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CN111597611B - 一种隧道在水中悬浮状态受水动力分析方法 - Google Patents

一种隧道在水中悬浮状态受水动力分析方法 Download PDF

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CN111597611B CN202010371174.4A CN202010371174A CN111597611B CN 111597611 B CN111597611 B CN 111597611B CN 202010371174 A CN202010371174 A CN 202010371174A CN 111597611 B CN111597611 B CN 111597611B
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吕书清
陈翰
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Abstract

本发明公开了一种隧道在水中悬浮状态受水动力分析方法，包括：根据管段形状系数、管段粗糙度影响系数、悬浮深度影响系数、水密度、最大水流速度、悬浮管段长度、管段沿水流方向的横截面高度、管段和设计水流方向的夹角，计算出管段水流力正面冲击力标准值；根据漩涡升力系数、水密度、最大水流速度、悬浮管段长度、管段沿水流方向的横截面高度、漩涡频率、漩涡特征时间，计算出管段横流升力标准值。本发明提供了隧道悬浮状态一种简化的受力计算方法，对工程前期总体设计的隧道受力情况分析意义重大。

Description

一种隧道在水中悬浮状态受水动力分析方法
技术领域
本发明涉及隧道设计领域，尤其涉及一种隧道在水中悬浮状态受水动力分析方法。
背景技术
我国是一个海洋大国，拥有1.8万km的海岸线，横跨22个纬度带；拥有超过6500个岛屿，岛屿岸线长1.4万km的；也拥有总长43万公里的内河，其中长度在1000公里以上的河流就有20多条。全国有近100个人口过百万的城市，绝大多数都是依江而建、靠河而兴，但江河与海洋将城市或区域分割，急需修建跨江越海的通道使国家形成整体快速交通路网。
隧道具有全天候、不影响航运、抗战争破坏能力强等优点，是修建跨江越海通道的主要方式之一。隧道工程师们一直在探索如何高质量修建水下隧道，减小施工风险，并能使隧道快速与两岸道路衔接，节约工程占地面积。实践证明，隧道主体结构通过陆地预制，然后在水中沉放对接形成的沉管或悬浮隧道，可以更好控制隧道主体结构施工质量、也可以避免常规矿山法和盾构法等水下暗挖隧道的施工风险，减小隧道整体长度，更好地和水域两岸道路衔接。
长期以来，沉管隧道或悬浮隧道在隧道管段的悬浮状态的水动力计算，一直缺乏适用性的理论计算公式作为设计指导。
发明内容
本发明的目的在于提供一种隧道在水中悬浮状态受水动力分析方法，提供了隧道悬浮状态一种简化的受力计算方法，对工程前期总体设计的隧道受力情况分析意义重大。
为实现上述目的，本发明的一种隧道在水中悬浮状态受水动力分析方法的具体技术方案为：
一种隧道在水中悬浮状态受水动力分析方法，包括：
根据管段形状系数、管段粗糙度影响系数、悬浮深度影响系数、水密度、最大水流速度、悬浮管段长度、管段沿水流方向的横截面高度、管段和设计水流方向的夹角，计算出管段水流力正面冲击力标准值；
根据漩涡升力系数、水密度、最大水流速度、悬浮管段长度、管段沿水流方向的横截面高度、漩涡频率、漩涡特征时间，计算出管段横流升力标准值。
本发明的一种隧道在水中悬浮状态受水动力分析方法的优点在于：
1)区别于现有的无理论计算方法指导设计，解决了隧道在水中悬浮状态的受力计算难的问题；
2)本发明的水动力简化计算方法综合考虑了隧道横截面形状、管段长度、隧道迎流面面积、隧道表面粗糙度、悬浮深度、水流速度、漩涡等因素，提供了隧道悬浮状态一种简化的受力计算方法，对工程前期总体设计的隧道受力情况分析意义重大。
附图说明
图1为本发明的隧道在水中悬浮状态示意图；
图2为本发明中的A-A截面图；
图3为本发明的内插法κ3取值方法图。
图中：1、水流方向；2、隧道管段。
具体实施方式
为了更好的了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的一种隧道在水中悬浮状态受水动力分析方法做进一步详细的描述。
本发明的一种隧道在水中悬浮状态受水动力分析方法，考虑到在河流或洋流中，隧道管段在水中悬浮状态受力复杂，隧道主要受顺流冲力和恒流升力。本发明考虑了这顺流冲力和恒流升力的大小，综合涉及了隧道的外形、长度、截面大小、表面粗糙度、悬浮深度、水流参数等因素有关，计算出了一种隧道在沉放或悬浮状态时设计的关键参数，影响着隧道的安全施工和悬浮隧道的运营。
具体来说，根据隧道横截面形状、管段长度、隧道迎流面面积、隧道表面粗糙度、悬浮深度、水流速度、涡旋等因素，分别对水流力正面冲击力和水流横向升力进行计算：
1)根据管段形状系数、管段粗糙度影响系数、悬浮深度影响系数、水密度、最大水流速度、悬浮管段长度、管段沿水流方向1的横截面高度、管段和设计水流方向的夹角，计算出管段水流力正面冲击力标准值：
Figure GDA0002859471120000031
式中：Fc为单节隧道管段2受水流力正面冲击力标准值(单位：KN)；
κ1为管段形状系数，通过水力学模型实验获得；
κ2为管段粗糙度影响系数，通过水力学模型实验获得；
κ3为悬浮深度影响系数，取值方法见后续内容；
ρ为水密度，江河淡水中取1.0，海洋环境中取1.025(单位：t/m3)；
V为最大水流速度(单位：m/s)；
L为悬浮管段长度(单位：m)；
D为管段沿水流方向的横截面高度5，圆形截面取直径，其余截面取横断面迎流投影面积(单位：m)；
θ为隧道管段2和设计水流方向1的夹角，θ≤90°。
其中，悬浮深度影响系数κ3通过实验获得，若无实验参数，其取值可按如下方法：
H为隧道重心处悬浮深度，即隧道横截面重心距水面距离，D为管段沿水流方向的横截面高度。
情况1：深度在0～2.5D时：
(1)当H/D≤0.5时，κ3取0.7；
(2)当H/D＝2.5时，κ3取1.0；
(3)当0.5＜H/D＜2.5时，κ3采用内插法计算得出。
情况2：深度在大于2.5D时：
(1)当H/D＝2.5时，κ3取1.0；
(2)当H/D≥6.0时，κ3取0.85；
(3)当2.5＜H/D＜6.0时，κ3采用内插法计算得出。
并且，内插法即为按照线性插入法，如图1所示，通过图1能够得知采用内插法κ3取值。
例如：H/D＝0.5时，κ3＝0.7，
H/D＝2.5时，κ3＝1.0；
当H/D＝1.5时，κ3＝0.7+(1.5-0.5)*((1-0.7)/(2.5-0.5))＝0.85。
2)管段横流升力是水流涡激作用对管段产生向上的托力，与涡旋脱落频率有关，具有周期性。根据漩涡升力系数、水密度、最大水流速度、悬浮管段长度、管段沿水流方向1的横截面高度、漩涡频率、漩涡特征时间，计算出管段横流升力标准值：
Figure GDA0002859471120000041
式中：Fs为单节隧道管段受水流涡激升力标准值(单位：KN)；
η为漩涡升力系数，通过模型实验获得；
ρ为水密度，江河淡水中取1.0，海洋环境中取1.025(单位：t/m3)；
V为最大水流速度(单位：m/s)；
L为悬浮管段长度(单位：m)；
D为管段沿水流方向的横截面高度，圆形截面取直径，其余截面取横断面迎流投影面积(单位：m)；
ω为漩涡频率；
t为漩涡特征时间。
通常在河流或者海洋中，水是流动的，而且水流的流速较大，若不考虑水流力正面冲击力，容易导致悬浮隧道支座设计时水平抗剪能力不足而破坏。当水流以较大流速穿过隧道时，会产生旋涡，旋涡将对隧道整体产生向上托举力，即“水流横向升力”。本发明通过计算水流横向升力，解决了悬浮隧道极容易因水浮力+水流横向升力＞隧道结构重力+支座竖向约束力而导致隧道支座结构破坏的问题，故计算水流横向升力对确定悬浮隧道竖向力设计大小十分重要。
本发明的一种隧道在水中悬浮状态受水动力分析方法，区别于现有的无理论计算方法指导设计，解决了隧道在水中悬浮状态的受力计算难的问题；本发明的水动力简化计算方法综合考虑了隧道横截面形状、管段长度、隧道迎流面面积、隧道表面粗糙度、悬浮深度、水流速度、漩涡等因素，提供了隧道悬浮状态一种简化的受力计算方法，对工程前期总体设计的隧道受力情况分析意义重大。
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (2)

