锚碇沉管系统平台沉放的水动力特性试验研究

杨璨，王永学

(大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024)



锚碇沉管系统平台沉放的水动力特性试验研究

杨璨，王永学

(大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024)

摘要:为了研究平台沉放条件下沉管管段的运动响应特性，开展了规则波作用下锚碇沉管沉放的模型试验。采用双目视觉非接触式运动姿态测量系统测管段模型的运动响应，分析了不同布缆方式以及不同特性锚碇缆作用下的管段运动幅值变化情况。结果表明:锚碇沉管的锚碇缆对沉管管段的运动起到了一定的约束作用，减小了管段的横荡和横摇运动位移;采用八字形和十字形的布缆方式对管段运动的约束效果较好，平行布缆方式下的管段运动幅值较大;在一定范围内，锚碇沉管的锚碇缆长度越小，对管段的约束效果越明显。

关键词:锚碇沉管;运动响应;布缆方式;吊缆张力;锚碇缆力;低频运动

随着越来越多沉管隧道工程的成功运营，沉管法作为一种新兴的海底隧道施工方法，受到越来越多国家的重视。沉管法主要包括基槽开挖、管段浮运、沉放定位与水力压接、覆土回填等施工工序，其中管段的沉放定位环节是整个施工过程中对技术要求最高，也是最难掌握的环节［1］。目前国内外在沉管隧道的基础处理、水下对接、管段地震响应与结构抗震等领域的研究颇多［2－4］，对于管段沉放过程中的水动力问题研究有待深入。掌握沉管管段在海洋动力环境下的运动特性，对实现管节沉放过程中的精准定位和保证整个沉放施工环节的作业安全具有十分重要的意义。

詹德新等［5］通过物理模型试验研究了沉管沉放过程中流体对管段运动的影响，分析了压载水对管段沉放稳定性的影响;陈智杰等［6－9］通过对无锚碇沉管沉放运动的数值计算和试验研究，分析了不同波浪要素和沉放深度对管段运动响应和缆力变化的影响;周瑜等［10］对沉管沉放进行了初步探讨并试验研究了管段的系泊性能及操纵性;Jensen等［11］针对韩国Busan－Geoje沉管隧道工程建立沉放区域内的波浪模型，研究了近海波浪条件下管段在沉放过程中的运动特性。

沉管管段在吊缆的控制下实施沉放，对于波况较差和沉深较小情形，过大的管段运动响应会直接影响沉放定位的精准和安全，鉴于此，对沉管管段进行适当的锚碇是有必要的。本文通过开展正向规则波作用下锚碇沉管管段的系列模型试验，根据管段模型沉放运动的试验结果，分析了锚碇缆作用下沉管管段的运动特性，探讨了不同锚碇缆特性以及不同锚碇缆布缆方式对管段运动响应的影响。

1　试验设备及方法

1.1试验设备

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，水槽尺寸为50 m× 3.0 m×1.0 m(长×宽×高)。试验装置及锚碇沉管模型沉放如图1所示，锚碇沉管管段模型布置于水槽中部，在模型的迎浪侧距模型30 cm位置处对称布置两个浪高仪用以观测实时波面变化。

图1　试验装置示意图Fig.1 Sketch of the experimental set-up model

1.2模型制备

本试验忽略水面上驳船对管段运动的影响，即不考虑沉放控制吊缆的上端点运动，管段模型直接从水槽上方的固定支架上沉放。管段模型的制作材料选用混凝土和有机玻璃材料，用素混凝土制作成中空的沉管管节模型，管节两端和外表面用有机玻璃板进行密封，使之成为中空且两端封闭不透水的矩形长方体模型，管段模型示意如图2所示，沉管管段模型尺寸见表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过管段上方的吊缆和下方的定位缆进行控制，试验中吊缆采用忽略重量的钢丝绳和弹簧来模拟，通过弹簧测试中的受力变形曲线确定试验中所选取的吊缆刚度为1.37 N/mm。试验中在管段模型上表面的迎浪侧和背浪侧分别布置两根钢丝细绳吊缆。由于定位锚碇缆主要是通过锚缆的重量来控制管段的运动位移，因此需要考虑锚碇缆的重量，故试验中将弹簧与合理重度的锚链进行组合来模拟锚碇缆。由于管段下方锚碇缆的长度对沉管管段的运动响应影响较大，试验中考虑3种不同长度的锚碇缆，其特征参数见表2。

图2　沉管管段模型示意图Fig.2 The immersed tunnel element model

表2　锚碇缆特性参数Table 2 Parameters of the mooring lines

将锚碇缆设计成如下3种布缆形式，如图3所示，其中①号布缆方式为4个锚碇缆的上端点分别位于沉管管段模型迎浪面和背浪面最外端的中心点，斜向45°拉设4根锚链至海底，从水面投影看布缆方式呈“八字形”;②号布缆方式为平行布缆，锚碇缆的4个上端点位置与①号布缆方式相同，拉设两两平行的4根锚链至海底;③号布缆方式为锚碇缆的4个上端点分别位于沉管管段模型迎浪面、背浪面以及两个侧面的中心处，正向90°拉设4根锚链至海底，从水平投影看布缆方式呈“十字形”。

