水工弧形闸门水流脉动压力特性的试验研究

李小超,汤　凯,张　戈,蒋昌波

(1.长沙理工大学水利工程学院，湖南长沙410004；2.可再生能源电力技术湖南省重点实验室(长沙理工大学),湖南长沙410004；3.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024)



水工弧形闸门水流脉动压力特性的试验研究

李小超1,2,3,汤凯1,张戈1,蒋昌波1

(1.长沙理工大学水利工程学院，湖南长沙410004；2.可再生能源电力技术湖南省重点实验室(长沙理工大学),湖南长沙410004；3.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024)

摘要：弧形闸门属轻型结构,其振动、稳定性等直接与水流脉动压力相关。为研究弧形闸门上水流脉动压力特性,在试验室内开展了一系列模型试验,通过对闸门面板上大量测点水流脉动压力数据的系统分析,获得了水流脉动压力幅值和频率在闸门面板上的分布规律,以及闸门开度、上下游水位变化对脉动压力的影响。

关键词：弧形闸门；脉动压力；幅值；频率

0引言

弧形闸门因其具有结构轻、受力合理和启闭力小等特点,被作为主要的挡水、泄水结构而广泛应用于水利工程中。在闸门关闭或开启过程中或者局部开启运行时,都不可避免地受到水流的作用,由于水流强烈的紊动,在闸门上会产生脉动水压力,当水流脉动压力的优势频率与闸门自振接近时会导致闸门共振问题,进而影响闸门正常运行,甚至造成闸门破坏。

水流脉动压力是泄水建筑物承受的重要荷载,也是导致泄水建筑物破坏的主要荷载,由于高速水流的复杂性,脉动压力数值计算难度较大,水流脉动压力取值主要通过水工模型试验来确定。水流脉动压力与泄水建筑物的振动、稳定性等直接相关,所以在国内外引起了广泛关注,尤其是溢流坝面上和消力池底板上的脉动压力已有许多研究成果,但是弧形闸门上的脉动压力至今研究不多,系统的资料较少。而弧形闸门上的水流脉动压力特性对其设计及运行有很大影响,国内外均有弧形闸门失事的例子。究其原因,除施工质量外,多是对作用在其上的脉动压力研究不够,故有必要通过模型试验对弧形闸门上的水流脉动压力进行系统研究。本文依托湘江长沙综合枢纽工程对弧形闸门水流脉动压力特性进行试验研究。

1枢纽概况与模型试验

长沙综合枢纽正常蓄水位为29.7m,弧形闸门宽22m,高11.7m,弧面曲率半径16.6m,泄水闸设计水头11.2m,启闭机行程7.2m。试验在长沙理工大学水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室内宽1.2m、深1.0m、长26m的水槽中进行,模型包括闸室、门槽、闸墩及下游的桥墩、消力池等。为了保证上游进流、闸下出流情况水流边界条件相似,模型在截取泄水闸中间一个整孔的同时,两边各取0.25孔,因此模型为1.5孔泄流孔,中间一孔闸门布置脉动压力测点,模拟原型总宽39.2m。模型采用有机玻璃制作,两边的0.25孔封闭。

考虑到模型安装方便,宽取1 195mm,水力模型几何比尺为32.8。模型按重力相似律设计,为正态模型,压强比尺为32.8,频率比尺为0.175,时间比尺为5.73,谱密度比尺为6161.474。试验过程中采用水位测针测量上下游水位,水流脉动压力采用CY202高精度数字压力传感器进行测量,模型闸门面板上的脉动压力测点布置见图1,共布置了25个测点。试验按原型库水位29.7、28.7、27.7m三级库水位进行,试验闸门开度范围为0.33～6.56m,考虑到实际工程中下游水位的变化对闸门上水流脉动压力的特征有一定影响,试验针对正常蓄水位29.7m下0.66、1.31、2.46m3种较小开度情形,考察了下游水位变化对水流脉动压力的影响。对于其他工况,尽管上下游水位发生变化,但上下游水位差保持不变,均为4.92m。为方便讨论,下文用H表示上游水位,h表示下游水位,e表示闸门开度。

图1　闸门水压力测点布置(上游面,单位：m)

2脉动压力特性

采用以随机函数理论为基础的数据统计分析和频谱分析的方法对各组试验记录进行数据处理和分析,脉动压力的幅值用压力均方根值来描述。自功率谱密度函数用于表达脉动压力的频率特性,反映了各测点水流脉动能量按频率的分布特性,分析功率谱图可得到能量较为集中的优势频率范围以及能量最集中的主频率,即压力功率谱谱峰频率。图2给出了典型脉动压力的时域过程、功率谱密度曲线及概率密度曲线。从图2不难看出,脉动压力时域过程线具有正态分布的各态平稳随机过程特征。对于少数工况,即处于闸门上部测点信号的频谱规律极为不规则(见图3)时无法提取合理的主频率,则不提取主频率值。

