波浪作用下驳船沉放方式沉管管段运动的研究

发布时间：2018-03-25 18:29

本文选题：沉管隧道　切入点：低频运动　出处：《大连理工大学》2015年博士论文

【摘要】：沉管管段沉放是沉管隧道施工的重要环节。沉管管段沉放过程不仅要保证管段准确地沉放入海底基槽,而且还要确保施工过程的安全。在实际沉放过程中,沉管管段受海洋中的风、浪、流作用,还受水面驳船运动的影响,是极为复杂的水动力学问题。到目前为止,国内外较少研究驳船沉放情形的沉管管段运动响应。故本文对驳船沉放情形下的沉管管段沉放运动的试验与数值模拟进行研究。本文对规则波作用下单驳船沉放情形下沉管管段的沉放进行试验研究,研究了单驳船沉放情形下沉管的运动响应特性和缆绳张力特性,并对波浪周期、波高和沉管沉放深度等对管段运动响应及吊缆张力特性的影响进行了分析。试验结果表明,单驳船沉放情形的沉管横荡波频运动幅值与固定平台沉放情形的沉管横荡波频运动幅值接近,两者都随波高和周期的增加而增加,随管段沉放深度的增加而减小；而单驳船沉放情形的沉管横荡低频运动幅值要大于固定平台沉放情形的沉管横荡低频运动幅值,随波高的增加而增加,随周期的增加而减小。对于升沉运动运动,单驳船沉放情形下的沉管升沉运动幅值要稍小于固定平台沉放情形下的沉管升沉运动幅值。与固定平台沉放情形的缆绳张力相比,单驳船沉放情形的缆绳张力相对变小,但是缆绳一直处于张紧状态。同时,探讨了单独驳船与沉管-驳船系统中驳船的运动特性。单独驳船横荡波频运动响应与沉管-驳船系统驳船横荡波频运动响应一致；而单独驳船横荡低频运动响应在波高较小时,大于沉管-驳船系统驳船情形；波高较大时,单独驳船横荡低频运动幅值更接近于沉管沉放深度为30cm时的驳船横荡低频运动幅值。单独驳船升沉和横摇运动均大于沉管-驳船系统中驳船运动,且随着波浪周期和波高的增加而增加。本文开展了不规则波作用下沉管管段沉放的试验研究,对单驳船沉放情形下的沉管管段在不规则波作用下的运动响应和吊缆张力特性进行了研究,并探讨了管段运动响应和吊缆张力随波浪要素和管段沉放深度变化的特性。试验结果表明,单驳船沉放情形下的沉管管段均以低频运动为主。单驳船沉放情形下的沉管横荡、升沉和横摇运动的低频运动频率分别与单驳船沉放情形下的沉管对应方向的自振频率相同。单驳船沉放情形下的沉管横荡低频运动谱峰值要远远大于固定平台沉放情形下的横荡低频运动谱峰值；单驳船沉放情形的沉管升沉和横摇运动小于固定平台沉放情形的沉管运动。对应于管段的运动响应,单驳船沉放情形的缆绳张力小于固定平台沉放情形的缆绳张力,频谱曲线中两者差距更为明显。随波浪要素的增加,缆绳张力相应增大；而随着沉放深度的增加,缆绳张力减小。本文基于有限水深条件下满足自由面条件的时域格林函数,采用边界元方法进行时域求解作用于沉管管段上的波浪力,采用Runge-Kutta方法求解沉管管段的运动方程,建立了固定平台沉放情形的沉管管段运动的数学模型,并对数学模型中格林函数记忆项的近似计算进行验证,结果吻合很好。管段数学模型计算结果与沉管物理模型试验结果吻合较好。同时,还建立了系泊驳船运动的数学模型,并与物理模型试验结果进行比较,吻合较好。提出了系泊驳船升沉运动引起的沉管管段位置变化的算法,结合系泊驳船运动与固定平台沉放的沉管管段运动的时域数学模型,建立了波浪作用下水面驳船做强迫升沉运动情形下的沉管管段运动的时域数学模型。采用实际驳船尺寸、锚链和波浪参数,应用系泊驳船数学模型得到驳船升沉运动响应。应用该时域模型研究了不同波浪条件下沉管管段的运动响应特征。
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【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U455;U459.5

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