沉管隧道變截面管段浮運(yùn)與沉放水動(dòng)力特性及方案評(píng)價(jià)

熊正元, 楊春山, 陳凌偉

(1.廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司, 廣東 廣州 510060; 2.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院,廣東 廣州 510641)

沉管隧道具有諸多的優(yōu)點(diǎn)[1-3],在越江跨海通道中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用,但在其建設(shè)過(guò)程中各種問(wèn)題也日益顯現(xiàn),相關(guān)研究成果涉及沉管隧道結(jié)構(gòu)受力[4-5]、地基處理[6-7]及地震響應(yīng)[8-9]。由于沉管隧道建設(shè)在我國(guó)尚屬起步階段,對(duì)于沉管隧道建設(shè)中關(guān)鍵問(wèn)題的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,如變截面沉管管段浮運(yùn)沉放水動(dòng)力特性仍未取得合理認(rèn)識(shí)。變截面管段與常規(guī)等截面管段相比,在預(yù)制、承載、浮運(yùn)、沉放及對(duì)接等過(guò)程均存在較大的難度和風(fēng)險(xiǎn)。

數(shù)值模擬、試驗(yàn)觀測(cè)及理論分析是水流流動(dòng)問(wèn)題研究的常用方法。其中物理模型試驗(yàn)成本高且難以分析耗能內(nèi)流機(jī)理,理論分析則需對(duì)計(jì)算介質(zhì)進(jìn)行抽象和簡(jiǎn)化,且給出解析解較困難;相比之下,數(shù)值模擬能形象而細(xì)致地再現(xiàn)水流的復(fù)雜流動(dòng),研究方法靈活、周期短、費(fèi)用低,且便于揭示水流流動(dòng)機(jī)理。因此,本文以洲頭咀沉管隧道變截面管段為研究對(duì)象,借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)軟件開展變截面管段浮運(yùn)和沉放過(guò)程流體繞流模擬,并通過(guò)模型試驗(yàn)驗(yàn)證,揭示變截面管段浮運(yùn)與沉放過(guò)程繞流流場(chǎng)、壓力場(chǎng)及渦動(dòng)結(jié)構(gòu)演化特征,最后,對(duì)變截面管段浮運(yùn)與沉放過(guò)程牽引系泊方案開展評(píng)價(jià)與優(yōu)化。

1 工程概況

廣州市洲頭咀隧道西連芳村的花蕾路,穿越珠江后東連海珠區(qū)內(nèi)環(huán)路的洪德路立交,隧道穿越珠江段340 m采用沉管法,分成E1、E2、E3及E4共4節(jié),沉管管段總體設(shè)計(jì)如圖1所示(單位為m)。由于兩端立交距離珠江堤岸較近,與其相接的內(nèi)環(huán)預(yù)留匝道較高,為了保持較好的行車條件,滿足接線減速與漸變段標(biāo)準(zhǔn)的要求,沉管段和岸上段銜接的管段E1與E4采用了變截面管段,本文以E1管段為分析對(duì)象。

E1管段沿縱向特性漸變,使其浮運(yùn)與沉放階段存在縱向傾覆失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn),因此有必要制定相應(yīng)的控制措施以防止管段縱傾。通過(guò)計(jì)算得到E1管段縱向傾覆力矩為111 116.05 kN·m,結(jié)合隧道建設(shè)特點(diǎn),在變截面管段內(nèi)局部設(shè)置面積為156.53 m2、厚度為1.15 m、體積為180.54 m3、重度為23.5 kN/m3的素混凝土壓重層。

圖1 沉管管段總體設(shè)計(jì)方案

2 管段浮運(yùn)、沉放CFD模擬

2.1 計(jì)算模型的建立

由于變截面管段浮運(yùn)與沉放是在設(shè)計(jì)控制條件下完成的,實(shí)際實(shí)施過(guò)程中需要控制復(fù)雜水流形態(tài)的出現(xiàn),本文將水流流體視為簡(jiǎn)單流體,用Navier-Stokes方程來(lái)描述[10-11],且用k-ω湍流模型。變截面管段浮運(yùn)與沉放座底三維計(jì)算模型如圖2所示(單位為m),模型中水域采用不可壓縮黏性流體單元模擬,計(jì)算區(qū)域在X、Y方向分別取95.00、165.00 m,Z方向浮運(yùn)階段取22.00 m、沉放階段取10.41 m。為了消除流體計(jì)算數(shù)值擴(kuò)散的影響,模型均采用六面體單元。

CFD模型入流邊界設(shè)定水平均勻流速,出流邊界在未受擾動(dòng)遠(yuǎn)場(chǎng)設(shè)壓力,管段輪廓定義為無(wú)滑移壁面,計(jì)算域初始場(chǎng)用入流速度條件初始化。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),管段浮運(yùn)、沉放階段相對(duì)流速分別為0.467、0.890 m/s,干舷高度為15 cm,水流動(dòng)力黏度為1 MPa·s,密度為1 t/m3。CFD繞流變截面管段計(jì)算共200步,每間隔5步輸出計(jì)算結(jié)果,每步時(shí)間增量0.1 s,最大迭代步數(shù)為20步,結(jié)果分析從100步開始(10 s),至計(jì)算結(jié)束(20 s)。

