潮流作用下絞吸挖泥船水上管線分布與系纜力分析

朱平，郝宇馳，袁超哲，陶潤禮，孫慧

（中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

0 引言

水上管線是絞吸挖泥船的關(guān)鍵組成部分，在強(qiáng)潮流作用下，水上管線會(huì)出現(xiàn)較大的彎曲角度（見圖1），甚至?xí)l(fā)生走錨、拗?jǐn)嗟痊F(xiàn)象，嚴(yán)重影響設(shè)備安全性和施工效率。

圖1 強(qiáng)潮流作用下的水上管線分布Fig.1 Distribution of floating pipeline under strong tide

對(duì)于水體與結(jié)構(gòu)物之間的相互作用以及系纜力研究，目前主要采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬方法。鄒志利等[1]運(yùn)用數(shù)值模擬方法分析了風(fēng)浪流作用下系泊船的運(yùn)動(dòng)和系纜力。肖越[2]、張繼明等[3]研究了錨泊浮體的運(yùn)動(dòng)及其系纜力。張婷等[4]基于計(jì)算流體力學(xué)軟件研究了海洋平臺(tái)的波浪荷載。秦崇仁等[5]利用數(shù)值模擬方法研究了水上排泥管的系纜力。目前的研究尚未對(duì)實(shí)際工程尺度下的水上管線分布及其系纜力的計(jì)算開展研究。

本文以廈門新機(jī)場造地工程為例，對(duì)水上管線在潮流作用下的分布及系纜力進(jìn)行計(jì)算研究。

1 數(shù)值模型控制方程

在本文中，考慮流體為不可壓縮的黏性流體，以Navier-Stokes方程作為控制方程，VOF方法追蹤自由表面，建立三維數(shù)值模型，模擬水上管線與水流相互作用的過程，并計(jì)算水上排泥管的系纜力。在數(shù)值模型中，系泊纜繩近似為圓柱體結(jié)構(gòu)，纜繩結(jié)構(gòu)的受力分析（見圖2）方程如下：

式中：mp為系泊纜繩的質(zhì)量；vp為纜繩運(yùn)動(dòng)速度；G為纜繩重力；B為浮力；T1和T2為纜繩兩端拉力；Dn和Dt為纜繩在法向和切向受到的拖曳力；CD，n和CD，t分別為纜繩法向和切向的拖曳系數(shù)；ρ為水的密度；An和At分別為纜繩法向和切向的截面積，vr為纜繩相對(duì)于水流的速度；vr，n和 vr，t分別為 vr在法向和切向的速度分量。

2 模型驗(yàn)證

為了保證數(shù)值模型對(duì)水上管線系纜力計(jì)算方面的可靠性，利用水上管線物理模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果[5]，本文對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證。按照物理模型實(shí)驗(yàn)條件對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，其中，排泥管長度為0.33 m，外徑0.083 m，邊界流速0.42 m/s，波高與波周期分別為0.042 m和1.3 s。數(shù)值模型計(jì)算得到的系纜力結(jié)果與物理模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖3所示。數(shù)值模型的系纜力計(jì)算結(jié)果與物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合，最大系纜力數(shù)模計(jì)算值為0.33 N，與物理模型實(shí)驗(yàn)值0.31 N基本一致，表明該數(shù)值模型能適用于水上管線的系纜力計(jì)算。

圖2 纜繩受力分析Fig.2 Force analysis of cable

圖3 系纜力數(shù)模計(jì)算值與物模實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比Fig.3 Comparison between simulated mooring forces and experimented mooring forces

3 數(shù)值模擬試驗(yàn)

3.1 數(shù)值模型設(shè)定

在廈門機(jī)場造地工程中，水上管線采用外徑為0.88 m，長度為12 m的浮片式鋼質(zhì)排泥管，并通過2 m的橡膠管進(jìn)行兩兩相互連接（見圖4）。水上管線長度一般為500 m左右，每隔80～100 m設(shè)置1個(gè)錨進(jìn)行固定。

圖4 水上管線連接示意圖（mm）Fig.4 Connection diagram of floating pipelines(mm)

