錨碇沉管系統(tǒng)平臺(tái)沉放的水動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

楊璨，王永學(xué)

(大連理工大學(xué)海岸與近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024)

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錨碇沉管系統(tǒng)平臺(tái)沉放的水動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

楊璨，王永學(xué)

(大連理工大學(xué)海岸與近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024)

摘要:為了研究平臺(tái)沉放條件下沉管管段的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性，開展了規(guī)則波作用下錨碇沉管沉放的模型試驗(yàn)。采用雙目視覺非接觸式運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測量系統(tǒng)測管段模型的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，分析了不同布纜方式以及不同特性錨碇纜作用下的管段運(yùn)動(dòng)幅值變化情況。結(jié)果表明:錨碇沉管的錨碇纜對(duì)沉管管段的運(yùn)動(dòng)起到了一定的約束作用，減小了管段的橫蕩和橫搖運(yùn)動(dòng)位移;采用八字形和十字形的布纜方式對(duì)管段運(yùn)動(dòng)的約束效果較好，平行布纜方式下的管段運(yùn)動(dòng)幅值較大;在一定范圍內(nèi)，錨碇沉管的錨碇纜長度越小，對(duì)管段的約束效果越明顯。

關(guān)鍵詞:錨碇沉管;運(yùn)動(dòng)響應(yīng);布纜方式;吊纜張力;錨碇纜力;低頻運(yùn)動(dòng)

隨著越來越多沉管隧道工程的成功運(yùn)營，沉管法作為一種新興的海底隧道施工方法，受到越來越多國家的重視。沉管法主要包括基槽開挖、管段浮運(yùn)、沉放定位與水力壓接、覆土回填等施工工序，其中管段的沉放定位環(huán)節(jié)是整個(gè)施工過程中對(duì)技術(shù)要求最高，也是最難掌握的環(huán)節(jié)［1］。目前國內(nèi)外在沉管隧道的基礎(chǔ)處理、水下對(duì)接、管段地震響應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗震等領(lǐng)域的研究頗多［2－4］，對(duì)于管段沉放過程中的水動(dòng)力問題研究有待深入。掌握沉管管段在海洋動(dòng)力環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)實(shí)現(xiàn)管節(jié)沉放過程中的精準(zhǔn)定位和保證整個(gè)沉放施工環(huán)節(jié)的作業(yè)安全具有十分重要的意義。

詹德新等［5］通過物理模型試驗(yàn)研究了沉管沉放過程中流體對(duì)管段運(yùn)動(dòng)的影響，分析了壓載水對(duì)管段沉放穩(wěn)定性的影響;陳智杰等［6－9］通過對(duì)無錨碇沉管沉放運(yùn)動(dòng)的數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)研究，分析了不同波浪要素和沉放深度對(duì)管段運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和纜力變化的影響;周瑜等［10］對(duì)沉管沉放進(jìn)行了初步探討并試驗(yàn)研究了管段的系泊性能及操縱性;Jensen等［11］針對(duì)韓國Busan－Geoje沉管隧道工程建立沉放區(qū)域內(nèi)的波浪模型，研究了近海波浪條件下管段在沉放過程中的運(yùn)動(dòng)特性。

沉管管段在吊纜的控制下實(shí)施沉放，對(duì)于波況較差和沉深較小情形，過大的管段運(yùn)動(dòng)響應(yīng)會(huì)直接影響沉放定位的精準(zhǔn)和安全，鑒于此，對(duì)沉管管段進(jìn)行適當(dāng)?shù)腻^碇是有必要的。本文通過開展正向規(guī)則波作用下錨碇沉管管段的系列模型試驗(yàn)，根據(jù)管段模型沉放運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)結(jié)果，分析了錨碇纜作用下沉管管段的運(yùn)動(dòng)特性，探討了不同錨碇纜特性以及不同錨碇纜布纜方式對(duì)管段運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響。

1　試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的海洋環(huán)境水槽中進(jìn)行，水槽尺寸為50 m× 3.0 m×1.0 m(長×寬×高)。試驗(yàn)裝置及錨碇沉管模型沉放如圖1所示，錨碇沉管管段模型布置于水槽中部，在模型的迎浪側(cè)距模型30 cm位置處對(duì)稱布置兩個(gè)浪高儀用以觀測實(shí)時(shí)波面變化。

