左衛(wèi)廣， 王永學(xué)

(大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點實驗室， 大連 116024)

單駁船橫蕩運動對沉管管段橫蕩運動特性影響的試驗研究

左衛(wèi)廣， 王永學(xué)

(大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點實驗室， 大連 116024)

通過物理模型試驗，探討了在波浪條件下，系泊單駁船橫蕩運動對沉管管段橫蕩運動的影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)考慮駁船橫蕩運動后的沉管橫蕩運動與忽略駁船運動的沉管橫蕩運動相比，兩者存在明顯不同。比較了考慮單駁船橫蕩運動后的沉管橫蕩運動與單駁船橫蕩運動之間的相關(guān)性，并探討了不同波浪周期，波高和沉管沉放深度情形下沉管和單駁船橫蕩運動特性。

沉管；橫蕩運動；低頻運動；波頻運動；單駁船

0 引言

海底隧道施工方法包括“盾構(gòu)法”和“沉管法”兩種?！俺凉芊ā庇捎诰哂锌偣こ塘啃?、工期短、工程造價低、可以交叉作業(yè)縮短工期等優(yōu)點而被廣泛使用。國內(nèi)外對沉管隧道的管段接頭防水、基礎(chǔ)處理和沉管結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)等方面的研究較多[1-3]，而對沉管沉放過程中沉管動力響應(yīng)研究較少。

周瑜[4,5]建立了沉管管段處于浸沒狀態(tài)時的數(shù)學(xué)模型，并計算其頻域運動響應(yīng)，試驗研究了沉管在不同沉放深度的纜繩纜力。高衛(wèi)平等[6]對管段浮運與沉放過程進行了初步力學(xué)分析，建立了管段沉放的靜力學(xué)模型，并用來分析作用在纜繩上的張力以及它們之間的相互作用關(guān)系。陳智杰[7]建立了沉管管段沉放運動的頻域和時域數(shù)學(xué)模型，數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗結(jié)果吻合較好。

上述研究成果均忽略了海上駁船運動，而在實際工程中，不僅沉管受到波浪的作用，駁船同樣受到波浪的作用，駁船運動對沉管運動也有影響。該文通過物理模型試驗，研究了在波浪作用下，單駁船橫蕩運動和波浪聯(lián)合作用對沉管橫蕩運動特性的影響。

1 試驗設(shè)計

單駁船進行沉管管段沉放的物理模型試驗在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室的海洋環(huán)境水槽中進行，水槽尺寸為50.0 m×3.0 m×1.0 m(長×寬×高)，模型布置如圖1所示。

沉管管段模型長2 m，寬0.3 m，高0.2 m，管段模型用有機玻璃和混凝土材料制成，試驗的管段模型重量為1 200.5 N，模型完全浸入水中受到的浮力為1 176.0 N。駁船模型由有機玻璃制成，長寬高分別為1.0 m，0.16 m和0.16 m。駁船重量為156.8 N，吃水為0.1 m。駁船系泊系統(tǒng)由四根鋼鏈與水槽底部相連，每根鋼鏈的下端點串聯(lián)一根彈簧(彈性系數(shù)為1.34 N/mm)來模擬系泊錨鏈的變形。

波浪采用正向規(guī)則波，試驗的水深，波高，周期和沉管沉放深度等參數(shù)見表1。

模型試驗中的沉管管段通過四根吊纜連接到駁船，吊纜材料為鋼纜繩，對于一定的沉深，采用串聯(lián)彈簧來模擬其變形。對于不同的沉放深度，采用彈性系數(shù)不同的彈簧來模擬吊纜剛度的改變。沉管不同沉放深度對應(yīng)的彈簧彈性系數(shù)見表2。

表2 不同沉放深度下的彈簧彈性系數(shù)

