自动滚筒闸门脉动压力特性试验研究

李利荣 王顺

摘要：用于多泥沙河流的自动滚筒闸门在自动启闭过程中会因水流脉动压力而产生振动，引起闸体失稳或结构破坏。针对自动滚筒闸门启闭过程中水流边界条件情况，制作了滚筒闸门模型，对不同上游水位、不同开度时水流脉动压力进行了物理模型试验。试验表明，自动滚筒闸门水流脉动压力过程具有呈正态分布的随机平稳特性，闸门脉动压力主频为轴流泵转轮叶片频率，闸体下缘跌坎处旋涡导致水流紊动强度增大而产生0.5Hz低频脉动压力，低频脉动压力沿闸体迎水面向上游传递，振幅逐渐减小。脉动压力主频幅值与闸下开度正相关，与上游水深负相关，低频脉动压力幅值与闸下开度负相关;过圆筒中心逆时针角度为0°、45°、90°、135°、180°对应的圆筒壁处布设5个测点，水深由28.04cm至34.04cm时其脉动压力主频幅值分别减小了10.9%、13.3%、42.9%、20.6%、36.2%，闸下开度由0cm增大到5.0cm时脉动压力主频幅值增大了139.1%、139.8%、20.6%、57.2%、91.8%。

关键词：自动滚筒闸门;脉动压力特性;模型试验;多泥沙河道

中图分类号：TV663⁺.8 文献标志码：A

自动滚筒闸门是用于多泥沙河流的新型自动闸门，是在重力及水动力共同作用下自动翻滚实现启闭的自控闸门。在启闭过程中，闸门附近流态变化大，流场及闸门受力复杂，在高速水流的紊动作用下，闸门受到脉动水压力会引起闸体振动，导致闸体失稳或结构破坏，直接影响水工建筑物的稳定及安全，是影响水工建筑物运行的主要荷载，也是自动滚筒闸门研究的重点。关于水流脉动压力的研究已有较多成果，鉴于高速水流的复杂性，脉动压力计算难度较大、精度较低，主要通过模型试验的方法进行研究。关于水工建筑物脉动压力的研究主要集中在水力消力、消能设施、溢流坝坝体上的脉动压力方面[1]。WANG Ruwei[2]通过物理模型试验研究了X形宽口闸门消能墩的时均脉动压力。HUANG Hu等[3]对平板闸门脉动压力进行研究认为，随着水位的上升，脉动压力频率减小、闸门底部作用脉动功率减小。辜晋德等[4-5]研究了水跃区底部脉动压力沿程变化规律，认为水跃区脉动压力主频在10Hz以下。张少济等[6-7]对消力塘透水底板脉动压力特性进行了试验研究，认为透水底板上下表面的脉动压力相位差较不透水底板小。张铭等[8]对高含沙水流脉动特性进行了试验研究，得到含沙水流脉动压力能量大部分集中在0.4Hz内。自动滚筒闸门是一种新型闸门，有必要对其受力特性、脉动压力等进行系统研究，笔者通过模型试验探讨了自动滚筒闸门脉动压力特性。

1 模型试验

自动滚筒闸门是根据上游水压力和闸体配重间相对关系实现自动滚动启闭的闸门，闸前有泥沙淤积时，仍可實现自动开启。闸体是垂直于水流方向的横置圆筒，滚筒下游端设置圆弧面连接直板，水压力不足时，弧面直板使水位壅高;圆弧段壅高的水位产生附加力矩使闸门翻滚，自动滚筒闸门结构见图1（a）。闸门启闭过程中，水流脉动压力引起的共振关系着闸门的稳定及安全运行。为便于观测瞬时开度、瞬时水位对应的闸体脉动压力，本研究将自动滚筒闸门简化为垂直于水流方向的横置圆筒，闸体为直径20.0cm、长47.0cm的PVC圆筒。为实现闸体在铅垂方向升降，两侧设置闸槽;闸下设置半径为5.0cm的半圆柱形闸坎，以减小下游水位对闸体的影响，如图1（b）所示。流速、流量、水压力分别通过流速仪、电磁流量计和压力传感器测定。图1（c）为模型试验示意图，限于模型尺寸，仅在迎水面过圆筒中心逆时针角度分别为0°、45°、90°、135°、180°对应的圆筒壁处布设5个压力传感器测点，编号分别为1#、2#、3#、4#和5#，H为上游水深，。为闸下开度，h为筒顶正上方水深。试验在内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院水工实验室进行，试验水循环系统包括地下蓄水池、泵站、平水塔、调节阀、固定水槽。固定水槽由进水段、工作段、退水段组成，根据水工实验室空间大小，固定水槽尺寸为2000cm×50cm×90cm，材质为有机玻璃，通过角钢支撑，上游槽底坡降i=0.124%。为使上游水流在近闸体时流态边界层充分发展，闸体布设在距170.0cm处;为使下游水流不影响闸后流态，在下游退水段距30.0cm处设置长20.0cm的跌坎。瞬时压力用CYB131压力传感器观测，量程为0～3kPa，用 EaziDAQ软件记录数据。

2 脉动压力特性

在闸门启闭过程中，水流流态变化复杂，流体在闸体上产生的作用力不均匀，在局部位置产生短时间较大或较集中且有一定周期性的作用力，即脉动压力，当脉动压力主频与自振主频相同时，可能发生危害较严重的共振。用统计分析方法对观测数据进行处理，通过傅里叶变换计算各测点脉动压力频域值。脉动压力幅值Δp用瞬时压力与时均压力差表示。

