风、流影响下沉管隧道管节拖航安全限制条件的确定方法与流程

本发明涉及一种沉管隧道管节拖航安全限制条件的确定方法，尤其是涉及一种风、流影响下沉管隧道管节拖航安全限制条件的确定方法。
背景技术：
：随着我国国民经济的不断发展，沉管隧道作为一种新型的穿越工程，以其施工方便、防水可靠、工期短、对航道影响小等优点，得到了交通运输业的广泛关注和应用。沉管隧道以沉管管节为单元，通过预制、出坞与浮运、管节沉放与水力压接、基础构筑及覆土等一系列施工工序，从而形成连接水体两端陆上交通的水下隧道。其中，受管节主尺度大、吃水深以及外界风、流等因素的影响，管节的浮运拖航是沉管隧道施工过程中一项关键技术和难点，对管节拖航安全的研究显得十分重要。纵览国内外研究现状，对于沉管隧道管节拖航安全的研究方法主要有：一是利用风险评估理论构建风险模型，对管节拖航过程进行风险评估；二是利用物理模型试验的方法，解决管节在浮运过程中拖航阻力和操纵性问题；三是通过数值模拟的方式探讨管节在浮运过程中水动力特征，根据相关的规律为实际施工过程提供安全可靠的建议。以上三类方法在一定程度上为研究管节拖航安全提供了一定的理论指导，但对于管节拖航定性定量的安全限制条件分析仍未给出具体的研究方法，因此，为保证管节拖航作业安全，避免海事事故的发生，提出风、流影响下管节拖航安全限制条件的确定方法，具有十分重要的现实意义。技术实现要素：本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种风、流影响下沉管隧道管节拖航安全限制条件的确定方法。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种风、流影响下沉管隧道管节拖航安全限制条件的确定方法，该方法包括如下步骤：(1)建立管节拖航航宽计算模型，在不同风、流条件和航速条件下计算管节拖航所需航宽，并与实际最大通航航宽进行对比，确定满足实际最大通航航宽的风、流条件和航速条件；(2)建立管节拖航风、流合压力计算模型，在不同风、流条件下计算管节拖航管节所受合压力，并与拖带船队最大拖力对比，确定满足拖带船队最大拖力下的风、流条件；(3)根据步骤(1)和步骤(2)的结果选取同时满足条件的风、流条件和航速件作为安全限制条件。步骤(1)具体为：(101)分别建立顺直航段拖航航宽计算模型和弯曲航段拖航航宽计算模型；(102)针对不同的顺直航段和弯曲航段采用对应的拖航航宽计算模型计算不同风、流条件和航速条件下管节拖航所需航宽；(103)根据步骤(102)计算结果以及对应顺直航段和弯曲航段的实际最大通航航宽，确定顺直航段和弯曲航段下能够正常通航的风、流条件和航速条件，具体为对于某一航段，从计算的不同风、流条件和航速条件下管节拖航所需航宽计算值中选取小于该航段实际最大通航航宽的最大计算值对应的风、流条件和航速条件作为该航段满足实际最大通航航宽的风、流条件和航速条件。顺直航段拖航航宽计算模型和弯曲航段拖航航宽计算模型具体为：B＝B1+|ΔBL|+|ΔBF|+2|C|；其中，B为风、流作用下通过顺直航段或弯曲航段所需航宽，B1为无风、流作用下通过顺直航段或弯曲航段所需航宽，ΔBL为顺直航段或弯曲航段管节拖航船队在水流作用下的漂移量，ΔBF为顺直航段或弯曲航段管节拖航船队在风作用下的漂移量，C为管节拖航船队船舷外侧与航道边界的安全距离。无风、流作用下通过顺直航段所需航宽为：B1＝Lsinα+bcosα，其中，L为管节拖航船队长度，单位为m，b为拖航船队宽度，单位为m，α为管节拖带船队偏航角，单位为角度；无风、流作用下通过弯曲航段所需航宽为：B1=2K′·[(R+12b)2+(Vt+AD)2-R],]]>其中，K′为修正系数，取值为0.95，R为航道轴线曲率半径，b为管节宽度，AD为管节转心至船尾的距离，V为无风、流作用下的拖带船队航行速度，t为管节拖航时对拖轮拖力的响应时间，R、b和AD单位均为m，V单位为m/s，t单位为s。