物理模型試驗主要研究考慮水面單駁船橫蕩運動情況下，沉管管段模型在波浪中的運動響應(yīng)特性。因此，準確地采集單駁船和沉管管段模型運動的試驗數(shù)據(jù)對模型試驗結(jié)果有重大影響。同時，由于沉管管段模型處于水下，需要在不影響其運動的前提下對管段模型運動進行數(shù)據(jù)采集。綜合以上因素，模型試驗采用非接觸式運動姿態(tài)測量系統(tǒng) (Untouched 6-D Measurement System)來采集沉管管段模型和單駁船的運動響應(yīng)數(shù)據(jù)。非接觸式運動姿態(tài)測量系統(tǒng)是由光學(xué)、機械、電子線路等硬件控制系統(tǒng)以及軟件圖形分析系統(tǒng)組成的一種測試測量設(shè)備，其主要用于對目標物體六個自由度的運動姿態(tài)進行測量?；诳梢暬瘻y量原理，以數(shù)字圖像處理技術(shù)為核心，通過“光線的聚焦”來對目標體進行定位與測量，因此使用時無需在目標物上布置陀螺儀、位移傳感器等直接用于運動測量方面的傳感器，具有無干擾、精度高、便于操作等特點。該系統(tǒng)平移誤差約為0.2%，旋轉(zhuǎn)誤差約為1.2%。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 單駁船與沉管橫蕩運動相關(guān)性分析

為探討單駁船運動對沉管橫蕩運動的影響，首先須對忽略駁船運動與考慮駁船運動情形的沉管橫蕩運動時間過程線和譜分析結(jié)果進行比較。圖2為H=5cm,T=0.85s,d=30cm，忽略駁船運動與考慮駁船運動情形下沉管橫蕩運動時間過程線和譜分析結(jié)果。

圖2 忽略與考慮駁船運動的沉管橫蕩運動時間過程線和譜分析結(jié)果(H=5 cm,T=0.85 s, d=30 cm)

由圖2的沉管橫蕩運動時間過程線和譜分析結(jié)果可知，在該工況下，忽略單駁船運動情形和考慮單駁船運動情形的沉管橫蕩運動可認為是兩種運動方式的組合。一種是頻率為1.18Hz的高頻運動，該運動頻率與波浪頻率一致，稱為波頻運動；另外一種是頻率比波浪頻率小很多的運動，稱為低頻運動。由圖2(a)的譜分析結(jié)果可知，忽略單駁船運動的沉管橫蕩低頻運動頻率為0.1Hz，忽略單駁船情形下沉管橫蕩波頻運動幅值為6.31mm，沉管橫蕩低頻運動幅值為17.20mm。由圖2(b)的譜分析結(jié)果可知，考慮單駁船運動情形，沉管橫蕩波頻運動頻率為1.18Hz，沉管橫蕩低頻運動頻率為0.045Hz；同時單駁船本身的橫蕩運動也包含波頻運動和低頻運動兩種運動方式，波頻運動和低頻運動頻率分別為1.18Hz和0.045Hz，與沉管橫蕩波頻運動和低頻運動頻率相同?？紤]單駁船運動情形下沉管波頻運動幅值為6.14mm，與忽略駁船運動的沉管橫蕩波頻運動幅值6.31mm接近，說明考慮駁船運動情形，盡管駁船橫蕩波頻運動幅值達到42.11mm，但對沉管橫蕩波頻運動影響很小?？紤]單駁船運動情形下沉管和駁船低頻運動幅值分別為40.54mm和35.22mm，兩者運動幅值較為接近，可以認為在考慮駁船運動情形下沉管橫蕩低頻運動主要由駁船橫蕩低頻運動引起。同時，在圖2(b)中，比較沉管和單駁船橫蕩運動時間過程線發(fā)現(xiàn)，沉管橫蕩運動與駁船橫蕩運動是同步的。

圖3為H=3cm,T=0.85s,d=30cm，忽略駁船運動與考慮駁船運動情形下沉管橫蕩運動時間過程線和譜分析結(jié)果，圖3工況中波高H為3cm，波浪周期、沉深與圖2工況相同。

圖3 忽略與考慮單駁船運動的沉管橫蕩運動時間過程線和譜分析結(jié)果(H=3 cm, T=0.85 s, d=30 cm)

