一种适用于往复流下的深水网箱强回复力单点系泊系统的制作方法

本发明涉及一种适用于往复流下的深水网箱强回复力单点系泊系统。

背景技术：

随着国家与地方各级政策的鼓励与技术的不断发展更新，我国网箱养殖产业发展迅速，在不断大型化发展的同时，也在逐渐远离港湾走向外海，真正向离岸工程靠近。潮起潮落是海洋环境的典型特点之一，由此引起的潮流称为往复流，且由于其长期存在，系泊系统于设计过程中需兼顾其影响。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种适用于往复流下的深水网箱强回复力单点系泊系统。

解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种适用于往复流下的深水网箱强回复力单点系泊系统，其特征在于：所述的单点系泊系统设有正向海床部、高刚度柔性缓冲臂、连接缆绳和反向海床部，其中，所述正向海床部设有正向大抓力锚和正向海床部缆索，所述高刚度柔性缓冲臂由缓冲臂配重、缓冲臂缆索和浮筒组成，所述反向海床部设有反向大抓力锚和反向海床部缆索；

所述正向大抓力锚和所述反向大抓力锚均锚抓在海床上，且所述正向大抓力锚锚抓在海床上的锚抓力方向与所述反向大抓力锚锚抓在海床上的锚抓力方向相反并均平行于所述单点系泊系统所在海域的往复流方向，所述正向海床部缆索连接在所述正向大抓力锚与缓冲臂配重之间，所述反向海床部缆索连接在所述反向大抓力锚与缓冲臂配重之间；

所述缓冲臂配重置于海床上，所述浮筒浮于海面上，所述缓冲臂缆索的下端部连接所述缓冲臂配重、上端部连接在所述浮筒的底面上；并且满足：f23max>w21+w22以及f23high<w21+w22，所述缓冲臂缆索的长度使得：在所述单点系泊系统及其所系泊的深水网箱不受环境外力作用的情况下，所述缓冲臂缆索在所述单点系泊系统所在海域的水位在平潮水位以上时处于张紧状态、在所述单点系泊系统所在海域的水位低于平潮水位时处于松弛状态，其中，最大净浮力f23max为所述浮筒完全浸入海水时受到的浮力与其自身重力的合力，最高水位净浮力f23high为所述浮筒在所述单点系泊系统所在海域处于最高水位时受到的浮力与其自身重力的合力，海水中重量w21为所述缓冲臂配重自身重力与其完全浸入海水时受到的浮力的合力，海水中重量w22为所述缓冲臂缆索自身重力与其完全浸入海水时受到的浮力的合力；

所述连接缆绳的一端部与所述缓冲臂缆索的上端部连接、另一端部用于连接被所述单点系泊系统所系泊的深水网箱。

作为本发明的优选实施方式：所述的正向海床部还设有正向海床部配重，所述正向海床部缆索分为第一正向海床部缆索和第二正向海床部缆索两段，所述反向海床部还设有反向海床部配重，所述反向海床部缆索分为第一反向海床部缆索和第二反向海床部缆索两段；所述正向海床部配重和反向海床部配重均置于海床上，所述第一正向海床部缆索的一端部和所述第二正向海床部缆索的一端部均连接在所述正向海床部配重上，所述第一正向海床部缆索的另一端部连接所述正向大抓力锚，所述第二正向海床部缆索的另一端部连接所述缓冲臂配重，所述第一反向海床部缆索的一端部和所述第二反向海床部缆索的一端部均连接在所述反向海床部配重上，所述第一反向海床部缆索的另一端部连接所述反向大抓力锚，所述第二反向海床部缆索的另一端部连接所述缓冲臂配重；并且，满足f23max<w21+w22+w13以及f23max<w21+w22+w53，其中，海水中重量w13为所述正向海床部配重自身重力与其完全浸入海水时受到的浮力的合力，海水中重量w13为所述反向海床部配重自身重力与其完全浸入海水时受到的浮力的合力。

作为本发明的优选实施方式：所述的单点系泊系统还设有系泊连接部，该系泊连接部由连接部缆索和浮球组成，所述浮球浮于海面上，所述连接部缆索的一端部连接所述缓冲臂缆索的上端部、另一端部连接所述浮球，使得所述连接缆绳的端部能够通过所述系泊连接部与所述缓冲臂缆索的上端部连接，即所述连接缆绳的端部连接在所述连接部缆索与所述浮球连接的端部上。

