U型過江管道沉放施工過程動力響應(yīng)分析

肖揚洋 巫志文 潘明煌 吳昌松 方一如

摘要：U型管道沉放施工過程涉及多體耦合、結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則、吊纜下放協(xié)調(diào)難等問題。為了保證施工安全和精度，基于水動力分析軟件OrcaFlex，建立了U型過江管道沉放系統(tǒng)沉放過程中的數(shù)值分析模型，研究了典型工況下吊纜和錨索的張力、管道的動力響應(yīng)和沿其長度方向的應(yīng)力分布、鋼浮筒的動力響應(yīng)，并對吊纜張力進(jìn)行了關(guān)鍵參數(shù)敏感性討論。結(jié)果表明：沉放過程是安全可靠的，但是操作不當(dāng)極易造成吊纜張力過大;實際工程中建議采用先管道兩邊后中間的氣囊消氣方式，氣囊消氣時間和吊纜下放速度需相互協(xié)調(diào)，中間吊纜的下放速度或初始下放時刻稍慢于兩邊;同時有必要對各吊纜張力和管體的運動姿態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測。研究可為實際沉放施工和其它類似工程提供參考依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：U型管道; 沉管施工; 多體耦合; 吊纜下放; 沉放系統(tǒng); 動力響應(yīng); OrcaFlex

中圖法分類號： TU991.36

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.032

0 引 言

沉管法[1]是將若干個預(yù)制管段分別浮運到海面（江面）現(xiàn)場，通過注水、吊纜下放等方式將管段從水面逐個沉放至水下基槽內(nèi)，以此完成水下結(jié)構(gòu)修建的施工方法。由于其具有總工程量小、工期短、工程造價低、可以交叉作業(yè)縮短工期等優(yōu)點而被廣泛使用[2]。但是，沉管施工過程通常涉及管段形狀長大鈍體、管段和波流流固耦合、管段與纜索耦合等問題[3]，給施工質(zhì)量和安全帶來了極大不確定性。

為準(zhǔn)確把控管段沉放過程的受力、運動和平穩(wěn)性，確保沉放施工的安全，國內(nèi)外學(xué)者對管段結(jié)構(gòu)在沉放過程中的動力響應(yīng)進(jìn)行了廣泛研究。Chen等[4-5]建立沉管管段沉放的頻域和時域數(shù)學(xué)分析模型，研究了沉管管段在不同海況下的動力響應(yīng)。梁邦炎[6]等基于相似理論和相對運動概念，在拖曳水池完成了沉管管段沉放過程的水動力學(xué)試驗，研究了沉管管節(jié)在不同風(fēng)浪流載荷組合作用下的管節(jié)受力和運動響應(yīng)。呂衛(wèi)清等[7]以港珠澳大橋為工程背景，通過水池試驗?zāi)M了大尺度沉管比例模型的管節(jié)沉放等待和沉放過程，得到了沉管系泊狀態(tài)下水動力特性的一般規(guī)律。Huang等[8]通過物理模型試驗研究了隨機波浪對沉管管段沉放運動特性的影響，結(jié)果表明，沉管管段對消除干舷階段的動力響應(yīng)最為強烈。Song等[9]通過沉管管段沉放的物理模型試驗，分析了沉管管段在隨機波浪作用下的運動響應(yīng)以及控制纜繩受力情況。楊璨等[10-12]開展雙駁船與沉管管節(jié)耦合的沉放物理模型試驗與數(shù)值模擬，對不同波浪要素條件下沉管管段的運動特性進(jìn)行了研究。

然而，上述沉管管段大部分為規(guī)則直線型，

在某些特殊情況下，比如由于河床等條件的限制，需將過江管道做成不規(guī)則的形狀，其受力機理相比于直線規(guī)則形狀的沉管管段要復(fù)雜很多。更為特殊的是，相比于海洋大型結(jié)構(gòu)的沉放施工，過江管道由于江面施工空間和上游通航的限制，難以使用水上大型沉吊設(shè)備，通常需要為其配置數(shù)量繁多的鋼浮筒、氣囊、駁船、履帶吊等輔助其沉放施工。同時在過江管道沉放過程中，因涉及到浮力轉(zhuǎn)移的均勻性、吊纜下放的協(xié)調(diào)性、多體耦合等方面的問題，控制不當(dāng)，極易發(fā)生纜索斷裂等事故。因此，有必要對該復(fù)雜構(gòu)型過江管道沉放過程進(jìn)行深入研究，保證施工安全。