顺直航段管节拖航船队在水流作用下的漂移量为：ΔBL=S·Vsinα+Usinβ|Vcosα+Ucosβ|;]]>弯曲航段管节拖航船队在水流作用下的漂移量根据管节拖航船队上行和下行状态来确定，具体地：当管节拖航船队为上行状态时，弯曲航段管节拖航船队在水流作用下的漂移量为：ΔBL=UsinβSV+Ucosβ,]]>当管节拖航船队为下行状态时，弯曲航段管节拖航船队在水流作用下的漂移量为：ΔBL=UsinβSV-Ucosβ;]]>其中，S为管节拖航船队相邻两次改向之间的距离，V为无风、流作用下的拖带船队航行速度，U为流速，α为管节拖带船队偏航角，β为流向角，S单位为m，V和U单位为m/s，α和β单位为角度。顺直航段管节拖航船队在风作用下的漂移量为：ΔBF=KBaBw·e-0.14VsVaSsinαf|Vcosα+Ucosβ|;]]>弯曲航段管节拖航船队在风作用下的漂移量根据管节拖航船队上行和下行状态来确定，具体地：当管节拖航船队为上行状态时，弯曲航段管节拖航船队在风作用下的漂移量为：ΔBF=KBaBwe-0.14VsVaSV-Ucosβsinαf,]]>当管节拖航船队为下行状态时，弯曲航段管节拖航船队在风作用下的漂移量为：ΔBF=KBaBwe-0.14VsVaSV+Ucosβsinαf;]]>其中，K为修正系数，取值为0.038～0.041，Ba为管节水线上侧受风面积，Bw为管节水线下侧面积，Bw＝L·d，Vs为拖带船队风中航速，Va为相对风速，αf为真风作用方向与航道中线的夹角，S为管节拖航船队相邻两次改向之间的距离，V为无风、流作用下的拖带船队航行速度，U为流速，α为管节拖带船队偏航角，β为流向角，L为管节拖航船队长度，d为管节吃水深度，Ba和Bw单位为m2，Va、V和U单位为m/s，Vs单位为kn，S、L和d单位为m，αf、α和β单位为角度。步骤(2)中管节拖航风、流合压力计算模型为：Fmax=Fa+PN=12ρaCaVa2(Aacos2θ+Basin2θ)+12ρwCwU2Ld,]]>其中，Fmax为管节拖航管节所受合压力，Fa为管节拖航管节所受风压力，PN为管节拖航管节所受流压力，ρa为空气密度，Ca为风压力系数，Va为相对风速，θ为相对风的风舷角，Aa为管节水线以上正投影面积，Ba为管节水线以上侧投影面积，ρw为水密度，Cw为水动力系数，U为水流流速，L为管节长度，d为管节吃水深度，Fmax、Fa和PN单位为N，ρa和ρw单位为kg/m3，Va和U单位为m/s，Aa和Ba单位为m2，L和d单位为m，θ单位为角度；进而从不同风、流条件下管节拖航管节所受合压力计算值中选取小于拖带船队最大拖力的管节拖航管节所受合压力最大值对应的风、流条件作为满足拖带船队最大拖力下的风、流条件。与现有技术相比，本发明具有如下优点：(1)综合考虑风、流作用下管节拖航所需航宽以及管节拖航管节所受合压力，考虑实际最大通航航宽以及拖带船队最大拖力均满足条件条件下的风、流条件，从而确定安全限制条件，综合考虑多方面因素，结果更加可靠；(2)根据船舶操纵理论，结合现有通航标准，利用数学建模方法首次提出风、流影响下管节拖航航宽计算模型，适用范围广，可以推广到其他超大型浮体拖航的计算；(3)航宽计算模型充分考虑了外界条件风、流的影响，可以计算不同风、流条件下的所需航宽情况，充分考虑不同工况的影响；(4)管节拖航风、流合压力计算模型根据“最不利原则”来判断风、流合压力大小，首先计算管节在不同风、流作用下的受力，在考虑最不利情况即出现横风，且风和流作用叠加的情况下，得出管节所受风流合压力，可以充分判断其拖带方案的合理性，便于提出其拖航限制条件，同时具有良好的推广性。