波浪作用下橢圓形橫截面懸浮隧道管段壓強特性試驗

李勤熙， 蔣樹屏， 丁 浩， 李 科

0 引言

近年來，我國水下隧道建設所處的水域環境和地質條件越來越復雜，水深越來越大，距離越來越長，傳統建設工法在復雜水域面臨著巨大的挑戰，需要不斷突破和創新。 “鉆爆法+盾構法”、“沉管法+懸浮法”和“盾構法+沉管法”等組合工法已成為工程建設的備選項。懸浮隧道作為一種跨越深水水域的全新水下隧道概念結構已引起世界各國的關注，國內相關研究至今也已有20多年，在懸浮隧道結構計算理論、模型試驗、設計指南及施工方法等方面取得了一系列成果，圍繞小比尺模型試驗和精細化理論形成了基礎理論成果，在千島湖、瓊州海峽和臺灣海峽等水域也嘗試過工程應用層面的前期研究。

事實上，真正的懸浮隧道實踐起來困難重重，迄今為止，世界上仍沒有一例真正建成的懸浮隧道。F.M.Mazzolani等[1]針對中國的千島湖懸浮隧道開展了設計研究，列舉出建設全尺寸懸浮隧道時建設位置的選取、結構方案和不同設計階段的設計要求、設計工作和設計成果等一系列問題； R.M.Larssen等[2]針對挪威建設峽灣海中懸浮隧道工程建設時提出的張力腿式、浮筒式和柱式等多種模型進行了研究，推薦采用浮筒式懸浮隧道跨越； F. Perotti等[3]從懸浮隧道和懸索橋均為柔性結構體系的共同點出發，回顧了懸浮隧道動力特性的研究成果，首次總結了懸浮隧道在低頻動力響應、沖擊荷載作用以及隧道內部和外部爆炸荷載作用下的一般性原則，討論了流-固耦合作用時發生渦激響應的危險時間。從20世紀90年代開始，日本對噴火灣[4]、大阪灣等跨海通道工程的水中懸浮隧道方案進行了重點研究，Shunji Kanie[5]總結了日本近20年在懸浮隧道領域的相關研究，并針對日本多處擬建跨海通道的海峽進行了模型分析。目前，國內在部分地區雖有相關工程前期立項策劃，但在懸浮隧道領域尚處于起步階段，且主要集中于基礎理論方面的研究[6-11]?？傮w而言，國內外學者的基本共識是在一定深度下波浪力的影響很小，可忽略不計，但這一結論的前提是在表面波作用下。自然界中存在著表面波，還有海洋內波，根據麥繼婷等[12]和Hiroshi Kunisu[13]的研究，雖然海洋內波隨著埋深的增加量值會減小，但減小的幅度卻越來越小，在超過100 m的水深后仍有較大的波浪力。對工程而言，一方面，如果在實踐時采用純懸浮隧道方案，那么必然存在進口段、過渡段和深埋段，無論是表面波還是海洋內波的波浪力都會對進口段和過渡段產生影響； 另一方面，如果采用組合式工法，就必然存在接駁問題，那么就必須衡量波浪力的大小以確定最佳接駁位置。因此，從技術上和工程上來看，波浪力值得研究。

由于數值模擬和試驗條件的局限性，目前關于波浪力的物理模型試驗并不多。Hiroshi Kunisu等[14]通過物理模型試驗設計了一種跨越北海道Funka灣的SFT結構，在一個二維波浪水槽中產生規則波浪，通過改變試驗水深、波浪要素進行了工況組合試驗； S.H. Oh等[15]也通過波浪水槽中的規則波物理試驗研究了SFT在波浪作用下的水動力特性，不同的是其首次在試驗測試中應用了結構運動圖像識別技術； 王廣地[16]雖然研究了波流作用下懸浮隧道的結構響應，但限于試驗條件，其研究主要集中在水流作用下的結構響應，并沒有考慮波浪。本文以瓊州海峽跨海通道為試驗背景，設計了一種橢圓形雙向6車道公路交通懸浮隧道，研究了橢圓形斷面懸浮隧道在波浪作用下的結構波動特性，以期為新結構形式懸浮隧道的繼續優化和開發提供思路。