作为本发明的优选实施方式：所述的连接缆绳为轻质浮缆。

作为本发明的优选实施方式：所述单点系泊系统的任意两个相连接的组成部件之间均通过转环连接。

作为本发明的优选实施方式：所述缓冲臂配重为球体。

作为本发明的优选实施方式：所述浮筒为圆柱体，且该圆柱体的高度高于底面直径。

作为本发明的优选实施方式：所述第一正向海床部缆索、第二正向海床部缆索、缓冲臂缆索、第一反向海床部缆索和第二反向海床部缆索为锚链或钢缆。

作为本发明的优选实施方式：所述正向大抓力锚与反向大抓力锚相同，所述第一正向海床部缆索与第一反向海床部缆索相同，所述第二正向海床部缆索与第二反向海床部缆索相同，所述正向海床部配重与反向海床部配重相同。

作为本发明的优选实施方式：在所述单点系泊系统的初始安装状态下，所述第一正向海床部缆索、第二正向海床部缆索、第一反向海床部缆索和第二反向海床部缆索的延伸方向均平行于所述单点系泊系统所在海域的往复流方向。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，参见图1至图4，本发明设有正向海床部、高刚度柔性缓冲臂和连接缆绳，使得：

在一般海况状态下，本发明能够利用高刚度柔性缓冲臂刚度随浮筒在水平方向上相对平衡位置p1的偏移量增大而增大的特性，为浮筒返回平衡位置p1提供随环境外力增大而增大的回复力，从而尽可能减小深水网箱偏离平衡位置p1的距离，即缩小了深水网箱在一般海况状态下所需占据的海域面积；

在极限海况状态下，本发明能够利用f23max>w21+w22的关系避免高刚度柔性缓冲臂因其刚度超过其所能够承受的极限而产生断裂损坏，并能够利用大抓力锚进行锚泊，在确保单点系泊系统能够正常工作的同时提高了高刚度柔性缓冲臂的可靠性，并且，利用缓冲臂配重的重力作用限制了深水网箱在极限海况状态下所需占据的海域面积；

而且，本发明能够确保单点系泊系统在往复流与极限海况状态下不走锚，确保了系统的安全性，使得单点系泊系统能够适用于往复流环境下；

并且，将缓冲臂缆索的长度选定为符合“所述单点系泊系统及其所系泊的深水网箱不受环境外力作用的情况下，所述缓冲臂缆索在所述单点系泊系统所在海域的水位在平潮水位以上时处于张紧状态、在所述单点系泊系统所在海域的水位低于平潮水位时处于松弛状态”的条件，能够避免选择过低的水位作为确定缓冲臂缆索长度的依据而存在的“高刚度柔性缓冲臂的刚度在较高水位超过了其所能够承受的极限而产生断裂损坏”的问题以及选择过高的水位作为确定缓冲臂缆索长度的依据而存在的“深水网箱在一般海况状态因高刚度柔性缓冲臂刚度过小而占据较大的海域面积、在低水位状态因缓冲臂缆索长度过大而占据较大的海域面积”的问题，因此，本发明中缓冲臂缆索长度的选定条件是经过大量实验反复验证后而在大范围的水位范围中得到的能够平衡高刚度柔性缓冲臂安全可靠性和深水网箱占据海域面积的结果。

第二，本发明通过设置正向海床部配重，确保该正向海床部配重在极限海况状态始终在海床上，以此确保第一正向海床部缆索始终处于躺卧在海床上的状态，令大抓力锚不会产生上拔力而走锚，从而提升了单点系泊系统的安全与工作稳定性。

第三，本发明通过增设系泊连接部，利用浮球将连接部缆索的端部露出水面，使得更换连接缆绳时无需在水下进行施工，增强了单点系泊系统的使用便利性。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明的单点系泊系统在平衡状态下的示意图；

图2为往复流方向为正向v1时，本发明的单点系泊系统在一般海况状态下的示意图；

图3为往复流方向为正向v1时，本发明的单点系泊系统在极限海况状态下的示意图；

图4为本发明的单点系泊系统的受力示意图；

图5为往复流方向为反向v2时，本发明的单点系泊系统在一般海况状态下的示意图；

图6为往复流方向为反向v2时，本发明的单点系泊系统在极限海况状态下的示意图。

具体实施方式

如图1至图6所示，本发明公开的是一种适用于往复流下的深水网箱强回复力单点系泊系统，其发明构思为：单点系泊系统设有正向海床部1、高刚度柔性缓冲臂2、连接缆绳4和反向海床部5，其中，正向海床部1设有正向大抓力锚11和正向海床部缆索12，高刚度柔性缓冲臂2由缓冲臂配重21、缓冲臂缆索22和浮筒23组成，反向海床部5设有反向大抓力锚51和反向海床部缆索52。