附图说明图1为本发明风、流影响下沉管隧道管节拖航安全限制条件的确定方法的流程框图；图2为无风、流作用下通过顺直航段所需航宽计算示意图；图3为弯曲航段管节拖航船队在水流作用下的漂移量计算示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例如图1所示，一种风、流影响下沉管隧道管节拖航安全限制条件的确定方法，该方法包括如下步骤：步骤1：确定管节拖航重点航段以及计算参数；步骤2：建立管节拖航航宽计算模型，在不同风、流条件和航速条件下计算管节拖航所需航宽；步骤3：将步骤2计算结果与实际最大通航航宽进行对比，确定满足实际最大通航航宽的风、流条件和航速条件；步骤4：建立管节拖航风、流合压力计算模型，在不同风、流条件下计算管节拖航管节所受合压力；步骤5：将步骤4计算结果与拖带船队最大拖力对比，确定满足拖带船队最大拖力下的风、流条件；步骤6：根据步骤:3和步骤5的结果选取同时满足条件的风、流条件和航速件作为安全限制条件。步骤2具体为：(101)分别建立顺直航段拖航航宽计算模型和弯曲航段拖航航宽计算模型；(102)针对不同的顺直航段和弯曲航段采用对应的拖航航宽计算模型计算不同风、流条件和航速条件下管节拖航所需航宽；步骤3为：根据步骤(102)计算结果以及对应顺直航段和弯曲航段的实际最大通航航宽，确定顺直航段和弯曲航段下能够正常通航的风、流条件和航速条件，具体为对于某一航段，从计算的不同风、流条件和航速条件下管节拖航所需航宽计算值中选取小于该航段实际最大通航航宽的最大计算值对应的风、流条件和航速条件作为该航段满足实际最大通航航宽的风、流条件和航速条件。顺直航段拖航航宽计算模型和弯曲航段拖航航宽计算模型具体为：B＝B1+|ΔBL|+|ΔBF|+2|C|；其中，B为风、流作用下通过顺直航段或弯曲航段所需航宽，B1为无风、流作用下通过顺直航段或弯曲航段所需航宽，ΔBL为顺直航段或弯曲航段管节拖航船队在水流作用下的漂移量，ΔBF为顺直航段或弯曲航段管节拖航船队在风作用下的漂移量，C为管节拖航船队船舷外侧与航道边界的安全距离，根据《内河通航标准》(GB50139－2014)，C可取0.25倍航迹带宽度。无风、流作用下通过顺直航段所需航宽为：B1＝Lsinα+bcosα，其中，L为拖航船队长度，单位为m，b为拖航船队宽度，单位为m，α为管节拖带船队偏航角，单位为角度；如图2所示，图中B1为无风、流作用下通过弯曲航段所需航宽，具体计算公式为：B1=2K′·[(R+12b)2+(Vt+AD)2-R],]]>其中，K′为修正系数，取值为0.95，R为航道轴线曲率半径，b为管节宽度，AD为管节转心至船尾的距离，即图2中A、D两点间距离，V为无风、流作用下的拖带船队航行速度，t为管节拖航时对拖轮拖力的响应时间，R、b和AD单位均为m，V单位为m/s，t单位为s。顺直航段管节拖航船队在水流作用下的漂移量为：ΔBL=S·Vsinα+Usinβ|Vcosα+Ucosβ|;]]>管节拖航船队通过弯曲航段时，在水流的作用下产生的横向漂移如图3所示。图中x轴平行于弯曲航道中线切线，y轴垂直于航道中线切线。将水流流速U分解到x方向和y方向，由于Uy的存在，使得船队过弯时会产生在y方向的漂移量，y方向的漂移量即为弯曲航段管节拖航船队在水流作用下的漂移量。弯曲航段管节拖航船队在水流作用下的漂移量根据管节拖航船队上行和下行状态来确定，具体地：当管节拖航船队为上行状态时，弯曲航段管节拖航船队在水流作用下的漂移量为：ΔBL=UsinβSV+Ucosβ,]]>当管节拖航船队为下行状态时，弯曲航段管节拖航船队在水流作用下的漂移量为：ΔBL=UsinβSV-Ucosβ;]]>其中，S为管节拖航船队相邻两次改向之间的距离，V为无风、流作用下的拖带船队航行速度，U为流速，α为管节拖带船队偏航角，β为流向角，S单位为m，V和U单位为m/s，α和β单位为角度。