沉管存储区内系泊安全波浪数值模拟分析

莫忠璇 ，郭琼 ，黄明汉

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461；3.中国交建海岸工程水动力重点实验室，天津 300222；4.天津市水下隧道建设与运维技术企业重点实验室，天津 300461；5.中交一航局第三工程有限公司，辽宁 大连 116083）

0 引言

随着海上施工技术的提高，大型沉管越来越多被工程项目采用，同时也推动了沉管相关技术的发展。大连湾海底隧道项目采用干坞法批量预制，东西两个坞室可同时预制6 节沉管，预制完成后的沉管存储在存储区海域等待安装，极大地提高了沉管预制厂的效率，但同时对沉管的安全存储提出了新的要求。

沉管存储区较大的波浪会导致沉管运动量过大，造成沉管损坏。通过封闭或半封闭存储区堵口沉箱，能够有效降低存储区内的波浪情况，但是会造成船舶通过不便，影响其他海上作业的正常运行。因此，对沉管存储环节的波浪动力响应进行模拟，有助于合理地规划工程安排，规避风险的同时提高施工运行效率。本文介绍了一种评估沉管系泊安全的模拟分析方法。

1 研究区域

大连湾在黄海西北部，沉管隧道工程位于湾内的大连港附近海域。该海域受到海湾及湾口的三山岛的掩护，波浪相对湾内明显减小，见图1。根据实测资料及再分析数值模拟发现，外海波浪较大，波向为SE 向同时叠加SE 向的强风时，工程区海域的波浪相对较大[1]。沉管存储区位于沉管隧道的北侧附近，可容纳多达5 节沉管，存储区口门朝向为SE 向，系泊布置图见图2。近海布置了浮标波浪观测点，坐标为N38.94°、E121.66°。同时沉管存储区布置了坐底式波浪观测仪器，坐标为N38.96°、E121.64°。其中，波浪再分析模型的区域为大连湾及外侧部分海域，精细化波浪推算的范围为近海浮标到沉管存储区的区域。波浪推算模型的边界设置在近海浮标处，方便数据的校核。

图1 大连湾海域平面图Fig.1 Plan view of Dalian Bay

图2 沉管存储区系泊布置图Fig.2 Mooring layout of immersed tube storage area

2 数值模型

2.1 简介

波浪再分析模型、波浪预报模型均采用了MIKE21 SW 模型，该模型是基于波浪谱分析方程第三代波浪模型，该模型在给定风、底摩擦、海流情况下能准确地计算近海波浪，控制方程见式（1），常用于工程数值模拟[2]。精细化波浪推算采用MIKE21 BW 模型。该模型通过求解沿垂向积分的Bouinesseq 方程获得沿水深平均的流速、水位变化以及波高等物理量。该模型可用来模拟任意地形或平面布置条件下的波浪运动过程，包括波浪的绕射、折射、反射、浅水变形等[3]。沉管运动响应模型采用Hydrostar 水动力分析软件和Ariane系泊分析软件。Hydrostar 是基于三维势流理论及三维边界元法。Ariane 是静态及动态时域分析[4]。

2.2 模型的构成及背景数据

波浪再分析模型的搭建参考了相关文献[5]。波浪再分析模型的地形数据采用CMAP 数据，边界波浪和风场数据采用欧洲气象中心（ECMWF）的ERA-interiam 模型结果。精细波浪推算模型地形采用CMAP 和部分工程实测地形数据，边界在近海浮标处。沉管运动响应模型中先使用Hydrostar对浮体水下部分进行水动力性能计算，将计算结果导入Ariane 中，计算系泊系统的运动响应。结合沉管运动响应模型的计算结果，可得出近海波浪的安全限值。在沉管系泊安全评估时，考虑近海波浪预报值是否超过波浪安全限值。其中，预报模式的搭建采用ECMWF 预报数据库作为输入数据，参考了相关文献[6-7]。计算系统架构图见图3。

