对被系泊驳船沉放的沉管管段运动响应的实验研究外文翻译资料

 2022-07-27 16:42:28

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对被系泊驳船沉放的沉管管段运动响应的实验研究

左卫广，王永学

大连理工大学港口与海岸工程省重点实验室

电子邮箱：weiguangzuo2004@163.com

摘要：这篇文章研究了系泊驳船在波浪中对被其沉放的沉管管段运动响应的影响。沉管管段和系泊驳船的运动响应在这个实验中同时被由Untouched 6-D测量系统获取。结果表明，有驳船和没有驳船时，被系泊驳船沉放的沉管管段的横摇运动响应时不一样的。对于沉管管段和系泊驳船系统，驳船在横荡的方向有两个分运动。系泊驳船的高频运动队沉管管段的高频运动几乎没有影响。然而系泊驳船的低频运动对沉管管段的横荡运动有着显著的影响。沉管管段和驳船的运动响应在垂荡和横摇运动方向上主要是高频运动。

关键词：沉管管段，系泊驳船，运动响应，低频运动，最大抵消

简介

沉管方法是海底隧道施工的创新技术。过程包括在河或海底疏浚沟渠，运输预制沉管管段，将管段逐个沉入沟槽，连接管段，回填沟槽和在沉管内安装设备。这项技术涉及到几种关键的工程技术，如运输和沉入，水下连接，防水防水防震。如今，沉管管段的沉入在施工中起到越来越重要的作用，对施工安全性有很大的影响。然而，与沉入方法相关的其他技术问题相比，沉管管段的沉入尚未得到很好的研究。

沉管管段有几种沉入方法，如浮标沉入，平台沉入，电梯沉入和驳船沉入。 因为驳船沉入有载货量大、施工方便的优势，他被用于越来越多的工程。 当沉管管段的沉入由系泊驳船完成时，波浪和驳船会造成沉管管段的运动。 因此，研究波浪中沉管管段和驳船之间的水动力特性是十分必要的。

Zhan研究了沉管管段沉入过程中的流体力和电缆张力，其中速度，波高和压载水被用于分析其对沉管管段沉入稳定性的影响。Jensen等人在施工区建立了波浪模型，分析了沉管管段沉入的运动特性，并研究了海上波浪条件对沉管管段沉入的影响。Zhou获得了电缆张力的实验结果，并计算出沉管管段在初始沉入状态下的频率响应，但他没有研究沉管管段运动响应的细节。Chen等人对沉管管段沉入在几个浸入深度进行了实验，测试结果与数值模型一致。 然而，驳船对沉管管段运动响应的影响在大多数实验中没有被充分的考虑。

本篇文章通过实验来研究沉管管段的水动力特性，同时考虑到驳船运动的效果。本文还分析和讨论了管段-驳船系统中沉管管段在波浪中的对系泊驳船的运动响应。

  1. 建立实验

在大连理工大学沿海和近海工程国家重点实验室的环境通道中进行了停泊驳船沉入沉管管段的实验。 波道长50m，宽3m，高1m。 实验装置的草图如图1所示。

图1. 实验设置草图

在实验设计中使用长度为100.0米，宽15.0米，高10.0米的原型沉管管段，从现有施工项目中收集原型沉管管段和驳船的特征值。 在模型试验设计中，使用1:50的计量尺度，并根据几何和重力相似性标准确定沉管管段，驳船和波浪的模型参数。 基于长度，质量和弹性相似度确定系泊系统的参数，并根据电缆张力 - 变形曲线确定悬挂电缆的参数，该曲线由现场数据通过威尔逊公式计算。

每个端部密封的中空长方体的沉管管段模型由丙烯酸板和混凝土制成。 沉管管段模型的长度为2.0米，宽度为0.3米，高度为0.2米。 空气和水中沉管管段模型的重量分别为1 200.5 N和1 176.0 N。 负浮力为沉管管段浮力的2.08％。

单个驳船模型由丙烯酸立方体制成，长度为1.0米，宽0.16米，高0.16米。 驳船重量为156.8 N，通风量为0.10 m。 驳船模型由四个弹簧钢链（弹性系数1.34 N / mm）系泊。 在驳船靠海的一边安装了一对链条，另一对链条则安装在驳船靠岸的一边。

