栏设施内波浪场分布

不同波流组合下，有网衣条件下海洋牧场内波浪场分布情况，其中流向和波浪传播方向均为X轴正向。由图9中的6张图可以看出，流速为0.76、1、1.25、1.57 m/s时，波高大致呈现出沿着波浪传播方向递减的趋势，但是在没有流的情况或者流速很小的情况下，即试验中0 m/s和0.49 m/s的流速情况下，波浪场的分布与流速大的情况有所不同，不满足沿着波浪传播方向递减的趋势。基本上与无网衣的情况相同。在波高为3.5 m时，围栏内部最大波高可达到2.8 m，沿着波浪传播方向依次减小，最小为2.1 m左右。

由图8和图9综合对比可以得出，有无网衣对海洋牧场内的波浪分布并无明显影响，但是有网衣的条件比之无网衣的条件下波高整体要小一些，这是由于网衣对波浪的削减作用的影响，波高削减约10%。

4?结果讨论

通过物理模型试验，研究分析浅海围栏牧场设施不同设计工况情况下柱桩的受力情况及围栏设施内波浪场情况，并对围栏设施柱桩总体设计要求提出建议。在本次试验研究中，具体得到以下结论：

随着波高、流速的增加，桩柱所受到的波流力逐步增大，受周期的影响较小。

不带网衣时的单桩受力要明显小于带网衣时桩柱所受的总力，因此在桩柱设计时，需要重点考虑网衣受力带来的影响。本次试验中，最大波高为3.5 m，最大波浪周期为9 s，最大流速1.57 m/s时，不带网衣时，单桩所受最大波流力为46 kN，带网衣时，单桩所受最大波流力为64 kN。

流速及波高越大，网衣对总体受力的影响越大。

波高及周期越大，浅海围栏牧场内的波浪场分布规律越明显，沿着波浪传播方向逐渐减小，有网衣比无网衣情况下，波高减小约10%;小波高以及短周期时规律不明显。建议柱桩设计时不予考虑围栏设施内波浪衰减对柱桩设计的影响。

參考文献：

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[5] 俞聿修，张宁川.不规则波作用于垂直桩柱上的正向力[J].海洋学报，1988（5）：609-617.

[6] 俞聿修，张宁川.双桩桩列上的不规则波浪力[J].大连工学院学报，1988（1）：103-112.

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