本文以廣西右江過江管道沉放工程為工程背景，基于OrcaFlex水動力分析軟件，建立U型過江管道沉放系統(tǒng)在沉放過程中的數(shù)值模型。研究了典型工況下吊纜和錨索的張力、管道的動力響應(yīng)和應(yīng)力分布、鋼浮筒的動力響應(yīng)，并對吊纜張力進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)敏感性討論，可為實際工程的施工提供參考依據(jù)。

1 工程概況

本文綜合考慮河床形態(tài)、通航、管道制作后的吊裝、下水方式等因素，將過江管道長度設(shè)計為211 m，共分成4段焊接而成，管道整體呈現(xiàn)“U”字形，如圖1所示。

圖2為整管的沉放系統(tǒng)布置圖，包括一根“U”字形過江管道、6艘起吊能力為20 t（約為196 kN）的浮吊船、2臺起吊能力為100 t的履帶吊、5個鋼浮筒和9氣囊。各浮體的參數(shù)見表1。同時管道與氣囊和鋼浮筒通過錨索連接，管道與浮吊船或履帶吊通過吊纜相連。

采用氣囊消氣的工藝來對管道進(jìn)行沉放[13-14]，如圖3所示。該沉放過程主要分為3步。第一步：管道在鋼浮筒和氣囊的助浮下浮于水面，重心浮心在同一垂直線上，呈現(xiàn)穩(wěn)定浮態(tài)。第二步：對管道注水加壓，由于氣囊和浮筒所提供浮力小于管道注水后的總重，管道將下沉，浮吊船和駁船開始受力。第三步：打開氣囊氣閥放氣，同時吊纜也慢慢下放約1.53 m，整個管道受力將由氣囊、鋼浮筒、浮吊船、履帶吊緩慢過渡到鋼浮筒、浮吊船、履帶吊上。最后，通過浮吊船和履帶吊將管道擺正，協(xié)同下放吊纜，將管道沉入基槽中。

本文討論的為氣囊消氣工藝中的第三步：時間上僅為氣囊消氣全過程，不包括氣囊脫落后管道沉入基槽過程，如圖3右兩圖所示?？臻g上，配合吊纜下放和氣囊消氣，管道從注滿水的懸浮狀態(tài)沿水下沉放約1.53 m。

該氣囊消氣過程是沉放作業(yè)最關(guān)鍵和危險的階段，整個管道受力將由氣囊、鋼浮筒、浮吊船、履帶吊緩慢過渡到鋼浮筒、浮吊船、履帶吊上。

由前述可知，該工程沉放過程涉及不規(guī)則的結(jié)構(gòu)形狀、多浮體耦合、流固耦合、浮力轉(zhuǎn)移的均勻性、吊纜下放的協(xié)調(diào)性等問題。如控制不當(dāng)，容易導(dǎo)致沉放過程出現(xiàn)受力不均、應(yīng)力集中、吊纜張力過大等現(xiàn)象，引起工程事故。因此有必要對該沉放過程進(jìn)行深入研究。

2 理論基礎(chǔ)及數(shù)值計算模型

2.1 運動方程

沉放系統(tǒng)的運動方程為

Mp，a+Cp，v+Kp=Fp，v，t（1）

式中：Mp，a、Cp，v和Kp分別為系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣;Fp，v，t為外部荷載;p，v和a分別為結(jié)構(gòu)的位移、速度和加速度;t是時間。

在OrcaFlex中，選用懸鏈線法計算沉放系統(tǒng)的靜平衡位置，采用全耦合時域分析方法對其進(jìn)行動態(tài)時域分析。全耦合時域法通過反復(fù)耦合迭代求解復(fù)雜的模型的多體耦合問題，并能夠更好地考慮幾何構(gòu)型的非線性效應(yīng)、不規(guī)則的結(jié)構(gòu)形狀、浮體與浮體和錨泊系統(tǒng)與浮體的動態(tài)耦合效應(yīng)等。即該方法能充分考慮吊纜、錨索、管道、氣囊、鋼浮筒之間的相互作用，從而更精確地計算管道和鋼浮筒的動力響應(yīng)以及吊纜和錨索張力。

