沉管隧道管段浮運(yùn)中的水流阻力性能及其在回旋區(qū)轉(zhuǎn)體的流速流場模擬分析

何志敏， 李九福， 劉惠康， 張玉成， 余小強(qiáng)

(1. 南昌市政公用投資控股有限責(zé)任公司， 江西 南昌　330000；2. 廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司， 廣東 廣州　510000；3. 廣東省水利水電科學(xué)研究院， 廣東 廣州　510610)

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沉管隧道管段浮運(yùn)中的水流阻力性能及其在回旋區(qū)轉(zhuǎn)體的流速流場模擬分析

何志敏1， 李九福1， 劉惠康2,*， 張玉成3， 余小強(qiáng)1

(1. 南昌市政公用投資控股有限責(zé)任公司， 江西 南昌330000；2. 廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司， 廣東 廣州510000；3. 廣東省水利水電科學(xué)研究院， 廣東 廣州510610)

南昌紅谷隧道沉管浮運(yùn)過程存在2個(gè)關(guān)鍵的風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)，分別為浮運(yùn)過南昌大橋及回旋區(qū)轉(zhuǎn)體，在這2處水流流向及流速復(fù)雜，浮運(yùn)施工風(fēng)險(xiǎn)非常高。為校核浮運(yùn)方案的合理性，需對(duì)管段浮運(yùn)過程中水流阻力性能進(jìn)行分析，以保證浮運(yùn)安全。基于Fluent和MIKE流體計(jì)算軟件，通過數(shù)值模擬的方法對(duì)沉管管段在2個(gè)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)中所受水流阻力進(jìn)行分析。對(duì)于管段浮運(yùn)過南昌大橋過程，得到了管段所受水流阻力大小及其變化情況； 對(duì)于回旋區(qū)轉(zhuǎn)體過程，先對(duì)水阻力系數(shù)Cw進(jìn)行率定使其適用于本工程，再通過數(shù)值模擬得到不同水文條件下的回旋區(qū)流場，兩者結(jié)合得到管段所受水流阻力大小。以期為復(fù)雜邊界條件下管段水流阻力計(jì)算提供一套方法，計(jì)算結(jié)果為隧道管段浮運(yùn)方案的制定提供參考。

紅谷沉管隧道； 管段浮運(yùn)； 水流阻力； 數(shù)值模擬

0　引言

沉管法施工隧道與礦山法和盾構(gòu)法相比具有眾多優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外水底隧道工程中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。在沉管隧道發(fā)展的百年歷史中，有很多關(guān)鍵技術(shù)問題得到了解決并不斷地改進(jìn)，如管段預(yù)制[3]、混凝土裂縫控制、基礎(chǔ)處理以及管段接頭處理[4]等。但是沉管隧道技術(shù)仍有一些需要繼續(xù)改進(jìn)的技術(shù)問題，如在浮運(yùn)過程中管段的受力及穩(wěn)定性等問題。

由于在施工過程中沉管隧道不僅受到河流、氣象以及航道等自然因素的影響，還受到管段自身的浮重力、水流阻力、浮運(yùn)設(shè)備及其布置方式等人為因素的影響[5-6]，因此，成功的浮運(yùn)施工離不開天時(shí)地利人和。特別在浮運(yùn)路線復(fù)雜且周邊控制性建筑物多的情況下，為保證管段的成功浮運(yùn)，需對(duì)隧道沉管管段浮運(yùn)過程中的阻力性能及穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

目前對(duì)沉管管段浮運(yùn)施工的研究主要采取數(shù)值模擬和試驗(yàn)2種方法。ZHANG Dexin等[7]對(duì)沉管管段在水面浮運(yùn)及沉放過程進(jìn)行了數(shù)值模擬； 蔣龍皎[8]通過數(shù)值模擬的方法，模擬隧道沉管在淺水航道中浮運(yùn)時(shí)的阻力情況； 周敏[9]利用模型試驗(yàn)的方法，進(jìn)行縮尺比例的模型實(shí)驗(yàn)，然后通過相似理論把模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果換算到實(shí)際沉管，得到實(shí)際沉管的受力規(guī)律； 羅甜[10]通過模型試驗(yàn)，獲得管段靜水拖曳的阻力系數(shù)以及風(fēng)浪流復(fù)雜因素影響下的浮運(yùn)拖航纜力。以往的學(xué)者對(duì)管段浮運(yùn)施工的研究大多集中在簡單水文條件情況下的分析，而對(duì)于周邊復(fù)雜環(huán)境引起的復(fù)雜水文條件下管段浮運(yùn)施工研究較少，因此有必要針對(duì)項(xiàng)目的特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的研究。

