1、修建水底隧道是工程界普遍認(rèn)同的跨越航運繁忙的河道的第一選擇。在現(xiàn)有的若干水底隧道施工方法中，沉管法由于其獨特的優(yōu)越性而成為主要工法。該工法包含復(fù)雜的水中作業(yè)，如浮運、沉放等，涉及到復(fù)雜的水動力學(xué)問題。這些問題對科學(xué)地制訂施工方案和保證施工順利進行十分關(guān)鍵，因此，研究隧道在浮運和沉放過程中的運動狀態(tài)、水阻力特性和水作用力特征具有重要意義。 目前，國內(nèi)外主要通過等截面管段模型試驗進行研究，采用設(shè)計規(guī)范確定施工方案，存在一定的局限性。

2、另外，本文的依托工程為廣州市洲頭咀沉管隧道工程，沉管包括等截面管段和變截面管段。由于變截面管段存在縱橫向重心、浮心的不對稱、不重合，使管段在浮運和沉放過程中的受力問題更加復(fù)雜。因此，需要采取理論分析、試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對此進行研究。 首先，設(shè)定管段為箱型浮體，應(yīng)用流體力學(xué)、船舶在波浪上的運動理論等對管段浮運、沉放過程進行運動學(xué)和動力學(xué)分析，建立了相應(yīng)的物理模型和數(shù)學(xué)模型，重點論述了管段的阻力特性和受力特征，以及波浪和風(fēng)的

3、作用。 其次，探討了采用計算流體力學(xué)（CFD）求解管段浮運和沉放的水動力學(xué)問題的方法，闡述了計算三維流場分布、各項阻力和阻力系數(shù)以及力和力矩等的流體動力學(xué)控制方程、湍流的數(shù)值模擬方法，確定了進行數(shù)值模擬計算的Realizable k-ε模型和SST k-ω模型。 第三，采用STAR-CCM+和CFdesign軟件分別對管段的浮運和沉放工況進行了數(shù)值模擬。首先選擇與洲頭咀隧道相距不遠(yuǎn)、環(huán)境條件相近、同樣采用沉管法建造的珠江

4、隧道進行了工程類比分析，對珠江隧道的模型試驗進行了數(shù)值模擬，驗證了計算模型的適定性；對作為洲頭咀隧道工程的準(zhǔn)1：1模型——生物島沉管隧道，以及洲頭咀沉管隧道本身的管段浮運和沉放過程進行了多種工況的模擬計算。模擬的條件包括無波浪和有波浪，風(fēng)生波浪和非風(fēng)生波浪等。結(jié)果表明： （1）對于浮體運動這類帶有自由表面的流動問題，與k-ε模型相比，k-ω的改進模型SST k-ω模型具有更好的適用性和更好的收斂性能；將湍流強度和粘性率適當(dāng)提高，

5、能使計算結(jié)果收斂較好。 （2）在較低的流速和管段沉速下，流場中的壓強分布與靜水中的壓強分布相差不大；水深對阻力系數(shù)的影響較明顯，淺水中的浮運阻力系數(shù)大于深水中的。 （3）干舷值在0．05m～0．10m范圍內(nèi)變化，對阻力系數(shù)的影響最大為35．9％，最小為0．6％，平均為6％左右。該范圍內(nèi)的干舷值都應(yīng)該能滿足工程需求；在0．6m/s～1．2m/s的拖速范圍內(nèi)，沿管段拖運方向的阻力系數(shù)隨著拖速的增加而減小，若增加工況進行更高拖

6、速的數(shù)值模擬試驗，Cx能出現(xiàn)類似“U”型的變化規(guī)律，“U”型最低處所對應(yīng)的拖速，即為相對最優(yōu)拖速。 （4）由于波浪的存在，管段拖動方向上的阻力系數(shù)增大。拖速越大，波浪的影響越明顯。拖速從0．8m/s增加到1．2m/s，Cx與無波工況相比的增幅從0．79％增加到36．75％?？紤]到模擬計算存在的誤差，波浪引起的阻力系數(shù)的增幅的規(guī)律還有待進一步研究。 （5）在其它條件一定時，雖然變截面管段的迎流面積比等截面管段大，但是若前者

7、更符合流線型，在某些工況下的阻力系數(shù)反而更小。適當(dāng)?shù)男〗嵌榷▋A浮運能減小阻力系數(shù)，但是應(yīng)以管段不失穩(wěn)為前提；側(cè)向傾斜的適宜定傾中心的確定有待進一步研究。 （6）隨著管段的下沉以及水的橫向流動，管段的尾流、靠近岸邊的基槽上方會出現(xiàn)明顯的漩渦，管段抵抗水平總阻力需要可靠的系泊系統(tǒng)；管段的迎流面和背流面的漩渦的強度此消彼長，所需的系泊力隨之發(fā)生動態(tài)變化。由于管段下沉，接近基槽的水重度加大且向兩邊擠壓流出，導(dǎo)致所需的起吊力變化復(fù)雜。系泊

8、力和起吊力都隨著下沉深度的增加而逐步減少。在一定的沉放深度下，水平總系泊力和豎向總起吊力都隨流速的增加而增加。本文中，沉速0．45m/min時，管段所需的系泊力和起吊力均較小，在沉放速度區(qū)間0．4m/min～0．5m/min內(nèi)，該沉速是個相對合理值。 （7）變截面管段由于迎流面積的加大，繞流更加復(fù)雜，尾流區(qū)的范圍明顯大于等截面管段，二者的系泊力隨著管段的下沉呈現(xiàn)出交替領(lǐng)先的情況。二者的系泊力和起吊力都隨管段的下沉而逐步減少。