水工弧形閘門水流脈動(dòng)壓力特性的試驗(yàn)研究

李小超,湯　凱,張　戈,蔣昌波

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410004；2.可再生能源電力技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)沙理工大學(xué)),湖南長(zhǎng)沙410004；3.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連116024)

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水工弧形閘門水流脈動(dòng)壓力特性的試驗(yàn)研究

李小超1,2,3,湯凱1,張戈1,蔣昌波1

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410004；2.可再生能源電力技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)沙理工大學(xué)),湖南長(zhǎng)沙410004；3.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連116024)

摘要：弧形閘門屬輕型結(jié)構(gòu),其振動(dòng)、穩(wěn)定性等直接與水流脈動(dòng)壓力相關(guān)。為研究弧形閘門上水流脈動(dòng)壓力特性,在試驗(yàn)室內(nèi)開展了一系列模型試驗(yàn),通過(guò)對(duì)閘門面板上大量測(cè)點(diǎn)水流脈動(dòng)壓力數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分析,獲得了水流脈動(dòng)壓力幅值和頻率在閘門面板上的分布規(guī)律,以及閘門開度、上下游水位變化對(duì)脈動(dòng)壓力的影響。

關(guān)鍵詞：弧形閘門；脈動(dòng)壓力；幅值；頻率

0引言

弧形閘門因其具有結(jié)構(gòu)輕、受力合理和啟閉力小等特點(diǎn),被作為主要的擋水、泄水結(jié)構(gòu)而廣泛應(yīng)用于水利工程中。在閘門關(guān)閉或開啟過(guò)程中或者局部開啟運(yùn)行時(shí),都不可避免地受到水流的作用,由于水流強(qiáng)烈的紊動(dòng),在閘門上會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)水壓力,當(dāng)水流脈動(dòng)壓力的優(yōu)勢(shì)頻率與閘門自振接近時(shí)會(huì)導(dǎo)致閘門共振問(wèn)題,進(jìn)而影響閘門正常運(yùn)行,甚至造成閘門破壞。

水流脈動(dòng)壓力是泄水建筑物承受的重要荷載,也是導(dǎo)致泄水建筑物破壞的主要荷載,由于高速水流的復(fù)雜性,脈動(dòng)壓力數(shù)值計(jì)算難度較大,水流脈動(dòng)壓力取值主要通過(guò)水工模型試驗(yàn)來(lái)確定。水流脈動(dòng)壓力與泄水建筑物的振動(dòng)、穩(wěn)定性等直接相關(guān),所以在國(guó)內(nèi)外引起了廣泛關(guān)注,尤其是溢流壩面上和消力池底板上的脈動(dòng)壓力已有許多研究成果,但是弧形閘門上的脈動(dòng)壓力至今研究不多,系統(tǒng)的資料較少。而弧形閘門上的水流脈動(dòng)壓力特性對(duì)其設(shè)計(jì)及運(yùn)行有很大影響,國(guó)內(nèi)外均有弧形閘門失事的例子。究其原因,除施工質(zhì)量外,多是對(duì)作用在其上的脈動(dòng)壓力研究不夠,故有必要通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)弧形閘門上的水流脈動(dòng)壓力進(jìn)行系統(tǒng)研究。本文依托湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐工程對(duì)弧形閘門水流脈動(dòng)壓力特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1樞紐概況與模型試驗(yàn)

長(zhǎng)沙綜合樞紐正常蓄水位為29.7m,弧形閘門寬22m,高11.7m,弧面曲率半徑16.6m,泄水閘設(shè)計(jì)水頭11.2m,啟閉機(jī)行程7.2m。試驗(yàn)在長(zhǎng)沙理工大學(xué)水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)寬1.2m、深1.0m、長(zhǎng)26m的水槽中進(jìn)行,模型包括閘室、門槽、閘墩及下游的橋墩、消力池等。為了保證上游進(jìn)流、閘下出流情況水流邊界條件相似,模型在截取泄水閘中間一個(gè)整孔的同時(shí),兩邊各取0.25孔,因此模型為1.5孔泄流孔,中間一孔閘門布置脈動(dòng)壓力測(cè)點(diǎn),模擬原型總寬39.2m。模型采用有機(jī)玻璃制作,兩邊的0.25孔封閉。