本研究依托南昌紅谷沉管隧道浮運(yùn)施工項(xiàng)目，基于RNGκ-ε紊流模型[11-12]，采用Fluent計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬軟件，對(duì)該項(xiàng)目浮運(yùn)施工中的2個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬分析，計(jì)算沉管結(jié)構(gòu)在這2個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的受力情況，并對(duì)阻力系數(shù)進(jìn)行率定； 同時(shí)，采用MIKE流體計(jì)算軟件，在實(shí)際河床地形的情況下，對(duì)浮運(yùn)航道的流速流場進(jìn)行模擬，以便于采用理論公式進(jìn)行水流阻力計(jì)算。

1　工程概況

紅谷隧道工程位于南昌大橋和八一大橋之間，距南昌大橋約1.4 km，距八一大橋約2.3 km，連接紅谷灘新區(qū)與老城區(qū)。紅谷隧道采用沉管法施工，隧道由12節(jié)管段拼接而成，這些管段有的長達(dá)115 m，寬30 m，高8.3 m。管段從上游干塢浮運(yùn)至隧址，先后需經(jīng)過生米、朝陽和南昌3座大橋，最終在隧址回旋區(qū)進(jìn)行轉(zhuǎn)體后沉放，浮運(yùn)長度8 871 m，浮運(yùn)線路見圖1。管段浮運(yùn)不僅距離遠(yuǎn)，而且面臨穿越橋梁時(shí)凈空小、可能碰撞橋梁等高風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)，因此精準(zhǔn)控制管段浮運(yùn)過程的姿態(tài)至關(guān)重要。

圖1　浮運(yùn)線路圖

沉管浮運(yùn)過程存在2個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)：

1)第1個(gè)風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)為管段浮運(yùn)過南昌大橋。南昌大橋凈跨僅81.8 m，扣除防撞設(shè)施后凈距僅為63.4 m，拖船可操作空間小且該處實(shí)測(cè)水流流向與拖運(yùn)方向不一致，存在側(cè)向水流阻力，質(zhì)量達(dá)2.8萬t的管段一旦碰撞上橋墩，其后果非常嚴(yán)重，見圖2。該處采用5艘4 000 HP港作拖輪對(duì)沉管進(jìn)行拖航，拖輪布置方式見圖3。

圖2　沉管浮運(yùn)過南昌大橋示意圖(風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)1)(單位： m)

Fig. 2Diagram of segment passes through Nanchang Bridge (risk control point No. 1) (m)

圖3　沉管浮運(yùn)過南昌大橋拖輪布置方式示意圖

Fig. 3Arrangement of tugboats when segment passes through Nanchang Bridge

2)第2個(gè)風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)為在隧址回旋區(qū)進(jìn)行的管段轉(zhuǎn)體。回旋區(qū)離東岸圍堰最近點(diǎn)僅25 m，拖輪在回旋區(qū)可操作的空間較小。另外東岸圍堰施工縮短了隧址河道寬度，將加大河道水流速度，且管段在回旋區(qū)轉(zhuǎn)體過程中將會(huì)出現(xiàn)縱斷面迎流的情況。該處采用5艘4 000 HP港作拖輪配合2個(gè)質(zhì)量為170 t的錨塊和1個(gè)80 t墊塊對(duì)管段進(jìn)行轉(zhuǎn)體，拖航步驟見圖4。

圖4　沉管于隧址回旋區(qū)轉(zhuǎn)體示意圖(風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)2)

Fig. 4Diagram of segment turning around (risk control point No. 2)

