波浪作用下沉管隧道管段不同沉放状态的水动力特性研究

With the growths of economic strength and the progress in engineering technology, the subsea traffic tunnel project in China has entered the cross-strait era. This research project is an applied fundamental research on the safety of the subsea tube tunnel section being immersed in the marine environment. And it can provide a theoretical analysis method and technical support for the cross-strait tunnel projects under construction or in planning. Also, it can promote the technological progress of immersed tube tunnel construction. The main research contents of the project are (1) The effect of the mooring float body on the motion responses of tube tunnel section in different stages of submergence. (2) The mechanical performance of suspension cable in continuous immersing stage. (3) The control method on motion response and cable tension of tube tunnel section for its safety submergence..Through this research，we expect to establish a three-dimensional time-domain numerical model on the system of mooring float body, suspension cables and tube section. And a physical model test technique can be developed for immersed tube section under wave action. Based on the observations of experimental phenomena and the comprehensive analysis of numerical calculation and experimental results, we can obtain the dynamic variation on the motion responses of tunnel section and the cable tensions in immersion. An optimized program can be produced to control the motion amplitude and the cable tension of tunnel section in the marine environment.

随着我国经济实力的增长和工程技术的进步，我国水下交通隧道工程已步入穿越海峡的时代。本项目是研究海洋环境条件下保证海底沉管隧道管段安全沉放的基础性工作，可为我国在建和规划中的跨海隧道工程建设提供理论分析方法和技术支持，推动我国跨海通道工程的技术进步。项目主要研究内容有（1）系泊浮体运动对不同沉放状态的沉管管段运动特性的影响；（2）沉管管段连续沉放过程的吊挂缆绳受力特性；（3）沉放过程中沉管管段运动幅值和缆绳受力的控制方法。预期通过本课题的研究，建立起系泊浮体-吊挂缆绳-沉管隧道管段组合体系的三维时域数学模型，研发出波浪作用下受系泊浮体运动影响的沉管隧道管段运动响应的物理模拟试验技术。基于数值计算结果和试验结果及现象的综合分析，获得沉管管段在沉放过程中的运动和缆绳受力的动态变化过程，以及在海洋环境下控制沉管管段的运动幅值和缆绳受力等的优化方案。

海洋环境下沉管管段的沉放过程涉及到波流与多浮体（沉放驳、沉管管段）和多缆绳（沉放吊缆、锚泊定位缆）所组成的复杂系统的相互作用，研究波浪作用下不同沉放状态的沉管管段和浮驳的运动响应、缆绳张力等特性是多浮体耦合力学中具有挑战性的难题。已有研究大多对多浮体系统进行了简化，忽略了沉放驳的作用。本项目开展了波浪作用下沉管-驳船系统的时域运动响应特性试验研究，波浪作用下沉管-驳船系统的时域运动响应数值模型研究，沉放过程中沉管管段运动幅值和缆绳张力的控制方法研究等，取得如下主要成果。.（1）建立了波浪作用下驳船-沉管系统运动响应的三维时域数值模型。浮体波浪力应用边界元方法求解满足自由面条件的时域格林函数的时域内积分方程，吊缆张力根据实际吊缆的受力-变形关系由Wilson公式计算，系泊浮体与沉管管段的锚碇缆力采用迭代算法数值求解基于集中质量法的锚链力控制方程，应用四阶龙格－库塔方法求解系泊浮体的时域运动方程。.（2）实现了波浪作用下受系泊浮体运动影响的沉管管段运动响应的实验室物理模拟，应用双CCD非接触式多目标6自由度运动姿态测量系统，同步实时测得沉管模型、驳船模型的运动历时曲线。通过分析获得了沉管管段横荡运动中的高频横荡运动和低频横荡运动分量随波浪参数和驳船漂移运动参数变化的规律。.（3）采用物理模型试验和数值模拟相结合的方法，系统研究了波高、周期、潜深、负浮力等相关因素对沉管管段和浮驳的运动和动力响应的影响，提出了在海洋环境下控制沉管管段的运动幅值和缆绳张力的优化方案。.（4）系统研究了港珠澳大桥工程沉管沉放等待过程中的系泊布置方式，系泊缆绳长度、数目等对系泊缆绳张力的影响，优化了沉管沉放等待阶段的最佳系泊布置方式。提出了适宜沉放作业的负浮力和天气窗口，为实际工程建设提供了技术支撑。.本项目在波浪作用下复杂多浮体系统的运动和动力响应研究方面取得了重要进展，为解决复杂多浮体系统的运动和动力响应问题提供了计算方法和验证基础数据，为我国正在建设和规划建设的跨海隧道工程中有关沉管管段沉放和系泊安全提供了理论依据和技术支持。研究成果已发表在有影响力的国际学术期刊如Ocean Engineering、Inter. Journal of Offshore and Polar Engineering、Coastal Engineering Journal等。