正向大抓力锚11和反向大抓力锚51均锚抓在海床sf上，且正向大抓力锚11锚抓在海床sf上的锚抓力方向f11与反向大抓力锚51锚抓在海床sf上的锚抓力方向f51相反并均平行于单点系泊系统所在海域的往复流方向，正向海床部缆索12连接在正向大抓力锚11与缓冲臂配重21之间，反向海床部缆索52连接在反向大抓力锚51与缓冲臂配重21之间。

缓冲臂配重21置于海床sf上，浮筒23浮于海面sl上，缓冲臂缆索22的下端部连接缓冲臂配重21、上端部连接在浮筒23的底面上；并且满足：f23max>w21+w22以及f23high<w21+w22，缓冲臂缆索22的长度使得：在单点系泊系统及其所系泊的深水网箱不受环境外力作用的情况下，缓冲臂缆索22在单点系泊系统所在海域的水位在平潮水位以上时处于张紧状态、在单点系泊系统所在海域的水位低于平潮水位时处于松弛状态，其中，最大净浮力f23max为浮筒23完全浸入海水时受到的浮力与其自身重力的合力，最高水位净浮力f23high为浮筒23在单点系泊系统所在海域处于最高水位时受到的浮力与其自身重力的合力，海水中重量w21为缓冲臂配重21自身重力与其完全浸入海水时受到的浮力的合力，海水中重量w22为缓冲臂缆索22自身重力与其完全浸入海水时受到的浮力的合力。

连接缆绳4的一端部与缓冲臂缆索22的上端部连接、另一端部用于连接被单点系泊系统所系泊的深水网箱。

从而，本发明的单点系泊系统将工作在以下状态之一：

一、平衡状态

如图1所示，平衡状态即：单点系泊系统所在海域的水位在平潮水位以上，并且，单点系泊系统及其所系泊的深水网箱不受环境外力作用(即仅受重力和海水浮力作用)；在此状态下，由于满足f23high<w21+w22条件，因此，在平衡状态下，单点系泊系统及其所系泊的深水网箱处于静止状态，并且，缓冲臂配重21保持在海床sf上，缓冲臂缆索22处于张紧状态并沿竖直方向延伸；其中，将缓冲臂缆索22和浮筒23此时所在的位置称为平衡位置p1。

二、一般海况状态

如图2和图5所示，一般海况状态即：单点系泊系统所在海域的水位在平潮水位以上，并且，单点系泊系统及其所系泊的深水网箱受到的环境外力作用未超过环境外力阈值，其中，该环境外力阈值即将缓冲臂配重21从海床sf上向上提起所需最小的环境外力；在此状态下，缓冲臂配重21保持在海床sf上，由于深水网箱在环境外力的作用下会将浮筒23带离平衡位置p1，而环境外力作用于深水网箱后通过连接缆绳4对浮筒23产生的作用力f4是一个接近于水平或者水平略向上倾斜的力(参见图4)，这就使得环境外力越大，浮筒23在水平方向上相对于平衡位置p1产生的偏移就越大，但由于缓冲臂缆索22的限制，浮筒23在水平方向上产生偏移的同时也会向下沉，这就使得浮筒23产生的净浮力f23也会随之增大，而高刚度柔性缓冲臂2这种柔性系统的刚度是随浮筒23的净浮力f23增大和缓冲臂配重21的海水中重量w21增大而增大的，在缓冲臂配重21固定即保持在海床sf上的情况下，浮筒23随高刚度柔性缓冲臂2刚度的增大而越难以在水平方向上产生的偏移，即浮筒23的下沉对其水平方向上的偏移产生了负反馈的作用；因此，在一般海况状态下，本发明能够利用高刚度柔性缓冲臂2刚度随浮筒23在水平方向上相对平衡位置p1的偏移量增大而增大的特性，为浮筒23返回平衡位置p1提供随环境外力增大而增大的回复力，从而尽可能减小深水网箱偏离平衡位置p1的距离，即缩小了深水网箱在一般海况状态下所需占据的海域面积。