三維建模計(jì)算模型（見圖5）主要由排泥管和錨鏈組成，每根排泥管模型的參數(shù)與實(shí)際工程中的排泥管參數(shù)一致，拋錨間隔設(shè)為固定值90 m。模擬管線總長度設(shè)為210 m，計(jì)算域長度為60 m，寬度為240 m，高度為11 m，水深則為8 m，網(wǎng)格精度為0.6 m。為了較為準(zhǔn)確地刻畫出排泥管真實(shí)形狀，在排泥管運(yùn)動(dòng)的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格精度為0.15 m，計(jì)算域總網(wǎng)格數(shù)約為320萬。對(duì)于邊界條件的設(shè)定，上游設(shè)置為流速邊界，下游為壓力邊界，兩側(cè)為對(duì)稱邊界，底部為壁面邊界，上表面為大氣壓強(qiáng)邊界。

圖5 水上管線三維模型示意圖Fig.5 Three-dimensional model of floating pipeline

以往的研究[6]表明，廈門附近海域的潮流最大流速能達(dá)到2.0 m/s，絞吸船極限作業(yè)流速亦為2.0 m/s。為了研究水上管線在不同潮流流速下的分布及其系纜力，本文設(shè)置了4組數(shù)值試驗(yàn)（見表1），分別為試驗(yàn)1（常規(guī)工況A，邊界流速為0.5 m/s）、試驗(yàn)2（常規(guī)工況B，邊界流速為1.0 m/s）、試驗(yàn)3（常規(guī)工況C，邊界流速為1.5 m/s）和試驗(yàn)4（極端工況A，強(qiáng)潮流作用，邊界流速為2.0 m/s），比較分析4種不同工況下水上管線的分布和系纜力大小。表1中，試驗(yàn)5與試驗(yàn)6為極端工況下不同錨固間隔的系纜力分析試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)工況及其最大系纜力Table 1 Test experiments and the maximum mooring forces

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 水上管線分布

由模擬結(jié)果可知，在常規(guī)工況下，當(dāng)潮流流速為0.5 m/s時(shí)，水上管線呈現(xiàn)弧形分布，彎曲角度較小，約為10°（圖6（a）），水體對(duì)于水上排泥管的作用力比較??；當(dāng)潮流流速為1.0 m/s時(shí)，水上浮管的最大彎曲角度達(dá)到20°左右（圖6（b））；當(dāng)潮流流速達(dá)到1.5 m/s時(shí)，部分排泥管頂部已處于水面以下，水上浮管的彎曲度進(jìn)一步加大，約為 25°（圖 6（c））。

圖6 不同工況下的水上管線分布Fig.6 Distributions of floating pipelines under different conditions

由圖6（d）可知，在強(qiáng)潮流工況下，部分排泥管整體浸入水中，表層水體直接從排泥管頂部流過，這與實(shí)際強(qiáng)潮流作用下的排泥管分布狀態(tài)較為一致（見圖1），水上管線彎曲非常明顯，彎曲角度達(dá)到了30°左右。此種狀態(tài)下，管道內(nèi)的壓力損失較大，應(yīng)將水上管線盡量保持順直，減小水流對(duì)排泥管的沖擊力，從而減小水上管線彎曲度和壓力損失，提高管道內(nèi)泥漿的輸送效率。

3.2.2 系纜力結(jié)果

廈門新機(jī)場工程附近海域的底質(zhì)以細(xì)粉砂和細(xì)砂為主[7]，工程中用于固定水上管線的海軍錨在該種土質(zhì)下的最大錨抓力約為350 kN[8]。由表1可知，在常規(guī)工況條件下，當(dāng)潮流流速為0.5 m/s或1.0 m/s時(shí)，最大系纜力遠(yuǎn)小于最大錨抓力；當(dāng)潮流流速達(dá)到1.5 m/s時(shí)，最大系纜力達(dá)到360 kN左右，超過了最大錨抓力。因此，在常規(guī)工況下，當(dāng)流速小于1.0 m/s時(shí)，當(dāng)前的固定錨設(shè)置完全能保證施工的正常進(jìn)行；當(dāng)流速達(dá)到1.5 m/s左右時(shí)，常規(guī)90 m的錨固間隔可能會(huì)產(chǎn)生走錨的現(xiàn)象，對(duì)水上浮管的安全和施工效率產(chǎn)生影響。

