韩国釜山-巨济岛沉管隧道水动力性能的模型试验研究

     (1)试验的目的
       为了给开发出的沉管下放安装时的数学模型做验证。测量了在不同的波浪条件下,驳船和沉管管节系统的运动响应和各种缆绳的张力。研究了处于不同阶段时沉管下沉安装过程中水动力特性。实际状况中沉管的第一节见图1。
图1 实际状况中的沉管
     (2)试验设施
       在MARIN的浅水池进行了沉管管节下沉安装模型试验。浅水池的长宽为L×B=220×16m。水深可以调整,最大水深为1.1m。浅水池有一个活塞形式的造波机,非常适合生成浅水波浪。试验过程中制作了沉管基座、一个沉管管节和两个驳船的模型。测量了多种规则波浪下沉管和驳船的运动与受力。

    (3)试验模型参数
      用于试验的模型包括一个沉管管节、两条驳船、锚链线、定位索和吊索,缩尺比为1:50。沉管管节的模型木头制作,并按照实际尺度缩小。模型如图2所示,沉管管节的质量分部、重量、重心高度和惯性矩都是按照实际尺度的数值取。沉管管节模型安装有两根拖绳、为定位索和吊索准备的导览孔,在沉管管节的端部安装有两根导梁。两个沉放驳船由轻质泡沫材料制作而成,通过环氧树脂来实现防水,其中一个模型如图3所示。与沉管管节类似,驳船的重量分布和稳性参数都调得与实际相符。锚链线、定位索和吊索都由细钢丝制作,在每根绳子上安装有可调线性弹簧来获得正确的轴向刚度。
图2 沉管管节模型(1:50)

图3 一个驳船配有沉管管节
     (4)试验流程
       在开始模型试验之前,在浅水池构造了两个基坑。两个基坑由水泥做成,放置于水池底部,试验时也放置了碎石层。第一个基坑方向与水池方向垂直,第二个基坑放置成30°角。通过这种方式,能够模拟波浪与沉管方向成60°和90°的情况。图4显示了基坑的一个横剖面形状。在试验过程中,保持只使用一个基坑,另外一个用钢板覆盖,可以消除另外一个基坑的不利影响。
       模型试验过程中测量了波高、模型运动参数和缆绳的张力。通过电阻丝波高测量探头来测量波高。试验装置上布置有多个探头。通过光学运动测量系统测量沉管管节和两个驳船的运动幅值。通过安装在每个模型上面的三个红外镜头得到模型的位置,然后推算出模型6个自由度的运动幅值。测量精度高于0.5mm/0.1°(模型尺度)。通过环形的应力传感器测量缆绳的张力。
       试验中构造了一个已经安装定位在基坑上面的沉管管节,图5是试验中的驳船与沉管管节系统。在这个沉管管节的两端加有碎石层。水池底部的基坑的附近安装有定位绳和吊索的锚泊点。在驳船与水池底部之间安装用于驳船定位的锚链线。在驳船与沉管管节的顶端安装有吊索,用来承担沉管的重量,定位索一头连接驳船,穿过位于沉管管节上的垫板板孔固定于水池底部;使用定位索的目的是限制沉管下放安装时的横向运动。
图4 驳船与沉管管节系统的横剖面视图

图5 试验中的驳船与沉管管节系统
     (5)试验工况
       在这个浅水池中进行了系列试验,系统的改变水深、波浪条件和波浪方向参数。研究了沉管下沉的不同的阶段。试验测量范围内的具体参数如下:1).水深为12m和23m;2).波浪方向为90°和60°(相对于沉管管节方向);3).风浪(短周期),涌浪(长周期),多种组合波浪(风浪和涌浪);4).沉管管节与碎石层距离为0.5m和1m;5).沉管管节超重2%、3%和5%;6).一共进行了50组不规则波下系统的运动响应试验。

     (6)主要结论
       这个试验为波浪作用下驳船和沉管管节的整体运动响应提供了有价值的参考。通过模型试验可以得到如下一些结论:
       1).沉管管节的运动受到波浪周期的影响。长波作用下沉管的运动幅度更大。
       2).12m水深条件下沉管管节的运动幅度要比23m水深条件下运动幅度大,但是两种水深条件下缆绳上面的载荷差别比较小。
       3).相比沉管管节位于碎石层上方1m的工况,沉管管节位于碎石层上方0.5m时,沉管管节的水平运动幅度更大。但是沉管管节靠近水平面的工况下,沉管运动的垂向运动幅度更大。
       4).与浪向为90°的工况相比,浪向为60°时沉管管节的运动幅度更大。但是两种工况下的管节的垂向运动幅度相似。另外测得了波浪对锚链张力的影响。

       参考文献:
       Cozijn, Hans, and Jin Wook Heo. "Analysis of the tunnel immersion for the Busan-Geoje fixed link project through scale model tests and computer simulations." ASME 2009 28th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering. American Society of Mechanical Engineers, 2009.





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责任编辑:editor

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