動態沉管流場演變全過程分析

李高攀，尚召云 （中國電建市政建設集團有限公司，天津 300384）

1 引言

在沉管工程建設中，管段的沉放是一項十分關鍵的環節[1-2]。在管段沉放過程中，由于水流的流線處于動態變化之中，基槽內的流場會隨之發生改變[3]，進而影響基槽邊坡的穩定。下沉管段根據管道使用功能要求的不同，管段形狀也不同。輸水、輸油、輸氣管道常采用圓形截面，而交通隧道常采用矩形截面。在沉管法誕生初期，下沉管段斷面多采用圓形，如雪莉輸水隧洞（1894）采用的是直徑為2.8m的圓形鋼殼加磚砌的管段[4]，美國的波西隧道（1928）也是由12節直徑為11.3m的圓形混凝土管段連接而成[5]。波西隧道由于其圓形斷面、雙車道等特點，一度成為美國后來沉管法的楷模[6]。本文以引江濟淮工程沙潁河沉管工程為背景，圍繞管段沉放環節，分析管段沉放深度對基槽流場的影響，得到了管段沉放對基槽邊坡穩定性的影響規律。

2 工程概況

引江濟淮工程由長江引水，向淮河補水，是一項以供水為主，結合灌溉、航運、生態修復等功能的大型跨流域調水工程。引江濟淮工程阜陽供水工程輸水管道工程從加壓站施工至阜陽第四水廠，全長4.8km，起止樁號為0+047.5～4+867，設計流量7.74m3/s，采用壓力管道輸水，工作壓力為0.22Mpa，管材為PCCP管和壓力鋼管，管徑均為1800mm，采用雙管平行鋪設。根據設計要求，輸水管道穿越沙潁河段（樁號0+712.38～0+918.84）采用沉管法施工，沉管工程平面位置詳見圖1。

圖1 沙潁河沉管工程平面位置示意圖

3 管道沉放全過程模擬

3.1 管段沉放計算模型

沙潁河沉管工程的管道是用作輸水功能的，所以該管道較交通隧道直徑偏小。沙潁河沉管工程共布置A、B兩根直徑為1800mm鋼管（A管在上游、B管在下游），管道垂直于河道布置，兩管中心距離8m，管材為Q235B螺旋焊接鋼管，壁厚22mm，沉管軸線距離長212.62m，單根管道總重量約210.5噸。

利用FLUENT軟件，在基槽中進行管段沉放數值模擬試驗。基槽模型為沙潁河沉管工程基槽模型，河流長度取160m，水深10m，河床高30m，槽深6m，基槽邊坡坡比采用設計坡比1∶2.5，模型尺寸如圖2。進口流速設置為1m/s，水流方向從左往右流動。分別在A、B、C、D處設置監測點。其中，A點為順水坡坡肩，B點為順水坡坡腳，C點為逆水坡坡腳，D點為逆水坡坡肩。通過模擬管段沉放的全過程，可以將基槽流場的變化重演，從而得到管段沉放對基槽邊坡的影響規律。其中，管段沉放模擬的重要參數設置如表1。

圖2 管段沉放模型幾何示意圖

管段沉放模擬重要參數設置 表1

3.2 管段沉放試驗結果分析

3.2.1 單根管道沉放

本試驗分5種工況進行，分別是：①管段沉放前；②管段沉放至一半水深時；③管段沉放至河床底面；④管段沉放至基槽一半深度；⑤管段沉放至基槽底面。得到管段沉放至不同深度時的流速矢量圖，如圖3，動水壓力等值線圖，如圖4。

圖3 管段沉放至不同深度時的流速矢量圖

圖4 管段沉放至不同深度時的動壓等值線圖

從速度矢量圖可以看出，在管段沉放過程中，水流在流過順水坡坡頂時流速加快，隨后減小；在流過管段時，在管段上下兩側又突然加快，流過管段后流速又減小；經過逆水坡坡頂時又增加，隨后又減小流向下游。

通過觀察管段沉放過程中，基槽河流的速度分布云圖與動水壓力云圖，可以發現，基槽的最大動水壓力始終出現在順水坡坡頂。逆水坡坡頂的動水壓力產生了較為明顯的減小。基槽底部的動水壓力也隨著管段下沉深度的增加而減小。

提取基槽監測點的流速與動水壓力數據，得到監測點流速與動水壓力與下沉深度的變化曲線如圖5與圖6。

圖5 流速-下沉深度變化曲線

圖6 動水壓力-下沉深度變化曲線

通過觀察管段在下沉過程中的流速變化曲線，可以發現，基槽監測點的流速在隨著管段下沉深度的增加而逐漸減小。監測數據顯示，順水坡坡頂的流速在管段未沉放時為1.280m/s，在管段沉放至基槽底部時為1.220m/s，下降了約4.5%；逆水坡坡頂的流速在管段未沉放時為1.022m/s，在管段沉放至基槽底部時為 0.836m/s，下降了約 18.2%；順水坡坡腳的流速由0.407m/s下降為0.257m/s，下降了36.9%；逆水坡坡腳的流速由0.407m/s下降至0，下降了100%。