图3　布缆方式示意图Fig.3 Sketch of the arrangement types of mooring lines

1.3试验方法

当规则波正向入射时，管段主要产生横荡、横摇和垂荡3个自由度方向上的运动。试验中采用大连理工大学研制的基于双目视觉原理的非接触式运动姿态测量系统(又称非接触式六分量系统)采集管段的运动响应。该系统采用双CCD镜头同时获取特征目标图像，通过PC主控机完成对运动目标物体的运动过程的实时显示、运动分析以及数据储存，非接触式六分量采集系统和管段模型如图4所示。六分量采集系统的平移量(横荡、纵荡和垂荡)精度可控制在0.3％FS以下，旋转量(横摇、纵摇和艏摇)精度在1.2％FS以下。实时测量时，姿态测量系统最快的处理速度为30 F/s，即采样频率为30 Hz。

采用量程为0～15 kg的DYL－1A型应变式拉力传感器测量吊缆和锚碇缆绳张力，精度≤1％ RL，传感器的两端分别与管段和弹簧相连。波面的监测采用实验室自制的DLY－1型波高、滤波、应变混合式测量仪，波高测量范围不小于30 cm，绝对误差小于l mm。管段模型在正向规则波作用下的试验工况见表3。

图4　非接触式运动姿态测量系统Fig.4 Untouched 6-D measurement system

表3　试验工况Table 3 Test conditions

2　试验结果与分析

2.1锚碇沉管的运动响应

试验中通过双目视觉非接触式运动测量系统对各种工况的锚碇沉管运动响应进行了测量，图5给出了波高H=5 cm、波浪周期T=0.85 s条件下，锚碇沉管管段的运动响应时间历时曲线。其中沉放深度d=30 cm，锚碇缆选取图3中的①号布缆方式，锚碇缆特征参数选取表2中的Ⅱ号锚碇缆。图中对应于3个自由度方向上的正向位移值分别表示管段向岸侧的水平位移、向上运动的垂向位移以及管段的逆时针运动转角。

图5　锚碇沉管管段运动响应的时间历程和频谱分析Fig.5 Time series and spectral analysis of the motion responses of the tunnel element with mooring lines

如图5(a)所示，锚碇沉管管段在0.85 s波浪周期的作用下，管段横荡运动出现明显的慢漂现象，即管段运动的平均位置在平衡位置附近摆动，这是因为管段在受波浪的作用下做等幅值周期往复运动的同时，由于吊缆和锚碇缆的影响，也引起了管段在水平方向上的低频运动。将图5(a)中的运动位移进行傅里叶变换得到的位移频谱可以更直观的观察出管段的波频运动和低频运动，如图5(b)所示。图中幅值谱曲线存在两个极值点，对应的频率分别为0.092 Hz和1.176 Hz。其中频率为1.176 Hz的横荡运动与波浪运动频率相同代表在该频率下的运动为波频运动，频率为0.092 Hz下的运动为管段低频运动(低频运动周期为10.87 s)与图5(a)中反映出的低频运动周期一致。故对于波浪周期较小的情形，管段沿波浪传播方向上的低频运动是比较明显的。

图5(c)～(f)中可以看出，对于管段的垂荡和横摇运动来说，主要以波频运动为主，运动幅值谱曲线不够光滑说明管段的垂荡和横摇运动具有一定的非线性特征，但管段运动的平均位置变化不大。

图6给出了d=30 cm，H=5 cm，T=0.85 s时管段上方吊缆张力的时间过程线及幅值谱曲线，从图6中可以看出，迎浪侧与背浪侧吊缆张力差别不大，迎浪侧缆力稍大于背浪侧，迎浪侧和背浪侧缆力在相位上存在微小差异，管段的横摇运动是产生这种相位差的主要原因。

图6　吊缆张力的时间历程和频谱分析Fig.6 Time series and spectral analysis of the suspension cable tensions

2.2不同锚碇缆长度对管段运动的影响

同样选定①号布缆方式，取3个不同的锚碇缆长度(选取表2中的Ⅰ～Ⅲ号锚碇缆特征参数)，以及沉管管段处于无锚碇的工况，通过试验结果的分析，探讨有、无锚碇缆以及不同锚碇缆长度对管段运动的影响。

