一种跨海沉管隧道淤积和突淤荷载计算方法

1.本发明涉及沉管隧道工程的技术领域，特别涉及一种跨海沉管隧道淤积和突淤荷载计算方法。


背景技术：

2.由于潮汐因素、区域环境因素(采砂、航运等)、海底地形和地貌变化因素、潮流流速、流向、海浪因素(浅海)、季节性气候变化等综合因素以及沉船等突变性因素，跨海沉管隧道不可避免地受到回淤荷载的周期性往复作用和突淤荷载的潜在威胁。同时，因回淤荷载的形成过程及其时空分布形态的复杂性、突淤事件的发生具有不确定性且突淤荷载的空间分布的差异性，迄今尚无业界公认且能准确、有效描述海洋环境回淤特性和突淤状态的淤积荷载力学模型和计算方法。
3.针对上述原因，亟待开展针对沉管隧道隧址区域淤积环境和淤积状态对沉管隧道可能产生的淤积荷载和突淤荷载的研究，建立工程区域海洋环境淤积荷载及罕遇突变性淤积形成的灾变荷载的理论模型和计算方法。为沉管隧道运营期上部动态变化荷载计算提供实用方法。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种跨海沉管隧道淤积和突淤荷载计算方法，建立工程区域海洋环境淤积荷载及罕遇突变性淤积形成的灾变荷载的理论模型和计算方法，为沉管隧道运营期上部动态变化荷载计算提供实用方法。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种跨海沉管隧道淤积和突淤荷载计算方法，包括以下步骤：
5.s1、建立沉管隧道隧址区域的局部极坐标系；
6.s2、基于调研和数理统计计算淤积厚度；
7.s3、进行计算淤积荷载；
8.s4、计算突淤分布形态及其灾变荷载。
9.优选的，所述步骤s1中的局部极坐标系包括取隧道k0位置为坐标原点、隧道轴向前方为坐标正方向及逆时针为正角，且任一一点的坐标为(a,，s)。
10.优选的，所述步骤s2中通过采用分区双线性回归计算隧址区域任意点(a,s)的淤积厚度为z(a,s,x)，公式为：
[0011][0012]
通过原位实测不小于9个点确定ξi与ηi，淤积的时间均衡系数为λj得到:
[0013]
[0014]
优选的，所述步骤s3中通过在淤积厚度基础上采用分层淤积叠加方法，建立淤隧道淤积全量荷载和淤积增量荷载，且根据工程区域回淤特征，建立淤积荷载计算模型。
[0015]
优选的，根据淤积荷载计算模型对应的淤积荷载及其增量计算如式(1)和式(2)所示：
[0016]
pi(α,s,x)＝γ
whw
+γ
xhx
+γgz
i,sum
(α,s,x)
[0017]
δpi(α,s,x)＝pi(α,s,x)-γw{hw+h
x
+z
i,sum
(α,s,x)}
[0018]
其中，x-等效潮差值；
[0019]
γ
w-海水容重，kg/m3；
[0020]
γ
x-泥沙悬浮区介质容重，kg/m3[0021]
γ
g-回淤固结区介质容重，kg/m3。
[0022]
优选的，所述步骤s4中，根据突淤物质在海水中的塌落和成型特征，采用概率密度函数建立了突淤空间分布函数及对应的突淤荷载分布函数，其中突淤堆积几何形态函数公式为：
[0023]
根据塌落角a、高度h、宽度l即可确定具体的z(x,y)具体计算函数；
[0024]
突淤荷载分布函数公式为：
[0025]
该函数通过塌落角、堆积高度、堆物宽度的变化，可以有效模拟任意突淤堆积厚度和突淤荷载。
[0026]
本发明与现有技术相比，其有益效果是：建立工程区域海洋环境淤积荷载及罕遇突变性淤积形成的灾变荷载的理论模型和计算方法，为沉管隧道运营期上部动态变化荷载计算提供实用方法，使得该方法可用于计算任意类型海洋环境淤积对沉管隧道产生的动态变化荷载与计算海洋突淤物质对隧道形成的荷载。
附图说明
[0027]
图1为根据本发明的跨海沉管隧道淤积和突淤荷载计算方法的工程区域等效潮差与含沙量关系图；
[0028]
图2为根据本发明的跨海沉管隧道淤积和突淤荷载计算方法的隧址区域淤积厚度与含沙量关系图；
[0029]
图3为根据本发明的跨海沉管隧道淤积和突淤荷载计算方法的隧址区域淤积厚度与等效潮差的关系图；
[0030]
图4为根据本发明的跨海沉管隧道淤积和突淤荷载计算方法的隧址区域局部坐标系图；
[0031]