2　沉管浮運(yùn)過南昌大橋過程數(shù)值模擬

對(duì)浮運(yùn)過程中第1個(gè)風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)采用Fluent軟件進(jìn)行CFD數(shù)值模擬分析，管段模型按尺寸最大的管段考慮，即115 m×30 m×8.3 m(長×寬×高)。

2.1計(jì)算工況

依據(jù)現(xiàn)場實(shí)測(cè)水流的流速和流向，結(jié)合實(shí)際施工過程，制定出計(jì)算工況，如表1所示。

表1　計(jì)算節(jié)點(diǎn)及計(jì)算工況一覽表

計(jì)算幾何模型見圖5。

(a) 未過橋

(b) 過橋1/2

(c) 完全過橋

2.2控制方程

本文運(yùn)用數(shù)值仿真軟件Fluent中CFD方法為處理工具，選用的紊流模型為V. Yakhot等[11-12]于重整化群理論提出的RNGκ-ε紊流模型，具體方程如下。

連續(xù)性方程

ρu=0。

(1)

動(dòng)量方程

。

(2)

動(dòng)能方程

(3)

耗散方程

(4)

其中，

(5)

式中： ρ為流體密度； t為時(shí)間； u為速度場； F為高斯隨機(jī)力； k為動(dòng)能； ε為耗散率； l為紊流長度； μ為無衰減湍流動(dòng)力學(xué)黏度； μT為渦流黏滯系數(shù)； I為湍流強(qiáng)度； Re為雷諾數(shù)； σk、σε、Ce1、Ce2均為系數(shù)。

2.3邊界條件

考慮該處距離岸邊線尚有一定距離，且河床較為平整，故采用理想模型，認(rèn)為河床為同一標(biāo)高。邊界河流表面為自由水面，設(shè)定為開邊界，模型左右邊界設(shè)為對(duì)稱邊界，模型上游邊界為速度入口邊界，模型下游邊界為自由流出邊界。河流河床外圍邊壁、管段外壁等均為固壁，所有固壁處的節(jié)點(diǎn)為無滑移條件。沿水流方向取計(jì)算域500m，河寬方向取計(jì)算域240m，管段浮運(yùn)干舷值取0.3m。

2.4計(jì)算結(jié)果與分析

由于篇幅原因，以下僅列出過橋1/2工況的計(jì)算結(jié)果，如圖6—9所示。

圖6　流速云圖(單位： m/s)

圖7　速度矢量圖(單位： m/s)

圖8　水壓力云圖(單位： Pa)

圖9　管段表面水壓力云圖(單位： Pa)

表2為管段浮運(yùn)過南昌大橋時(shí)各工況下所受水流阻力匯總。實(shí)測(cè)南昌大橋段水流流向與航道方向存在夾角，在15～20°范圍內(nèi)，與計(jì)算工況基本一致。從數(shù)值模擬的結(jié)果可以看出，橫向水流阻力遠(yuǎn)大于縱向水流阻力，且橫向水流阻力不僅會(huì)使管段平移，還會(huì)使管段產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過計(jì)算，可以校核浮運(yùn)方案中拖輪所提供的橫向拖力能否滿足要求，給設(shè)計(jì)單位和施工單位在管段浮運(yùn)過南昌大橋設(shè)計(jì)施工中提供參考。

表2　管段浮運(yùn)過南昌大橋過程水流阻力匯總

3　沉管隧址回旋區(qū)轉(zhuǎn)體過程數(shù)值模擬

本節(jié)對(duì)浮運(yùn)過程中第2個(gè)風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)進(jìn)行CFD數(shù)值模擬分析。河床地形見圖10。

圖10　河床地形圖(單位： m)

與第1個(gè)風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)不同，回旋區(qū)由于東側(cè)圍堰、江心洲、丁壩、航道疏浚、淤積和隧道基槽開挖等因素，使得河流流向和流速十分復(fù)雜。因此，對(duì)該處而言，要想獲取符合實(shí)際情況的水流阻力，必須考慮河床地形的復(fù)雜情況。考慮到MIKE軟件具有強(qiáng)大的地形導(dǎo)入功能，因此，本節(jié)采用MIKE流體計(jì)算軟件計(jì)算回旋區(qū)的水流流向和流速情況，再結(jié)合理論水流阻力計(jì)算公式計(jì)算管段所受到的水流阻力作用。而按照《港口工程荷載規(guī)范》[13]，水流阻力的計(jì)算公式為

