莫忠璇 ，郭瓊 ，黃明漢

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；3.中國交建海岸工程水動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；4.天津市水下隧道建設(shè)與運(yùn)維技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300461；5.中交一航局第三工程有限公司，遼寧 大連 116083）

0 引言

隨著海上施工技術(shù)的提高，大型沉管越來越多被工程項(xiàng)目采用，同時(shí)也推動(dòng)了沉管相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。大連灣海底隧道項(xiàng)目采用干塢法批量預(yù)制，東西兩個(gè)塢室可同時(shí)預(yù)制6 節(jié)沉管，預(yù)制完成后的沉管存儲(chǔ)在存儲(chǔ)區(qū)海域等待安裝，極大地提高了沉管預(yù)制廠的效率，但同時(shí)對(duì)沉管的安全存儲(chǔ)提出了新的要求。

沉管存儲(chǔ)區(qū)較大的波浪會(huì)導(dǎo)致沉管運(yùn)動(dòng)量過大，造成沉管損壞。通過封閉或半封閉存儲(chǔ)區(qū)堵口沉箱，能夠有效降低存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的波浪情況，但是會(huì)造成船舶通過不便，影響其他海上作業(yè)的正常運(yùn)行。因此，對(duì)沉管存儲(chǔ)環(huán)節(jié)的波浪動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行模擬，有助于合理地規(guī)劃工程安排，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)提高施工運(yùn)行效率。本文介紹了一種評(píng)估沉管系泊安全的模擬分析方法。

1 研究區(qū)域

大連灣在黃海西北部，沉管隧道工程位于灣內(nèi)的大連港附近海域。該海域受到海灣及灣口的三山島的掩護(hù)，波浪相對(duì)灣內(nèi)明顯減小，見圖1。根據(jù)實(shí)測資料及再分析數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，外海波浪較大，波向?yàn)镾E 向同時(shí)疊加SE 向的強(qiáng)風(fēng)時(shí)，工程區(qū)海域的波浪相對(duì)較大[1]。沉管存儲(chǔ)區(qū)位于沉管隧道的北側(cè)附近，可容納多達(dá)5 節(jié)沉管，存儲(chǔ)區(qū)口門朝向?yàn)镾E 向，系泊布置圖見圖2。近海布置了浮標(biāo)波浪觀測點(diǎn)，坐標(biāo)為N38.94°、E121.66°。同時(shí)沉管存儲(chǔ)區(qū)布置了坐底式波浪觀測儀器，坐標(biāo)為N38.96°、E121.64°。其中，波浪再分析模型的區(qū)域?yàn)榇筮B灣及外側(cè)部分海域，精細(xì)化波浪推算的范圍為近海浮標(biāo)到沉管存儲(chǔ)區(qū)的區(qū)域。波浪推算模型的邊界設(shè)置在近海浮標(biāo)處，方便數(shù)據(jù)的校核。

圖1 大連灣海域平面圖Fig.1 Plan view of Dalian Bay

圖2 沉管存儲(chǔ)區(qū)系泊布置圖Fig.2 Mooring layout of immersed tube storage area

2 數(shù)值模型

2.1 簡介

波浪再分析模型、波浪預(yù)報(bào)模型均采用了MIKE21 SW 模型，該模型是基于波浪譜分析方程第三代波浪模型，該模型在給定風(fēng)、底摩擦、海流情況下能準(zhǔn)確地計(jì)算近海波浪，控制方程見式（1），常用于工程數(shù)值模擬[2]。精細(xì)化波浪推算采用MIKE21 BW 模型。該模型通過求解沿垂向積分的Bouinesseq 方程獲得沿水深平均的流速、水位變化以及波高等物理量。該模型可用來模擬任意地形或平面布置條件下的波浪運(yùn)動(dòng)過程，包括波浪的繞射、折射、反射、淺水變形等[3]。沉管運(yùn)動(dòng)響應(yīng)模型采用Hydrostar 水動(dòng)力分析軟件和Ariane系泊分析軟件。Hydrostar 是基于三維勢流理論及三維邊界元法。Ariane 是靜態(tài)及動(dòng)態(tài)時(shí)域分析[4]。

2.2 模型的構(gòu)成及背景數(shù)據(jù)

波浪再分析模型的搭建參考了相關(guān)文獻(xiàn)[5]。波浪再分析模型的地形數(shù)據(jù)采用CMAP 數(shù)據(jù)，邊界波浪和風(fēng)場數(shù)據(jù)采用歐洲氣象中心（ECMWF）的ERA-interiam 模型結(jié)果。精細(xì)波浪推算模型地形采用CMAP 和部分工程實(shí)測地形數(shù)據(jù)，邊界在近海浮標(biāo)處。沉管運(yùn)動(dòng)響應(yīng)模型中先使用Hydrostar對(duì)浮體水下部分進(jìn)行水動(dòng)力性能計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入Ariane 中，計(jì)算系泊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。結(jié)合沉管運(yùn)動(dòng)響應(yīng)模型的計(jì)算結(jié)果，可得出近海波浪的安全限值。在沉管系泊安全評(píng)估時(shí)，考慮近海波浪預(yù)報(bào)值是否超過波浪安全限值。其中，預(yù)報(bào)模式的搭建采用ECMWF 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)庫作為輸入數(shù)據(jù)，參考了相關(guān)文獻(xiàn)[6-7]。計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)圖見圖3。

圖3 計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.3 Structure chart of computation system

