波浪作用下沉管管段沉放運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)與數(shù)值研究.pdf

1、海洋環(huán)境條件下，大型沉管隧道管段的沉放是沉管隧道施工中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。海洋中的風(fēng)、浪、流作用將給管段的海上沉放施工帶來很大的困難，較差的海洋動(dòng)力環(huán)境條件將不利于管段的沉放施工作業(yè)。研究沉管管段沉放過程中的運(yùn)動(dòng)特性和纜繩受力特性，有助于把握沉管的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和施工安全性。到目前為止，對(duì)海洋環(huán)境條件下沉管管段沉放運(yùn)動(dòng)的研究還很少。基于此，本文開展了波浪作用下沉管管段沉放運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究。 本文開展了規(guī)則波作用下沉管管段沉放

2、的試驗(yàn)研究，研究了規(guī)則波作用下管段的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性和纜繩受力特性，分析了管段沉深和相關(guān)波要素對(duì)管段沉放過程中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及纜繩受力的影響；討論了正向波作用下波浪與管段運(yùn)動(dòng)及纜繩張力之間的相位關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，管段沉深和波浪周期對(duì)管段的運(yùn)動(dòng)有較大的影響，特別當(dāng)管段沉深較小時(shí)，管段的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出強(qiáng)非線性特征；管段沉深較小的情形下，波高對(duì)管段的無量綱運(yùn)動(dòng)位移的影響較為明顯，且纜繩隨時(shí)間出現(xiàn)周期性的松弛狀態(tài)。試驗(yàn)還對(duì)規(guī)則波和水流聯(lián)合作用下管段的運(yùn)動(dòng)

3、特征和纜繩受力特征進(jìn)行了研究。對(duì)于正向波流聯(lián)合作用的情形，水流對(duì)管段的運(yùn)動(dòng)有很大的影響。在流力作用下，管段在水平、垂直方向和橫搖運(yùn)動(dòng)方向上均產(chǎn)生一定的偏移，偏移量的大小與水流流速的大小有關(guān)；纜繩的張力隨波高和流速的增大而增大。 本文對(duì)不規(guī)則波作用下沉管管段的沉放開展了試驗(yàn)研究，研究了不規(guī)則波作用下管段的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性和纜繩受力特性，分析了管段沉放過程中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)頻譜特征及管段沉深、波浪有效波高和譜峰周期對(duì)管段運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和纜繩受力的影

4、響。根據(jù)試驗(yàn)分析結(jié)果，不規(guī)則波作用下，管段除了產(chǎn)生與波浪譜峰周期對(duì)應(yīng)的波頻運(yùn)動(dòng)外還作低頻運(yùn)動(dòng)；不同沉深的管段其橫蕩低頻運(yùn)動(dòng)均大于橫蕩波頻運(yùn)動(dòng)，而對(duì)于垂蕩運(yùn)動(dòng)，隨著管段沉深的增大，運(yùn)動(dòng)從以低頻運(yùn)動(dòng)為主逐漸過渡到以波頻運(yùn)動(dòng)為主；有效波高和譜峰周期越大，管段的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)也越大；對(duì)應(yīng)于管段的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，纜繩張力頻譜同樣存在波頻譜峰和低頻譜峰，并且在管段沉深較小、波浪有效波高較大和譜峰周期較大的情形下，纜繩的張力相應(yīng)地大。 本文分別建立了波浪

5、作用下沉管管段運(yùn)動(dòng)的頻域和時(shí)域數(shù)值計(jì)算模型。應(yīng)用基于三維分布源方法的頻域模型計(jì)算分析了波浪作用下管段處于不同沉放階段的波浪荷載及頻域響應(yīng)。頻域計(jì)算對(duì)于反映線性系統(tǒng)的管段沉放運(yùn)動(dòng)是一個(gè)簡(jiǎn)單而方便的方法；應(yīng)用基于有限水深條件下滿足自由面條件的時(shí)域格林函數(shù)建立了波浪對(duì)管段作用的時(shí)域內(nèi)的積分方程，并采用邊界元方法求解，應(yīng)用牛頓第二定律建立了管段的時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程，并采用四階Runge-Kutta方法求解，由此建立起管段運(yùn)動(dòng)的時(shí)域數(shù)值計(jì)算模型。時(shí)域模