(6)

式中： Cw為水阻力系數(shù)； ρ為水的密度，取1t/m3； v為水流速度，m/s； A為迎流面積，m2； F為水流作用力，kN。

3.1水阻力系數(shù)率定

對(duì)于水流阻力計(jì)算公式中的水阻力系數(shù)Cw，本文采用Fluent數(shù)值模擬進(jìn)行率定。數(shù)值模擬考慮沉管管段與水流方向的不同角度，分為夾角 0°、22.5°、45°、67.5°和90°，計(jì)算最低設(shè)計(jì)浮運(yùn)水位(12.5m)及易出現(xiàn)洪水位(20m)考慮，計(jì)算流速取0.2、0.4、0.6m/s。圖11為流速0.6m/s、計(jì)算水位20m情況下的水壓力結(jié)果。

(a) 0°

(b) 22.5°

(c) 45°

(d) 67.5°

(e) 90°

Fig. 11Nephogramsofwaterpressuresunderdifferentanglesbetweensegmentandflowdirection(Pa)

由圖11可以看出，管段與水流方向夾角越大，管段上水壓力最大值越大，90°情況下最大水壓力為505 Pa，約為0°情況下最大水壓力的2倍。

提取管段上水流阻力大小，各工況水流阻力大小如表3所示。

表3　隧道管段水流阻力匯總

把數(shù)值模擬結(jié)果與水流阻力計(jì)算公式進(jìn)行率定，采用最小二乘法進(jìn)行擬合，得到適用于管段的水阻力系數(shù)Cw=1.82。

3.2回旋區(qū)流向和流速數(shù)值模擬分析

計(jì)算采用MIKE軟件和二次開發(fā)程序在考慮實(shí)際邊界條件的情況下以三維方式模擬非恒定流，分析流速流場。

當(dāng)模型建立后，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采用2015年6月3日的實(shí)測(cè)流速資料，模型上游流量和下游水位給定為2015年6月3日實(shí)測(cè)值5 780 m3/s和16.6 m，并考慮隧址下游丁壩缺口。通過將回旋區(qū)數(shù)值模擬結(jié)果與測(cè)量點(diǎn)實(shí)測(cè)結(jié)果比較，見圖12。結(jié)果顯示，隧址各測(cè)站的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值無論是流速還是流向均吻合良好，采用該模型能較好地預(yù)測(cè)隧址處的水流流速和流向。不同工況下流場計(jì)算結(jié)果見圖13—15。

藍(lán)色箭頭表示實(shí)測(cè)流速； 紅色箭頭表示數(shù)值模擬流速。

圖12回旋區(qū)流速、流向?qū)崪y(cè)值與計(jì)算值比較(單位： m/s)

Fig. 12Comparison between measured flow velocity and flow direction and calculated flow velocity and flow direction at segment turning area (m/s)

圖13　流速、流向彩圖(無沉管)(單位： m/s)

Fig. 13Nephogram of flow velocities and flow directions of the river (m/s)

圖14　流速、流向彩圖(縱斷面迎流)(單位： m/s)

Fig. 14Nephogram of flow velocities and flow directions during vertical section incident flowing (m/s)

圖15　流速、流向彩圖(橫斷面迎流)(單位： m/s)

Fig. 15Nephogram of flow velocities and flow directions during cross-section incident flowing (m/s)

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，水流流速和流向在隧址回旋區(qū)十分復(fù)雜。在江心洲和圍堰的影響下，河道寬度變窄，流速迅速增加，并且在圍堰外邊緣存在旋渦現(xiàn)象； 西汊由于下游老丁壩阻隔水流，水流經(jīng)江心洲基槽通往東汊主航道，并且在越過基槽后，河床變窄，流速進(jìn)一步增大； 而由于江心洲的擋水作用，江心洲后方水流流速較慢。

