基于數(shù)值仿真的拖輪拖帶沉管浮運航道寬度設(shè)計

于志安

(中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100007)

深中通道工程橫亙珠江兩岸，東起深圳機荷高速，西止中山橫門互通，全長約24 km。海中隧道全長6 845 m，其中沉管段長度5 035 m，共有預(yù)制沉管32個，采用雙鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)，其中10個管節(jié)(E23～E32)在龍穴造船基地完成混凝土澆筑并采用拖輪拖帶的方式出運，浮運航道由龍穴造船基地至廣州港航道后橫穿珠江至深圳機場碼頭以南，航道長度約22 km。航道橫穿珠江段和機場碼頭附近段水域，天然水深小，開挖土層厚度約9 m。合理設(shè)計航道寬度可以有效減少疏浚量、降低對施工水域的環(huán)境污染、減小疏浚物處理的壓力，有利于水上施工的順利開展。

1 設(shè)計方法現(xiàn)狀

1.1 設(shè)計方法

沉管法隧道是國內(nèi)水下隧道的重要工法之一，大型跨海沉管隧道工程因管節(jié)預(yù)制數(shù)量多、預(yù)制場地需求高，難以實現(xiàn)管節(jié)就地預(yù)制，一般需要遠距離水上浮運。拖輪拖帶浮運沉管方式是采用拖輪拖帶、頂推等方式控制管節(jié)姿態(tài)、浮運速度和轉(zhuǎn)向以實現(xiàn)管節(jié)水上運輸，是沉管浮運的重要方法。

關(guān)于沉管拖輪拖帶浮運航道寬度的確定，國內(nèi)尚無成熟的規(guī)范標準可以依據(jù)，一般參考船舶航道設(shè)計方法，將沉管拖輪拖帶浮運航跡帶寬度及沉管與航道兩側(cè)底邊線間富余寬度的和作為浮運航道寬度。

確定拖輪拖帶過程中的沉管航跡帶寬度是浮運航道寬度設(shè)計的關(guān)鍵，但目前國內(nèi)見諸于公開資料的沉管拖輪拖帶浮運的航跡帶寬度設(shè)計實踐很少，僅在港珠澳大橋項目中有所應(yīng)用[1-2]，其沉管拖輪拖帶浮運航道設(shè)計參考《海港總體設(shè)計規(guī)范》設(shè)計方法，沉管航跡帶寬度A計算考慮風、流壓偏角γ和船舶漂移倍數(shù)n，計算公式[3]為：

A=n(B+Lsinγ)

(1)

式中：L為沉管長度；B為沉管寬度。

1.2 設(shè)計方法的局限性

船舶航跡帶寬度與船舶類型及尺寸、船舶操縱性能、航速、船舶操縱人員的經(jīng)驗和水平有關(guān)，同時與航行水域的風、水流、波浪、航道水深等因素有關(guān)?！逗８劭傮w設(shè)計規(guī)范》推薦的航跡帶寬度計算方法基本適合航速為8～12 kn的情況，船舶低速航行時的操縱狀況又與設(shè)計時速迥然不同。

沉管浮運與船舶航行不同，沉管近似為長方體形狀，水上拖航速度慢，一般不超過2 kn，沉管本身并無動力系統(tǒng)，而是依托多艘拖輪提供外力，控制水上行進路線。沉管航跡帶寬度主要取決于拖輪所能提供的拖力情況和各拖輪間配合的協(xié)調(diào)性。通過套用自帶動力和舵效、單船操控、快速行駛的船舶航跡帶寬度計算公式確定沉管拖輪拖帶浮運航跡帶寬度具有一定局限性。

自航式一體船浮運沉管航道寬度的設(shè)計，國內(nèi)已經(jīng)有基于船舶操縱模擬試驗研究案例[4]，但針對拖輪拖帶沉管浮運航道尚未見基于模擬試驗的相關(guān)設(shè)計。

