波浪作用下双驳船沉放锚碇沉管管段的水动力试验与数值研究

发布时间：2020-03-27 18:46

【摘要】：大型海底沉管隧道的沉放是沉管隧道工程设计与施工中的一个重要环节,也是整个施工过程中最危险、对技术要求最强的环节。复杂的海洋环境条件下,当遇到较恶劣的施工环境(主要是风、浪、流)时,过大的管段运动响应会直接影响沉管沉放定位的精准性和安全性。研究驳船-沉管系统在管段沉放过程中的水动力特性以及沉放控制缆的受力特征,将有助于把握沉管沉放的稳定性和施工安全性。目前国内外对驳船抬吊沉管管段沉放运动的水动力特性研究还很少。基于此,本文进行了对双驳船沉放方式下沉管管段沉放运动的试验与数值模拟研究。开展了规则波作用下双驳船抬吊沉放沉管管段运动的模型试验。试验在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的海洋环境水槽中进行,水槽试验模型比尺为1:50。采用双目视觉非接触式运动姿态测量系统采集双驳船和沉管管段模型六个自由度方向上的运动响应,分析了不同波要素以及三个不同沉放深度条件下沉管管段的运动幅值变化情况。试验结果表明,锚碇沉管在双驳船沉放作用下,管段的横荡、垂荡运动幅值较平台沉放时明显减小,横摇运动变大;双驳船抬吊沉放方式锚碇沉管管段的运动幅值随着相对宽度B/L和沉放深度的增大而逐渐减小,随波高的增大而增大;当B/L较小时,波高及沉深对管段运动响应的影响较为明显。锚碇缆对双驳船沉管系统的运动起到一定的约束作用,在波高和波浪周期较大时,锚碇缆对双驳船沉管系统运动幅度的制约更为明显。开展了不规则波作用下双驳船沉放沉管管段的试验研究,讨论了不规则波作用下沉管管段沉放运动的动力响应和吊缆张力特性,分析了双驳船和沉管管段沉放过程中的运动响应频谱特征,以及不同有效波高、谱峰周期和管段沉放深度对沉管沉放运动响应的影响;比较了双驳船沉放与固定平台沉放方式下沉管管段的运动响应频谱特征,探讨了双驳船运动对沉管沉放运动的影响。试验结果表明,双驳船作用下沉管管段的运动幅值随沉放深度的增大而减小,沉管管段与双驳船以及驳船-沉管系统的固有周期是影响沉管管段运动特征的主要因素;对于管段的横荡低频运动,管段在波浪谱峰周期较小情形下低频慢漂现象较为明显,并随着有效波高的增大而增大。建立了双驳船抬吊沉管管段沉放运动的时域数值计算模型,模拟海洋环境条件下沉管管段沉放运动的动力响应特性。应用牛顿第二定律建立沉管管段沉放运动的时域方程,采用满足自由水面条件的格林函数建立边界积分方程求解波浪力,应用集中质量法和莫里森方程对系泊系统的锚碇缆力进行静力和动力求解,采用四阶龙格库塔法迭代求解管段时域运动方程。对静水中双驳船及沉管的自由衰减运动以及规则波和不规则波作用下双驳船抬吊沉管管段的运动响应进行了计算,数值计算结果与模型试验结果吻合良好。应用该数值模型计算了海洋环境下扩展入射波周期范围后的锚碇沉管管段沉放过程的运动响应,并选取三组典型海况对双驳船沉放沉管管段的动力响应特性进行模拟计算,给出了不规则波作用下沉管管段的运动响应计算结果和管段运动的频谱分析结果,数值计算的结果分析与模型试验得到的结论基本一致。
【图文】：

施工方法,长度,沉管

逑地上预制沉管管节，通过驳船将若干预制管节拖运至现场，并配合定位系统将沉管管段逡逑逐节沉放至水底基槽中，，最后进行水下对接和覆土回填［２Ｇ］。图１．１为盾构隧道、沉管隧逡逑道以及桥梁三者的施工长度比较情况［２１］。逡逑，逦．——二一一一、逡逑图１．１不同施工方法的施工长度对比逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ｌｅｎｇｔｈｓ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ邋ｍｅｔｈｏｄｓ逡逑与“盾构法”相比，“沉管法”具备以下优势Ｐ，１Ｑ］：逡逑（１）隧道顶部埋深较浅，方便两岸道路衔接，一定程度上缩短了隧道长度（图１．１），逡逑总工程量变小，工程造价降低；逡逑Ｃ２）管段可在千坞中提前预制，具有良好的防水性能，可交叉作业；逡逑（３）

沉管隧道,施工流程,沉放

１．２．２沉管隧道的沉放关键技术逡逑沉管隧道的施工过程一般可以概括为［４８＿５＜）］：邋１）海底基槽开挖与管段的预制；２）出逡逑坞与浮运；３）管节的定点沉放与水下对接；４）覆土回填。沉管隧道的施工流程如图１．２逡逑所示。考虑到沉管隧道陆上预制与水下连接的施工特点，采用何种方式对管节进行沉放逡逑■枿ｉｆ逡逑建成逦回填逦沉放逡逑图１．２沉管隧道工程的施工流程示意逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｆｌｏｗ邋ｓｋｅｔｃｈ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｉｍｍｅｒｓｅｄ邋ｔｕｎｎｅｌ邋ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ逡逑－５邋－逡逑
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U459.5

【参考文献】