图7　输入和输出的自功率谱Fig.7 Power spectrums of inputs and output

图7给出了有、无锚碇以及不同长度锚碇缆作用下沉管管段的运动情况。根据图7(a)、(b)和(d)可以看出，对于横荡低频运动的周期较小、波高较大情形以及横荡波频运动和横摇运动的周期、波高均较大情形，Ⅰ～Ⅲ号锚碇缆作用下沉管管段的运动幅值均小于无锚碇沉管，其中Ⅲ号锚碇缆作用下的管段运动幅值最小，Ⅰ号锚碇缆作用下的管段运动幅值接近于无锚碇情形，Ⅱ号锚碇缆介于Ⅰ号和Ⅲ号之间;图7(c)可以看出，与横荡和横摇运动相反，锚碇沉管管段在3种不同长度锚碇缆的作用下，管段的垂荡运动幅值大小依次为:Ⅲ号锚碇沉管＞Ⅱ号锚碇沉管＞Ⅰ号锚碇沉管＞无锚碇沉管，这可能是由于锚碇缆的长度较小时，管段下方的锚碇缆力增大，使得管段上方吊缆对管段的作用力也增大，导致在波浪作用下，整个锚碇沉管系统的惯性力增大，锚碇沉管的垂向运动位移增大。

由以上对试验结果的分析可见，除垂荡运动外，3种型号的锚碇缆对管段的运动幅值都起到了一定的约束作用，锚碇沉管管段的横荡、横摇运动响应随着锚碇缆长度的减小而减小，这种现象在波高较大时更加明显。在一定范围内，锚碇缆的长度越小，其对沉管管段的横荡、横摇运动的约束效果越明显。

2.3不同布缆方式下锚碇沉管的运动特性

选取表2中的Ⅱ号锚碇缆特征参数，考虑锚碇缆具有如图3所示的3种布缆方式，通过试验研究锚碇缆的不同布缆方式对管段运动的影响。考虑3个波浪周期T=0.7、1.0、1.1 s和2个波高H=4、5 m。

图8给出了3种布缆方式下的锚碇沉管管段运动幅值的对比情况，图中管段的运动幅值等于管段运动响应最大、最小位移值之差的平均值。由图8(a)所示的横荡低频运动幅值的结果可见，当波高较大、波浪周期较小时，管段的低频运动幅值较大，甚至超过同一波高下周期较大情形，这是因为低频运动主要发生在小周期波况下，周期较大时的低频运动幅值与波频运动幅值接近，在较大波高作用下，管段的低频运动在小周期波况下更为剧烈，故波高为5cm时的低频运动幅值在周期为0.7 s时最大;3种布缆方式中，③号布缆方式的低频运动幅值最小，①号布缆方式与③号布缆方式的运动幅值相近，②号布缆方式的横荡低频运动幅值最大。

图8　不同布缆方式下锚碇沉管管段的运动幅值Fig.8 Motion responses of the immerged tunnel element with different arrangement types of mooring lines

图中8(b)～(d)可以看出，锚碇沉管管段的波频运动幅值随着波高、周期的增大而增大。对于管段的横荡波频运动，3种布缆方式下的管段运动幅值只在周期较大时有明显差别，其中②号布缆方式运动幅值最大，波高为4 cm时，①号与③号布缆方式下的运动响应幅值差别不大，波高为5 cm时，③号布缆方式运动响应幅值最小;3种布缆方式下的垂荡运动响应十分接近，这是因为3种方式锚碇缆在z轴方向上的投影是一样的，因此在垂荡方向上，不同布缆方式对管段的运动幅值无影响;对于管段的横摇运动，与横荡运动相似，即②号布缆方式下的管段运动幅值最大，③号布缆方式运动幅值最小，①号布缆方式运动幅值与③号接近，稍大于③号。

从减小沉管运动的角度考虑，在正向规则波作用下，3种布缆方式中采用①号和③号较为合理，实际工程中应尽量避免类似②号这样的布缆方式，这与文献［12］中得到的结论一致。

3　结论

通过模型试验对锚碇沉管管段沉放过程中的水动力特性进行分析，得到以下结论:

1)对于本文探讨的3种锚碇缆的布缆方式，正向规则波作用下，4根锚碇缆的上端点分别位于沉管管段模型迎浪面和背浪面最外端的中心点，斜向45°拉设4根锚链至海底，与4根锚碇缆的上端点分别位于沉管管段模型迎浪面、背浪面以及两个侧面的中心处，正向90°拉设4根锚链至海底，其对管段横荡低频、波频运动及横摇运动的约束效果明显，可为实际工程中布缆方式的优化提供参考。

2)不同长度的锚碇缆对管段的横荡、横摇运动幅值都起到了一定的约束作用，锚碇沉管管段的横荡、横摇运动响应随着锚碇缆长度的减小而减小，在波高和周期较大时这种约束效果更为明显。由此可见，在一定范围内，锚碇缆的长度越小，其对沉管管段的约束效果越好。

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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:王永学，E－mail:wangyx@ dlut.edu.cn.

作者简介:杨璨(1988－)，女，博士研究生;王永学(1955－)，男，教授，博士生导师.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(11272079);国家自然科学创新研究群体基金资助项目(51221961).

收稿日期:2014－09－29.网络出版时间:2015－12－21.

中图分类号:P751

文献标志码:A

文章编号:1006－7043(2016)01－0030－06

doi:10.11990/jheu.201409076

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20151221.1509.008.html