波浪作用下沉管管段沉放運動的試驗與數(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動特性和纜繩受力特性，有助于把握沉管的運動穩(wěn)定性和施工安全性。到目前為止，對海洋環(huán)境條件下沉管管段沉放運動的研究還很少?；诖?，本文開展了波浪作用下沉管管段沉放運動的試驗研究和數(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、的試驗研究，研究了規(guī)則波作用下管段的運動響應(yīng)特性和纜繩受力特性，分析了管段沉深和相關(guān)波要素對管段沉放過程中的運動響應(yīng)及纜繩受力的影響；討論了正向波作用下波浪與管段運動及纜繩張力之間的相位關(guān)系。試驗結(jié)果表明，管段沉深和波浪周期對管段的運動有較大的影響，特別當管段沉深較小時，管段的運動表現(xiàn)出強非線性特征；管段沉深較小的情形下，波高對管段的無量綱運動位移的影響較為明顯，且纜繩隨時間出現(xiàn)周期性的松弛狀態(tài)。試驗還對規(guī)則波和水流聯(lián)合作用下管段的運動

3、特征和纜繩受力特征進行了研究。對于正向波流聯(lián)合作用的情形，水流對管段的運動有很大的影響。在流力作用下，管段在水平、垂直方向和橫搖運動方向上均產(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。 本文對不規(guī)則波作用下沉管管段的沉放開展了試驗研究，研究了不規(guī)則波作用下管段的運動響應(yīng)特性和纜繩受力特性，分析了管段沉放過程中的運動響應(yīng)頻譜特征及管段沉深、波浪有效波高和譜峰周期對管段運動響應(yīng)和纜繩受力的影

4、響。根據(jù)試驗分析結(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應(yīng)的波頻運動外還作低頻運動；不同沉深的管段其橫蕩低頻運動均大于橫蕩波頻運動，而對于垂蕩運動，隨著管段沉深的增大，運動從以低頻運動為主逐漸過渡到以波頻運動為主；有效波高和譜峰周期越大，管段的運動響應(yīng)也越大；對應(yīng)于管段的運動響應(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、作用下沉管管段運動的頻域和時域數(shù)值計算模型。應(yīng)用基于三維分布源方法的頻域模型計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)。頻域計算對于反映線性系統(tǒng)的管段沉放運動是一個簡單而方便的方法；應(yīng)用基于有限水深條件下滿足自由面條件的時域格林函數(shù)建立了波浪對管段作用的時域內(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域運動方程，并采用四階Runge-Kutta方法求解，由此建立起管段運動的時域數(shù)值計算模型。時域模