圖1　試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Sketch of the experimental set-up model

1.2模型制備

本試驗(yàn)忽略水面上駁船對(duì)管段運(yùn)動(dòng)的影響，即不考慮沉放控制吊纜的上端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，管段模型直接從水槽上方的固定支架上沉放。管段模型的制作材料選用混凝土和有機(jī)玻璃材料，用素混凝土制作成中空的沉管管節(jié)模型，管節(jié)兩端和外表面用有機(jī)玻璃板進(jìn)行密封，使之成為中空且兩端封閉不透水的矩形長方體模型，管段模型示意如圖2所示，沉管管段模型尺寸見表1。

表1　沉管模型尺寸Table 1 The model size and the parameters of cables

管段的沉放定位主要通過管段上方的吊纜和下方的定位纜進(jìn)行控制，試驗(yàn)中吊纜采用忽略重量的鋼絲繩和彈簧來模擬，通過彈簧測試中的受力變形曲線確定試驗(yàn)中所選取的吊纜剛度為1.37 N/mm。試驗(yàn)中在管段模型上表面的迎浪側(cè)和背浪側(cè)分別布置兩根鋼絲細(xì)繩吊纜。由于定位錨碇纜主要是通過錨纜的重量來控制管段的運(yùn)動(dòng)位移，因此需要考慮錨碇纜的重量，故試驗(yàn)中將彈簧與合理重度的錨鏈進(jìn)行組合來模擬錨碇纜。由于管段下方錨碇纜的長度對(duì)沉管管段的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響較大，試驗(yàn)中考慮3種不同長度的錨碇纜，其特征參數(shù)見表2。

圖2　沉管管段模型示意圖Fig.2 The immersed tunnel element model

表2　錨碇纜特性參數(shù)Table 2 Parameters of the mooring lines

將錨碇纜設(shè)計(jì)成如下3種布纜形式，如圖3所示，其中①號(hào)布纜方式為4個(gè)錨碇纜的上端點(diǎn)分別位于沉管管段模型迎浪面和背浪面最外端的中心點(diǎn)，斜向45°拉設(shè)4根錨鏈至海底，從水面投影看布纜方式呈“八字形”;②號(hào)布纜方式為平行布纜，錨碇纜的4個(gè)上端點(diǎn)位置與①號(hào)布纜方式相同，拉設(shè)兩兩平行的4根錨鏈至海底;③號(hào)布纜方式為錨碇纜的4個(gè)上端點(diǎn)分別位于沉管管段模型迎浪面、背浪面以及兩個(gè)側(cè)面的中心處，正向90°拉設(shè)4根錨鏈至海底，從水平投影看布纜方式呈“十字形”。

圖3　布纜方式示意圖Fig.3 Sketch of the arrangement types of mooring lines

1.3試驗(yàn)方法

當(dāng)規(guī)則波正向入射時(shí)，管段主要產(chǎn)生橫蕩、橫搖和垂蕩3個(gè)自由度方向上的運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)中采用大連理工大學(xué)研制的基于雙目視覺原理的非接觸式運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測量系統(tǒng)(又稱非接觸式六分量系統(tǒng))采集管段的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。該系統(tǒng)采用雙CCD鏡頭同時(shí)獲取特征目標(biāo)圖像，通過PC主控機(jī)完成對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)過程的實(shí)時(shí)顯示、運(yùn)動(dòng)分析以及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，非接觸式六分量采集系統(tǒng)和管段模型如圖4所示。六分量采集系統(tǒng)的平移量(橫蕩、縱蕩和垂蕩)精度可控制在0.3％FS以下，旋轉(zhuǎn)量(橫搖、縱搖和艏搖)精度在1.2％FS以下。實(shí)時(shí)測量時(shí)，姿態(tài)測量系統(tǒng)最快的處理速度為30 F/s，即采樣頻率為30 Hz。

采用量程為0～15 kg的DYL－1A型應(yīng)變式拉力傳感器測量吊纜和錨碇纜繩張力，精度≤1％ RL，傳感器的兩端分別與管段和彈簧相連。波面的監(jiān)測采用實(shí)驗(yàn)室自制的DLY－1型波高、濾波、應(yīng)變混合式測量儀，波高測量范圍不小于30 cm，絕對(duì)誤差小于l mm。管段模型在正向規(guī)則波作用下的試驗(yàn)工況見表3。

