鋼圍堰浮運(yùn)阻力計(jì)算方法探討

曾智泉

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430063）

鋼圍堰是鉆孔樁、承臺(tái)及橋墩施工的臨時(shí)阻水結(jié)構(gòu)，其作用是通過(guò)鋼壁板和封底混凝土阻水，為施工提供無(wú)水作業(yè)環(huán)境［1］。雙壁鋼圍堰可承受較大的圍堰內(nèi)外水頭差，受墩位處水深的限制較小，水密雙壁結(jié)構(gòu)既可用于水中浮運(yùn)，又可注水下沉［2］。雙壁圍堰結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，體積較大，一般采用在岸上加工、然后浮運(yùn)至墩位的施工方法。為了保證浮運(yùn)安全，配備足夠的拖船船隊(duì)，需要準(zhǔn)確計(jì)算出圍堰浮運(yùn)過(guò)程中所受的阻力。利用CFD軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算已成為一種普遍認(rèn)可的方法［3－4］。本文分別采用規(guī)范公式和流體計(jì)算軟件對(duì)計(jì)算某鋼圍堰的浮運(yùn)阻力進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)不同方法計(jì)算結(jié)果的差異進(jìn)行了探討。

1 工程概況

某需要浮運(yùn)的鋼圍堰直徑50 m，高度18.5 m，重量約為1 020 t。鋼圍堰平面布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 鋼圍堰平面布置圖

鋼圍堰首節(jié)浮運(yùn)吃水為3.12 m，圍堰雙壁間距為2 m，圍堰內(nèi)部設(shè)置了墩底隔艙。浮運(yùn)過(guò)程包括逆流浮運(yùn)和橫流浮運(yùn)，逆流浮運(yùn)指圍堰的浮運(yùn)方向與水流反向，而橫流浮運(yùn)指圍堰的浮運(yùn)方向與水流向垂直。水流速度分別為2.0，2.2和2.5 m／s。

2 鋼圍堰浮運(yùn)阻力計(jì)算方法

2.1 《公路施工手冊(cè)·橋涵》規(guī)范公式計(jì)算

在《公路施工手冊(cè)·橋涵》中給出了水中結(jié)構(gòu)的水阻力計(jì)算公式：

式中：R1為水下部分受水流沖擊力，N；ξ為鋼圍堰形狀系數(shù)；ρ為水的密度，取1 000 kg／m3；S為鋼圍堰擋水面積，m2；v為浮運(yùn)計(jì)算流速，m／s；g為重力加速度，9.8 m／s2。

2.2 《海上拖航法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》公式計(jì)算

在《海上拖航法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》中給出了浮運(yùn)阻力計(jì)算公式：

式中：RF為摩擦阻力，RF＝1.67A1v1.83×10－3k N；RB為 剩 余 阻 力，RB＝Rl＋Rx＝0.147 CbA2v1.74＋0.15vk N。其中：A1為鋼圍堰浸水面積，m2，取外殼浸水面積；Cb為方形系數(shù)，Cb＝0.785；Rl為渦流阻力，k N；Rx為興波阻力，k N；A2為橫剖面面積，m2。

2.3 流體計(jì)算軟件計(jì)算

在計(jì)算圍堰浮運(yùn)阻力時(shí)需考慮黏性的影響，由于圍堰結(jié)構(gòu)尺寸較大，其浮運(yùn)的流動(dòng)為湍流流動(dòng)。采用流體計(jì)算軟件FLUENT求解器求解控制方程RANS方程，在計(jì)算過(guò)程中選取κ－ε湍流模型，采用SIMPLE法進(jìn)行壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的耦合求解，對(duì)流項(xiàng)的離散采用一階迎風(fēng)差分格式。圍堰浮運(yùn)速度較低，有較小的弗勞德數(shù)，所以浮運(yùn)過(guò)程中興波阻力較小可以忽略不計(jì)，水阻力主要是黏性阻力，包括粘壓阻力和摩擦阻力。通過(guò)求解繞圍堰的黏性流場(chǎng)可以計(jì)算其黏性阻力?？紤]到水流速度較低，弗勞德數(shù)Fr＝0.063～0.104，此時(shí)興波阻力很小可以忽略不計(jì)，水阻力中僅包含形狀阻力和摩擦阻力。圍堰計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2 鋼圍堰計(jì)算模型