2.2 風(fēng)、流理論

風(fēng)譜選用NPD譜，該譜的能量譜密度表達(dá)式為

SNPDf=320U10102z100.451+f0.4683.561（2）

式中：f為風(fēng)頻;U10為江平面以上10 m處的1 h內(nèi)平均風(fēng)速;z為距離江平面的高度。

作用在沉放系統(tǒng)中過江管道、鋼浮筒、氣囊等結(jié)構(gòu)在x、y、z 3個方向的風(fēng)力可按照下式計算[13]：

Fx=12Pρ（DnL）CdxVxVnFy=12Pρ（DnL）CdyVyVnFz=12Pρ（DnL）CdzVzVn（3）

式中：P為迎風(fēng)面積比例系數(shù);ρ為空氣密度;Dn為法向阻力/升力直徑;L為單位節(jié)段長度;Cdx，Vx，Cdy，Vy和Cdz，Vz分別為結(jié)構(gòu)在（x，y，z）方向的拖曳系數(shù)和風(fēng)相對結(jié)構(gòu)在該方向的相對速度分量;Vn為風(fēng)相對結(jié)構(gòu)速度的法向分量。

關(guān)于沉放系統(tǒng)中管道、鋼浮筒、氣囊等結(jié)構(gòu)物，常采用修正后的Morison公式來分別計算各結(jié)構(gòu)的水動力荷載，該公式的表達(dá)式為[15-16]

Ff=（Δaf+CaΔar）+12ρwCdAVrVr（4）

式中：Ff是流體力;Δ是排水量;af是相對于大地的流體加速度;Ca是結(jié)構(gòu)的慣性力系數(shù);ar是相對于結(jié)構(gòu)的流體加速度;ρw是水的密度;Vr是相對于結(jié)構(gòu)的流速;Cd是拖拽力系數(shù);A是阻力面積。

在沉放系統(tǒng)的沉放工程中，各結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)迎流面積根據(jù)其在沉放系統(tǒng)中的空間位置確定。根據(jù)DNV-RP-C205 Environmental Conditions and Environmecotal Loads[17]和JTS 144-1-2010《港口工程荷載規(guī)范》[18]，結(jié)合工程經(jīng)驗，各結(jié)構(gòu)物風(fēng)力的拖曳力力系數(shù)取值為1.0，各結(jié)構(gòu)物水流的拖曳力系數(shù)和慣性力系數(shù)均取值分別為1.2和1.0。

2.3 管道理論

如圖4所示，基于集中質(zhì)量法[19-21]，OrcaFlex軟件將管道離散成若干連續(xù)線單元（即line 單元），管道質(zhì)量、重力以及浮力作用于各個單元節(jié)點上，節(jié)點之間由無質(zhì)量的彈簧連接，通過節(jié)點和彈簧的受力和變形來體現(xiàn)管道的運動響應(yīng)。單元中心處的軸向彈簧和扭轉(zhuǎn)彈簧及相應(yīng)的阻尼器分別模擬管道的軸向和扭轉(zhuǎn)特性，而節(jié)點兩端處的轉(zhuǎn)動彈簧和阻尼器用來模擬管道的彎曲特性。OrcaFlex依次通過5個階段計算管道節(jié)點內(nèi)力：① 軸力;② 彎矩;③ 剪力;④ 扭矩;⑤ 總荷載（重力、拖曳力、附加質(zhì)量力等）。

2.4 Winch、Shape和6Dbuoy理論

模型采用Winch單元模擬實際工程中的吊纜[15-16]，該單元不承受壓力，同時忽略重量、阻力和附加質(zhì)量的影響。通過設(shè)置該單元的Specified Tension和Specified Payout Rate值來控制吊纜的預(yù)張力和下放速度，模擬實際工程中浮吊船和履帶吊對管體的起吊工作，吊纜所受張力計算公式為