图2　典型测点闸门脉动压力时域过程、功率谱、概率密度

图3　测点P18压力功率谱

2.1压力均方根值和主频在面板上的分布特征

表1给出了正常蓄水位下在保持上下游水位差不变的条件下(H=29.7m,h=24.78m)不同开度时压力均方根值和脉动主频在面板上的分布情况,表中每种工况下均方根值或主频值占据25个单元格,每个单元格与测点位置一一对应。表中“-”表示无压力数据,这是由于随着闸门开度的增大,处于面板最上层的P21～P255压力传感器逐渐升出水面,当传感器不与水接触时就没有压力信号了；“*”表示频谱规律极其不规则,无法提取主频值的情况,出现此情况是由于闸门两侧水流边界条件对称,在大部分工况下压力均方根值无论沿面板宽度方向还是沿水深方向的分布均没有固定的规律,既不是中间大两边小或上小下大,也不是直线分布,而是随断面位置、水流条件而变,即由于脉动压力与水流紊动强度密切相关,哪里的紊动强度大,哪里的脉动压力就大。由图2及表1可见,主要脉动能量一般集中在0.25Hz以内的低频区,在同一工况下,大部分测点的主频较为一致,但存在少数主频不一致的测点,主频无论沿面板宽度方向还是水深方向的分布,均没有固定的规律。

表1脉动压力均方根值和主频分布(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闸门开度对脉动压力的影响

图4给出了3种库水位下，上下游水位差保持在4.92m的条件时，P1、P3、P8、P13、P185个测点的压力均方根值以及P1、P3、P8、P134个测点脉动主频随闸门开度的变化关系曲线。从图4可以看出,沿闸门宽度方向的P1和P3两个测点其压力方根值随开度的变化规律较为一致,压力均方根值随开度变化的规律主要受高程影响,闸门上部测点的压力均方根值随开度变化的规律与下部测点不同,并且变化规律随上下游水位的变化而不同。不同工况下各测点脉动主频随闸门开度的变化没有明显的固定规律,随工况及测点的不同而不同。

图4　脉动压力均方根值和主频随开度的变化

2.3上游库水位变化对脉动压力的影响

为了考察上游库水位变化对水流脉动压力的影响,将不同上游水位(上下游水位差保持不变)下的脉动压力数据随闸门开度的变化曲线图绘制于同一图上,如图5所示。图5将3种上游库水位下P1、P3、P133个测点的水流脉动压力均方根值和主频随闸门开度的变化曲线进行了比较,较高水位下H=29.7m和28.7m的压力值较为接近；对于较低水位H=27.7m，在e<4.0m时普遍较水位为H=28.7m和27.7m时的大,在e>4.0m时其大小则依赖于测点的位置,对于下部测点P1和P3,高水位下的压力值较大,对于上部测点P13,低水位下的压力值较大。水流脉动压力频率随闸门开度的变化曲线显示出各测点的主频变化没有明显的固定规律。

图5　不同上游水位下压力均方根值和主频随开度的变化

2.4下游水位变化对脉动压力的影响

在保持上游水位及闸门开度不变的条件下,改变下游水位开展了试验,以考察下游水位变化对闸门水流脉动压力的影响,上游水位H=29.7m,开度e=0.66、1.31、2.46m。图6给出了3种闸门开度条件下,P1、P3、P11、P134个测点的水流脉动压力均方根值和主频随下游水位的变化关系,e=0.66m时4个测点的压力值均随下游水位的升高先减小后增大；e=1.31m时除P1测点压力值随下游水位的升高而减小外,其他3个测点的压力值均随下游水位的升高先增大后减小；当开度增大至e=2.46m时,4个测点的压力值均随下游水位的升高先增大后减小。e=1.31m时,P11、P13两个测点的主频随下游水位的变化曲线重合。脉动压力主频随下游水位的变化没有固定的变化规律,仅随开度的不同而不同。

图6　不同测点的压力均方根值和主频随下游水位的变化

3结论

通过对不同闸门开度、不同上下游水位下弧形闸门上大量测点的水流脉动压力测量结果进行分析,得出以下几点认识：

(1)大部分时域过程线具有正态分布的各态平稳随机过程特征,脉动压力在频域的能量分布具有低频特征,主能量分布在0～0.25Hz的频率范围内。

(2)脉动压力均方根值无论沿面板宽度方向还是沿水深方向的分布均没有固定的规律,随断面位置、水流条件的不同而不同。闸门上部测点的压力均方根值随开度的变化规律与下部测点不同,并且变化规律随上游库水位的不同而不同,其随下游水位的变化与测点的位置和闸门开度有关。

(3)同一工况下闸门大部分部位的脉动主频较为一致,但存在少数部位主频不一致。主频随闸门开度和上下游水位的变化均没有明显的固定规律。

参考文献：

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[2]何源望, 李伟, 刘棉场, 等. 桃源水电站泄洪闸弧形门制造[J]. 水力发电, 2014, 40(6): 94- 96.

[3]李小超, 汤凯, 张戈, 等. 边孔弧形闸门水流脉动压力特性研究[J]. 实验力学, 2015(6)： 70- 77.

[4]瞿伟廉, 刘少兵, 王锦文, 等. 弧形闸门流激振动脉动压力HHT分析[J]. 武汉理工大学学报, 2006(9)： 74- 77.

(责任编辑焦雪梅)

收稿日期：2015- 10- 08

基金项目：国家自然科学基金项目(51309038)；海岸和近海工程国家重点实验室开放基金(LP1403)；可再生能源电力技术湖南省重点实验室开放基金(2014ZNDL001)

作者简介：李小超(1981—),男,湖南郴州人，讲师,硕士生导师,博士,主要从事水流与结构物相互作用的研究．

中图分类号：TV135.2

文献标识码：A

文章编号：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