2 航道寬度設(shè)計

2.1 管節(jié)尺度及拖輪配置

深中通道的E23～E32管節(jié)在龍穴造船基地完成混凝土澆筑，采用拖輪拖帶的方式出運，管節(jié)尺寸見表1。

表1 管節(jié)尺寸

為控制浮運風險，管節(jié)浮運橫流流速不大于0.6 m/s、有效波高不大于0.8 m、波浪平均周期不大于6 s、風速不大于6級。根據(jù)管節(jié)尺寸和施工組織安排，沉放駁置于沉管頂部固定，兩側(cè)設(shè)突出沉管兩側(cè)的旁拖工裝架。沉管拖帶浮運配置2艘前拖輪、2艘尾拖輪，中間配置4艘(標準管節(jié))或2艘(標準管節(jié))旁拖輪，配置2艘應(yīng)急拖輪，沉管糾偏主要依托旁拖輪，其拖力為650 kN/艘。

2.2 沉管航跡帶寬度

沉管航跡帶寬度的確定可供參考的實際工程經(jīng)驗很少，為更合理地確定浮運航道寬度，對參考《海港總體設(shè)計規(guī)范》計算所得的航跡帶寬度與數(shù)值仿真試驗結(jié)果進行對比分析。

2.2.1參考《海港總體設(shè)計規(guī)范》計算

參考《海港總體設(shè)計規(guī)范》，按照式(1)計算橫流速度0.6 m/s時沉管航跡帶寬度見表2。

表2 參考《海港總體設(shè)計規(guī)范》計算沉管航跡帶寬度

2.2.2數(shù)值仿真試驗

鑒于以往項目沉管航跡帶寬度確定參考《海港總體設(shè)計規(guī)范》船舶航道計算方法具有局限性，深中通道項目開展了沉管拖輪拖帶浮運航跡帶寬度的水動力數(shù)值仿真試驗。數(shù)值仿真試驗?zāi)M沉管糾偏過程，包括發(fā)現(xiàn)偏航警戒、拖輪就位調(diào)整、拖輪啟動加力、糾偏等4個階段。設(shè)定條件如下[5]：1)考慮拖輪作業(yè)需克服自身阻力，試驗設(shè)定單條拖輪糾偏作業(yè)時為克服自身所受阻力發(fā)揮80%的效力，即單輪最大糾偏力F=650 kN×0.8=520 kN；2)根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗，設(shè)定拖輪就位后拖力達到設(shè)定糾偏力的時間為30 s；3)考慮拖帶浮運施工配置精準定位系統(tǒng)，偏航警戒值設(shè)為5 m。

試驗以旁拖輪就位時間和糾偏力為變量，計算允許流速下沉管最大偏移量。試驗結(jié)果顯示，橫流、橫浪條件下標準管節(jié)和非標準管節(jié)偏航開始后分別在56 s和59 s達偏航警戒值，警戒發(fā)出后拖輪開始響應(yīng)，拖輪就位時間與沉管最大偏移量的關(guān)系見表3。

表3 拖輪就位時間與沉管最大偏移量的關(guān)系

數(shù)值仿真試驗結(jié)果顯示，在設(shè)定的參數(shù)下標準管節(jié)和非標準管節(jié)的最大偏移量分別為27.441～49.982 m和24.970～39.386 m、沉管航跡帶寬度分別為100.882～145.964 m和105.544～134.372 m。

可見，在特定流速下，數(shù)值仿真試驗考慮了拖輪糾偏響應(yīng)因素，沉管的航跡帶寬度具有一定的變化幅度，偏移量隨拖輪就位時間增加而增加，隨糾偏力增大而變小，而參考《海港總體設(shè)計規(guī)范》計算所得為單一數(shù)值。

2.3 沉管與航道底邊線間富余寬度

受水深限制，沉管拖帶浮運航道通過開挖形成，沉管偏離航線時將在兩側(cè)產(chǎn)生非對稱流場，兩側(cè)壓力分布不均，沉管偏航將進一步加大。沉管斷面為矩形，岸吸效應(yīng)更接近散貨船，參考《海港總體設(shè)計規(guī)范》，沉管與航道底邊線間單側(cè)富余寬度取0.75倍沉管寬度。