顺直航段管节拖航船队在风作用下的漂移量为：ΔBF=KBaBw·e-0.14VsVaSsinαf|Vcosα+Ucosβ|;]]>弯曲航段管节拖航船队在风作用下的漂移量根据管节拖航船队上行和下行状态来确定，具体地：当管节拖航船队为上行状态时，弯曲航段管节拖航船队在风作用下的漂移量为：ΔBF=KBaBwe-0.14VsVaSV-Ucosβsinαf,]]>当管节拖航船队为下行状态时，弯曲航段管节拖航船队在风作用下的漂移量为：ΔBF=KBaBwe-0.14VsVaSV+Ucosβsinαf;]]>其中，K为修正系数，取值为0.038～0.041，Ba为管节水线上侧受风面积，Bw为管节水线下侧面积，Bw＝L·d，Vs为拖带船队风中航速，Va为相对风速，αf为真风作用方向与航道中线的夹角，真风是指海面上实际的风向称为真风，S为管节拖航船队相邻两次改向之间的距离，V为无风、流作用下的拖带船队航行速度，U为流速，α为管节拖带船队偏航角，β为流向角，L为管节拖航船队长度，d为管节吃水深度，Ba和Bw单位为m2，Va、V和U单位为m/s，Vs单位为kn(节)，1节(kn)＝1海里/时＝(1852/3600)m/s，S、L和d单位为m，αf、α和β单位为角度。步骤4中管节拖航风、流合压力计算模型为：Fmax=Fa+PN=12ρaCaVa2(Aacos2θ+Basin2θ)+12ρwCwU2Ld,]]>其中，Fmax为管节拖航管节所受合压力，Fa为管节拖航管节所受风压力，PN为管节拖航管节所受流压力，ρa为空气密度，Ca为风压力系数，Va为相对风速，θ为相对风的风舷角，Aa为管节水线以上正投影面积，Ba为管节水线以上侧投影面积，ρw为水密度，Cw为水动力系数，U为水流流速，L为管节长度，d为管节吃水深度，Fmax、Fa和PN单位为N，ρa和ρw单位为kg/m3，Va和U单位为m/s，Aa和Ba单位为m2，L和d单位为m，θ单位为角度，风压力系数Ca为与相对风舷角θ相关的系数，同时水动力系数Cw为与流向角β相关的系数，具体地，相对风舷角θ与风压力系数Ca对应表如表1所示，流向角β与水动力系数Cw对应表如表2所示。进而从不同风、流条件下管节拖航管节所受合压力计算值中选取小于拖带船队最大拖力的管节拖航管节所受合压力最大值对应的风、流条件作为满足拖带船队最大拖力下的风、流条件。表1相对风舷角θ与风压力系数Ca对应表θ02040608090100120140160180Ca0.501.101.351.301.051.001.051.301.351.200.60表2流向角β与水动力系数Cw对应表β02040608090100120140160180Cw/0.20.50.80.90.950.90.80.60.2/以某隧道工程(以下称为A工程)为例，结合图1对以下计算步骤进行详细描述：在步骤1管节拖航重点航段、计算参数确定中，应根据A工程管节拖带航线，确定重点航段，即分为顺直航段和弯曲航段，确定计算参数，包括风、流、船队尺度等相关参数，具体见表3～表5。然后执行步骤2。表3管节拖带航线重点航段航段名称航段类型S大桥桥区顺直航段出坞转弯段弯曲航段表4工程管节拖航通过桥区顺直航段航宽主要计算参数表5工程管节拖航通过弯曲航段航宽主要计算参数步骤2管节拖航所需航宽计算中，根据所确定的计算参数，计算管节拖航通过顺直航段和弯曲航段所需航道宽度，见表6，然后执行步骤3。表6工程管节拖带通过重点航段所需航宽步骤3与最大通航宽度对比中，针对实施例，与现有航道最大通航宽度对比，可以得出管节拖航船队通过弯曲航段时，在控制流速0.6m/s、航速0.17～0.8m/s、实际风力不超过四级的条件下，拖航所需航宽小于弯曲航段的最大通航宽度。管节拖航船队在通过S大桥时，当流速1.0m/s、航速0.17～0.8m/s、实际风力不超过四级，拖航所需航宽小于桥梁最大通航宽度，然后进入步骤4；步骤4管节拖航所受合压力计算，利用计算参数，利用管节拖航所受合压力计算模型，根据“最不利原则”计算得出管节拖航所受合压力，实施例计算结果见表7，然后执行步骤5。表7风流合压力(kN)计算表步骤5与拖带方案总拖力对比，针对实施例，根据A隧道工程管节拖带方案，得出管节拖带船队总拖力为2065～2630kN，通过对表7计算结果的分析，可以得出在流速不大于1.4m/s、实际风力不超过四级的控制条件下，管节拖航船队的布置可满足拖航作业要求，然后进入步骤6。在步骤6中，综合步骤3和5的分析结论，可以得出管节拖航安全限制条件；针对实施例，其安全限制条件见表8。表8综合因素下安全限制条件的确定当前第1页1 2 3