由圖3(a)的譜分析結(jié)果可知，忽略單駁船情形下沉管橫蕩低頻運動頻率為0.1Hz，忽略單駁船情形下沉管橫蕩波頻運動幅值為2.60mm，沉管橫蕩低頻運動幅值為8.20mm。與圖2(a)的工況相比較，波高減小時，忽略單駁船運動情形的沉管橫蕩低頻運動的頻率不變、幅值減小。由圖3(b)的譜分析結(jié)果可知，考慮單駁船運動情形，沉管橫蕩波頻運動頻率為1.18Hz，沉管橫蕩低頻運動頻率為0.045Hz，同樣，單駁船本身的橫蕩波頻運動和低頻運動頻率分別為1.18Hz和0.045Hz，與沉管橫蕩波頻運動和低頻運動頻率相同?？紤]單駁船運動情形下的沉管波頻運動幅值為3.31mm，與忽略駁船運動的沉管橫蕩波頻運動幅值2.60mm接近，說明盡管駁船橫蕩波頻運動幅值達到24.60mm，但對沉管橫蕩波頻運動的影響很小。考慮單駁船運動情形下沉管和駁船低頻運動幅值分別為14.51mm和13.75mm，兩者運動幅值較為接近。與圖2(b)的工況相比較，波高減小時，考慮駁船運動情形的沉管橫蕩低頻運動主要由駁船橫蕩低頻運動引起，沉管橫蕩低頻運動的幅值減小。

圖4為H=5cm,T=1.1s,d=30cm，忽略駁船運動與考慮駁船運動情形下沉管橫蕩運動時間過程線和譜分析結(jié)果，圖4工況中的波浪周期T為1.1s，波高、沉深與圖2工況相同。

圖4 忽略與考慮單駁船運動的沉管橫蕩運動時間過程線和譜分析結(jié)果(H=5 cm, T=1.1 s, d=30 cm)

由圖4(a)的譜分析結(jié)果可知，忽略單駁船情形下沉管橫蕩波頻運動和低頻運動頻率分別為0.91Hz和0.1Hz，忽略單駁船情形的沉管橫蕩波頻運動幅值為16.02mm，沉管橫蕩低頻運動幅值為11.89mm。與圖2(a)的工況相比較，周期增大時，忽略單駁船運動情形的沉管橫蕩波頻運動幅值增加，低頻運動幅值減小。由圖4(b)的譜分析結(jié)果可知，考慮單駁船運動情形，沉管橫蕩波頻運動頻率為0.91Hz，沉管橫蕩低頻運動頻率為0.045Hz，同時，單駁船橫蕩波頻運動和低頻運動頻率分別為0.91Hz和0.045Hz，與沉管橫蕩波頻運動和低頻運動頻率相同?？紤]單駁船運動情形下沉管波頻運動幅值為12.94mm，與忽略駁船運動的沉管橫蕩波頻運動幅值11.89mm接近，說明盡管駁船橫蕩波頻運動幅值達到49.29mm，但對沉管橫蕩波頻運動的影響很小。考慮單駁船運動情形的沉管和駁船低頻運動幅值分別為13.22mm和12.94mm，兩者運動幅值較為接近。與圖2(b)的工況相比較，周期增大時，考慮駁船運動情形下沉管橫蕩低頻運動主要由駁船橫蕩低頻運動引起，沉管橫蕩低頻運動的幅值減小。

由圖2～圖4的分析可知，當沉管沉放深度固定時，沉管橫蕩低頻運動頻率是不變的，與波浪周期和波高無關(guān)。不同沉放深度情形下沉管橫蕩低頻運動頻率見表3。

表3 不同沉放深度下沉管橫蕩低頻運動頻率

由表3可知，d=20cm與d=40cm的沉管橫蕩低頻運動頻率較為接近，而d=30cm時沉管橫蕩低頻運動頻率較大。

2.2 單駁船與沉管橫蕩運動幅值

不同波高、周期和沉放深度情形下，沉管和單駁船橫蕩波頻運動幅值曲線如圖5所示。

圖5 不同波浪條件和沉管沉放深度情形下沉管和駁船橫蕩波頻運動幅值

由圖5(a)、圖5(b)可知，沉管橫蕩波頻運動幅值隨波浪周期和波高的增加而增加，隨沉管沉放深度的增加而減小。當沉管沉放深度不變時，作用在沉管上的波能隨波浪周期和波高的增加而增加，沉管橫蕩波頻運動幅值也相應(yīng)變大。當波浪條件不變時，作用在沉管上的波能隨沉管沉放深度增加而減弱，沉管橫蕩波頻運動幅值也相應(yīng)減小。由圖5(c)、圖5(d)可知，單駁船橫蕩波頻運動幅值隨波浪周期和波高的增加而增加，而與沉管沉放深度關(guān)系不大。這是由于駁船橫蕩波頻運動主要受波浪影響，且駁船始終位于水面，故駁船橫蕩波頻運動隨沉管沉放深度的增加而變化不大。