2.4 浮運航道寬度取值

沉管浮運航道寬度為航跡帶寬度與沉管與航道底邊線間兩側(cè)富余寬度的和，不同的拖輪響應(yīng)下浮運航道的寬度見表4。

表4 不同的拖輪響應(yīng)下浮運航道寬度

沉管浮運配套設(shè)置定位系統(tǒng)具有地形和拖輪實時定位、沉管航速、沉管實時定位、偏航顯示及報警功能，沉管和所有拖船均可接收到其他作業(yè)船舶的位置、航向等信息，該系統(tǒng)可以幫助拖輪之間協(xié)調(diào)作業(yè)。根據(jù)施工組織安排和相關(guān)經(jīng)驗，沉管偏移量達到預(yù)警值后，旁拖輪可在50 s以內(nèi)就位。

數(shù)值仿真試驗中拖輪最大糾偏力是在考慮了拖輪克服自身阻力之后所能發(fā)揮的效力，因此非標準管節(jié)航道寬度取最大糾偏力下的計算數(shù)值188.9 m為合適，沉管航跡帶寬度較參考《海港總體設(shè)計規(guī)范》計算數(shù)值小17 m；標準管節(jié)在糾偏力發(fā)揮60%時即可完成糾偏，航道寬度計算值為169.9 m，沉管航跡帶寬度較參考《海港總體設(shè)計規(guī)范》計算數(shù)值小17.8 m，根據(jù)試驗結(jié)果分析，如果糾偏力全部發(fā)揮，將進一步減小沉管偏移量，浮運航道寬度亦可相應(yīng)減小。

綜上，深中通道沉管拖輪拖帶浮運航道寬度由非標準管節(jié)控制，計算數(shù)值為188.9 m。在實際設(shè)計中考慮為拖輪作業(yè)預(yù)留一定富余時間，航道寬度取值200 m，為最大沉管寬度的3.6倍。

3 結(jié)論

1)深中通道項目基于數(shù)值試驗?zāi)M沉管在不同的拖輪就位時間組合、不同的糾偏力的情況下沉管的最大偏移量，進而計算了沉管拖輪拖帶浮運航道寬度。試驗結(jié)果顯示：沉管偏移量隨拖輪就位時間增加而增加，隨糾偏力增大而變小，計算所得沉管的航跡帶寬度具有一定的變化幅度。沉管航跡帶寬度模擬數(shù)值較參考《海港總體設(shè)計規(guī)范》計算數(shù)值小約17 m。

2)深中通道沉管拖帶浮運航道寬度計算值由非標準管節(jié)控制，非標準管節(jié)航道寬度計算值取188.9 m；標準管節(jié)在糾偏力發(fā)揮60%時即可完成糾偏，航道寬度計算值為169.9 m，如果糾偏力全部發(fā)揮，將進一步減小沉管偏移量，浮運航道寬度亦可相應(yīng)減小。在實際設(shè)計中考慮為拖輪作業(yè)預(yù)留一定富余時間，航道寬度取值200 m，為最大沉管寬度的3.6倍。

3)基于數(shù)值仿真的深中通道沉管拖輪拖帶浮運航道寬度設(shè)計，考慮了拖輪操縱和協(xié)作因素，豐富了拖輪拖帶沉管浮運航道寬度設(shè)計的方法，可為類似工程提供參考。同時，沉管航跡帶數(shù)值試驗分析結(jié)合經(jīng)驗對拖輪就位后拖力達到設(shè)定糾偏力的時間、偏航警戒值進行設(shè)定，根據(jù)工程經(jīng)驗選擇了拖輪就位時間。這些因素是影響沉管航跡帶寬度的關(guān)鍵因素，不同的拖輪配置、環(huán)境條件都將影響上述參數(shù)取值，工程實施前需要針對確定的拖輪配置方案開展現(xiàn)場試驗驗證參數(shù)取值。