圖4　非接觸式運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測量系統(tǒng)Fig.4 Untouched 6-D measurement system

表3　試驗(yàn)工況Table 3 Test conditions

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1錨碇沉管的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

試驗(yàn)中通過雙目視覺非接觸式運(yùn)動(dòng)測量系統(tǒng)對(duì)各種工況的錨碇沉管運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了測量，圖5給出了波高H=5 cm、波浪周期T=0.85 s條件下，錨碇沉管管段的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間歷時(shí)曲線。其中沉放深度d=30 cm，錨碇纜選取圖3中的①號(hào)布纜方式，錨碇纜特征參數(shù)選取表2中的Ⅱ號(hào)錨碇纜。圖中對(duì)應(yīng)于3個(gè)自由度方向上的正向位移值分別表示管段向岸側(cè)的水平位移、向上運(yùn)動(dòng)的垂向位移以及管段的逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)角。

圖5　錨碇沉管管段運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的時(shí)間歷程和頻譜分析Fig.5 Time series and spectral analysis of the motion responses of the tunnel element with mooring lines

如圖5(a)所示，錨碇沉管管段在0.85 s波浪周期的作用下，管段橫蕩運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)明顯的慢漂現(xiàn)象，即管段運(yùn)動(dòng)的平均位置在平衡位置附近擺動(dòng)，這是因?yàn)楣芏卧谑懿ɡ说淖饔孟伦龅确抵芷谕鶑?fù)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，由于吊纜和錨碇纜的影響，也引起了管段在水平方向上的低頻運(yùn)動(dòng)。將圖5(a)中的運(yùn)動(dòng)位移進(jìn)行傅里葉變換得到的位移頻譜可以更直觀的觀察出管段的波頻運(yùn)動(dòng)和低頻運(yùn)動(dòng)，如圖5(b)所示。圖中幅值譜曲線存在兩個(gè)極值點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的頻率分別為0.092 Hz和1.176 Hz。其中頻率為1.176 Hz的橫蕩運(yùn)動(dòng)與波浪運(yùn)動(dòng)頻率相同代表在該頻率下的運(yùn)動(dòng)為波頻運(yùn)動(dòng)，頻率為0.092 Hz下的運(yùn)動(dòng)為管段低頻運(yùn)動(dòng)(低頻運(yùn)動(dòng)周期為10.87 s)與圖5(a)中反映出的低頻運(yùn)動(dòng)周期一致。故對(duì)于波浪周期較小的情形，管段沿波浪傳播方向上的低頻運(yùn)動(dòng)是比較明顯的。

圖5(c)～(f)中可以看出，對(duì)于管段的垂蕩和橫搖運(yùn)動(dòng)來說，主要以波頻運(yùn)動(dòng)為主，運(yùn)動(dòng)幅值譜曲線不夠光滑說明管段的垂蕩和橫搖運(yùn)動(dòng)具有一定的非線性特征，但管段運(yùn)動(dòng)的平均位置變化不大。

圖6給出了d=30 cm，H=5 cm，T=0.85 s時(shí)管段上方吊纜張力的時(shí)間過程線及幅值譜曲線，從圖6中可以看出，迎浪側(cè)與背浪側(cè)吊纜張力差別不大，迎浪側(cè)纜力稍大于背浪側(cè)，迎浪側(cè)和背浪側(cè)纜力在相位上存在微小差異，管段的橫搖運(yùn)動(dòng)是產(chǎn)生這種相位差的主要原因。

圖6　吊纜張力的時(shí)間歷程和頻譜分析Fig.6 Time series and spectral analysis of the suspension cable tensions

2.2不同錨碇纜長度對(duì)管段運(yùn)動(dòng)的影響

同樣選定①號(hào)布纜方式，取3個(gè)不同的錨碇纜長度(選取表2中的Ⅰ～Ⅲ號(hào)錨碇纜特征參數(shù))，以及沉管管段處于無錨碇的工況，通過試驗(yàn)結(jié)果的分析，探討有、無錨碇纜以及不同錨碇纜長度對(duì)管段運(yùn)動(dòng)的影響。