2.3 模型的網(wǎng)格劃分及參數(shù)設(shè)置

波浪再分析模型的網(wǎng)格劃分中最小網(wǎng)格為50 m，采用三角網(wǎng)格劃分，見圖4。

圖4 波浪再分析模型網(wǎng)格劃分圖Fig.4 Wave reanalysis model mesh

MIKE21 SW 模型中譜方程采用方向解耦參數(shù)算法，時(shí)間方程采用半靜態(tài)算法，底摩擦采用底質(zhì)中值粒徑方案，輸入數(shù)據(jù)采用ECMWF 的再分析數(shù)據(jù)庫。波浪預(yù)報(bào)模型的參數(shù)設(shè)置與波浪再分析模型類似，但輸入數(shù)據(jù)采用ECMWF 的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)庫。MIKE21 BW 模型采用JONSWAP 不規(guī)則波，在邊界設(shè)置生波線。沉管的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)包含六個(gè)自由度，分別是縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖。計(jì)算中考慮了雙沉管系泊的情況，計(jì)算模型總共剖分5 200 個(gè)單元，見圖5。

圖5 雙沉管剖分網(wǎng)格圖Fig.5 Double immersed tube mesh

3 模型結(jié)果的驗(yàn)證與分析

3.1 再分析波浪模型計(jì)算成果

通過計(jì)算2016—2018 年的再分析波浪模型，每小時(shí)計(jì)算出1 個(gè)波浪值，將各年有效波高值計(jì)算結(jié)果對(duì)比，見圖6。從圖可知，在6—8 月時(shí)，有效波高大于0.8 m 的大波浪事件較容易發(fā)生。再分析波浪數(shù)據(jù)的實(shí)測波浪數(shù)據(jù)的對(duì)比，參見相關(guān)文獻(xiàn)[1]。

圖6 波浪再分析模型計(jì)算結(jié)果（2016—2018 年）Fig.6 Results of wave reanalysis model(2016—2018)

3.2 精細(xì)波浪模型計(jì)算結(jié)果及驗(yàn)證

考慮了兩種工況，其中堵口半封閉是兩側(cè)防波堤各增加一個(gè)16.25 m 的堵口沉箱的工況。精細(xì)波浪模型的計(jì)算結(jié)果見表1。從表中可看出堵口未封閉時(shí)波浪衰減比波高為0.43～0.59，堵口半封閉時(shí)波浪衰減比波高為0.35～0.45，波浪的耗散較為明顯。堵口半封閉時(shí)浮標(biāo)和沉管處的波浪實(shí)測結(jié)果見表2，從表中看出波浪的衰減和模型計(jì)算的比波高較為接近。模型參數(shù)設(shè)置基本合理。

表2 實(shí)測波浪統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of measured waves

3.3 沉管運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果及安全評(píng)估分析

沉管運(yùn)動(dòng)響應(yīng)采用了基于Ariane 的數(shù)值模擬，計(jì)算了有纜繩系泊條件下沉管的運(yùn)動(dòng)和纜力的結(jié)果，其中波浪選用的是不規(guī)則波J 譜，平均周期 4 s、5 s、6 s、7 s 和 8 s，H13%為 0.5 m、0.8 m、1 m 和1.5 m 的情況。沉管安全評(píng)估主要考慮沉管碰撞，沉管拖底，纜繩纜力過大等3 種情況。其中沉管碰撞考慮橫向運(yùn)動(dòng)距離小于安全距離（5 m），沉管拖底考慮升沉小于沉管富余水深，沉管的系纜力小于纜繩的安全纜力閥值。其中兩沉管的橫向相對(duì)運(yùn)動(dòng)計(jì)算公式見式（2）。

式中：Dr為兩沉管橫向相對(duì)運(yùn)動(dòng)最大值；D1為沉管1 的負(fù)向橫蕩絕對(duì)值；D2為沉管2 的正向橫蕩絕對(duì)值；D3為沉管 1 的旋轉(zhuǎn)距離，D3=0.5×L×sin θ1；D4為沉管 2 的旋轉(zhuǎn)距離，D4=0.5×L×sin θ2；θ1為負(fù)向艏搖的絕對(duì)值（或相反）；θ2為正向艏搖的絕對(duì)值（或相反）；L 為沉管長度。

表3 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of calculation results

4 結(jié)語

本文綜合了波浪再分析模擬模型、精細(xì)波浪推算模型、系泊模型的結(jié)果，計(jì)算評(píng)估了沉管在存儲(chǔ)區(qū)的系泊安全，得出結(jié)論如下：

2）沉管存儲(chǔ)區(qū)的防波堤對(duì)港內(nèi)有一定的掩護(hù)作用，同時(shí)波浪傳播時(shí)也有一定程度衰減，在堵口未封閉時(shí)波浪衰減比波高為0.43～0.59，堵口半封閉時(shí)波浪衰減比波高為0.35～0.45，波浪耗散較為明顯。

3）工程區(qū)波浪受到外海波浪和區(qū)域風(fēng)場共同作用，當(dāng)外海波浪為S—SE 向時(shí)且疊加S—SE 向區(qū)域風(fēng)場時(shí)，近海浮標(biāo)處的波浪較大。

4）沉管存儲(chǔ)區(qū)在6—8 月時(shí)，較容易出現(xiàn)超限波浪，應(yīng)結(jié)合波浪預(yù)報(bào)采取相應(yīng)的工程措施規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。