沉管隧道管段浮运中的水流阻力性能及其在回旋区转体的流速流场模拟分析

何志敏， 李九福， 刘惠康， 张玉成， 余小强

(1. 南昌市政公用投资控股有限责任公司， 江西 南昌　330000；2. 广州地铁设计研究院有限公司， 广东 广州　510000；3. 广东省水利水电科学研究院， 广东 广州　510610)



沉管隧道管段浮运中的水流阻力性能及其在回旋区转体的流速流场模拟分析

何志敏1， 李九福1， 刘惠康2,*， 张玉成3， 余小强1

(1. 南昌市政公用投资控股有限责任公司， 江西 南昌330000；2. 广州地铁设计研究院有限公司， 广东 广州510000；3. 广东省水利水电科学研究院， 广东 广州510610)

南昌红谷隧道沉管浮运过程存在2个关键的风险控制点，分别为浮运过南昌大桥及回旋区转体，在这2处水流流向及流速复杂，浮运施工风险非常高。为校核浮运方案的合理性，需对管段浮运过程中水流阻力性能进行分析，以保证浮运安全。基于Fluent和MIKE流体计算软件，通过数值模拟的方法对沉管管段在2个关键风险控制点中所受水流阻力进行分析。对于管段浮运过南昌大桥过程，得到了管段所受水流阻力大小及其变化情况； 对于回旋区转体过程，先对水阻力系数Cw进行率定使其适用于本工程，再通过数值模拟得到不同水文条件下的回旋区流场，两者结合得到管段所受水流阻力大小。以期为复杂边界条件下管段水流阻力计算提供一套方法，计算结果为隧道管段浮运方案的制定提供参考。

红谷沉管隧道； 管段浮运； 水流阻力； 数值模拟

0　引言

沉管法施工隧道与矿山法和盾构法相比具有众多优点，在国内外水底隧道工程中得到了广泛应用[1-3]。在沉管隧道发展的百年历史中，有很多关键技术问题得到了解决并不断地改进，如管段预制[3]、混凝土裂缝控制、基础处理以及管段接头处理[4]等。但是沉管隧道技术仍有一些需要继续改进的技术问题，如在浮运过程中管段的受力及稳定性等问题。

由于在施工过程中沉管隧道不仅受到河流、气象以及航道等自然因素的影响，还受到管段自身的浮重力、水流阻力、浮运设备及其布置方式等人为因素的影响[5-6]，因此，成功的浮运施工离不开天时地利人和。特别在浮运路线复杂且周边控制性建筑物多的情况下，为保证管段的成功浮运，需对隧道沉管管段浮运过程中的阻力性能及稳定性进行研究。

目前对沉管管段浮运施工的研究主要采取数值模拟和试验2种方法。ZHANG Dexin等[7]对沉管管段在水面浮运及沉放过程进行了数值模拟； 蒋龙皎[8]通过数值模拟的方法，模拟隧道沉管在浅水航道中浮运时的阻力情况； 周敏[9]利用模型试验的方法，进行缩尺比例的模型实验，然后通过相似理论把模型实验结果换算到实际沉管，得到实际沉管的受力规律； 罗甜[10]通过模型试验，获得管段静水拖曳的阻力系数以及风浪流复杂因素影响下的浮运拖航缆力。以往的学者对管段浮运施工的研究大多集中在简单水文条件情况下的分析，而对于周边复杂环境引起的复杂水文条件下管段浮运施工研究较少，因此有必要针对项目的特点进行针对性的研究。

本研究依托南昌红谷沉管隧道浮运施工项目，基于RNGκ-ε紊流模型[11-12]，采用Fluent计算流体力学数值模拟软件，对该项目浮运施工中的2个关键节点进行模拟分析，计算沉管结构在这2个关键节点的受力情况，并对阻力系数进行率定； 同时，采用MIKE流体计算软件，在实际河床地形的情况下，对浮运航道的流速流场进行模拟，以便于采用理论公式进行水流阻力计算。