Fs=（l-l0）+c（dldt-dl0dt）×kl0（5）

式中：l和l0分別為吊纜在某一時刻的長度和初始長度;c和k分別為吊纜的阻尼系數(shù)和剛度。

Shape單元用于模擬吊臂，與Winch單元協(xié)同控制管體的起吊工作。模型采用6Dbuoy單元模擬鋼浮筒，該單元有6個自由度（即3個平動和3個轉(zhuǎn)動），主要承受重力、浮力和水動力載荷（包括線性水動力阻尼和力矩）。

2.5 數(shù)值計算模型

本文采用大型有限元軟件OrcaFlex，對U型過江管道沉放系統(tǒng)的沉放施工進(jìn)行模擬，即對氣囊消氣工藝中的第三步進(jìn)行模擬（見圖3）。因為第三步是一個瞬間變化較大的動態(tài)過程，控制難度大，施工風(fēng)險大。在OrcaFlex軟件中，管道和錨索均用Line單元來模擬;氣囊和鋼浮筒用6Dbuoy單元來模擬，即具有6個自由度的剛體;駁船和履帶吊分別用Vessel單元和Shape單元來模擬;吊臂和吊纜分別用Shape單元和Winch單元來模擬。沿著管道長度方向每隔0.01 m劃分一個網(wǎng)格，共有23 200個網(wǎng)格。最終建立的數(shù)值模型如圖5所示。

為了便于計算，本文做了如下的簡化和相應(yīng)特殊處理。

（1） 實際的工程中，鋼浮筒和氣囊與管體均是由幾組錨索連接，且鋼浮筒和氣囊與管體是緊密捆綁在一起的。在數(shù)值模擬中，簡化成一根Line單元與管體剛性連接，通過把Line單元與管體的連接剛度設(shè)置成無窮大來模擬實際工程中捆綁在一起的情況。

（2） 由于實際工程中江面沒有波浪且履帶吊布置在江邊兩岸。因此在數(shù)值模擬中設(shè)置駁船和履帶吊為固定結(jié)構(gòu)，忽略其動力響應(yīng)對沉放系統(tǒng)的影響。

（3） 在數(shù)值模擬中，通過在各氣囊與管體的連接處添加一個線性遞減的力來模擬氣囊的消氣過程。待氣囊消完氣后，利用單元生死功能，讓氣囊從管體脫落。

3 典型工況時域分析

本文典型工況下的氣囊放氣和吊纜下放時段分別為0～180 s和10～180 s，吊纜下放速度均為9 mm/s，管道內(nèi)壓為1.1 MPa，吊纜預(yù)張力均為5 kN，水流速度為0.35 m/s，參考平均風(fēng)速為5 m/s。

3.1 吊纜張力的時域分析

由圖6（a）可知，在管道消氣沉放過程中，各吊纜張力隨著時間線性變化，待氣囊消完氣，即180 s之后，吊纜張力均逐漸趨向于平穩(wěn)，最大幅值在氣囊消氣結(jié)束時刻附近。由圖6（b）可知，各吊纜最大張力幅值分布呈現(xiàn)中間大、兩頭小的形態(tài)，其中中間位置處的吊纜（4號和5號）張力幅值約為182.5 kN，接近于駁船的最大承載能力196 kN，存在較大的施工風(fēng)險。在實際工程中，建議對各吊纜張力進(jìn)行實時監(jiān)測，保證沉放施工的安全性。

3.2 管道的動力響應(yīng)

由圖7可知：在沉放過程中，管道各處的動力響應(yīng)除了垂蕩方向外，其它方向的動力響應(yīng)都很小，管道整體下降過程平穩(wěn)可控。隨著吊纜的下放，管道跨中和左右兩端最大垂蕩變化幅值分別約為1.40 m和1.55 m，這表明管體各處的下降高度并不一致，應(yīng)該引起重視。在實際的工程中，為避免管道發(fā)生大幅傾斜，建議對管道各處的動力響應(yīng)進(jìn)行實時監(jiān)測，把控管道各處的運動姿態(tài)，確保沉放過程的安全性。