通過觀察管段在下沉過程中的動水壓力變化曲線，可以發現，基槽監測點的動水壓力在隨著管段下沉深度的增加而逐漸減小。監測數據顯示，沉放直徑1.8m管段的基槽，順水坡坡頂的動水壓力在管段未沉放時為858Pa，在管段沉放至基槽底部時為769.7Pa，下降了約10.3%；逆水坡坡頂的動水壓力在管段未沉放時為560.47Pa，在管段沉放至基槽底部時為342.09Pa，下降了約39.0%；順水坡坡腳的動水壓力由48.64Pa下降為42.76Pa，下降了12.1%；逆水坡坡腳的動水壓力由48.64Pa下降至0，下降了100%。

根據沙潁河施工段河底土樣的物理力學性能參數（見表2），采用理正邊坡計算工具對管段沉放至不同深度時的基槽邊坡進行安全系數計算，得到管段沉放至不同深度時的基槽邊坡安全系數見表3。

河床土體物理力學性能參數 表2

管段沉放至不同深度時的基槽邊坡安全系數 表3

綜上，管段沉放會削弱基槽接觸面的動水壓力，并且對逆水坡的動壓削弱作用比順水坡更強。由于施工段河流流速較小，管段直徑較小，導致管段沉放時的基槽邊坡安全系數與管段未沉放時的邊坡安全系數基本沒有差別，差距控制在0.001以內。從表2可以看出，隨著管段下沉深度的增加，基槽邊坡的安全系數在以0.001的微弱趨勢增大，因此，管段的沉放不會造成基槽邊坡的失穩，在一定程度上增加了基槽邊坡的穩定性。

3.2.2 第二根管道沉放

采用同樣建模方法，建立第二根輸水管道模型，稱為②號管。在第一根管道已經沉放至基槽底部的情況下，對第二根管道進行數值模擬沉放試驗，第二根管道沉放試驗結果如圖7，圖8所示。

圖7 ②號管沉放至不同深度時的流速矢量圖

圖8 ②號管沉放至不同深度時的動壓等值線圖

通過觀察②號管沉放過程中的基槽河流流速矢量圖可以發現，管段周身的流速在隨著管段下沉深度的增加而減小，而基槽的坡面水流基本不受管段沉放的影響。從基槽的動水壓力等值線圖可以看出，基槽的動水壓力高壓區始終出現在順水坡坡頂，且順水坡坡頂的動水壓力受②號管下沉的影響較小，動水壓力數值變化幅度在±10 Pa以內。

提取基槽監測點的動水壓力數據，比較第一根管道與第二根管道下沉時的基槽監測點動水壓力數據，得到動水壓力關于下沉深度的曲線如圖9。

圖9 兩根管道下沉過程中的動水壓力-下沉深度變化曲線

通過比較①、②兩根管道在沉放過程中的基槽監測點動水壓力數據可以發現，第二根管道（②號管）沉放時基槽監測點的動水壓力均小于第一根管道下沉時的數值。其中，順水坡坡頂的動水壓力數值在②號管未沉放時減小了約10.2%，在管道沉放至基槽底部是減小了約6.4%；逆水坡坡頂的動水壓力數值在②號管未沉放時減小了約38.9%，在管道沉放至基槽底部是減小了約29.8%。

綜上，第二根管道的沉放會使得基槽坡面靜水壓力進一步減小，基槽邊坡在管段沉放過程中進一步趨向穩定，多根管段的沉放不會造成基槽邊坡的失穩。

4 結論

本文以阜陽供水工程沙潁河沉管工程為背景，對管道的沉放過程進行了數值模擬反演，對管道沉放過程中基槽流場的變化進行了分析，研究了管道沉放對流場及基槽邊坡穩定性的影響，得到了以下結論。

①管段在沉放過程中，基槽內的最大動水壓力始終出現在順水坡坡頂，管段周身的流速與動水壓力略有增加，基槽耦合面的動水壓力在隨著管段下沉深度的增加而逐漸減小。

②管段的沉放不會造成基槽邊坡的失穩。不僅如此，管段沉放有利于基槽邊坡的穩定，尤其有利于逆水坡的穩定。

③在多根管道沉放的情況下，后沉放的管道將導致基槽坡面動水壓力進一步減小。因此，多根管道的沉放不會造成基槽邊坡的失穩。