熊正元, 楊春山, 陳凌偉

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

沉管隧道具有諸多的優(yōu)點[1-3],在越江跨海通道中得到了越來越多的應(yīng)用,但在其建設(shè)過程中各種問題也日益顯現(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)在我國尚屬起步階段,對于沉管隧道建設(shè)中關(guān)鍵問題的研究還遠遠不夠,如變截面沉管管段浮運沉放水動力特性仍未取得合理認識。變截面管段與常規(guī)等截面管段相比,在預制、承載、浮運、沉放及對接等過程均存在較大的難度和風險。

數(shù)值模擬、試驗觀測及理論分析是水流流動問題研究的常用方法。其中物理模型試驗成本高且難以分析耗能內(nèi)流機理,理論分析則需對計算介質(zhì)進行抽象和簡化,且給出解析解較困難;相比之下,數(shù)值模擬能形象而細致地再現(xiàn)水流的復雜流動,研究方法靈活、周期短、費用低,且便于揭示水流流動機理。因此,本文以洲頭咀沉管隧道變截面管段為研究對象,借助計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)軟件開展變截面管段浮運和沉放過程流體繞流模擬,并通過模型試驗驗證,揭示變截面管段浮運與沉放過程繞流流場、壓力場及渦動結(jié)構(gòu)演化特征,最后,對變截面管段浮運與沉放過程牽引系泊方案開展評價與優(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準的要求,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管段為分析對象。

E1管段沿縱向特性漸變,使其浮運與沉放階段存在縱向傾覆失穩(wěn)的風險,因此有必要制定相應(yīng)的控制措施以防止管段縱傾。通過計算得到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,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)計方案

2 管段浮運、沉放CFD模擬

2.1 計算模型的建立

由于變截面管段浮運與沉放是在設(shè)計控制條件下完成的,實際實施過程中需要控制復雜水流形態(tài)的出現(xiàn),本文將水流流體視為簡單流體,用Navier-Stokes方程來描述[10-11],且用k-ω湍流模型。變截面管段浮運與沉放座底三維計算模型如圖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,計算區(qū)域在X、Y方向分別取95.00、165.00 m,Z方向浮運階段取22.00 m、沉放階段取10.41 m。為了消除流體計算數(shù)值擴散的影響,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遠場設(shè)壓力,管段輪廓定義為無滑移壁面,計算域初始場用入流速度條件初始化。通過現(xiàn)場實測,管段浮運、沉放階段相對流速分別為0.467、0.890 m/s,干舷高度為15 cm,水流動力黏度為1 MPa·s,密度為1 t/m3。CFD繞流變截面管段計算共200步,每間隔5步輸出計算結(jié)果,每步時間增量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),至計算結(jié)束(20 s)。

圖2 管段浮運沉放CFD模型

2.2 模型可靠性驗證

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

為了驗證變截面沉管管段浮運與沉放流體動力學三維計算模型的可靠性,采用CFD計算模型計算不同流速對應(yīng)的水流力,并與模型試驗結(jié)果對比分析。

變截面管段浮運與沉放座底設(shè)計流速對應(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)計流速(0.467 m/s)的1.00、1.32、1.64、1.96、2.26倍(實測最大相對流速為1.057 m/s),計算得到不同流速浮運時管段受到的水流阻力,其與試驗結(jié)果對比如圖5所示。

圖3 管段浮運模型試驗

圖4 管段浮運與沉放過程水流阻力

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

圖5 水流阻力數(shù)值與試驗結(jié)果對比

2.3 水動力特性分析

變截面管段浮運與沉放座底水流流場云圖,如圖6所示。

圖6 浮運與沉放過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。

管段浮運與沉放局部水流流場如圖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)會發(fā)生明顯變化,形成一定尺度的回流區(qū)。

圖7 管段浮運與沉放局部水流流場

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

圖8 渦量與對應(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,形成不規(guī)則流動,出現(xiàn)了特征紊流,并在側(cè)壁周圍形成旋渦現(xiàn)象。

由浮運與沉放CFD計算結(jié)果,得到變截面管段浮運與沉放座底旋渦強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,說明渦動強度呈現(xiàn)逐漸增強的趨勢。

3 管段浮運與沉放方案評價

洲頭咀沉管隧道管段浮運與沉放過程未使用拖輪,而是在工程船舶、地錨及重力錨定位后布置卷揚機及牽引點,用鋼纜絞拖牽引的方式浮運與沉放錨固。管段浮運階段鋼纜與管段的夾角θ在變化過程中均大于或等于40°,結(jié)合CFD計算結(jié)果,得到管段浮運過程受到的水流力為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)式計算結(jié)果極大值對應(yīng)角度為40°,由此計算得到鋼纜拉力為69.04 kN,遠小于φ28 mm鋼纜破斷荷載460 kN,浮運牽引方案可滿足強度要求。

管段臨時系泊錨定初始方案如圖10所示。

圖10 管段臨時系泊錨定初始方案

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、寬、高分別為2.5、1.6、1.7 m,設(shè)計的錨固力為150 kN。數(shù)值計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度和穩(wěn)定性要求。根據(jù)計算結(jié)果,從技術(shù)經(jīng)濟性出發(fā)可對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],計算得到地錨受到的被動土壓力為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,計算其重力為170 kN,由此計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)果與模型試驗結(jié)果吻合,借助數(shù)值法模擬管段浮運與沉放力學特性合理可行;管段浮運與沉放座底,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,渦動強度隨水流流速的增加而逐漸增強。

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

(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)計算分析,對管段浮運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,其實施條件也越來越嚴格,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模擬計算可描述實際變截面管段浮運與沉放的水動力特性,針對變截面管段水中作業(yè)表征出的動態(tài)力學特征,建議開展必要的流體動力學分析,從而制定切實可靠的實施方案。