图5为根据本发明的跨海沉管隧道淤积和突淤荷载计算方法的基于回淤分布特性的淤积荷载计算模型图；
[0032]
图6为根据本发明的跨海沉管隧道淤积和突淤荷载计算方法的海洋突淤几何形态模型图。
具体实施方式
[0033]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]
参照图1-6，一种跨海沉管隧道淤积和突淤荷载计算方法，包括以下步骤：s1、建立沉管隧道隧址区域的局部极坐标系；
[0035]
s2、基于调研和数理统计计算淤积厚度；
[0036]
s3、进行计算淤积荷载；
[0037]
s4、计算突淤分布形态及其灾变荷载。
[0038]
进一步的，所述步骤s1中的局部极坐标系包括取隧道k0位置为坐标原点、隧道轴向前方为坐标正方向及逆时针为正角，且任一一点的坐标为(a,，s)，通过对潮汐因素、区域环境因素(采砂、航运等)、海底地形、地貌变化因素、潮流流速、流向、海浪因素(浅海)、季节性气候变化等综合因素的分析，并取隧道k0位置为原点、隧道轴向为正方向、逆时针为正角的局部极坐标系，建立隧道区域任意地点淤积厚度计算公式。
[0039]
进一步的，考虑深中沉管通道工程隧道实际情况，淤积对隧道带来的风险是不均匀附加荷载引起管节整体竖向位移和管节接头位置的转动或剪切位移。最大风险是管节接头的竖向偏转和剪切位移。为了最大限度减少工作量同时较好反映隧道风险控制，建议采用分区双线性回归处理方法，所述步骤s2中通过采用分区双线性回归计算隧址区域任意点(a,s)的淤积厚度为z(a,s,x)，公式为：
[0040][0041]
通过原位实测不小于9个点确定ξi与ηi，淤积的时间均衡系数为λj得到:
[0042][0043]
进一步的，所述步骤s3中通过在淤积厚度基础上采用分层淤积叠加方法，建立淤隧道淤积全量荷载和淤积增量荷载，且根据工程区域回淤特征，建立淤积荷载计算模型。
[0044]
进一步的，根据淤积荷载计算模型对应的淤积荷载及其增量计算如式(1)和式(2)所示：
[0045]
pi(α,s,x)＝γ
whw
+γ
xhx
+γgz
i,sum
(α,s,x)
[0046]
δpi(α,s,x)＝pi(α,s,x)-γw{hw+h
x
+z
i,sum
(α,s,x)}
[0047]
其中，x-等效潮差值；
[0048]
γ
w-海水容重，kg/m3；
[0049]
γ
x-泥沙悬浮区介质容重，kg/m3[0050]
γ
g-回淤固结区介质容重，kg/m
3，
[0051]
其中，按隧道单节管节长度分别建立双线性淤积厚度、荷载分布计算式，计算管节应力及作强度分析时，采用荷载全量计算式，计算管节竖向位移及校验止水带水密状态时，采用荷载增量计算式。
[0052]
进一步的，基本假定：
[0053]
[1]突淤物体为在自重作用下具有剪切塌落性质。
[0054]
[2]塌落体沿任意正交竖平面具有相同分布。
[0055]
[3]突淤物稳定后成为旋转曲面的三维分布。
[0056]
根据上述假定，建立突淤几何形态及其荷载模型如图6所示。
[0057]
所述步骤s4中，根据突淤物质在海水中的塌落和成型特征，采用概率密度函数建立了突淤空间分布函数及对应的突淤荷载分布函数，其中突淤堆积几何形态函数公式为：
[0058]
根据塌落角a、高度h、宽度l即可确定具体的z(x,y)具体计算函数；
[0059]
突淤荷载分布函数公式为：
[0060]
该函数通过塌落角、堆积高度、堆物宽度的变化，可以有效模拟任意突淤堆积厚度和突淤荷载。
[0061]
该算法可用于i)计算任意类型海洋环境淤积对沉管隧道产生的动态变化荷载；ii)计算海洋突淤物质对隧道形成的荷载。
[0062]
而且如图1-3所示，充分调研、收集深中通道工程隧道区域海洋环境监测数据基础上，理论分析，根据现场试验结果，建立采砂开放期和关闭期两种条件下的淤积厚度计算公式：
[0063]
式中：z-淤积厚度(m/d)，x-等效潮差(m)
[0064]
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
[0065]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。