沉管隧道管段浮運(yùn)和沉放過(guò)程中流場(chǎng)和阻力特性的研究.pdf

1、修建水底隧道是工程界普遍認(rèn)同的跨越航運(yùn)繁忙的河道的第一選擇。在現(xiàn)有的若干水底隧道施工方法中，沉管法由于其獨(dú)特的優(yōu)越性而成為主要工法。該工法包含復(fù)雜的水中作業(yè)，如浮運(yùn)、沉放等，涉及到復(fù)雜的水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。這些問(wèn)題對(duì)科學(xué)地制訂施工方案和保證施工順利進(jìn)行十分關(guān)鍵，因此，研究隧道在浮運(yùn)和沉放過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、水阻力特性和水作用力特征具有重要意義。 目前，國(guó)內(nèi)外主要通過(guò)等截面管段模型試驗(yàn)進(jìn)行研究，采用設(shè)計(jì)規(guī)范確定施工方案，存在一定的局限性。

2、另外，本文的依托工程為廣州市洲頭咀沉管隧道工程，沉管包括等截面管段和變截面管段。由于變截面管段存在縱橫向重心、浮心的不對(duì)稱(chēng)、不重合，使管段在浮運(yùn)和沉放過(guò)程中的受力問(wèn)題更加復(fù)雜。因此，需要采取理論分析、試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)此進(jìn)行研究。 首先，設(shè)定管段為箱型浮體，應(yīng)用流體力學(xué)、船舶在波浪上的運(yùn)動(dòng)理論等對(duì)管段浮運(yùn)、沉放過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，建立了相應(yīng)的物理模型和數(shù)學(xué)模型，重點(diǎn)論述了管段的阻力特性和受力特征，以及波浪和風(fēng)的

3、作用。 其次，探討了采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）求解管段浮運(yùn)和沉放的水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的方法，闡述了計(jì)算三維流場(chǎng)分布、各項(xiàng)阻力和阻力系數(shù)以及力和力矩等的流體動(dòng)力學(xué)控制方程、湍流的數(shù)值模擬方法，確定了進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算的Realizable k-ε模型和SST k-ω模型。 第三，采用STAR-CCM+和CFdesign軟件分別對(duì)管段的浮運(yùn)和沉放工況進(jìn)行了數(shù)值模擬。首先選擇與洲頭咀隧道相距不遠(yuǎn)、環(huán)境條件相近、同樣采用沉管法建造的珠江

4、隧道進(jìn)行了工程類(lèi)比分析，對(duì)珠江隧道的模型試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證了計(jì)算模型的適定性；對(duì)作為洲頭咀隧道工程的準(zhǔn)1：1模型——生物島沉管隧道，以及洲頭咀沉管隧道本身的管段浮運(yùn)和沉放過(guò)程進(jìn)行了多種工況的模擬計(jì)算。模擬的條件包括無(wú)波浪和有波浪，風(fēng)生波浪和非風(fēng)生波浪等。結(jié)果表明： （1）對(duì)于浮體運(yùn)動(dòng)這類(lèi)帶有自由表面的流動(dòng)問(wèn)題，與k-ε模型相比，k-ω的改進(jìn)模型SST k-ω模型具有更好的適用性和更好的收斂性能；將湍流強(qiáng)度和粘性率適當(dāng)提高，

5、能使計(jì)算結(jié)果收斂較好。 （2）在較低的流速和管段沉速下，流場(chǎng)中的壓強(qiáng)分布與靜水中的壓強(qiáng)分布相差不大；水深對(duì)阻力系數(shù)的影響較明顯，淺水中的浮運(yùn)阻力系數(shù)大于深水中的。 （3）干舷值在0．05m～0．10m范圍內(nèi)變化，對(duì)阻力系數(shù)的影響最大為35．9％，最小為0．6％，平均為6％左右。該范圍內(nèi)的干舷值都應(yīng)該能滿(mǎn)足工程需求；在0．6m/s～1．2m/s的拖速范圍內(nèi)，沿管段拖運(yùn)方向的阻力系數(shù)隨著拖速的增加而減小，若增加工況進(jìn)行更高拖

6、速的數(shù)值模擬試驗(yàn)，Cx能出現(xiàn)類(lèi)似“U”型的變化規(guī)律，“U”型最低處所對(duì)應(yīng)的拖速，即為相對(duì)最優(yōu)拖速。 （4）由于波浪的存在，管段拖動(dòng)方向上的阻力系數(shù)增大。拖速越大，波浪的影響越明顯。拖速?gòu)?．8m/s增加到1．2m/s，Cx與無(wú)波工況相比的增幅從0．79％增加到36．75％?？紤]到模擬計(jì)算存在的誤差，波浪引起的阻力系數(shù)的增幅的規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。 （5）在其它條件一定時(shí)，雖然變截面管段的迎流面積比等截面管段大，但是若前者

7、更符合流線(xiàn)型，在某些工況下的阻力系數(shù)反而更小。適當(dāng)?shù)男〗嵌榷▋A浮運(yùn)能減小阻力系數(shù)，但是應(yīng)以管段不失穩(wěn)為前提；側(cè)向傾斜的適宜定傾中心的確定有待進(jìn)一步研究。 （6）隨著管段的下沉以及水的橫向流動(dòng)，管段的尾流、靠近岸邊的基槽上方會(huì)出現(xiàn)明顯的漩渦，管段抵抗水平總阻力需要可靠的系泊系統(tǒng)；管段的迎流面和背流面的漩渦的強(qiáng)度此消彼長(zhǎng)，所需的系泊力隨之發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。由于管段下沉，接近基槽的水重度加大且向兩邊擠壓流出，導(dǎo)致所需的起吊力變化復(fù)雜。系泊

8、力和起吊力都隨著下沉深度的增加而逐步減少。在一定的沉放深度下，水平總系泊力和豎向總起吊力都隨流速的增加而增加。本文中，沉速0．45m/min時(shí)，管段所需的系泊力和起吊力均較小，在沉放速度區(qū)間0．4m/min～0．5m/min內(nèi)，該沉速是個(gè)相對(duì)合理值。 （7）變截面管段由于迎流面積的加大，繞流更加復(fù)雜，尾流區(qū)的范圍明顯大于等截面管段，二者的系泊力隨著管段的下沉呈現(xiàn)出交替領(lǐng)先的情況。二者的系泊力和起吊力都隨管段的下沉而逐步減少。