1.一种隧道在水中悬浮状态受水动力分析方法，其特征在于，包括：
根据管段形状系数、管段粗糙度影响系数、悬浮深度影响系数、水密度、最大水流速度、悬浮管段长度、管段沿水流方向的横截面高度、管段和设计水流方向的夹角，计算出管段水流力正面冲击力标准值；
根据漩涡升力系数、水密度、最大水流速度、悬浮管段长度、管段沿水流方向的横截面高度、漩涡频率、漩涡特征时间，计算出管段横流升力标准值；
通过公式(1)计算管段水流力正面冲击力标准值：
Figure FDA0002859471110000011
式中：Fc为单节隧道管段受水流力正面冲击力标准值，单位：KN；
κ1为管段形状系数；
κ2为管段粗糙度影响系数；
κ3为悬浮深度影响系数；
ρ为水密度，江河淡水中取1.0，海洋环境中取1.025，单位：t/m3；
V为最大水流速度，单位：m/s；
L为悬浮管段长度，单位：m；
D为管段沿水流方向的横截面高度，圆形截面取直径，其余截面取横断面迎流投影面积，单位：m；
θ为管段和设计水流方向的夹角，θ≤90°；
H为隧道重心处悬浮深度；
深度在0～2.5D时，悬浮深度影响系数κ3为：
当H/D≤0.5时，κ3取0.7；
当H/D＝2.5时，κ3取1.0；
当0.5＜H/D＜2.5时，κ3采用内插法计算得出；
深度在大于2.5D时，悬浮深度影响系数κ3为：
当H/D＝2.5时，κ3取1.0；
当H/D≥6.0时，κ3取0.85；
当2.5＜H/D＜6.0时，κ3采用内插法计算得出。
2.根据权利要求1所述的隧道在水中悬浮状态受水动力分析方法，其特征在于，通过公式(2)计算管段水流力正面冲击力标准值：
Figure FDA0002859471110000021
式中：Fs为单节隧道管段受水流涡激升力标准值，单位：KN；
η为漩涡升力系数；
ρ为水密度，江河淡水中取1.0，海洋环境中取1.025，单位：t/m3；
V为最大水流速度，单位：m/s；
L为悬浮管段长度，单位：m；
D为管段沿水流方向的横截面高度，单位：m；
ω为漩涡频率；
t为漩涡特征时间。
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