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

技术特征：

1.一种风、流影响下沉管隧道管节拖航安全限制条件的确定方法，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的一种风、流影响下沉管隧道管节拖航安全限制条件的确定方法，其特征在于，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。

3.根据权利要求2所述的一种风、流影响下沉管隧道管节拖航安全限制条件的确定方法，其特征在于，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+|ΔB_L|+|ΔB_F|+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，ΔB_L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，ΔB_F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。

4.根据权利要求3所述的一种风、流影响下沉管隧道管节拖航安全限制条件的确定方法，其特征在于，

无风、流作用下通过顺直航段所需航宽为：

B₁＝L sinα+b cosα，

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：

$B_1=2K^{\′}\·\[\sqrt{{(R+\frac{1}{2}b)}^2+{(Vt+AD)}^2}-R\],$

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。

5.根据权利要求3所述的一种风、流影响下沉管隧道管节拖航安全限制条件的确定方法，其特征在于，

顺直航段管节拖航船队在水流作用下的漂移量为：

${\mathrm{\ΔB}}_L=S\·\frac{Vsin\mathrm{\α}+Usin\mathrm{\β}}{|Vcos\mathrm{\α}+Ucos\mathrm{\β}|};$

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：

${\mathrm{\ΔB}}_L=Usin\mathrm{\β}\frac{S}{V+Ucos\mathrm{\β}},$

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：

${\mathrm{\ΔB}}_L=U\sin \mathrm{\β}\frac{S}{V-U\cos \mathrm{\β}};$

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。

6.根据权利要求3所述的一种风、流影响下沉管隧道管节拖航安全限制条件的确定方法，其特征在于，

顺直航段管节拖航船队在风作用下的漂移量为：

${\mathrm{\ΔB}}_F=K\sqrt{\frac{B_a}{B_w}}\·e^{-0.14V_s}\frac{V_{a}S{\mathrm{sin\α}}_f}{|V\cos \mathrm{\α}+U\cos \mathrm{\β}|};$

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：

${\mathrm{\ΔB}}_F=K\sqrt{\frac{B_a}{B_w}}{e}^{-0.14V_s}{V}_a\frac{S}{V-Ucos\mathrm{\β}}{\mathrm{sin\α}}_f,$

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：

${\mathrm{\ΔB}}_F=K\sqrt{\frac{B_a}{B_w}}{e}^{-0.14V_s}{V}_a\frac{S}{V+Ucos\mathrm{\β}}{\mathrm{sin\α}}_f;$

其中，K为修正系数，取值为0.038～0.041，B_a为管节水线上侧受风面积，B_w为管节水线下侧面积，B_w＝L·d，V_s为拖带船队风中航速，V_a为相对风速，α_f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，B_a和B_w单位为m²，V_a、V和U单位为m/s，V_s单位为kn，S、L和d单位为m，α_f、α和β单位为角度。

7.根据权利要求1所述的一种风、流影响下沉管隧道管节拖航安全限制条件的确定方法，其特征在于，步骤(2)中管节拖航风、流合压力计算模型为：

$\begin{array}{c}{F}_{\max }=F_a+P_N\\ =\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_a{C}_a{V}_a^2\left(A_a{\cos }^2\mathrm{\θ}+B_a{\sin }^2\mathrm{\θ}\right)\\ +\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_w{C}_w{U}^{2}Ld\end{array},$

其中，F_max为管节拖航管节所受合压力，F_a为管节拖航管节所受风压力，P_N为管节拖航管节所受流压力，ρ_a为空气密度，C_a为风压力系数，V_a为相对风速，θ为相对风的风舷角，A_a为管节水线以上正投影面积，B_a为管节水线以上侧投影面积，ρ_w为水密度，C_w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，F_max、F_a和P_N单位为N，ρ_a和ρ_w单位为kg/m³，V_a和U单位为m/s，A_a和B_a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。