三、极限海况状态

如图3和图6所示，极限海况状态即：单点系泊系统所在海域的水位在平潮水位以上，并且，单点系泊系统及其所系泊的深水网箱受到的环境外力作用超过环境外力阈值，其中，该环境外力阈值即将缓冲臂配重21从海床sf上向上提起所需最小的环境外力；在此状态下，由于f23max>w21+w22，在相对于一般海况状态更大的环境外力作用下，浮筒23相对于平衡位置p1在水平方向上的偏移量和下沉深度突破一般海况状态下的界限，浮筒23产生的净浮力f23超过了缓冲臂配重21的海水中重量w21与缓冲臂缆索22的海水中重量w22之和，使得缓冲臂配重21被从海床sf上提起，避免高刚度柔性缓冲臂2因其刚度超过了其所能够承受的极限而产生断裂损坏，而此时，高刚度柔性缓冲臂2和深水网箱通过正向大抓力锚11产生的锚抓力锚泊，而在缓冲臂配重21的重力作用下，浮筒23偏离平衡位置p1的距离也会受到限制，即限制了深水网箱在一般海况状态下所需占据的海域面积；因此，在极限海况状态下，本发明能够利用f23max>w21+w22的关系避免高刚度柔性缓冲臂2因其刚度超过其所能够承受的极限而产生断裂损坏，并能够利用正向大抓力锚11进行锚泊，在确保单点系泊系统能够正常工作的同时提高了高刚度柔性缓冲臂2的可靠性，并且，利用缓冲臂配重21的重力作用限制了深水网箱在极限海况状态下所需占据的海域面积。

并且，由于台风为高速气旋，其作用于局部海域所产生的波浪与风向一致，即360°方向上均有可能，因此，在极限海况状态下，当风、浪方向与往复流方向一致时，本发明的单点系泊系统及其所系泊的深水网箱受到的环境合力最大，例如：参见图3，往复流方向为正向v1，此时正向大抓力锚11起锚定作用，而反向海床部缆索52则呈悬链线状态，使得反向大抓力锚51不会因受到与其锚抓力方向f51相反的作用力而发生走锚，参见图6，往复流方向为反向v2，此时反向大抓力锚51起锚定作用，而正向海床部缆索12则呈悬链线状态，使得正向大抓力锚11不会因受到与其锚抓力方向f11相反的作用力而发生走锚；而当风、浪方向与往复流方向不相同时，则三者的合力方向与潮流方向会产生角度，此时本发明的单点系泊系统及其所系泊的深水网箱遭受的环境合力一定小于前述情况下的环境合力，因此，本发明能够确保单点系泊系统在往复流与极限海况状态下不走锚，确保了系统的安全性。

四、低水位状态

低水位状态即：单点系泊系统所在海域的水位低于平潮水位；在此状态下，由于海况级别较低，单点系泊系统及其所系泊的深水网箱有可能受到的环境外力较小，而且，在不受环境外力作用时，缓冲臂缆索22是处于松弛状态的，因此，在低水位状态下，浮筒23在缓冲臂缆索22处于张紧状态时所在的位置即为其相对于平衡位置p1的最大偏移量，使得深水网箱在低水位状态下所需占据的海域面积也较小。

另外，将缓冲臂缆索22的长度选定为符合“单点系泊系统及其所系泊的深水网箱不受环境外力作用的情况下，缓冲臂缆索22在单点系泊系统所在海域的水位在平潮水位以上时处于张紧状态、在单点系泊系统所在海域的水位低于平潮水位时处于松弛状态”的条件，能够避免选择过低的水位作为确定缓冲臂缆索22长度的依据而存在的“高刚度柔性缓冲臂2的刚度在较高水位超过了其所能够承受的极限而产生断裂损坏”的问题以及选择过高的水位作为确定缓冲臂缆索22长度的依据而存在的“深水网箱在一般海况状态因高刚度柔性缓冲臂2刚度过小而占据较大的海域面积、在低水位状态因缓冲臂缆索22长度过大而占据较大的海域面积”的问题，因此，本发明中缓冲臂缆索22长度的选定条件是经过大量实验反复验证后而在大范围的水位范围中得到的能够平衡高刚度柔性缓冲臂2安全可靠性和深水网箱占据海域面积的结果。