3.3水流阻力計(jì)算

采用MIKE軟件建立的河流河道模型能夠很好地預(yù)測(cè)隧址回旋區(qū)的水流流速和流向，結(jié)合采用經(jīng)數(shù)值模擬軟件率定后的水流阻力計(jì)算公式能夠較好地計(jì)算沉管隧道實(shí)際受到的水流阻力大小。以上游流量5 970 m3/s、水位16.5 m的工況為例，隧址處最大的流速為0.84 m/s，對(duì)應(yīng)的管段橫斷面迎流水流阻力為176 kN，縱斷面迎流水流阻力為674 kN。

4　結(jié)論與討論

本文采用Fluent和MIKE數(shù)值模擬軟件，模擬了南昌紅谷隧道浮運(yùn)過程中的2個(gè)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)，計(jì)算分析了沉管管段在不同施工階段、不同水流流向和流速情況下所受水流阻力大小，得到了以下結(jié)論：

1)由于橋墩及防撞箱對(duì)側(cè)向水流有一定阻擋作用，因此隨著沉管管段浮運(yùn)過南昌大橋，其作用在沉管上的水流阻力先變小后變大，并且流速對(duì)水流阻力影響很大。

2)依據(jù)實(shí)測(cè)的水流流向，經(jīng)計(jì)算，對(duì)于沉管管段浮運(yùn)過南昌大橋時(shí)，管段受橫向水流阻力較大，流速大時(shí)施工存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

3)采用數(shù)值模擬手段，對(duì)水流阻力計(jì)算公式中的水流阻力系數(shù)Cw進(jìn)行率定，使之適用于紅谷隧道浮運(yùn)工程。

4)采用MIKE計(jì)算軟件對(duì)整個(gè)浮運(yùn)航道進(jìn)行模擬，考慮實(shí)際疏浚后的河床地形，計(jì)算了不同水文條件下河道的流場，數(shù)值模擬結(jié)果表明，受河床地形影響，回旋區(qū)的水流流速十分復(fù)雜。

5)依據(jù)MIKE軟件的流速流向計(jì)算結(jié)果，結(jié)合采用Fluent數(shù)值模擬率定的規(guī)范經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，為管段在復(fù)雜周邊環(huán)境中水阻流力計(jì)算提供一套方法。

沉管管段在周邊存在控制性建筑或流場復(fù)雜的情況下浮運(yùn)往往存在很高的風(fēng)險(xiǎn)，獲取管段所受水流阻力大小對(duì)指導(dǎo)浮運(yùn)施工具有十分重要的意義。由于筆者精力有限，未能對(duì)更多的水文工況進(jìn)行分析，對(duì)施工過程的模擬也未進(jìn)一步細(xì)分，接下來還需進(jìn)行更全面的研究。

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Numerical Analysis of Characteristics of Water Resistance during Floating Transportation of Immersed Tunnel Segment and Flow Field of Segment Turning Area

HE Zhimin1, LI Jiufu1, LIU Huikang2, *, ZHANG Yucheng3, YU Xiaoqiang1

(1.NanchangMunicipalPublicGroup,Nanchang330000,Jiangxi,China; 2.GuangzhouMetroDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd.,Guangzhou510000,Guangdong,China; 3.GuangdongResearchInstituteofWaterResourcesandHydropower,Guangzhou510610,Guangdong,China)

For segment floating transportation, Nanchang Bridge and segment turning area are the key points for Honggu Immersed Tunnel in Nanchang. The characteristics of water resistance during floating transportation of the segment are analyzed by Fluent and MIKE fluid dynamics software, so as to guarantee the safe floating transportation. The characteristics of water resistance when the segment passes through Nanchang Bridge are obtained. The characteristics of water resistance at segment turning area are obtained by analyzing water resistance coefficientCwand the flow field under different hydrological conditions. The results can provide reference for water resistance calculation during floating transportation of immersed tunnel segment.

Honggu Immersed Tunnel; segment floating transportation; water resistance; numerical simalation

2016-05-19;

2016-08-16

何志敏(1964—)，男，福建光澤人，1984年畢業(yè)于江蘇工學(xué)院，修造專業(yè)，本科，工程師，現(xiàn)從事工程項(xiàng)目管理工作。E-mail: hezhimin88888@163.com。*通訊作者： 劉惠康， E-mail: 616075123@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.09.001

U 455.46

A

1672-741X(2016)09-1023-07