考慮到模型安裝方便,寬取1 195mm,水力模型幾何比尺為32.8。模型按重力相似律設(shè)計(jì),為正態(tài)模型,壓強(qiáng)比尺為32.8,頻率比尺為0.175,時(shí)間比尺為5.73,譜密度比尺為6161.474。試驗(yàn)過(guò)程中采用水位測(cè)針測(cè)量上下游水位,水流脈動(dòng)壓力采用CY202高精度數(shù)字壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量,模型閘門面板上的脈動(dòng)壓力測(cè)點(diǎn)布置見圖1,共布置了25個(gè)測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)按原型庫(kù)水位29.7、28.7、27.7m三級(jí)庫(kù)水位進(jìn)行,試驗(yàn)閘門開度范圍為0.33～6.56m,考慮到實(shí)際工程中下游水位的變化對(duì)閘門上水流脈動(dòng)壓力的特征有一定影響,試驗(yàn)針對(duì)正常蓄水位29.7m下0.66、1.31、2.46m3種較小開度情形,考察了下游水位變化對(duì)水流脈動(dòng)壓力的影響。對(duì)于其他工況,盡管上下游水位發(fā)生變化,但上下游水位差保持不變,均為4.92m。為方便討論,下文用H表示上游水位,h表示下游水位,e表示閘門開度。

圖1　閘門水壓力測(cè)點(diǎn)布置(上游面,單位：m)

2脈動(dòng)壓力特性

采用以隨機(jī)函數(shù)理論為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和頻譜分析的方法對(duì)各組試驗(yàn)記錄進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析,脈動(dòng)壓力的幅值用壓力均方根值來(lái)描述。自功率譜密度函數(shù)用于表達(dá)脈動(dòng)壓力的頻率特性,反映了各測(cè)點(diǎn)水流脈動(dòng)能量按頻率的分布特性,分析功率譜圖可得到能量較為集中的優(yōu)勢(shì)頻率范圍以及能量最集中的主頻率,即壓力功率譜譜峰頻率。圖2給出了典型脈動(dòng)壓力的時(shí)域過(guò)程、功率譜密度曲線及概率密度曲線。從圖2不難看出,脈動(dòng)壓力時(shí)域過(guò)程線具有正態(tài)分布的各態(tài)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程特征。對(duì)于少數(shù)工況,即處于閘門上部測(cè)點(diǎn)信號(hào)的頻譜規(guī)律極為不規(guī)則(見圖3)時(shí)無(wú)法提取合理的主頻率,則不提取主頻率值。

圖2　典型測(cè)點(diǎn)閘門脈動(dòng)壓力時(shí)域過(guò)程、功率譜、概率密度

圖3　測(cè)點(diǎn)P18壓力功率譜

2.1壓力均方根值和主頻在面板上的分布特征

表1給出了正常蓄水位下在保持上下游水位差不變的條件下(H=29.7m,h=24.78m)不同開度時(shí)壓力均方根值和脈動(dòng)主頻在面板上的分布情況,表中每種工況下均方根值或主頻值占據(jù)25個(gè)單元格,每個(gè)單元格與測(cè)點(diǎn)位置一一對(duì)應(yīng)。表中“-”表示無(wú)壓力數(shù)據(jù),這是由于隨著閘門開度的增大,處于面板最上層的P21～P255壓力傳感器逐漸升出水面,當(dāng)傳感器不與水接觸時(shí)就沒(méi)有壓力信號(hào)了；“*”表示頻譜規(guī)律極其不規(guī)則,無(wú)法提取主頻值的情況,出現(xiàn)此情況是由于閘門兩側(cè)水流邊界條件對(duì)稱,在大部分工況下壓力均方根值無(wú)論沿面板寬度方向還是沿水深方向的分布均沒(méi)有固定的規(guī)律,既不是中間大兩邊小或上小下大,也不是直線分布,而是隨斷面位置、水流條件而變,即由于脈動(dòng)壓力與水流紊動(dòng)強(qiáng)度密切相關(guān),哪里的紊動(dòng)強(qiáng)度大,哪里的脈動(dòng)壓力就大。由圖2及表1可見,主要脈動(dòng)能量一般集中在0.25Hz以內(nèi)的低頻區(qū),在同一工況下,大部分測(cè)點(diǎn)的主頻較為一致,但存在少數(shù)主頻不一致的測(cè)點(diǎn),主頻無(wú)論沿面板寬度方向還是水深方向的分布,均沒(méi)有固定的規(guī)律。