圖2 管段浮運(yùn)沉放CFD模型

2.2 模型可靠性驗(yàn)證

變截面管段浮運(yùn)方案確定前期開展了模型試驗(yàn)[12],試驗(yàn)方案如圖3所示(單位為m)。試驗(yàn)水池長(zhǎng)200 m,寬6 m,設(shè)定了0.40、0.55、0.65 m共3個(gè)水深,試驗(yàn)幾何相似比為1∶30,流速相似比為1∶5.48,試驗(yàn)探討了不同流速對(duì)應(yīng)的管段水流力。

為了驗(yàn)證變截面沉管管段浮運(yùn)與沉放流體動(dòng)力學(xué)三維計(jì)算模型的可靠性,采用CFD計(jì)算模型計(jì)算不同流速對(duì)應(yīng)的水流力,并與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析。

變截面管段浮運(yùn)與沉放座底設(shè)計(jì)流速對(duì)應(yīng)的最大水流阻力云圖如圖4所示。從圖4可以看出,變截面管段浮運(yùn)和沉放座底迎水面受到的最大水流阻力分別為0.282、0.942 kPa。以相同的方法設(shè)定流速為設(shè)計(jì)流速(0.467 m/s)的1.00、1.32、1.64、1.96、2.26倍(實(shí)測(cè)最大相對(duì)流速為1.057 m/s),計(jì)算得到不同流速浮運(yùn)時(shí)管段受到的水流阻力,其與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖5所示。

圖3 管段浮運(yùn)模型試驗(yàn)

圖4 管段浮運(yùn)與沉放過(guò)程水流阻力

由圖5可知,數(shù)值計(jì)算結(jié)果反映了變截面管段浮運(yùn)階段水流阻力的發(fā)展趨勢(shì),與模型試驗(yàn)所得結(jié)果較為吻合,說(shuō)明本文采用的CFD計(jì)算模型具備可靠性。數(shù)值計(jì)算水流阻力總體比試驗(yàn)結(jié)果略大,這是由于數(shù)值計(jì)算考慮的吃水深度略大于模型試驗(yàn),且流體參數(shù)也稍有差異。

圖5 水流阻力數(shù)值與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2.3 水動(dòng)力特性分析

變截面管段浮運(yùn)與沉放座底水流流場(chǎng)云圖,如圖6所示。

圖6 浮運(yùn)與沉放過(guò)程水流最大流速云圖

由圖6可知,初始速度為0.467 m/s的水流因管段鈍體的存在,水流繞流管段加速減壓,產(chǎn)生的最大流速為1.340 m/s;初始速度為0.890 m/s的水流引起的最大流速為2.999 m/s。

管段浮運(yùn)與沉放局部水流流場(chǎng)如圖7所示。從圖7可以看出,在管段結(jié)構(gòu)邊界層處,在壁面的黏滯阻力和逆壓梯度作用下,來(lái)流被擠向主流區(qū),使水流與壁面邊界層分離,且管段尾部流態(tài)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生明顯變化,形成一定尺度的回流區(qū)。

圖7 管段浮運(yùn)與沉放局部水流流場(chǎng)

從圖7還可以看出,水流質(zhì)點(diǎn)在管段側(cè)墻處受壁面摩阻的影響,流動(dòng)速度較小,而在管段迎水面與背水面轉(zhuǎn)角處水流經(jīng)歷了加速減壓的過(guò)程,因此流速明顯增大。管段浮運(yùn)渦動(dòng)演化過(guò)程如圖8所示。

圖8 渦量與對(duì)應(yīng)的流速等值線

從圖8可以看出,因管段壁面的存在,水流條件不平順,局部出現(xiàn)了湍動(dòng),形成不規(guī)則流動(dòng),出現(xiàn)了特征紊流,并在側(cè)壁周圍形成旋渦現(xiàn)象。

由浮運(yùn)與沉放CFD計(jì)算結(jié)果,得到變截面管段浮運(yùn)與沉放座底旋渦強(qiáng)度隨水流流速的變化規(guī)律如圖9所示。

圖9 渦量與流速關(guān)系

由圖9可知,隨著水流速度的增加,旋渦的渦量近線性增大,說(shuō)明渦動(dòng)強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)。

3 管段浮運(yùn)與沉放方案評(píng)價(jià)