3.3 管道的應(yīng)力分布

由圖8（a）可知，管道沿其長度方向的Von Mises應(yīng)力最大值出現(xiàn)在中跨附近，大約在80 m 和130 m處，幅值約為66 MPa，遠(yuǎn)小于管道的屈服應(yīng)力235 MPa。Von Mises應(yīng)力曲線的線型與典型的歐拉梁理論比較符合，均呈現(xiàn)中間大，兩頭小的形態(tài)。圖8（b）描述了管道沿其長度方向的拉伸應(yīng)力，該應(yīng)力沿管道長度方向的幅值變化不大，這是因為拉伸應(yīng)力主要是由管道內(nèi)壓引起的。圖8（c）描述了管道沿其長度方向的彎曲應(yīng)力，其線型與Von Mises應(yīng)力的線型高度相似，最大的彎曲應(yīng)力約為55 MPa。同時，由圖7（a～c）易知，管道以受彎為主。

3.4 錨索張力的時域分析

由圖9可知，受沉放系統(tǒng)初始平衡狀態(tài)的影響，初始時刻的錨索張力均分布在180 kN附近。在氣囊消氣過程中，錨索張力線性增加，約在170 s達(dá)到最大值，約為380 kN，之后保持平穩(wěn)，意味著鋼浮筒在170 s之后均已完全浸沒。在實際的工程中，建議根據(jù)各鋼浮筒的受力大小對其錨索長度和捆扎的松緊程度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，讓鋼浮筒和管道的受力更均勻。

3.5 鋼浮筒的動力響應(yīng)

圖10描述了鋼浮筒的動力響應(yīng)。由圖可知：鋼浮筒的動力響應(yīng)與管道的動力響應(yīng)變化規(guī)律高度相似，均呈現(xiàn)垂蕩方向的動力響應(yīng)較大，其余方向的動力響應(yīng)很小，比較符合實際工程中鋼浮筒與管道捆綁在一起的情況。在實際的工程中，建議合理把控各鋼浮筒的浸沒深度（鋼浮筒的浸沒深度與其提供給管道的浮力相關(guān)），提高管道整體受力的均勻性。

4 關(guān)鍵參數(shù)敏感性討論

由前述典型工況的時域分析可知，管道和鋼浮筒的動力響應(yīng)、管道的應(yīng)力、錨索張力均在安全可控的范圍內(nèi)，但是中間吊纜張力的最大值接近于駁船的最大起吊能力196 kN，存在較大的施工風(fēng)險。為了降低施工風(fēng)險，下面將著重探討氣囊消氣方式、氣囊消氣時間、吊纜下放速度和吊纜下放的協(xié)調(diào)性對吊纜最大張力的影響，尋求最優(yōu)施工方案。

4.1 氣囊消氣方式

消氣方式有9個氣囊同時消氣、先左右兩邊的6個氣囊消氣后中間的3個氣囊消氣和先中間的3個氣囊消氣后左右兩邊的6個氣囊消氣。分別簡稱為同時、先兩邊后中間、先中間后兩邊。

由圖11可知，先中間后兩邊的氣囊消氣方式對施工最不利，其4號和5號吊纜的最大張力幅值約為275 kN，遠(yuǎn)高于浮吊船的承載能力196 kN。先兩邊后中間的氣囊消氣方式對施工最優(yōu)，相比于其它兩種消氣方式，其吊纜張力幅值和均勻性更好，幅值均不超過170 kN，在安全范圍內(nèi)。因此，實際工程中建議采取先兩邊后中間的氣囊消氣方式。

4.2 氣囊消氣時間

由圖12可知，隨著氣囊消氣時間的增加，各吊纜的最大張力均先減小后增加，表明氣囊消氣速度并非越慢越好。同時，當(dāng)氣囊消氣時間為180 s和210 s時，各吊纜的最大張力均不超過200 kN，滿足實際工程施工要求，建議優(yōu)先選用。在實際工程中，應(yīng)讓氣囊消氣時間與吊纜下放速度相協(xié)調(diào)。

4.3 吊纜下放速度

由圖13可知，隨著吊纜下放速度的增加，各吊纜的最大張力均先減小后增加。當(dāng)?shù)趵|下放速度為0.009 m/s時，各吊纜最大張力均滿足施工要求，其余工況均有吊纜張力最大值超過浮吊船負(fù)荷。在實際工程中，吊纜下放速度應(yīng)該與氣囊消氣速度相協(xié)調(diào)，避免吊纜張力過大。