1 波浪水槽試驗

1.1 相似準則

懸浮管段在水中主要受波浪力、洋流力和地震等荷載的作用。根據Mirosion方程計算的波浪力主要包括慣性力和阻尼力。對于動力試驗，應滿足Froude相似和雷諾相似，事實上，同時滿足這2者相當困難。參考船舶流體力學試驗和傳統水動力學試驗，根據波浪要素、設計水位、試驗斷面和試驗設備，并考慮水力試驗的尺寸效應和試驗場地的現實條件，綜合確定模型試驗比尺為1∶60，采用正態模型。模型試驗管段、錨索和波浪應滿足以下準則。

1.1.1 管段相似

管段相似應根據幾何相似、質量相似進行設計。參考大量的船舶流體力學試驗和傳統水動力學試驗，管段材料選用有機玻璃，以便對試驗過程進行觀察； 管段質量相似主要是利用浮重比進行控制，本試驗的浮重比設計為1.3。本試驗是水槽中的管段斷面試驗，因此認為管段的剛度足夠大，暫不考慮流體和管段結構的剛度比，但在開展水池平面試驗時需考慮。長度比尺、時間比尺、壓強比尺計算公式分別為

(1)

Tr=λ1/2；

(2)

Pr=λ。

(3)

式中：L、B、H分別代表坐標系中長、寬、高的3個方向；Lp、Bp、Hp為實際長度；Lm、Bm、Hm為模型長度；λ為模型比尺，λ=60；Tr為時間；Pr為壓強。

1.1.2 錨索模擬

錨索屬于非剛性結構，按受力變形相似和質量相似進行模擬。錨索模型應與原型的拉力-伸長關系曲線相似，根據JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規程》，確定模型錨索拉力-伸長關系為

(4)

式中：Tm為模型錨索拉力，N；CP為原型錨索彈性系數，對于鋼纜CP=26.97×104MPa；dp為原型錨索直徑，m； ΔS/S為原型錨索相對伸長，S為原型錨索初始長度；n為指數，對于鋼纜可取1.5。

根據JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規程》，纜繩的質量相似按式(5)進行計算：

(5)

1.1.3 波浪相似

波浪模擬滿足重力相似條件，不規則波譜采用JONSWAP譜，其表達式為：

(6)

fp為譜峰頻率；Hs為有效波高，m；Tp為譜峰值周期，s；γ為譜峰值參數，取γ=3.3。

1.2 試驗方法

本文按照雙向6車道設計了一種橢圓形斷面懸浮隧道交通結構，斷面的長軸和短軸尺寸分別為45.0 m和19.0 m，如圖1所示。目前，世界上尚未見已建成懸浮隧道工程的報道。本文以瓊州海峽為工程背景，采用瓊州海峽的水文地質參數進行研究，瓊州海峽全年中浪(波高1.25～2.5 m)和大浪(波高2.5～4 m)占波浪的80%左右[17]。為了得到可靠的波浪要素，首先對波浪進行了濾波處理，反復試驗后得到了滿足要求的波浪要素程序。試驗時在計算機中對需要的波浪要素程序進行調用，選取了3組波高、3組周期共9組工況進行試驗，懸浮隧道工況設計見表1。懸浮隧道支撐形式為錨索式，錨索角度設置為45°，試驗時在靜水中造波，波浪設置為規則波，并按波浪運動方向垂直于隧道走向的平面模型開展試驗，試驗方案設計如圖2所示。

圖1 橢圓形結構斷面(單位： mm)

斷面形式車道數實際斷面尺寸/(m×m)實際波高/m實際波浪周期/s試驗斷面尺寸/(m×m)試驗波高/cm試驗波浪周期/s試驗水深/cm橢圓形641．1×13．61．211．622．413．943．616．270．685×0．22721．541．862．110

1.3 試驗設備

試驗選用中星測控公司生產的壓力測量系統和總力測量系統，傳感器的原理均是由模擬量轉化為數字量，不同的是壓強傳感器由應變轉化而來，而壓力傳感器靠形變量轉化。壓力測試系統和總力測試系統的主要測試參數見表2。

