水工弧形閘門水流脈動壓力特性的試驗研究

李小超,湯　凱,張　戈,蔣昌波

(1.長沙理工大學水利工程學院，湖南長沙410004；2.可再生能源電力技術湖南省重點實驗室(長沙理工大學),湖南長沙410004；3.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室,遼寧大連116024)

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水工弧形閘門水流脈動壓力特性的試驗研究

李小超1,2,3,湯凱1,張戈1,蔣昌波1

(1.長沙理工大學水利工程學院，湖南長沙410004；2.可再生能源電力技術湖南省重點實驗室(長沙理工大學),湖南長沙410004；3.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室,遼寧大連116024)

摘要：弧形閘門屬輕型結構,其振動、穩定性等直接與水流脈動壓力相關。為研究弧形閘門上水流脈動壓力特性,在試驗室內開展了一系列模型試驗,通過對閘門面板上大量測點水流脈動壓力數據的系統分析,獲得了水流脈動壓力幅值和頻率在閘門面板上的分布規律,以及閘門開度、上下游水位變化對脈動壓力的影響。

關鍵詞：弧形閘門；脈動壓力；幅值；頻率

0引言

弧形閘門因其具有結構輕、受力合理和啟閉力小等特點,被作為主要的擋水、泄水結構而廣泛應用于水利工程中。在閘門關閉或開啟過程中或者局部開啟運行時,都不可避免地受到水流的作用,由于水流強烈的紊動,在閘門上會產生脈動水壓力,當水流脈動壓力的優勢頻率與閘門自振接近時會導致閘門共振問題,進而影響閘門正常運行,甚至造成閘門破壞。

水流脈動壓力是泄水建筑物承受的重要荷載,也是導致泄水建筑物破壞的主要荷載,由于高速水流的復雜性,脈動壓力數值計算難度較大,水流脈動壓力取值主要通過水工模型試驗來確定。水流脈動壓力與泄水建筑物的振動、穩定性等直接相關,所以在國內外引起了廣泛關注,尤其是溢流壩面上和消力池底板上的脈動壓力已有許多研究成果,但是弧形閘門上的脈動壓力至今研究不多,系統的資料較少。而弧形閘門上的水流脈動壓力特性對其設計及運行有很大影響,國內外均有弧形閘門失事的例子。究其原因,除施工質量外,多是對作用在其上的脈動壓力研究不夠,故有必要通過模型試驗對弧形閘門上的水流脈動壓力進行系統研究。本文依托湘江長沙綜合樞紐工程對弧形閘門水流脈動壓力特性進行試驗研究。

1樞紐概況與模型試驗

長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,泄水閘設計水頭11.2m,啟閉機行程7.2m。試驗在長沙理工大學水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室內寬1.2m、深1.0m、長26m的水槽中進行,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整孔的同時,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壓力測點,模擬原型總寬39.2m。模型采用有機玻璃制作,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計,為正態模型,壓強比尺為32.8,頻率比尺為0.175,時間比尺為5.73,譜密度比尺為6161.474。試驗過程中采用水位測針測量上下游水位,水流脈動壓力采用CY202高精度數字壓力傳感器進行測量,模型閘門面板上的脈動壓力測點布置見圖1,共布置了25個測點。試驗按原型庫水位29.7、28.7、27.7m三級庫水位進行,試驗閘門開度范圍為0.33～6.56m,考慮到實際工程中下游水位的變化對閘門上水流脈動壓力的特征有一定影響,試驗針對正常蓄水位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水流脈動壓力的影響。對于其他工況,盡管上下游水位發生變化,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　閘門水壓力測點布置(上游面,單位：m)

2脈動壓力特性

采用以隨機函數理論為基礎的數據統計分析和頻譜分析的方法對各組試驗記錄進行數據處理和分析,脈動壓力的幅值用壓力均方根值來描述。自功率譜密度函數用于表達脈動壓力的頻率特性,反映了各測點水流脈動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勢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給出了典型脈動壓力的時域過程、功率譜密度曲線及概率密度曲線。從圖2不難看出,脈動壓力時域過程線具有正態分布的各態平穩隨機過程特征。對于少數工況,即處于閘門上部測點信號的頻譜規律極為不規則(見圖3)時無法提取合理的主頻率,則不提取主頻率值。

圖2　典型測點閘門脈動壓力時域過程、功率譜、概率密度

圖3　測點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)不同開度時壓力均方根值和脈動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25個單元格,每個單元格與測點位置一一對應。表中“-”表示無壓力數據,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,當傳感器不與水接觸時就沒有壓力信號了；“*”表示頻譜規律極其不規則,無法提取主頻值的情況,出現此情況是由于閘門兩側水流邊界條件對稱,在大部分工況下壓力均方根值無論沿面板寬度方向還是沿水深方向的分布均沒有固定的規律,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,即由于脈動壓力與水流紊動強度密切相關,哪里的紊動強度大,哪里的脈動壓力就大。由圖2及表1可見,主要脈動能量一般集中在0.25Hz以內的低頻區,在同一工況下,大部分測點的主頻較為一致,但存在少數主頻不一致的測點,主頻無論沿面板寬度方向還是水深方向的分布,均沒有固定的規律。

表1脈動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閘門開度對脈動壓力的影響

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

圖4　脈動壓力均方根值和主頻隨開度的變化

2.3上游庫水位變化對脈動壓力的影響

為了考察上游庫水位變化對水流脈動壓力的影響,將不同上游水位(上下游水位差保持不變)下的脈動壓力數據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種上游庫水位下P1、P3、P133個測點的水流脈動壓力均方根值和主頻隨閘門開度的變化曲線進行了比較,較高水位下H=29.7m和28.7m的壓力值較為接近；對于較低水位H=27.7m，在e<4.0m時普遍較水位為H=28.7m和27.7m時的大,在e>4.0m時其大小則依賴于測點的位置,對于下部測點P1和P3,高水位下的壓力值較大,對于上部測點P13,低水位下的壓力值較大。水流脈動壓力頻率隨閘門開度的變化曲線顯示出各測點的主頻變化沒有明顯的固定規律。

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下游水位變化對脈動壓力的影響

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,以考察下游水位變化對閘門水流脈動壓力的影響,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個測點的水流脈動壓力均方根值和主頻隨下游水位的變化關系,e=0.66m時4個測點的壓力值均隨下游水位的升高先減小后增大；e=1.31m時除P1測點壓力值隨下游水位的升高而減小外,其他3個測點的壓力值均隨下游水位的升高先增大后減小；當開度增大至e=2.46m時,4個測點的壓力值均隨下游水位的升高先增大后減小。e=1.31m時,P11、P13兩個測點的主頻隨下游水位的變化曲線重合。脈動壓力主頻隨下游水位的變化沒有固定的變化規律,僅隨開度的不同而不同。

圖6　不同測點的壓力均方根值和主頻隨下游水位的變化

3結論

通過對不同閘門開度、不同上下游水位下弧形閘門上大量測點的水流脈動壓力測量結果進行分析,得出以下幾點認識：

(1)大部分時域過程線具有正態分布的各態平穩隨機過程特征,脈動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。

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

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

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(責任編輯焦雪梅)

收稿日期：2015- 10- 08

基金項目：國家自然科學基金項目(51309038)；海岸和近海工程國家重點實驗室開放基金(LP1403)；可再生能源電力技術湖南省重點實驗室開放基金(2014ZNDL001)

作者簡介：李小超(1981—),男,湖南郴州人，講師,碩士生導師,博士,主要從事水流與結構物相互作用的研究．

中圖分類號：TV135.2

文獻標識碼：A

文章編號：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