建模只考慮水下部分，由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，只建一半模型，這樣計(jì)算所需的網(wǎng)格數(shù)量減少了，大大縮短了計(jì)算所需時(shí)間，提高了計(jì)算效率。模型流場(chǎng)長(zhǎng)350 m、寬100 m、高8 m。其對(duì)稱(chēng)面處流場(chǎng)前端壁距模型中心100 m，后端壁距模型中心250 m。網(wǎng)格劃分是建立計(jì)算模型中關(guān)鍵的部分，在Gambit軟件中網(wǎng)格生成提供了多種技術(shù)。本文中同時(shí)采用了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，將控制區(qū)域劃分成幾塊子域，在圍堰結(jié)構(gòu)附近使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，較遠(yuǎn)地方使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，子區(qū)域之間網(wǎng)格的連續(xù)性通過(guò)相交面上的網(wǎng)格來(lái)控制。

3 計(jì)算結(jié)果及討論

不同水流速度工況下逆江浮運(yùn)和橫江浮運(yùn)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，隨著水流速度的增加，鋼圍堰受到的浮運(yùn)阻力明顯增大。不同的計(jì)算方法得到的結(jié)果中，采用《海上拖航法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》公式計(jì)算得到的結(jié)果最小，而采用流體軟件計(jì)算得到的結(jié)果最大。采用《公路施工手冊(cè)·橋涵》公式計(jì)算得到的數(shù)值也遠(yuǎn)小于流體軟件計(jì)算得到的結(jié)果。對(duì)比各種計(jì)算方法發(fā)現(xiàn)，《公路施工手冊(cè)·橋涵》規(guī)范公式，S為鋼圍堰擋水面積，按照常規(guī)的計(jì)算，該值為鋼圍堰表面積在水流方向上的投影，而并沒(méi)有考慮鋼圍堰內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和內(nèi)壁的阻水效應(yīng)?！逗Ｉ贤虾椒ǘz驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》中給出的浮運(yùn)阻力計(jì)算公式綜合考慮了摩擦阻力、渦流阻力和興波阻力。而圍堰浮運(yùn)時(shí)一般選擇氣候和水文條件相對(duì)較好的時(shí)候，而且浮運(yùn)速度較低。也就是說(shuō)，在圍堰浮運(yùn)過(guò)程中受到的渦流阻力和興波阻力所占的比重很小。采用流體計(jì)算軟件時(shí)，考慮了圍堰內(nèi)壁及內(nèi)部結(jié)構(gòu)所受到的水流力。從對(duì)比結(jié)果來(lái)看，《海上拖航法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》公式計(jì)算得到的結(jié)果遠(yuǎn)小于采用流體計(jì)算程序的結(jié)果，其主要原因是結(jié)構(gòu)受到的水流力作用面積不同，圍堰內(nèi)壁及內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到的水流力較大，是不可忽略的，見(jiàn)圖3。

表1 不同計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果

圖3 鋼圍堰壓力分布圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用規(guī)范公式和計(jì)算流體軟件分別對(duì)某鋼圍堰浮運(yùn)時(shí)受到的水阻力進(jìn)行了計(jì)算，對(duì)比了不同的計(jì)算方法得到的結(jié)果之間的差異。從對(duì)比可見(jiàn)，流體計(jì)算軟件得到的阻力值均大于規(guī)范公式計(jì)算的結(jié)果，其主要原因是規(guī)范公式中只定義圍堰外壁為擋水面積，而實(shí)際浮運(yùn)和流體計(jì)算軟件的計(jì)算過(guò)程中圍堰內(nèi)壁及內(nèi)部的結(jié)構(gòu)也受到了較大的水流力。為了準(zhǔn)確地評(píng)估圍堰在浮運(yùn)時(shí)所受到的流體阻力，配備足夠的拖輪船隊(duì)，評(píng)估圍堰受到的流體作用力時(shí)，須將圍堰內(nèi)壁及內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到的流體阻力考慮在內(nèi)。

［1］ 胡曙峰，張新生.印家頗梅江1號(hào)大橋3號(hào)墩鋼圍堰設(shè)計(jì)［J］.橋梁，2002（S）：75－77.

［2］ 徐雙喜，李曉彬，曹正林，等.大型沉井浮運(yùn)阻力研究［J］.水運(yùn)工程，2007（12）：29－32.

［3］ 李勝忠.基于FLUENT的二維數(shù)值波浪水槽研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

［4］ 王 鵬.基于FLUENT的海堤越浪數(shù)值模擬［D］.大連：大連理工大學(xué)，2011.