為了測試水下懸浮隧道的周向壓強，在隧道表面設計了8個均勻分布的測點，布置在斷面的關鍵位置，如圖3所示。試驗波浪水槽的尺寸為60 m×1 m×1.8 m(長×寬×高)，懸浮隧道試驗管段長度據此確定為85 cm，現場測試圖見圖4。

圖2 試驗方案設計圖(單位： m)

類型傳感器量程分辨精度/%采樣頻率/Hz壓力測量系統10～20kPa10．008總力測量系統2～30kg10．03

(a) 錨索測點

(b) 壓強測點

P1—P6、P8、P9均為斷面測點。因原測點P7破壞，故采用P9代替。

圖3關鍵位置測點布置

Fig. 3 Layout of key monitoring positions

1.4 試驗消浪

本試驗為水槽試驗，水槽被分為2部分，下半部分為試驗區域，平面布置圖如圖5所示。試驗時，當波浪傳播至試驗區域遇到結構后會發生反射，反射波一部分在上方的平行水槽中擴散，傳至盡頭的碎石處被破碎，能量耗散； 另一部分則會反射回導流板附近，通過波高儀可以測得反射波的波高，利用計算機控制的導流板對其進行消波處理。因此，無論是傳播經過試驗區域的波浪還是從試驗區域前部反射回去的波浪均得到很好的消浪處理，不會造成波浪的疊加。試驗時，每一組工況的間隔時間應足夠長，待水流穩定后再開展下一組試驗，以防止波浪的反復疊加。

(a) 俯視圖

(b) 側視圖

圖5 水槽平面布置圖

2 主要試驗結果分析

由于波浪運動方向的差異，波浪力會在懸浮隧道斷面的不同位置形成不同的壓強場分布，包括背浪面、迎浪面、上表面和下表面。由于同一位置不同時刻壓強的變化和不同位置同一時刻壓強差的存在，使得懸浮隧道存在明顯的波動特性。

因此，選取懸浮隧道結構的1號(迎浪面)、3號(下表面)、5號(背浪面)、9號(上表面)4個傳感器的數據進行分析，其中1號和5號主要觀測隧道迎浪面和背浪面的壓強變化情況。對1號和5號、3號和9號傳感器數據做差之后可以得到隧道迎、背浪面和上、下表面的壓強差值，據此可以分析隧道的穩定性和安全性。

為消除測試設備的儀器誤差，引入相對壓強幅值

DP=Pi-P0。

(7)

式中：Pi為i時刻的壓強；P0為初始時刻的壓強。

2.1 壓強包絡線

為分析懸浮隧道結構的周向壓強典型變化特性，取波高6 cm、波浪周期為1.5～2.1 s以及周期為2.1 s、波高為2～6 cm時的工況，得到懸浮隧道4個關鍵測點在不同周期和波高下的壓強值。圖6和圖7分別示出波高6 cm不同周期下和周期2.1 s不同波高下的懸浮隧道壓強包絡圖。為使試驗結果可靠，從足夠長的時刻(t=60 s)開始取測點壓強。

試驗分別測試了2～6 cm波高和1.5～2.1 s周期的工況，現以6 cm波高和2.1 s周期為例進行分析。在6 cm波高工況下，迎浪面達到波峰時壓強絕對值隨周期的增大而減小，迎浪面達到波谷時壓強絕對值也隨周期的增大而減小； 在2.1 s周期工況下，迎浪面達到波峰時壓強絕對值隨波高增大而增大，迎浪面達到波谷時壓強絕對值也隨波高的增大而增大。迎浪面的波峰波谷時刻各方向的壓強相差較大，壓強在橢圓形表面分布不均勻。表3給出了所有試驗工況下的上下表面壓強差與迎背浪面壓強差之比。雖然不同的工況下壓強差之比具有隨機性，但總體而言，上下表面的壓強差大于迎背浪面壓強差。從波峰時刻來看，上下表面壓強差與前后表面壓強差的比值平均為1.88，波谷時刻上下表面壓強差與前后表面壓強差的比值平均為2.08，說明橢圓形懸浮隧道垂向穩定性沒有水平向穩定性好，應予以重點關注。