图3 计算系统架构图Fig.3 Structure chart of computation system

2.3 模型的网格划分及参数设置

波浪再分析模型的网格划分中最小网格为50 m，采用三角网格划分，见图4。

图4 波浪再分析模型网格划分图Fig.4 Wave reanalysis model mesh

MIKE21 SW 模型中谱方程采用方向解耦参数算法，时间方程采用半静态算法，底摩擦采用底质中值粒径方案，输入数据采用ECMWF 的再分析数据库。波浪预报模型的参数设置与波浪再分析模型类似，但输入数据采用ECMWF 的预报数据库。MIKE21 BW 模型采用JONSWAP 不规则波，在边界设置生波线。沉管的运动响应包含六个自由度，分别是纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇。计算中考虑了双沉管系泊的情况，计算模型总共剖分5 200 个单元，见图5。

图5 双沉管剖分网格图Fig.5 Double immersed tube mesh

3 模型结果的验证与分析

3.1 再分析波浪模型计算成果

通过计算2016—2018 年的再分析波浪模型，每小时计算出1 个波浪值，将各年有效波高值计算结果对比，见图6。从图可知，在6—8 月时，有效波高大于0.8 m 的大波浪事件较容易发生。再分析波浪数据的实测波浪数据的对比，参见相关文献[1]。

图6 波浪再分析模型计算结果（2016—2018 年）Fig.6 Results of wave reanalysis model(2016—2018)

3.2 精细波浪模型计算结果及验证

考虑了两种工况，其中堵口半封闭是两侧防波堤各增加一个16.25 m 的堵口沉箱的工况。精细波浪模型的计算结果见表1。从表中可看出堵口未封闭时波浪衰减比波高为0.43～0.59，堵口半封闭时波浪衰减比波高为0.35～0.45，波浪的耗散较为明显。堵口半封闭时浮标和沉管处的波浪实测结果见表2，从表中看出波浪的衰减和模型计算的比波高较为接近。模型参数设置基本合理。

表2 实测波浪统计表Table 2 Statistics of measured waves

3.3 沉管运动响应计算结果及安全评估分析

沉管运动响应采用了基于Ariane 的数值模拟，计算了有缆绳系泊条件下沉管的运动和缆力的结果，其中波浪选用的是不规则波J 谱，平均周期 4 s、5 s、6 s、7 s 和 8 s，H13%为 0.5 m、0.8 m、1 m 和1.5 m 的情况。沉管安全评估主要考虑沉管碰撞，沉管拖底，缆绳缆力过大等3 种情况。其中沉管碰撞考虑横向运动距离小于安全距离（5 m），沉管拖底考虑升沉小于沉管富余水深，沉管的系缆力小于缆绳的安全缆力阀值。其中两沉管的横向相对运动计算公式见式（2）。

式中：Dr为两沉管横向相对运动最大值；D1为沉管1 的负向横荡绝对值；D2为沉管2 的正向横荡绝对值；D3为沉管 1 的旋转距离，D3=0.5×L×sin θ1；D4为沉管 2 的旋转距离，D4=0.5×L×sin θ2；θ1为负向艏摇的绝对值（或相反）；θ2为正向艏摇的绝对值（或相反）；L 为沉管长度。

表3 计算结果统计表Table 3 Statistical table of calculation results

4 结语

本文综合了波浪再分析模拟模型、精细波浪推算模型、系泊模型的结果，计算评估了沉管在存储区的系泊安全，得出结论如下：

2）沉管存储区的防波堤对港内有一定的掩护作用，同时波浪传播时也有一定程度衰减，在堵口未封闭时波浪衰减比波高为0.43～0.59，堵口半封闭时波浪衰减比波高为0.35～0.45，波浪耗散较为明显。

3）工程区波浪受到外海波浪和区域风场共同作用，当外海波浪为S—SE 向时且叠加S—SE 向区域风场时，近海浮标处的波浪较大。

4）沉管存储区在6—8 月时，较容易出现超限波浪，应结合波浪预报采取相应的工程措施规避风险。