四根带弹簧的钢丝绳被用作吊索。 悬挂电缆的一端连接到驳船，另一端连接到沉管模型，如图1所示。 在这些实验中使用了三种具有不同弹性系数的弹簧，对应于三个沉入深度。 根据电缆特性选择合适的弹簧，模型试验的合理范围如表1所示。

表1. 沉入深度和弹簧弹性系数的关系

沉入深度/m

弹簧弹性系数/Nm-1

0.20

2340

0.30

1370

0.40

1070

在这个实验中要考虑常规波。 水深，波高，波浪周期和沉入深度如表2所示。沉入深度为沉管管段从水面到管段顶面的距离。

表2. 实验条件

参数

值

水深 h/m

0.80

波高 H/m

0.03, 0.04, 0.05

波浪周期 T/s

0.70, 0.85, 1.00, 1.10

沉入深度 d/m

0.20, 0.30, 0.40

沉管管段和驳船在横荡，垂荡方向上的运动是由光学，机械，电子电路等硬件控制系统和图形分析软件系统组成的Untouched 6-D测量系统获得的。沉管管段，停泊驳船和Untouched 6-D测量系统如图2所示。三个发光二极管放置在沉管管段的正面，另外三个发光二极管位于系泊驳船的前面。Untouched 6-D测量系统通过基于视觉测量原理和数字图像处理技术的方法来获得目标的位置和度量值。此外，Untouched 6-D测量系统具有无干扰，精度高，操作方便的优点。校准后，运动测量系统的误差在纵荡，横荡，垂荡方向上可以控制在0.3％以内，在横摇，纵摇，首摇方向上可以控制在1.2％以内。

  1. 沉管管段和系泊驳船模型
  2. 数据获取

图2. Untouched 6-D测量系统

  1. 结果和讨论
    1. 驳船对于沉管管段运动响应的影响

为了分析系泊驳船对在波浪中被驳船沉入的沉管管段运动响应的影响，没有驳船的沉管管段在波浪中的运动响应也在物理模型试验中进行了采集。

首先，比较没有和有停泊驳船的隧道元素的横荡（y），垂荡（z）和横摇（theta;）运动的典型时间数列。 图3显示了d = 0.30 m，H = 0.05 m和T = 1.0 s时，没有和带有停泊驳船的沉管管段的横荡运动的典型时间数列和频谱分析。 正横荡，垂荡运动分别对应于波浪，向上方向和逆时针旋转的水平位移。 实线是沉管管段的横荡运动，虚线是停泊驳船的横荡运动。

(a)没有驳船的沉管管段的横荡运动

  1. 有驳船时沉管管段和驳船的横荡运动

图3. 在有无驳船时沉管管段横荡运动的时间数列和光谱分析(d=0.30m, H=0.05m, T=1.0s)

从图3可以看出，与没有驳船的沉管管段的横荡运动相比，系泊驳船对沉管管段横荡运动的影响是显着的。 没有驳船的沉管管段的横荡运动的时间数列主要是高频运动，而具有系泊驳船的沉管管段的横荡运动是高频运动和低频运动的组合。

沉管管段和停泊驳船的横荡运动的频谱分析（图3（b））表明，有驳船的沉管管段的高频值（1.0 Hz）与波频相同，而带有驳船的沉管管段的低频值（0.045Hz）与停泊驳船的低频值相同。 可以看出，具有系泊驳船的沉管管段的高频运动（1.0Hz）和低频运动（0.045Hz）分别与停泊驳船的波浪激励和低频运动有关。

对于沉管管段和系泊驳船系统，由于波浪作用，系泊驳船在横荡方向上具有两个运动分量。 高频运动分量与波频率相同，低频运动与停泊驳船的慢漂移运动有关。 从图3（b）可以看出，有系泊驳船和无系泊驳船的沉管管段，横荡方向的高频运动幅度分别为5.63times;10-3m和5.10times;10-3m。 这意味着系泊驳船的高频运动对具有系泊驳船的沉管管段的高频运动几乎没有影响，尽管停泊驳船的高频运动的振幅相当大。 然而，沉管管段和停泊驳船的低频运动几乎相同。 也就是说，系泊驳船的低频运动对沉管管段的横荡运动有很大的影响。