表1脈動(dòng)壓力均方根值和主頻分布(H=29.7m,h=24.78m)

e/mpRMS/kPae/mf/Hz0.660.1110.0980.1010.0950.0990.1230.0930.0950.0910.1150.1050.0990.1000.1020.1020.1170.1170.1100.1070.0980.1330.13120.1710.1470.1580.660.0260.0260.0260.0260.0260.0260.0260.0260.0260.0260.0260.0260.0260.0260.0260.0260.0260.0260.0260.0260.0260.0260.0340.0260.0266.56—————0.0640.0160.0230.0110.0580.9000.9120.8100.8960.7670.8520.6260.6080.5660.7830.6100.54780.6100.5461.6536.56—————*****0.0850.0850.0850.0850.0850.0850.0850.0770.0850.0770.0770.0850.0850.0850.068

2.2閘門開度對(duì)脈動(dòng)壓力的影響

圖4給出了3種庫(kù)水位下，上下游水位差保持在4.92m的條件時(shí)，P1、P3、P8、P13、P185個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力均方根值以及P1、P3、P8、P134個(gè)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)主頻隨閘門開度的變化關(guān)系曲線。從圖4可以看出,沿閘門寬度方向的P1和P3兩個(gè)測(cè)點(diǎn)其壓力方根值隨開度的變化規(guī)律較為一致,壓力均方根值隨開度變化的規(guī)律主要受高程影響,閘門上部測(cè)點(diǎn)的壓力均方根值隨開度變化的規(guī)律與下部測(cè)點(diǎn)不同,并且變化規(guī)律隨上下游水位的變化而不同。不同工況下各測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)主頻隨閘門開度的變化沒(méi)有明顯的固定規(guī)律,隨工況及測(cè)點(diǎn)的不同而不同。

圖4　脈動(dòng)壓力均方根值和主頻隨開度的變化

2.3上游庫(kù)水位變化對(duì)脈動(dòng)壓力的影響

為了考察上游庫(kù)水位變化對(duì)水流脈動(dòng)壓力的影響,將不同上游水位(上下游水位差保持不變)下的脈動(dòng)壓力數(shù)據(jù)隨閘門開度的變化曲線圖繪制于同一圖上,如圖5所示。圖5將3種上游庫(kù)水位下P1、P3、P133個(gè)測(cè)點(diǎn)的水流脈動(dòng)壓力均方根值和主頻隨閘門開度的變化曲線進(jìn)行了比較,較高水位下H=29.7m和28.7m的壓力值較為接近；對(duì)于較低水位H=27.7m，在e<4.0m時(shí)普遍較水位為H=28.7m和27.7m時(shí)的大,在e>4.0m時(shí)其大小則依賴于測(cè)點(diǎn)的位置,對(duì)于下部測(cè)點(diǎn)P1和P3,高水位下的壓力值較大,對(duì)于上部測(cè)點(diǎn)P13,低水位下的壓力值較大。水流脈動(dòng)壓力頻率隨閘門開度的變化曲線顯示出各測(cè)點(diǎn)的主頻變化沒(méi)有明顯的固定規(guī)律。