圖7　輸入和輸出的自功率譜Fig.7 Power spectrums of inputs and output

圖7給出了有、無錨碇以及不同長度錨碇纜作用下沉管管段的運(yùn)動(dòng)情況。根據(jù)圖7(a)、(b)和(d)可以看出，對(duì)于橫蕩低頻運(yùn)動(dòng)的周期較小、波高較大情形以及橫蕩波頻運(yùn)動(dòng)和橫搖運(yùn)動(dòng)的周期、波高均較大情形，Ⅰ～Ⅲ號(hào)錨碇纜作用下沉管管段的運(yùn)動(dòng)幅值均小于無錨碇沉管，其中Ⅲ號(hào)錨碇纜作用下的管段運(yùn)動(dòng)幅值最小，Ⅰ號(hào)錨碇纜作用下的管段運(yùn)動(dòng)幅值接近于無錨碇情形，Ⅱ號(hào)錨碇纜介于Ⅰ號(hào)和Ⅲ號(hào)之間;圖7(c)可以看出，與橫蕩和橫搖運(yùn)動(dòng)相反，錨碇沉管管段在3種不同長度錨碇纜的作用下，管段的垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值大小依次為:Ⅲ號(hào)錨碇沉管＞Ⅱ號(hào)錨碇沉管＞Ⅰ號(hào)錨碇沉管＞無錨碇沉管，這可能是由于錨碇纜的長度較小時(shí)，管段下方的錨碇纜力增大，使得管段上方吊纜對(duì)管段的作用力也增大，導(dǎo)致在波浪作用下，整個(gè)錨碇沉管系統(tǒng)的慣性力增大，錨碇沉管的垂向運(yùn)動(dòng)位移增大。

由以上對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析可見，除垂蕩運(yùn)動(dòng)外，3種型號(hào)的錨碇纜對(duì)管段的運(yùn)動(dòng)幅值都起到了一定的約束作用，錨碇沉管管段的橫蕩、橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)隨著錨碇纜長度的減小而減小，這種現(xiàn)象在波高較大時(shí)更加明顯。在一定范圍內(nèi)，錨碇纜的長度越小，其對(duì)沉管管段的橫蕩、橫搖運(yùn)動(dòng)的約束效果越明顯。

2.3不同布纜方式下錨碇沉管的運(yùn)動(dòng)特性

選取表2中的Ⅱ號(hào)錨碇纜特征參數(shù)，考慮錨碇纜具有如圖3所示的3種布纜方式，通過試驗(yàn)研究錨碇纜的不同布纜方式對(duì)管段運(yùn)動(dòng)的影響?？紤]3個(gè)波浪周期T=0.7、1.0、1.1 s和2個(gè)波高H=4、5 m。

圖8給出了3種布纜方式下的錨碇沉管管段運(yùn)動(dòng)幅值的對(duì)比情況，圖中管段的運(yùn)動(dòng)幅值等于管段運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最大、最小位移值之差的平均值。由圖8(a)所示的橫蕩低頻運(yùn)動(dòng)幅值的結(jié)果可見，當(dāng)波高較大、波浪周期較小時(shí)，管段的低頻運(yùn)動(dòng)幅值較大，甚至超過同一波高下周期較大情形，這是因?yàn)榈皖l運(yùn)動(dòng)主要發(fā)生在小周期波況下，周期較大時(shí)的低頻運(yùn)動(dòng)幅值與波頻運(yùn)動(dòng)幅值接近，在較大波高作用下，管段的低頻運(yùn)動(dòng)在小周期波況下更為劇烈，故波高為5cm時(shí)的低頻運(yùn)動(dòng)幅值在周期為0.7 s時(shí)最大;3種布纜方式中，③號(hào)布纜方式的低頻運(yùn)動(dòng)幅值最小，①號(hào)布纜方式與③號(hào)布纜方式的運(yùn)動(dòng)幅值相近，②號(hào)布纜方式的橫蕩低頻運(yùn)動(dòng)幅值最大。

圖8　不同布纜方式下錨碇沉管管段的運(yùn)動(dòng)幅值Fig.8 Motion responses of the immerged tunnel element with different arrangement types of mooring lines