2.2 壓強極值

當波高在2～6 cm變化時，使波浪周期在1.5～2.1 s變化，得到懸浮隧道各測點在不同波浪周期下的壓強值。圖8示出迎浪面、背浪面壓強極值隨波高的變化曲線。由圖8可以看出，在相同周期下，迎浪面、背浪面壓強極值和上下表面壓強差極值在正壓區隨波高的增大而增大，在負壓區壓強極值、壓強差極值的絕對值也隨之增大，各測點正負壓強極值的絕對值表現為6 cm波高工況>4 cm波高工況>2 cm波高工況，其極值增大率平均值分別為48.5%和41.1%； 在相同波高下，壓強極值隨周期的增大而規律性減小，各測點正負壓強極值的絕對值表現為1.5 s周期工況>1.8 s周期工況>2.1 s周期工況，其極值增大率的平均值分別為9.7%和8.8%。因此，可以看出周期對壓強極值的影響極為有限，周期對壓強極值的敏感性不如波高，說明波高對懸浮隧道的水動力響應強于波浪周期。

(b) 迎浪面達到波谷時刻

Fig. 6 Comparison of pressure envelope diagrams under different wave periods when wave height is 6 cm

(a) 迎浪面達到波峰時刻

(b) 迎浪面達到波谷時刻

Fig. 7 Comparison of pressure envelope diagrams under different wave heights when wave period is 2.1 s

表3上下表面壓強差與前后表面壓強差之比

Table 3 Ratio of pressure difference between upper and lower surface to that between front and back surface

周期工況/s波峰時刻壓強差比波高2cm波高4cm波高6cm波谷時刻壓強差比波高2cm波高4cm波高6cm1．52．181．781．462．332．441．371．82．032．411．262．161．981．592．13．001．521．242．713．121．06

(a) 迎浪面

(b) 背浪面

(c) 上下表面壓強差

Fig. 8 Pressure peak variation with wave height under different wave periods

2.3 壓強峰值次數

在一個波浪周期內，懸浮隧道結構出現了多個局部峰值，為討論其峰值次數變化規律，現以2 cm波高工況為例，在1.5～2.1 s內變化波浪周期，得到懸浮隧道迎浪面、背浪面、迎背浪面壓強差和上下表面壓強差在不同波浪周期下的壓強值，如圖9所示。圖10示出2、4、6 cm波高下不同周期的迎背浪面壓強出現峰值次數的比較。由圖10可知，迎背浪面壓強出現峰值次數的規律表現為： 2.1 s周期工況>1.8 s周期工況>1.5 s周期工況。

(a) 迎浪面

(b) 背浪面

(c) 迎背浪面壓強差

(d) 上下表面壓強差

Fig. 9 Pressure variation with wave period when wave height is 2 cm

(a) 波高2 cm

(b) 波高4 cm

(c) 波高6 cm

Fig. 10 Comparison of peak times of wave face and wave back face under different wave periods

由圖8可知，無論是從正壓區還是負壓區來看，短周期波浪的壓強絕對值總是大于長周期波浪。由圖9可知，對于長周期波浪，波浪力產生的壓強接近正弦變化； 對于短周期波浪，壓強響應不再是協調的，但仍然保持一定的周期變化，波浪力變化趨于復雜。而圖8又表明，短周期波浪相比長周期波浪強度更大，變化更復雜。由圖10可知，長周期波浪周期內出現的峰值次數最多，絕對量值沒有短周期波浪大。因此，短周期波浪對隧道穩定性影響更為顯著。

3 結論與討論

1)從瞬時時刻的懸浮隧道結構壓強包絡線來看，壓強隨波高的增大而增大，隨周期的增大而減小。懸浮隧道結構的垂向穩定性低于水平向，在結構設計和施工過程中應重點關注。

2)周期變化對壓強極值的影響小于波高變化對壓強極值的影響，波高是結構所受壓強絕對值的主要影響因素之一。

3)短周期波浪的破壞力要大于長周期波浪，表現為峰值大、影響快，而長周期波浪雖然影響時間略長，但峰值不大。在不同的波高下，峰值出現次數的規律為2.1 s周期工況>1.8 s周期工況>1.5 s周期工況。

4)限于試驗條件，本試驗僅測試分析了懸浮隧道管段的壓強變化特性，未來應在管段壓強測試的基礎上進一步測定結構的應力分布和不同錨索布置形式的受力特性，并對結構安全性進行試評價。

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