圖5　不同上游水位下壓力均方根值和主頻隨開度的變化

2.4下游水位變化對(duì)脈動(dòng)壓力的影響

在保持上游水位及閘門開度不變的條件下,改變下游水位開展了試驗(yàn),以考察下游水位變化對(duì)閘門水流脈動(dòng)壓力的影響,上游水位H=29.7m,開度e=0.66、1.31、2.46m。圖6給出了3種閘門開度條件下,P1、P3、P11、P134個(gè)測(cè)點(diǎn)的水流脈動(dòng)壓力均方根值和主頻隨下游水位的變化關(guān)系,e=0.66m時(shí)4個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力值均隨下游水位的升高先減小后增大；e=1.31m時(shí)除P1測(cè)點(diǎn)壓力值隨下游水位的升高而減小外,其他3個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力值均隨下游水位的升高先增大后減小；當(dāng)開度增大至e=2.46m時(shí),4個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力值均隨下游水位的升高先增大后減小。e=1.31m時(shí),P11、P13兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的主頻隨下游水位的變化曲線重合。脈動(dòng)壓力主頻隨下游水位的變化沒(méi)有固定的變化規(guī)律,僅隨開度的不同而不同。

圖6　不同測(cè)點(diǎn)的壓力均方根值和主頻隨下游水位的變化

3結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同閘門開度、不同上下游水位下弧形閘門上大量測(cè)點(diǎn)的水流脈動(dòng)壓力測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析,得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1)大部分時(shí)域過(guò)程線具有正態(tài)分布的各態(tài)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程特征,脈動(dòng)壓力在頻域的能量分布具有低頻特征,主能量分布在0～0.25Hz的頻率范圍內(nèi)。

(2)脈動(dòng)壓力均方根值無(wú)論沿面板寬度方向還是沿水深方向的分布均沒(méi)有固定的規(guī)律,隨斷面位置、水流條件的不同而不同。閘門上部測(cè)點(diǎn)的壓力均方根值隨開度的變化規(guī)律與下部測(cè)點(diǎn)不同,并且變化規(guī)律隨上游庫(kù)水位的不同而不同,其隨下游水位的變化與測(cè)點(diǎn)的位置和閘門開度有關(guān)。

(3)同一工況下閘門大部分部位的脈動(dòng)主頻較為一致,但存在少數(shù)部位主頻不一致。主頻隨閘門開度和上下游水位的變化均沒(méi)有明顯的固定規(guī)律。

參考文獻(xiàn)：

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(責(zé)任編輯焦雪梅)

收稿日期：2015- 10- 08

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51309038)；海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(LP1403)；可再生能源電力技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(2014ZNDL001)

作者簡(jiǎn)介：李小超(1981—),男,湖南郴州人，講師,碩士生導(dǎo)師,博士,主要從事水流與結(jié)構(gòu)物相互作用的研究．

中圖分類號(hào)：TV135.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0559- 9342(2016)04- 0109- 04

ExperimentalStudyonFluctuatingPressureCharacteristicsofRadialGate

LIXiaochao1,2,3,TANGKai1,ZHANGGe1,JIANGChangbo1

(1.SchoolofHydraulicEngineering,ChangshaUniversityofScience&Technology,Changsha410004,Hunan,China;2.KeyLaboratoryofRenewableEnergyElectric-TechnologyofHunanProvince(ChangshaUniversityofScience&Technology),Changsha410004,Hunan,China; 3.StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,Liaoning,China)

Abstract:Radial gate is a kind of light structure and its structural vibration and stability have direct relationship with fluctuating water pressure. A series of experiments have been conducted to investigate the characteristics of fluctuating pressure on radial gate. Through comprehensive analysis on measured data of fluctuating flow pressure from a great many measure points on the plate of gate, the distribution laws of dynamic flow pressure amplitude and frequency, and the effects of gate opening and upstream and downstream water level variations on fluctuating pressure are acquired．

Key Words:radial gate; fluctuating pressure; amplitude; frequency