在上述发明构思的基础上，本发明采用以下优选的结构：

作为本发明的优选实施方式：正向海床部1还设有正向正向海床部配重13，正向海床部缆索12分为第一正向海床部缆索121和第二正向海床部缆索122两段，反向海床部5还设有反向海床部配重53，反向海床部缆索52分为第一反向海床部缆索521和第二反向海床部缆索522两段；正向正向海床部配重13和反向海床部配重53均置于海床sf上，第一正向海床部缆索121的一端部和第二正向海床部缆索122的一端部均连接在正向正向海床部配重13上，第一正向海床部缆索121的另一端部连接正向大抓力锚11，第二正向海床部缆索122的另一端部连接缓冲臂配重21，第一反向海床部缆索521的一端部和第二反向海床部缆索522的一端部均连接在反向海床部配重53上，第一反向海床部缆索521的另一端部连接反向大抓力锚51，第二反向海床部缆索522的另一端部连接缓冲臂配重21；并且，满足f23max<w21+w22+w13以及f23max<w21+w22+w53，其中，海水中重量w13为正向正向海床部配重13自身重力与其完全浸入海水时受到的浮力的合力，海水中重量w13为反向海床部配重53自身重力与其完全浸入海水时受到的浮力的合力。从而，由于满足f23max<w21+w22+w13条件，且环境外力作用于深水网箱后通过连接缆绳4对浮筒23产生的作用力f4是一个接近于水平或者水平略向上倾斜的力，即环境外力仅对单点系泊系统产生很小的向上作用力，使得：在往复流方向为正向v1时，出现极端海况时即在极限海况状态下，只会出现缓冲臂配重21离开海床sf的情况，而正向正向海床部配重13始终在海床sf上，以此确保第一正向海床部缆索121始终处于躺卧在海床sf上的状态，令正向大抓力锚11不会产生上拔力而走锚，提升了单点系泊系统的安全与工作稳定性；同理，在在往复流方向为反向v2时，由于满足f23max<w21+w22+w53条件，同样能够确保第一反向海床部缆索521始终处于躺卧在海床sf上的状态，令反向大抓力锚51不会产生上拔力而走锚，提升了单点系泊系统的安全与工作稳定性。

作为本发明的优选实施方式：单点系泊系统还设有系泊连接部3，该系泊连接部3由连接部缆索31和浮球32组成，浮球32浮于海面sl上，连接部缆索31的一端部连接缓冲臂缆索22的上端部、另一端部连接浮球32，使得连接缆绳4的端部能够通过系泊连接部3与缓冲臂缆索22的上端部连接，即连接缆绳4的端部连接在连接部缆索31与浮球32连接的端部上。从而，利用浮球32将连接部缆索31的端部露出水面，使得更换连接缆绳4时无需在水下进行施工，增强了单点系泊系统的使用便利性。

作为本发明的优选实施方式：连接缆绳4为轻质浮缆。从而，最大程度的确保深水网箱仅承受水平系泊力，提升深水网箱安全性的同时，便于连接缆绳4更换拆解，有利于深水网箱的转场或者维修等后续维护等事宜开展。

作为本发明的优选实施方式：单点系泊系统的任意两个相连接的组成部件之间均通过转环连接。从而，增强了单点系泊系统安装的便利性，并避免了安装过程中发生打结等事故。

作为本发明的优选实施方式：缓冲臂配重21优选为球体；选用密度尽可能大的材料制成。

作为本发明的优选实施方式：浮筒23为圆柱体，且该圆柱体的高度高于底面直径。

作为本发明的优选实施方式：第一正向海床部缆索121、第二正向海床部缆索122、第一反向海床部缆索521和第二反向海床部缆索522缓冲臂缆索22的蠕变强度应足够高，以确保它们在单点系泊系统的服役期限内能够保持工作、免于维护，它们可以为锚链或钢缆等蠕变强度高的金属材料或者具有足够高的蠕变强度的非金属材料。

作为本发明的优选实施方式：正向大抓力锚11与反向大抓力锚51相同，第一正向海床部缆索121与第一反向海床部缆索521相同，第二正向海床部缆索122与第二反向海床部缆索522相同，正向海床部配重13与反向海床部配重53相同。

作为本发明的优选实施方式：在单点系泊系统的初始安装状态下，第一正向海床部缆索121、第二正向海床部缆索122、第一反向海床部缆索521和第二反向海床部缆索522的延伸方向均平行于单点系泊系统所在海域的往复流方向。从而，最大限度的减小深水网箱在初始安装状态后第一次遭遇极限海况时所需占用的海域面积。另外，可以通过在每次遭遇极限海况后将单点系泊系统恢复到初始安装状态的方式来确保深水网箱在极限海况时所需占用的海域面积达到最小。但是，任何好的设计均需要强大的、规范的施工力量才能变为现实，由于网箱产业的发展还不均衡，特别是施工环节是目前产业的短板，本发明的施工环节较为复杂，因此在初始安装时，可以姑且不论前述四根缆索的延伸方向是否平行于往复流方向，且只尽量确保第一正向海床部缆索121与第二正向海床部缆索122是共线的、第一反向海床部缆索521与第二反向海床部缆索522是共线的。

本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之中。