洲頭咀沉管隧道管段浮運(yùn)與沉放過(guò)程未使用拖輪,而是在工程船舶、地錨及重力錨定位后布置卷?yè)P(yáng)機(jī)及牽引點(diǎn),用鋼纜絞拖牽引的方式浮運(yùn)與沉放錨固。管段浮運(yùn)階段鋼纜與管段的夾角θ在變化過(guò)程中均大于或等于40°,結(jié)合CFD計(jì)算結(jié)果,得到管段浮運(yùn)過(guò)程受到的水流力為Fw1=105.77 kN,則牽引鋼纜受到的力N1為:

N1=0.5Fw1/cosθ

(1)

考慮到實(shí)際施工中夾角θ小于90°,該角度范圍內(nèi)余弦函數(shù)單調(diào)遞減,因此(1)式計(jì)算結(jié)果極大值對(duì)應(yīng)角度為40°,由此計(jì)算得到鋼纜拉力為69.04 kN,遠(yuǎn)小于φ28 mm鋼纜破斷荷載460 kN,浮運(yùn)牽引方案可滿足強(qiáng)度要求。

管段臨時(shí)系泊錨定初始方案如圖10所示。

圖10 管段臨時(shí)系泊錨定初始方案

管段沉放系泊采用170 t的水中重力錨系泊錨固,重力錨采用φ42 mm鋼絲纜系泊,破斷荷載為980 kN。岸上地錨尺寸長(zhǎng)、寬、高分別為2.5、1.6、1.7 m,設(shè)計(jì)的錨固力為150 kN。數(shù)值計(jì)算得到管段沉放座底受到的水流力為：

Fw2=0.942 kPa×375.1 m2=353.34 kN。

重力錨受力示意圖如圖11所示(單位為m)。

圖11 重力錨受力示意圖

圖11中纜樁為結(jié)構(gòu)系鋼纜構(gòu)件,α為管段鋼纜水平面投影與水流方向夾角,β為管段鋼纜與垂直面的夾角,自重G=1 800 kN,由設(shè)計(jì)方案可知α=19°,β=78°。根據(jù)力的平衡可知，重力錨鋼絲纜受到的拉力N2滿足:

Fw2=2N2cosαsinβ

(2)

由 (2) 式計(jì)算得到重力錨單根鋼絲纜承受的拉力N2=191.05 kN,明顯小于鋼絲纜的破斷荷載1 750 kN,并且由鋼纜引起重力錨的傾覆力矩為1 528.43 kN·m,遠(yuǎn)小于自重提供的抗傾覆力矩7 200 kN·m,因此管段沉放系泊滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性出發(fā)可對(duì)管段牽引系泊鋼纜方案作優(yōu)化,牽引鋼纜取直徑φ24 mm,系泊鋼纜取直徑φ32 mm。

基于朗肯土壓力理論[13],計(jì)算得到地錨受到的被動(dòng)土壓力為160.82 kN,錨塊與周邊土界面摩擦系數(shù)為0.3,從而得到錨塊所受摩擦力為160.82 kN×0.3=46.92 kN。根據(jù)地錨的尺寸和重度25 kN/m3,計(jì)算其重力為170 kN,由此計(jì)算得到岸上地錨具有的錨固力為46.92 kN+170 kN=216.92 kN,大于150 kN的設(shè)計(jì)錨固力,滿足穩(wěn)定性要求。

4 結(jié) 論

(1) CFD分析結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合,借助數(shù)值法模擬管段浮運(yùn)與沉放力學(xué)特性合理可行;管段浮運(yùn)與沉放座底,水流繞流管段且加速減壓,最大流速分別為1.340、2.999 m/s。

(2) 管段迎水面來(lái)流被擠向主流區(qū),使水流與壁面邊界層分離,在尾部形成回流區(qū)。管段表面局部出現(xiàn)了紊流,并在側(cè)壁周圍形成旋渦,渦動(dòng)強(qiáng)度隨水流流速的增加而逐漸增強(qiáng)。

(3) 變截面管段浮運(yùn)牽引與沉放系泊的鋼纜作用力顯著小于鋼纜破斷荷載,說(shuō)明管段浮運(yùn)與沉放鋼纜設(shè)置方案滿足強(qiáng)度要求。

(4) 變截面管段沉放座底系泊采用的重力錨和地錨可滿足穩(wěn)定性要求;根據(jù)計(jì)算分析,對(duì)管段浮運(yùn)與沉放鋼纜的方案作了優(yōu)化。

沉管隧道建設(shè)發(fā)展迅速,其實(shí)施條件也越來(lái)越嚴(yán)格,為滿足隧道與兩岸路網(wǎng)的良好銜接,變截面沉管隧道必將得到更多應(yīng)用。CFD模擬計(jì)算可描述實(shí)際變截面管段浮運(yùn)與沉放的水動(dòng)力特性,針對(duì)變截面管段水中作業(yè)表征出的動(dòng)態(tài)力學(xué)特征,建議開展必要的流體動(dòng)力學(xué)分析,從而制定切實(shí)可靠的實(shí)施方案。