沉管管段的最大偏移量定义为沉管管段远离其原始平衡位置的最大横荡位移，是施工过程中沉降控制和沉管管段取向的重要参数。 从图3（b）可以看出，没有和有停泊驳船的沉管管段的最大偏移分别为8.59times;10-3m和2.17times;10-4m，沉管管段的最大偏移量主要受到停泊驳船低频运动的影响。

图4和图5显示了没有和有停泊驳船的沉管管段的起伏滚动运动的典型时间序列，为= 0.30 m d，= H 0.05 m，T = 1.0 s。 在沉管管段-停泊驳船系统中，沉管管段和停泊驳船的起伏运动主要是与波浪激励相关的高频运动。 也就是说，沉管管段和停泊的驳船以波频率振荡。 与没有驳船的沉管管段的起伏运动相比，这个样品事件减少了带有停泊驳船的沉管管段的起伏运动。 这可能是为什么停泊驳船的起伏运动会受到系泊链的限制，并且沉管管段和停泊驳船之间会产生较大的相位差。

(a)无驳船的沉管管段的垂荡运动

(b)有驳船时沉管管段和系泊驳船的垂荡运动

图4. 在有无驳船时沉管管段垂荡运动的时间数列 (d=0.30m, H=0.05m, T=1.0s)

  1. 无驳船时沉管管段的横摇运动
  2. 有驳船时沉管管段和系泊驳船的横摇运动

图4. 在有无驳船时沉管管段横摇运动的时间数列 (d=0.30m, H=0.05m, T=1.0s)

从沉管管段和停泊驳船的运动响应的典型时间数列可以看出，沉管管段在横荡方向上的运动响应主要来自停泊驳船的低频运动，沉管管段的运动响应在垂荡和横摇方向主要来自高频运动。 因此，这里主要研究沉管管段和停泊驳船在不同波浪中横荡、垂荡方向高频运动的非维度振幅。沉管管段和停泊驳船低频运动的无量纲振幅主要考虑横荡方向。

图6显示了在倾斜深度= 0.30 m d时，沉管管段和系泊驳船在横荡和垂荡方向高频运动的无量纲振幅。在该图中，实线表示由系泊驳船-沉管管段系统中的系泊驳船沉入的沉管管段的运动幅度，倒实心三角形符号表示系泊驳船的运动幅度，实心三角形符号表示没有驳船的沉管管段的运动幅度。

图6. 在不同波况下沉管管段和系泊驳船高频运动的幅值(d=0.30m)

从文中能再次看出，与在不同波浪条件下没有驳船运动的那些沉管管段相比，由停泊驳船沉入的沉管管段的高频垂荡运动的幅度没有明显的差异，尽管系泊驳船的高频垂荡运动的幅度相当大。 然而，系泊驳船对沉管管段的垂荡运动还是具有一定影响的，沉管管段与驳船的垂荡振动幅度小于无驳船的情况。随着波高和波浪周期的增加，被系泊驳船沉入的沉管管段的高频垂荡振动幅度增大。

沉管管段和停泊驳船在不同波浪条件下的低频横荡运动的无量纲振幅如图7所示。 带有系泊驳船（实线）的沉管管段的低频运动幅度与在不同波动条件下具有沉管管段的驳船（倒实心三角形符号）的低频运动幅度几乎相同。 对于小波周期，带有停泊驳船（实线）的沉管管段的低频运动的幅度大于无驳船（实心三角形符号）的振幅。 这显示了驳船在横荡方向的低频运动对沉管管段的横荡低频运动的振幅具有显着的影响。 然而，随着波周期T的增加，系泊驳船对沉管管段的低频运动的幅度的影响降低。

图7. 在不同波况下沉管管段和系泊驳船低频运动的幅值(d=0.30m)

图8显示了沉管管段和系泊驳船在横荡方向上的无量纲最大偏移（ymo）。 从图中可以看出，系泊驳船（倒实心三角形符号）的最大偏移是最大的，因为系泊驳船在规则波中的漂移运动很大。 考虑到驳船运动（实线）的沉管管段无量纲最大偏移比忽略驳船运动的那些（实心三角形符号）要大得多。 这再次表明，系泊驳船的低频横荡运动对系泊驳船沉管管段系统中的沉管管段的最大偏移具有显着影响。在波高H一定和深度d较小的小波周期T中，系泊驳船-沉管管段系统中的沉管管段的最大偏移量很大。并且没有或有驳船的沉管管段，最大偏移都随波周期T的增加而减小。

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