4.4 吊纜下放的協(xié)調(diào)性

在實際工程中，由于客觀因素的制約，難以保證沉放過程的協(xié)調(diào)性。為了貼合實際工程，特擬定了5種吊纜下放速度和4種吊纜初始下放時刻工況，分別見表2和表3，來探究吊纜下放的協(xié)調(diào)性對吊纜最大張力的影響。

由圖14可知：吊纜下放速度的一致性對吊纜最大張力的分布有顯著的影響。與典型工況（即工況1）相比，無論采取剩余何種工況，均會使得吊纜下降速度比較慢的吊纜最大張力增加，吊纜下放速度比較快的吊纜最大張力減小。但是這不一定是不利的，如工況4，與典型工況相比，中間吊纜張力的最大張力反而變小了，整體的均勻性也較好。實際工程中，建議讓中間的4根吊纜比左右兩邊的吊纜下放速度稍微慢一點（即工況4）。

由圖15可知：吊纜初始下放時間的一致性對其最大張力分布影響也很大。與典型工況（即工況1）相比，無論采取剩余何種工況，均會使得初始下放時間慢的吊纜張力增加，初始下放時間快的吊纜張力減小。但是這不一定是不利的，如工況3，與典型工況相比，中間吊纜張力的最大值反而變小了，整體的均勻性也較好。實際工程中，建議讓中間的4根吊纜比左右兩邊的吊纜初始下放時間稍微慢一點（即工況3）。

5 結(jié)論及施工建議

（1） 管道沉放過程中，所有吊纜張力的最大值約為182.5 kN，接近于浮吊船的最大承載能力196 kN，存在一定的安全隱患。管道和鋼浮筒的動力響應(yīng)安全平穩(wěn)。管道沿其長度方向的Von Mises應(yīng)力最大值出現(xiàn)在中跨附近，幅值約為65 MPa，遠(yuǎn)小于管道的屈服應(yīng)力;錨索張力最大值約為380 kN。總體而言，過江管道沉放施工在安全可控的范圍內(nèi)。

（2） 實際工程中，有必要對各吊纜張力和管道各處的動力響應(yīng)進(jìn)行實時監(jiān)測，實時把控吊纜受力和管道運動姿態(tài)，確保實際工程的安全性。

（3） 通過關(guān)鍵參數(shù)敏感性討論，建議采用先兩邊后中間的氣囊消氣方式;氣囊消氣時間和吊纜下方速度應(yīng)相互協(xié)調(diào);中間吊纜的下放速度或初始下放時間稍慢于兩邊。

參考文獻(xiàn)：

[1] 杜朝偉，王秀英.水下隧道沉管法設(shè)計與施工關(guān)鍵技術(shù)[J].中國工程科學(xué)，2009，11（7）：76-80.

[2] 左衛(wèi)廣，王永學(xué).單駁船橫蕩運動對沉管管段橫蕩運動特性影響的試驗研究[J].中國海洋平臺，2015，30（2）：7-63，69.

[3] 應(yīng)宗權(quán)，歐偉山，林美鴻.沉管隧道管節(jié)沉放過程中張力與運動響應(yīng)的測試分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2017，54（3）：162-168.

[4] CHEN Z J，WANG Y X，WANG G Y，et al.Frequency responses of immersing tunnel element under wave actions[J].Journal of Marine Science & Application，2009，8（1）：18-26.

[5] CHEN Z J，WANG Y X，WANG G Y.Time-domain responses of immersing tunnel element under wave actions[J].Journal of Hydrodynamics，2009，21（6）：739-749.

[6] 梁邦炎，盧普偉.沉管隧道長大管節(jié)海上施工物理模型試驗思路與結(jié)果分析[J].水運工程，2013（6）：170-176.

[7] 呂衛(wèi)清，吳衛(wèi)國，蘇林王，等.港珠澳大橋沉管隧道長大管節(jié)水動力性能試驗研究[J].土木工程學(xué)報，2014，47（3）：138-144.

[8] HUANG G X，ZHANG N C，LAW A W K，et al.Motion response of immersing tunnel element under random waves[J].Ships and Offshore Structures，2016，11（6）：561-574.

