林巍 ，陳進 ，鄒威 ，曾繁旭

（1.中交懸浮隧道結(jié)構(gòu)與設(shè)計方法研究攻關(guān)組，廣東 珠海 519000；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088；3.中交第二航務(wù)工程局有限公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430040；4.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024）

0 引言

懸浮隧道橫斷面過水特性的既有研究[1-4]總結(jié)見表1。

根據(jù)懸浮隧道橫斷面概念方案的全面調(diào)研[5]與沉管隧道工作經(jīng)驗[6]，發(fā)現(xiàn)懸浮隧道橫斷面外輪廓多樣性遠(yuǎn)超出當(dāng)前研究對象的范圍，仍需擴展，例如尚需研究分離式、馬蹄形和帶圓倒角矩形橫斷面。另一方面，已有過水特性研究多數(shù)只適用于結(jié)構(gòu)靜力分析，為給結(jié)構(gòu)動力分析提供依據(jù)，還有必要研究懸浮隧道各類橫斷面附加水質(zhì)量系數(shù)與水阻尼系數(shù)，文獻(xiàn)[7-9]研究的特征輪廓形狀屬于基本幾何形狀，尚未全面覆蓋工程研究斷面可能的形式。

表1 已有懸浮隧道橫斷面過水特性研究文獻(xiàn)匯總Table 1 Summary on exiting research on SFT cross-section hydrodynamic characters

通過數(shù)模方法系統(tǒng)研究懸浮隧道多種橫斷面的過水特性。提出25個特征化的橫斷面作為研究對象，并給出這些斷面工程設(shè)計與結(jié)構(gòu)分析常用的典型參數(shù)，包括附加水質(zhì)量系數(shù)、水阻尼、升力系數(shù)、阻力系數(shù)與最大波浪力等。

1 方法

1.1 懸浮隧道特征橫斷面擬定

根據(jù)2車道、4車道和6車道以及特定設(shè)計時速（例如80 km/h）繪制各種懸浮隧道工程橫斷面，再提取外輪廓信息用于研究。這種方法的優(yōu)點是：工程橫斷面較真實，但形狀復(fù)雜，且有以下缺點：1）無普遍參考性；2）橫向比較不方便；3）結(jié)果分析干擾信息多；4）輪廓形狀不易描述，不便于加深直觀認(rèn)識。因此，將工程橫斷面進一步概化成特征橫斷面，懸浮隧道特征橫斷面如圖1所示。第1、2行類比“2車道”，第3、4行及第5行前2個類比“4車道”，最后1個類比“6車道”橫斷面。

圖1 懸浮隧道特征橫斷面（m）Fig.1 Submerged floating tunnel conceptualized cross-section(m)

1.2 計算方法概述

簡化成平面2D問題。

求解波浪力采用勢流方法實現(xiàn)，模型固定，水深與淹沒水深（即結(jié)構(gòu)頂面到水面距離）分別設(shè)置成1 000 m與20 m，單位波幅（等效于2 m波高），周期統(tǒng)一取9 s。

求解其它問題采用CFD方法實現(xiàn)，但如果采用實尺度，高雷諾數(shù)流動需大量網(wǎng)格，非常耗費計算資源，因此本文計算時采用模型尺度，縮尺比為 1∶10。

水流流速縮尺前1.5 m/s、縮尺后0.474 m/s。求解升力系數(shù)與阻力系數(shù)時模型固定。

求解附加水質(zhì)量系數(shù)通過強制振動，平動振動幅度縮尺前0.5 m、縮尺后0.05 m，扭轉(zhuǎn)振動幅度設(shè)置5°，平動與扭轉(zhuǎn)振動頻率縮尺前0.316 Hz、縮尺后1 Hz。

求解水阻尼系數(shù)采用自由衰減振蕩，在橫斷面上設(shè)置水平彈簧和豎向彈簧。彈簧剛度設(shè)置成分別令結(jié)構(gòu)水平和豎向的自振頻率fi始終保持1 Hz，也即ki=4π2（M+Ai）fi2=4π2（M+Ai），i=1，2分別代表水平和豎向。其中Ai是附加水質(zhì)量系數(shù)由前一項計算得到，M為模型面積乘以水密度（1 000 kg/m3）。

渦激運動模擬的彈簧設(shè)置相同，研究折合速度、浮重比、剛度等參數(shù)對橫斷面橫向、豎向位移的影響。

2 結(jié)果

參數(shù)計算結(jié)果見表2。表中第1列特征橫斷面形狀對應(yīng)圖1順序從上到下，從左往右。結(jié)果總體趨勢：1）面積越大，附加水質(zhì)量系數(shù)、水阻尼系數(shù)和波流作用影響越大。前者有利，后者不利；2）外輪廓為流線形的參數(shù)比鈍形的偏小；3）附加水質(zhì)量系數(shù)水平平動范圍在0.3～1.3、豎向平動在1.0～3.3、扭轉(zhuǎn)在0～1.9；水阻尼系數(shù)平動均在0.02～0.07；升力系數(shù)范圍在0.1～2.3、阻力系數(shù)范圍在 0.2～2.5。

表2 懸浮隧道特征橫斷面典型過水特性參數(shù)計算結(jié)果匯總表Table 2 Calculation results summary of submerged floating tunnel conceptualized cross-section hydrodynamic characteristic parameter

3 討論

1）已有研究共考慮了6個特征橫斷面、研究7類特征參數(shù)。本系列研究共考慮了25個特征橫斷面，近20類特征參數(shù)。研究量級為既有研究總和10倍以上，更具普遍參考性。并且，分析過程實現(xiàn)了逐日分析，動態(tài)調(diào)整[10]。

2）相比更普遍的工程問題，本研究仍是一個特例，因為：①從工程角度，懸浮隧道管體橫斷面的質(zhì)量變化[5]、表面粗糙度[5]、運動位移與速度和加速度、橫斷面在懸浮隧道整體結(jié)構(gòu)體系下的真實剛度（包含結(jié)構(gòu)設(shè)計“抗”與“讓”問題）、淹沒水深、水深、水流流速、波浪要素、不規(guī)則波浪分布規(guī)律、三維繞流效應(yīng)等都或多或少影響橫斷面過水特性。表2亦可用于橫斷面之間比較（圖2）。其它過水特性包括渦激運動特征、約化速度鎖定區(qū)間、渦脫頻率（St數(shù)）、運動軌跡與幅值等。②從水動力研究角度，對流場也做了更多研究，上述部分內(nèi)容在后續(xù)篇章中展開研討。

圖2 特征橫斷面橫向比較Fig.2 Horizontal comparison of conceptualized cross-section

3）為了工程應(yīng)用，對該數(shù)模結(jié)果分析后，設(shè)計一系列物模水槽試驗進行研究，并研發(fā)連接水槽物模試驗與整體分析之間的紐帶數(shù)值工具。