圖中8(b)～(d)可以看出，錨碇沉管管段的波頻運(yùn)動(dòng)幅值隨著波高、周期的增大而增大。對(duì)于管段的橫蕩波頻運(yùn)動(dòng)，3種布纜方式下的管段運(yùn)動(dòng)幅值只在周期較大時(shí)有明顯差別，其中②號(hào)布纜方式運(yùn)動(dòng)幅值最大，波高為4 cm時(shí)，①號(hào)與③號(hào)布纜方式下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值差別不大，波高為5 cm時(shí)，③號(hào)布纜方式運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值最小;3種布纜方式下的垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)十分接近，這是因?yàn)?種方式錨碇纜在z軸方向上的投影是一樣的，因此在垂蕩方向上，不同布纜方式對(duì)管段的運(yùn)動(dòng)幅值無影響;對(duì)于管段的橫搖運(yùn)動(dòng)，與橫蕩運(yùn)動(dòng)相似，即②號(hào)布纜方式下的管段運(yùn)動(dòng)幅值最大，③號(hào)布纜方式運(yùn)動(dòng)幅值最小，①號(hào)布纜方式運(yùn)動(dòng)幅值與③號(hào)接近，稍大于③號(hào)。

從減小沉管運(yùn)動(dòng)的角度考慮，在正向規(guī)則波作用下，3種布纜方式中采用①號(hào)和③號(hào)較為合理，實(shí)際工程中應(yīng)盡量避免類似②號(hào)這樣的布纜方式，這與文獻(xiàn)［12］中得到的結(jié)論一致。

3　結(jié)論

通過模型試驗(yàn)對(duì)錨碇沉管管段沉放過程中的水動(dòng)力特性進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論:

1)對(duì)于本文探討的3種錨碇纜的布纜方式，正向規(guī)則波作用下，4根錨碇纜的上端點(diǎn)分別位于沉管管段模型迎浪面和背浪面最外端的中心點(diǎn)，斜向45°拉設(shè)4根錨鏈至海底，與4根錨碇纜的上端點(diǎn)分別位于沉管管段模型迎浪面、背浪面以及兩個(gè)側(cè)面的中心處，正向90°拉設(shè)4根錨鏈至海底，其對(duì)管段橫蕩低頻、波頻運(yùn)動(dòng)及橫搖運(yùn)動(dòng)的約束效果明顯，可為實(shí)際工程中布纜方式的優(yōu)化提供參考。

2)不同長度的錨碇纜對(duì)管段的橫蕩、橫搖運(yùn)動(dòng)幅值都起到了一定的約束作用，錨碇沉管管段的橫蕩、橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)隨著錨碇纜長度的減小而減小，在波高和周期較大時(shí)這種約束效果更為明顯。由此可見，在一定范圍內(nèi)，錨碇纜的長度越小，其對(duì)沉管管段的約束效果越好。

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Experimental investigation of hydrodynamic characteristics of an immersed moored tunnel element

YANG Can，WANG Yongxue
(State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China)

Abstract:An experiment was conducted on a tunnel element immersed under regular waves to investigate the motion response.Motion responses were measured using a contactless binocular visual motion posture measurement system.The change in motion amplitudes under different arrangements of mooring lines was analyzed.The results showed that the mooring lines reduced the motion of the immersed tunnel in the sway and roll directions.It was demonstrated that the arrangements of the mooring lines in the forms "八" and "十" were optimal for reducing the motion of the immersed tunnel，while parallel arrangements should be avoided.In some cases，as the length of the mooring lines was made shorter，the effect on the motion response of the immersed tunnel element became larger.

Keywords:immersed moored tunnel element;motion response;arrangement of mooring lines;suspension cable tensions;mooring line tensions;low－frequency motion

通信作者:王永學(xué)，E－mail:wangyx@ dlut.edu.cn.

作者簡介:楊璨(1988－)，女，博士研究生;王永學(xué)(1955－)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11272079);國家自然科學(xué)創(chuàng)新研究群體基金資助項(xiàng)目(51221961).

收稿日期:2014－09－29.網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2015－12－21.

中圖分類號(hào):P751

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1006－7043(2016)01－0030－06

doi:10.11990/jheu.201409076

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20151221.1509.008.html