动态沉管流场演变全过程分析
时间：2023-06-21 13:55:05 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李高攀，尚召云 （中国电建市政建设集团有限公司，天津 300384）
在沉管工程建设中，管段的沉放是一项十分关键的环节[1-2]。在管段沉放过程中，由于水流的流线处于动态变化之中，基槽内的流场会随之发生改变[3]，进而影响基槽边坡的稳定。下沉管段根据管道使用功能要求的不同，管段形状也不同。输水、输油、输气管道常采用圆形截面，而交通隧道常采用矩形截面。在沉管法诞生初期，下沉管段断面多采用圆形，如雪莉输水隧洞（1894）采用的是直径为2.8m的圆形钢壳加砖砌的管段[4]，美国的波西隧道（1928）也是由12节直径为11.3m的圆形混凝土管段连接而成[5]。波西隧道由于其圆形断面、双车道等特点，一度成为美国后来沉管法的楷模[6]。本文以引江济淮工程沙颍河沉管工程为背景，围绕管段沉放环节，分析管段沉放深度对基槽流场的影响，得到了管段沉放对基槽边坡稳定性的影响规律。
引江济淮工程由长江引水，向淮河补水，是一项以供水为主，结合灌溉、航运、生态修复等功能的大型跨流域调水工程。引江济淮工程阜阳供水工程输水管道工程从加压站施工至阜阳第四水厂，全长4.8km，起止桩号为0+047.5～4+867，设计流量7.74m³/s，采用压力管道输水，工作压力为0.22Mpa，管材为PCCP管和压力钢管，管径均为1800mm，采用双管平行铺设。根据设计要求，输水管道穿越沙颍河段（桩号0+712.38～0+918.84）采用沉管法施工，沉管工程平面位置详见图1。
图1 沙颍河沉管工程平面位置示意图
3.1 管段沉放计算模型
沙颍河沉管工程的管道是用作输水功能的，所以该管道较交通隧道直径偏小。沙颍河沉管工程共布置A、B两根直径为1800mm钢管（A管在上游、B管在下游），管道垂直于河道布置，两管中心距离8m，管材为Q235B螺旋焊接钢管，壁厚22mm，沉管轴线距离长212.62m，单根管道总重量约210.5吨。
利用FLUENT软件，在基槽中进行管段沉放数值模拟试验。基槽模型为沙颍河沉管工程基槽模型，河流长度取160m，水深10m，河床高30m，槽深6m，基槽边坡坡比采用设计坡比1∶2.5，模型尺寸如图2。进口流速设置为1m/s，水流方向从左往右流动。分别在A、B、C、D处设置监测点。其中，A点为顺水坡坡肩，B点为顺水坡坡脚，C点为逆水坡坡脚，D点为逆水坡坡肩。通过模拟管段沉放的全过程，可以将基槽流场的变化重演，从而得到管段沉放对基槽边坡的影响规律。其中，管段沉放模拟的重要参数设置如表1。
图2 管段沉放模型几何示意图
管段沉放模拟重要参数设置 表1
3.2 管段沉放试验结果分析
3.2.1 单根管道沉放
本试验分5种工况进行，分别是：①管段沉放前；
②管段沉放至一半水深时；
③管段沉放至河床底面；
④管段沉放至基槽一半深度；
⑤管段沉放至基槽底面。得到管段沉放至不同深度时的流速矢量图，如图3，动水压力等值线图，如图4。
图3 管段沉放至不同深度时的流速矢量图
图4 管段沉放至不同深度时的动压等值线图
从速度矢量图可以看出，在管段沉放过程中，水流在流过顺水坡坡顶时流速加快，随后减小；
在流过管段时，在管段上下两侧又突然加快，流过管段后流速又减小；
经过逆水坡坡顶时又增加，随后又减小流向下游。
通过观察管段沉放过程中，基槽河流的速度分布云图与动水压力云图，可以发现，基槽的最大动水压力始终出现在顺水坡坡顶。逆水坡坡顶的动水压力产生了较为明显的减小。基槽底部的动水压力也随着管段下沉深度的增加而减小。
提取基槽监测点的流速与动水压力数据，得到监测点流速与动水压力与下沉深度的变化曲线如图5与图6。
图5 流速-下沉深度变化曲线
图6 动水压力-下沉深度变化曲线
通过观察管段在下沉过程中的流速变化曲线，可以发现，基槽监测点的流速在随着管段下沉深度的增加而逐渐减小。监测数据显示，顺水坡坡顶的流速在管段未沉放时为1.280m/s，在管段沉放至基槽底部时为1.220m/s，下降了约4.5%；