1　工程概况

红谷隧道工程位于南昌大桥和八一大桥之间，距南昌大桥约1.4 km，距八一大桥约2.3 km，连接红谷滩新区与老城区。红谷隧道采用沉管法施工，隧道由12节管段拼接而成，这些管段有的长达115 m，宽30 m，高8.3 m。管段从上游干坞浮运至隧址，先后需经过生米、朝阳和南昌3座大桥，最终在隧址回旋区进行转体后沉放，浮运长度8 871 m，浮运线路见图1。管段浮运不仅距离远，而且面临穿越桥梁时净空小、可能碰撞桥梁等高风险挑战，因此精准控制管段浮运过程的姿态至关重要。

图1　浮运线路图

沉管浮运过程存在2个高风险控制点：

1)第1个风险控制点为管段浮运过南昌大桥。南昌大桥净跨仅81.8 m，扣除防撞设施后净距仅为63.4 m，拖船可操作空间小且该处实测水流流向与拖运方向不一致，存在侧向水流阻力，质量达2.8万t的管段一旦碰撞上桥墩，其后果非常严重，见图2。该处采用5艘4 000 HP港作拖轮对沉管进行拖航，拖轮布置方式见图3。

图2　沉管浮运过南昌大桥示意图(风险控制点1)(单位： m)

Fig. 2Diagram of segment passes through Nanchang Bridge (risk control point No. 1) (m)

图3　沉管浮运过南昌大桥拖轮布置方式示意图

Fig. 3Arrangement of tugboats when segment passes through Nanchang Bridge

2)第2个风险控制点为在隧址回旋区进行的管段转体。回旋区离东岸围堰最近点仅25 m，拖轮在回旋区可操作的空间较小。另外东岸围堰施工缩短了隧址河道宽度，将加大河道水流速度，且管段在回旋区转体过程中将会出现纵断面迎流的情况。该处采用5艘4 000 HP港作拖轮配合2个质量为170 t的锚块和1个80 t垫块对管段进行转体，拖航步骤见图4。

图4　沉管于隧址回旋区转体示意图(风险控制点2)

Fig. 4Diagram of segment turning around (risk control point No. 2)

2　沉管浮运过南昌大桥过程数值模拟

对浮运过程中第1个风险控制点采用Fluent软件进行CFD数值模拟分析，管段模型按尺寸最大的管段考虑，即115 m×30 m×8.3 m(长×宽×高)。

2.1计算工况

依据现场实测水流的流速和流向，结合实际施工过程，制定出计算工况，如表1所示。

表1　计算节点及计算工况一览表

计算几何模型见图5。

(a) 未过桥

(b) 过桥1/2

(c) 完全过桥

2.2控制方程

本文运用数值仿真软件Fluent中CFD方法为处理工具，选用的紊流模型为V. Yakhot等[11-12]于重整化群理论提出的RNGκ-ε紊流模型，具体方程如下。

连续性方程

ρu=0。

(1)

动量方程

。

(2)

动能方程

(3)

耗散方程

(4)

其中，

(5)

式中： ρ为流体密度； t为时间； u为速度场； F为高斯随机力； k为动能； ε为耗散率； l为紊流长度； μ为无衰减湍流动力学黏度； μT为涡流黏滞系数； I为湍流强度； Re为雷诺数； σk、σε、Ce1、Ce2均为系数。

2.3边界条件

考虑该处距离岸边线尚有一定距离，且河床较为平整，故采用理想模型，认为河床为同一标高。边界河流表面为自由水面，设定为开边界，模型左右边界设为对称边界，模型上游边界为速度入口边界，模型下游边界为自由流出边界。河流河床外围边壁、管段外壁等均为固壁，所有固壁处的节点为无滑移条件。沿水流方向取计算域500m，河宽方向取计算域240m，管段浮运干舷值取0.3m。

2.4计算结果与分析

由于篇幅原因，以下仅列出过桥1/2工况的计算结果，如图6—9所示。

图6　流速云图(单位： m/s)

图7　速度矢量图(单位： m/s)

图8　水压力云图(单位： Pa)

图9　管段表面水压力云图(单位： Pa)

