风、流影响下沉管隧道管节拖航安全限制条件的确定方法技术

本发明专利技术涉及一种风、流影响下沉管隧道管节拖航安全限制条件的确定方法，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、流条件和航速条件作为安全限制条件。与现有技术相比，本发明专利技术结果可靠、便于推广应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，本专利技术具有如下优点：(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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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+|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。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＝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。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：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亚东，刘明俊，邹早建，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31