懸浮隧道特征橫斷面過水特性研究1：工程常用參數

林巍 ，陳進 ，鄒威 ，曾繁旭

（1.中交懸浮隧道結構與設計方法研究攻關組，廣東 珠海 519000；2.中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088；3.中交第二航務工程局有限公司技術中心，湖北 武漢 430040；4.大連理工大學，遼寧 大連 116024）

0 引言

懸浮隧道橫斷面過水特性的既有研究[1-4]總結見表1。

根據懸浮隧道橫斷面概念方案的全面調研[5]與沉管隧道工作經驗[6]，發現懸浮隧道橫斷面外輪廓多樣性遠超出當前研究對象的范圍，仍需擴展，例如尚需研究分離式、馬蹄形和帶圓倒角矩形橫斷面。另一方面，已有過水特性研究多數只適用于結構靜力分析，為給結構動力分析提供依據，還有必要研究懸浮隧道各類橫斷面附加水質量系數與水阻尼系數，文獻[7-9]研究的特征輪廓形狀屬于基本幾何形狀，尚未全面覆蓋工程研究斷面可能的形式。

表1 已有懸浮隧道橫斷面過水特性研究文獻匯總Table 1 Summary on exiting research on SFT cross-section hydrodynamic characters

通過數模方法系統研究懸浮隧道多種橫斷面的過水特性。提出25個特征化的橫斷面作為研究對象，并給出這些斷面工程設計與結構分析常用的典型參數，包括附加水質量系數、水阻尼、升力系數、阻力系數與最大波浪力等。

1 方法

1.1 懸浮隧道特征橫斷面擬定

根據2車道、4車道和6車道以及特定設計時速（例如80 km/h）繪制各種懸浮隧道工程橫斷面，再提取外輪廓信息用于研究。這種方法的優點是：工程橫斷面較真實，但形狀復雜，且有以下缺點：1）無普遍參考性；2）橫向比較不方便；3）結果分析干擾信息多；4）輪廓形狀不易描述，不便于加深直觀認識。因此，將工程橫斷面進一步概化成特征橫斷面，懸浮隧道特征橫斷面如圖1所示。第1、2行類比“2車道”，第3、4行及第5行前2個類比“4車道”，最后1個類比“6車道”橫斷面。

圖1 懸浮隧道特征橫斷面（m）Fig.1 Submerged floating tunnel conceptualized cross-section(m)

1.2 計算方法概述

簡化成平面2D問題。

求解波浪力采用勢流方法實現，模型固定，水深與淹沒水深（即結構頂面到水面距離）分別設置成1 000 m與20 m，單位波幅（等效于2 m波高），周期統一取9 s。

求解其它問題采用CFD方法實現，但如果采用實尺度，高雷諾數流動需大量網格，非常耗費計算資源，因此本文計算時采用模型尺度，縮尺比為 1∶10。

水流流速縮尺前1.5 m/s、縮尺后0.474 m/s。求解升力系數與阻力系數時模型固定。

求解附加水質量系數通過強制振動，平動振動幅度縮尺前0.5 m、縮尺后0.05 m，扭轉振動幅度設置5°，平動與扭轉振動頻率縮尺前0.316 Hz、縮尺后1 Hz。

求解水阻尼系數采用自由衰減振蕩，在橫斷面上設置水平彈簧和豎向彈簧。彈簧剛度設置成分別令結構水平和豎向的自振頻率fi始終保持1 Hz，也即ki=4π2（M+Ai）fi2=4π2（M+Ai），i=1，2分別代表水平和豎向。其中Ai是附加水質量系數由前一項計算得到，M為模型面積乘以水密度（1 000 kg/m3）。

渦激運動模擬的彈簧設置相同，研究折合速度、浮重比、剛度等參數對橫斷面橫向、豎向位移的影響。

2 結果

參數計算結果見表2。表中第1列特征橫斷面形狀對應圖1順序從上到下，從左往右。結果總體趨勢：1）面積越大，附加水質量系數、水阻尼系數和波流作用影響越大。前者有利，后者不利；2）外輪廓為流線形的參數比鈍形的偏??；3）附加水質量系數水平平動范圍在0.3～1.3、豎向平動在1.0～3.3、扭轉在0～1.9；水阻尼系數平動均在0.02～0.07；升力系數范圍在0.1～2.3、阻力系數范圍在 0.2～2.5。

表2 懸浮隧道特征橫斷面典型過水特性參數計算結果匯總表Table 2 Calculation results summary of submerged floating tunnel conceptualized cross-section hydrodynamic characteristic parameter

3 討論

1）已有研究共考慮了6個特征橫斷面、研究7類特征參數。本系列研究共考慮了25個特征橫斷面，近20類特征參數。研究量級為既有研究總和10倍以上，更具普遍參考性。并且，分析過程實現了逐日分析，動態調整[10]。

2）相比更普遍的工程問題，本研究仍是一個特例，因為：①從工程角度，懸浮隧道管體橫斷面的質量變化[5]、表面粗糙度[5]、運動位移與速度和加速度、橫斷面在懸浮隧道整體結構體系下的真實剛度（包含結構設計“抗”與“讓”問題）、淹沒水深、水深、水流流速、波浪要素、不規則波浪分布規律、三維繞流效應等都或多或少影響橫斷面過水特性。表2亦可用于橫斷面之間比較（圖2）。其它過水特性包括渦激運動特征、約化速度鎖定區間、渦脫頻率（St數）、運動軌跡與幅值等。②從水動力研究角度，對流場也做了更多研究，上述部分內容在后續篇章中展開研討。

圖2 特征橫斷面橫向比較Fig.2 Horizontal comparison of conceptualized cross-section

3）為了工程應用，對該數模結果分析后，設計一系列物模水槽試驗進行研究，并研發連接水槽物模試驗與整體分析之間的紐帶數值工具。