不同波高、周期和沉放深度情形下沉管和單駁船橫蕩低頻運動幅值如圖6所示。

由圖6可知，沉管橫蕩低頻運動幅值與單駁船橫蕩低頻運動幅值非常接近，兩者都隨著波高的增加而增加，隨著波浪周期的增加而減小。當d=20cm時，沉管和單駁船橫蕩低頻運動幅值最大，d=40cm時沉管和單駁船橫蕩低頻運動幅值要稍大于d=30cm時沉管和單駁船橫蕩低頻運動幅值。

圖6 不同波浪條件和沉管沉放深度情形下沉管和駁船橫蕩低頻運動幅值

3 結(jié)論

該文通過物理模型試驗，研究了單駁船進行沉管管段沉放情形下，受不同波浪條件影響的沉管橫蕩運動。通過對沉管和單駁船橫蕩運動的分析，得到以下結(jié)論：

(1) 沉管和駁船橫蕩運動均由波頻運動和低頻運動組成，沉管橫蕩運動的相位與駁船橫蕩運動的相位一致。

(2) 單駁船的橫蕩波頻運動對沉管橫蕩波頻運動影響很小，沉管橫蕩波頻運動幅值可近似取忽略駁船運動的橫蕩波頻運動幅值。沉管橫蕩波頻運動幅值隨著波浪周期和波高的增加而增加，隨沉管沉放深度的增加而減小。

(3) 沉管橫蕩低頻運動幅值主要受單駁船橫蕩低頻運動的影響，沉管橫蕩低頻運動幅值可近似取單駁船運動的橫蕩低頻運動幅值。兩者都隨波高的增加而增加，隨波浪周期的增加而減小。

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[2] Ingerslev C, Kiyomiya O. Earthquake analysis, immersed, and floating tunnels[J]. Working Group Report, ITA, 1997, 2(2):76-80.

[3] Kiyomiya O. Earthquake-resistant design features of immersed tunnels in Japan[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 1995, 10(4):463-475.

[4] ZHOU Yu, TAN Jia-hua, YANG Jian-min, et al. Experimental investigation on element immersing process of immersed tube tunnel[J]. China Ocean Engineering, 2001, 15(4):531-540.

[5] 周瑜.大型沉管隧道管段水上施工問題研究[D].上海:上海交通大學(xué),2001.

[6] 張慶賀,高衛(wèi)平.沉管隧道施工階段不同工況的受力性態(tài)研究[J].工程力學(xué),2003(A1).301-305.

[7] 陳智杰.波浪作用下沉管管段沉放運動的試驗與數(shù)值研究[D].大連:大連理工大學(xué),2009.

[8] 左衛(wèi)廣,王永學(xué).駁船升沉運動和波浪聯(lián)合作用對沉管管段運動特性的影響[J].水道港口,2013,34(2):99-105.

Experimental Investigation on Motion Responses of Tunnel Element Immerging by Single Barge in Sway Direction

ZUO Wei-guang, WANG Yong-xue

(State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024,China)

Physical model experiment is used to investigate single barge effect on tunnel element in the sway direction under waves. The results show that it is obviously different for tunnel element motions in the sway direction between without and with barge. It is compared with correlativity between sway motions of the barge and tunnel element with single barge. At last, sway motion characteristics of the barge and tunnel element with single barge under different amplitudes, periods and immersed depths are analyzed.

tunnel element; sway motion; low frequency motion; wave frequency motion; barge

2015-02-12

國家自然基金(11272079)，國家自然科學(xué)創(chuàng)新研究群體基金(51221961)。

左衛(wèi)廣(1981-)，男，博士研究生。

1001-4500(2015)02-0057-06

P751

A