[9] SONG Y，HUANG G X，PEI Y G，et al.Experimental study on the hoist tensions between the immersing tunnel element and floating pontoons under irregular waves[J].Coastal Engineering Journal，2015，57（4）：1-24.

[10] 楊璨，王永學(xué)，左衛(wèi)廣.雙駁船錨碇沉管管段沉放過程的水動力特性試驗研究[J].水動力學(xué)研究與進(jìn)展，2018，33（1）：106-113.

[11] YANG C，WELLER S D，WANG Y X，et al.Hydrodynamic response of a submerged tunnel element suspended from a twin-barge under random waves[J].Ocean Engineering，2017，135：63-75.

[12] YANG C，WELLER S D，WANG Y X，et al.Experimental and numerical investigation on coupled motion characteristics of a tunnel element suspended from a twin-barge[J].Ocean Engineering，2018，153：201-214.

[13] 鄧應(yīng)康.大口徑輸水鋼管過河沉管的設(shè)計與施工[J].中國給水排水，2011，27（6）：6-11.

[14] 韓峰，徐磊，金永苗.輸水隧洞內(nèi)壓作用下襯砌結(jié)構(gòu)破壞分析[J].人民長江，2020，51（增1）：149-152.

[15] OrcaFlex User Manual，Version 10.0 a.[Z].Orcina，2018.

[16] 邊大勇，杜穎，劉建峰，等.海底埋設(shè)管線平管起吊運動分析[J].船舶工程，2015，37（12）：92-97.

[17] DNV-RP-C205.Environmental Conditions and Environmental Loads[S].Norway：Det Norske Veritas，2010.

[18] 交通運輸部.港口工程荷載規(guī)范：JTS 144-1-2010[S].北京：人民交通出版社，2010.

[19] GONG S F，XU P，BAO S，et al.Numerical modelling on dynamic behaviour of deepwater S-lay pipeline[J].Ocean Engineering，2014，88：393-408.

[20] GONG S F，XU P.The influence of sea state on dynamic behaviour of offshore pipelines for deepwater S-lay[J].Ocean Engineering，2016，111：398-413.

[21] AMAECHI C V，WANG F C，HOU X N，et al.Strength of submarine hoses in Chinese-lantern configuration from hydrodynamic loads on CALM buoy[J].Ocean Engineering，2019，171：429-442.

（編輯：鄭 毅）

Dynamic response analysis on U-shaped river-crossing pipeline during immersing construction process

XIAO Yangyang1，2，WU Zhiwen1，2，PAN Minghuang3，WU Changsong4，F(xiàn)ANG Yiru1，2

（1.Key Laboratory of Disaster Prevention and Structural Safety of Ministry of Education，Guangxi University，Nanning 530004，China; 2.College of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University，Nanning 530004，China; 3.Guangxi Asus Construction Engineering Co.，Ltd.，Nanning 53000，China; 4.Guangxi Dapu Expressway Co.，Ltd.，Nanning 530000，China）

Abstract：

The immersion process of a U-shaped pipeline involves problem of multi-body coupling，irregular structural shape，and coordination of suspension cables lowering，etc.To ensure construction safety and accuracy，based on the hydrodynamic analysis software OrcaFlex，a numerical analysis model for a U-shaped river-crossing pipeline in the immersion process was established.The dynamic tension of the suspension cables and mooring ropes，the dynamic response of the pipeline and its stress distributions along its length，and the dynamic response of the steel buoy were explored under typical case.The sensitivity of key parameters of the suspension cables tension was discussed.The results showed that the immersion process was safe and reliable in general，but improper operation could easily lead to excessive cable tension.In the actual construction，it was recommended to deflate the airbags at two ends of the pipeline firstly and deflate the airbags in the middle secondly，and the lowering speed of the suspension cables should be coordinated with the deflate time of the airbags，the lowering speed or initial lowering time of the middle suspension cables should be slightly later than that of the two sides suspension cables.It is necessary to real-time monitor the tension of the suspension cables and the dynamic response of the pipeline.This study can provide valuable references for the actual construction and other similar projects.

Key words：

U-shaped pipeline;construction of immersion pipeline;multi-body coupling;lowering suspension cables;immersion system;dynamic response;OrcaFlex