表2为管段浮运过南昌大桥时各工况下所受水流阻力汇总。实测南昌大桥段水流流向与航道方向存在夹角，在15～20°范围内，与计算工况基本一致。从数值模拟的结果可以看出，横向水流阻力远大于纵向水流阻力，且横向水流阻力不仅会使管段平移，还会使管段产生旋转运动。通过计算，可以校核浮运方案中拖轮所提供的横向拖力能否满足要求，给设计单位和施工单位在管段浮运过南昌大桥设计施工中提供参考。

表2　管段浮运过南昌大桥过程水流阻力汇总

3　沉管隧址回旋区转体过程数值模拟

本节对浮运过程中第2个风险控制点进行CFD数值模拟分析。河床地形见图10。

图10　河床地形图(单位： m)

与第1个风险控制点不同，回旋区由于东侧围堰、江心洲、丁坝、航道疏浚、淤积和隧道基槽开挖等因素，使得河流流向和流速十分复杂。因此，对该处而言，要想获取符合实际情况的水流阻力，必须考虑河床地形的复杂情况。考虑到MIKE软件具有强大的地形导入功能，因此，本节采用MIKE流体计算软件计算回旋区的水流流向和流速情况，再结合理论水流阻力计算公式计算管段所受到的水流阻力作用。而按照《港口工程荷载规范》[13]，水流阻力的计算公式为

(6)

式中： Cw为水阻力系数； ρ为水的密度，取1t/m3； v为水流速度，m/s； A为迎流面积，m2； F为水流作用力，kN。

3.1水阻力系数率定

对于水流阻力计算公式中的水阻力系数Cw，本文采用Fluent数值模拟进行率定。数值模拟考虑沉管管段与水流方向的不同角度，分为夹角 0°、22.5°、45°、67.5°和90°，计算最低设计浮运水位(12.5m)及易出现洪水位(20m)考虑，计算流速取0.2、0.4、0.6m/s。图11为流速0.6m/s、计算水位20m情况下的水压力结果。

(a) 0°

(b) 22.5°

(c) 45°

(d) 67.5°

(e) 90°

Fig. 11Nephogramsofwaterpressuresunderdifferentanglesbetweensegmentandflowdirection(Pa)

由图11可以看出，管段与水流方向夹角越大，管段上水压力最大值越大，90°情况下最大水压力为505 Pa，约为0°情况下最大水压力的2倍。

提取管段上水流阻力大小，各工况水流阻力大小如表3所示。

表3　隧道管段水流阻力汇总

把数值模拟结果与水流阻力计算公式进行率定，采用最小二乘法进行拟合，得到适用于管段的水阻力系数Cw=1.82。

3.2回旋区流向和流速数值模拟分析

计算采用MIKE软件和二次开发程序在考虑实际边界条件的情况下以三维方式模拟非恒定流，分析流速流场。

当模型建立后，通过实测数据对模型参数进行率定。实测数据采用2015年6月3日的实测流速资料，模型上游流量和下游水位给定为2015年6月3日实测值5 780 m3/s和16.6 m，并考虑隧址下游丁坝缺口。通过将回旋区数值模拟结果与测量点实测结果比较，见图12。结果显示，隧址各测站的计算值与实测值无论是流速还是流向均吻合良好，采用该模型能较好地预测隧址处的水流流速和流向。不同工况下流场计算结果见图13—15。

蓝色箭头表示实测流速； 红色箭头表示数值模拟流速。

图12回旋区流速、流向实测值与计算值比较(单位： m/s)

Fig. 12Comparison between measured flow velocity and flow direction and calculated flow velocity and flow direction at segment turning area (m/s)

图13　流速、流向彩图(无沉管)(单位： m/s)

Fig. 13Nephogram of flow velocities and flow directions of the river (m/s)

图14　流速、流向彩图(纵断面迎流)(单位： m/s)

Fig. 14Nephogram of flow velocities and flow directions during vertical section incident flowing (m/s)

图15　流速、流向彩图(横断面迎流)(单位： m/s)

Fig. 15Nephogram of flow velocities and flow directions during cross-section incident flowing (m/s)