逆水坡坡顶的流速在管段未沉放时为1.022m/s，在管段沉放至基槽底部时为 0.836m/s，下降了约 18.2%；
顺水坡坡脚的流速由0.407m/s下降为0.257m/s，下降了36.9%；
逆水坡坡脚的流速由0.407m/s下降至0，下降了100%。
通过观察管段在下沉过程中的动水压力变化曲线，可以发现，基槽监测点的动水压力在随着管段下沉深度的增加而逐渐减小。监测数据显示，沉放直径1.8m管段的基槽，顺水坡坡顶的动水压力在管段未沉放时为858Pa，在管段沉放至基槽底部时为769.7Pa，下降了约10.3%；
逆水坡坡顶的动水压力在管段未沉放时为560.47Pa，在管段沉放至基槽底部时为342.09Pa，下降了约39.0%；
顺水坡坡脚的动水压力由48.64Pa下降为42.76Pa，下降了12.1%；
逆水坡坡脚的动水压力由48.64Pa下降至0，下降了100%。
根据沙颍河施工段河底土样的物理力学性能参数（见表2），采用理正边坡计算工具对管段沉放至不同深度时的基槽边坡进行安全系数计算，得到管段沉放至不同深度时的基槽边坡安全系数见表3。
河床土体物理力学性能参数 表2
管段沉放至不同深度时的基槽边坡安全系数 表3
综上，管段沉放会削弱基槽接触面的动水压力，并且对逆水坡的动压削弱作用比顺水坡更强。由于施工段河流流速较小，管段直径较小，导致管段沉放时的基槽边坡安全系数与管段未沉放时的边坡安全系数基本没有差别，差距控制在0.001以内。从表2可以看出，随着管段下沉深度的增加，基槽边坡的安全系数在以0.001的微弱趋势增大，因此，管段的沉放不会造成基槽边坡的失稳，在一定程度上增加了基槽边坡的稳定性。
3.2.2 第二根管道沉放
采用同样建模方法，建立第二根输水管道模型，称为②号管。在第一根管道已经沉放至基槽底部的情况下，对第二根管道进行数值模拟沉放试验，第二根管道沉放试验结果如图7，图8所示。
图7 ②号管沉放至不同深度时的流速矢量图
图8 ②号管沉放至不同深度时的动压等值线图
通过观察②号管沉放过程中的基槽河流流速矢量图可以发现，管段周身的流速在随着管段下沉深度的增加而减小，而基槽的坡面水流基本不受管段沉放的影响。从基槽的动水压力等值线图可以看出，基槽的动水压力高压区始终出现在顺水坡坡顶，且顺水坡坡顶的动水压力受②号管下沉的影响较小，动水压力数值变化幅度在±10 Pa以内。
提取基槽监测点的动水压力数据，比较第一根管道与第二根管道下沉时的基槽监测点动水压力数据，得到动水压力关于下沉深度的曲线如图9。
图9 两根管道下沉过程中的动水压力-下沉深度变化曲线
通过比较①、②两根管道在沉放过程中的基槽监测点动水压力数据可以发现，第二根管道（②号管）沉放时基槽监测点的动水压力均小于第一根管道下沉时的数值。其中，顺水坡坡顶的动水压力数值在②号管未沉放时减小了约10.2%，在管道沉放至基槽底部是减小了约6.4%；
逆水坡坡顶的动水压力数值在②号管未沉放时减小了约38.9%，在管道沉放至基槽底部是减小了约29.8%。
综上，第二根管道的沉放会使得基槽坡面静水压力进一步减小，基槽边坡在管段沉放过程中进一步趋向稳定，多根管段的沉放不会造成基槽边坡的失稳。
本文以阜阳供水工程沙颍河沉管工程为背景，对管道的沉放过程进行了数值模拟反演，对管道沉放过程中基槽流场的变化进行了分析，研究了管道沉放对流场及基槽边坡稳定性的影响，得到了以下结论。
①管段在沉放过程中，基槽内的最大动水压力始终出现在顺水坡坡顶，管段周身的流速与动水压力略有增加，基槽耦合面的动水压力在随着管段下沉深度的增加而逐渐减小。
②管段的沉放不会造成基槽边坡的失稳。不仅如此，管段沉放有利于基槽边坡的稳定，尤其有利于逆水坡的稳定。
③在多根管道沉放的情况下，后沉放的管道将导致基槽坡面动水压力进一步减小。因此，多根管道的沉放不会造成基槽边坡的失稳。
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