在極端工況下，潮流流速達(dá)到2.0 m/s，在錨固間隔為90 m的狀況下，水上管線的最大系纜力達(dá)到了529 kN（見表1），該值已經(jīng)超過了最大錨抓力（350 kN）。若仍然以常規(guī)90 m錨固間隔對(duì)水上管線進(jìn)行拋錨固定，容易發(fā)生走錨的現(xiàn)象，從而對(duì)水上管線設(shè)施造成破壞以及降低生產(chǎn)效率。

將上述4種90 m常規(guī)錨固間隔的工況下潮流流速與系纜力結(jié)果進(jìn)行綜合分析后可知，當(dāng)潮流流速＜1.4 m/s時(shí)，水上管線的最大系纜力在海軍錨可承受的受力范圍之內(nèi)，常規(guī)的錨固設(shè)置能確保水上浮管的穩(wěn)定性和正常施工的開展。當(dāng)流速≥1.4 m/s時(shí)，排泥管的系纜力超過350 kN，拋錨間隔為90 m的常規(guī)錨固設(shè)置已經(jīng)不足以確保水上管線的安全與穩(wěn)定，可能會(huì)發(fā)生走錨等現(xiàn)象，需要增加拋錨數(shù)量或減小錨固間隔等安全措施來保證水上管線的穩(wěn)定性。

為了確定強(qiáng)潮流作用下合適的拋錨數(shù)量和拋錨間隔，本文在試驗(yàn)4的基礎(chǔ)上進(jìn)行了不同錨固間隔的試驗(yàn)5和試驗(yàn)6（見表1，邊界條件與試驗(yàn)4相同，拋錨數(shù)量設(shè)為4和5，相應(yīng)的拋錨間隔分別為60 m和45 m）。當(dāng)拋錨間隔設(shè)為60 m（拋錨數(shù)量為4）時(shí)，在極端工況條件下，排泥管的最大系纜力達(dá)到了445 kN（見表1），超過了海軍錨的最大錨抓力。當(dāng)拋錨間隔調(diào)整為45 m（拋錨數(shù)量為5）時(shí)，水上管線的系纜力在336 kN，小于最大錨抓力。因此，在極端工況下，為了能保證施工的正常開展，建議將常規(guī)的錨固間隔減小至40～50 m，使得排泥管的系纜力在最大錨抓力范圍內(nèi)，才能確保水上管線的穩(wěn)定和施工的正常開展。

4 結(jié)語

本文采用CFD數(shù)值模擬的方法，從實(shí)際工程尺度分析了潮流作用下的水上管線分布及其系纜力變化。主要結(jié)論如下：

1）水上浮管在常規(guī)的80～100 m錨固間隔條件下，當(dāng)潮流流速＜1.4 m/s時(shí)，排泥管受水流作用的最大系纜力小于錨抓力，潮流對(duì)施工效率不會(huì)產(chǎn)生影響；當(dāng)潮流流速≥1.4 m/s時(shí)，水上管線的系纜力超過了最大錨抓力，需要減小錨固間隔來確保水上管線的安全與穩(wěn)定。

2）在強(qiáng)潮流作用下，流速達(dá)到2.0 m/s時(shí)，水上管線彎曲非常明顯，常規(guī)的80～100 m錨固間隔下的最大系纜力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了最大錨抓力，會(huì)導(dǎo)致走錨現(xiàn)象的發(fā)生，建議將錨固間隔減小至40～50 m，確保施工的正常開展。

本文對(duì)水上管線的設(shè)置及其外部影響因素進(jìn)行了一些簡化，外部環(huán)境作用僅考慮潮流的影響。實(shí)際工程中水動(dòng)力環(huán)境更為復(fù)雜，所以對(duì)水上管線分布和系纜力分析還需要進(jìn)一步的深入研究。