数值模拟结果显示，水流流速和流向在隧址回旋区十分复杂。在江心洲和围堰的影响下，河道宽度变窄，流速迅速增加，并且在围堰外边缘存在旋涡现象； 西汊由于下游老丁坝阻隔水流，水流经江心洲基槽通往东汊主航道，并且在越过基槽后，河床变窄，流速进一步增大； 而由于江心洲的挡水作用，江心洲后方水流流速较慢。

3.3水流阻力计算

采用MIKE软件建立的河流河道模型能够很好地预测隧址回旋区的水流流速和流向，结合采用经数值模拟软件率定后的水流阻力计算公式能够较好地计算沉管隧道实际受到的水流阻力大小。以上游流量5 970 m3/s、水位16.5 m的工况为例，隧址处最大的流速为0.84 m/s，对应的管段横断面迎流水流阻力为176 kN，纵断面迎流水流阻力为674 kN。

4　结论与讨论

本文采用Fluent和MIKE数值模拟软件，模拟了南昌红谷隧道浮运过程中的2个关键风险控制点，计算分析了沉管管段在不同施工阶段、不同水流流向和流速情况下所受水流阻力大小，得到了以下结论：

1)由于桥墩及防撞箱对侧向水流有一定阻挡作用，因此随着沉管管段浮运过南昌大桥，其作用在沉管上的水流阻力先变小后变大，并且流速对水流阻力影响很大。

2)依据实测的水流流向，经计算，对于沉管管段浮运过南昌大桥时，管段受横向水流阻力较大，流速大时施工存在一定风险。

3)采用数值模拟手段，对水流阻力计算公式中的水流阻力系数Cw进行率定，使之适用于红谷隧道浮运工程。

4)采用MIKE计算软件对整个浮运航道进行模拟，考虑实际疏浚后的河床地形，计算了不同水文条件下河道的流场，数值模拟结果表明，受河床地形影响，回旋区的水流流速十分复杂。

5)依据MIKE软件的流速流向计算结果，结合采用Fluent数值模拟率定的规范经验计算公式，为管段在复杂周边环境中水阻流力计算提供一套方法。

沉管管段在周边存在控制性建筑或流场复杂的情况下浮运往往存在很高的风险，获取管段所受水流阻力大小对指导浮运施工具有十分重要的意义。由于笔者精力有限，未能对更多的水文工况进行分析，对施工过程的模拟也未进一步细分，接下来还需进行更全面的研究。

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Numerical Analysis of Characteristics of Water Resistance during Floating Transportation of Immersed Tunnel Segment and Flow Field of Segment Turning Area

HE Zhimin1, LI Jiufu1, LIU Huikang2, *, ZHANG Yucheng3, YU Xiaoqiang1

(1.NanchangMunicipalPublicGroup,Nanchang330000,Jiangxi,China; 2.GuangzhouMetroDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd.,Guangzhou510000,Guangdong,China; 3.GuangdongResearchInstituteofWaterResourcesandHydropower,Guangzhou510610,Guangdong,China)

For segment floating transportation, Nanchang Bridge and segment turning area are the key points for Honggu Immersed Tunnel in Nanchang. The characteristics of water resistance during floating transportation of the segment are analyzed by Fluent and MIKE fluid dynamics software, so as to guarantee the safe floating transportation. The characteristics of water resistance when the segment passes through Nanchang Bridge are obtained. The characteristics of water resistance at segment turning area are obtained by analyzing water resistance coefficientCwand the flow field under different hydrological conditions. The results can provide reference for water resistance calculation during floating transportation of immersed tunnel segment.

Honggu Immersed Tunnel; segment floating transportation; water resistance; numerical simalation

2016-05-19;

2016-08-16

何志敏(1964—)，男，福建光泽人，1984年毕业于江苏工学院，修造专业，本科，工程师，现从事工程项目管理工作。E-mail: hezhimin88888@163.com。*通讯作者： 刘惠康， E-mail: 616075123@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.09.001

U 455.46

A

1672-741X(2016)09-1023-07