2.1 同一边界条件下闸体脉动压力特性

图2为开度2.0cm、上游水深32.04cm时水流脉动压力时域过程线及频域过程线。由图2可以看出，各点脉动压力周期性显著，但闸体不同位置脉动压力幅值不同，且变化较大。

图2（a）为1#点脉动压力时域过程线，表现为随机平稳过程特性，其幅值变化区间为0.12～-0.12kPa，脉动压力幅值较平稳，脉动压力最大值为时均压力的128%。1#点位于闸体顶部，上游水深H=32.04cm时闸体顶部淹没，沿闸体形成绕流，闸体顶端水流紊动强度小，流体流向与压力传感器轴线方向垂直，因此该点脉动压力曲线呈现出正态分布的随机过程特性。图2（b）为2#点脉动压力时域过程线，可见其脉动压力幅值较1#点降低，变幅紊乱，变化不均匀，脉动压力最大值为时均压力的104%。对比图2（b）～（e）发现，脉动压力幅值从闸体顶部到闸体底部呈逐渐增大趋势，幅值变化幅度呈增大趋势。从1#点到5#点水流紊动强度逐渐增大。由图2（e）可知，5#点脉动压力时域过程线幅值变化最大，变化范围为0.30～-0.30kPa，脉动压力最大值为时均压力值的290%，且幅值变化不均匀，原因是5#点位于闸体底部，在高速水流的作用下，下游跌坎处产生旋涡，5#点区域为负压产生区，该区域水流紊动强度大，因此脉动压力幅值变化较大。

分析脉动压力频谱特性对研究水流的紊动特性有重要意义，通过频谱分析可得到水流脉动能量在频域上的分布情况，通过傅里叶变换得到各测点脉动压力频域过程线，见图2（f）。由图2（f）可以看出，从1#点到5#点脉动压力频域逐渐变宽，即水流紊动强度逐渐增大，脉动压力主频为49.8Hz，主频接近轴流泵转轮叶片频率。分析原因可能为固定水槽距泵站较近（约20m），轴流泵转轮叶片频率传递所致，观测到的脉动压力主频为轴流泵主频。3#、4#、5#点存在0.5Hz的低频脉动压力，低频压力脉动幅值分别为0.005、0.020、0.030kPa。分析认为下游跌坎处涡旋旋转导致闸底处水流紊动强度大，产生低频脉动压力，因此从3#到5#点低频脉动压力幅值逐渐增大，脉动压力能量频带逐渐变宽。1#、2#点低频脉动压力不明显，原因是闸顶水流紊动强度小，闸底脉动压力主要由低能量、高频率的涡旋及负压产生。

2.2 上游水深对脉动压力特性的影响

水流脉动压力是流速脉动和时均剪切力共同作用的结果，上游水深决定过闸流速、流量，直接影响闸体脉动压力。以闸下开度e=2.0cm、上游水深H=28.04、30.02、32.04、34.04cm为例，进行不同上游水深脉动压力特性试验研究。不同上游水深下脉动压力频域曲线见图3。

由图3可以看出，从1#点到5#点脉动压力能量分布频域逐渐变宽，即水流紊动强度逐渐增大，同时还可以看出脉动压力主频为49.8Hz，主频幅值与上游水深负相关，主频幅值随着上游水位的升高而减小，进一步说明脉动压力主频为轴流泵转轮叶片频率。由图3（a）可以看出，1#点脉动压力主频为49.8Hz，上游水深由28.04cm增大至34.04cm，主频幅值由0.11kPa下降到0.098kPa，降低了10.9%，且不存在显著的低频脉动压力，1#点位于闸体正上方，水流紊动强度小。由图3（b）可知，2#点存在0.5Hz低频脉动压力，幅值为0.006kPa，且与上游水深相关性较弱，其主频仍为49.8Hz，上游水深由28.04cm增大到34.04cm，主频幅值由0.006kPa下降到0.005kPa，降低了13.3%。图3（c）为3#点脉动压力频域图，3#点存在0.5Hz低频脉动压力，且幅值较小，频率及幅值与上游水深相关性较弱。该点脉动压力能量分布频域为0～110Hz，上游水深由28.04cm增大到34.04cm，49.8Hz主频脉动压力幅值由0.014kPa下降到0.008kPa，降低了42.9%。由图3（d）可知，4#点存在0.5Hz低频脉动压力，主频为49.8Hz，主频幅值随上游水深增大而降低，上游水深由28.04cm到34.04cm，主频幅值由0.063kPa下降到0.05kPa，降低了20.6%。由圖3（e）可见，5#点脉动压力能量分布频域为0～150Hz，较4#点有所增宽，主频幅值降低了36.2%;该点0.5Hz低频脉动压力幅值为0.04kPa，较1#～4#点幅值增大，低频脉动压力由跌坎涡旋及负压产生。对比各测点脉动压力频域图发现，闸体脉动压力主频幅值随上游水深的增大而减小，49.8Hz主频近似于轴流泵转轮叶片频率，0.5Hz低频脉动压力为跌坎处涡旋及负压导致水流紊动强度增大所致。

2.3 开度对脉动压力特性的影响

闸下开度直接影响水流流态、流速，因此直接影响脉动压力。本文以筒顶水深h=5cm，开度e为0、2、4、5cm进行试验，分析开度对脉动压力的影响。

图4为不同开度的脉动压力频域曲线。由图4可知：由闸体迎水面1#点至5#点，脉动压力能量分布频域逐渐变宽，紊动强度逐渐增大;脉动压力主频为49.8Hz，接近轴流泵转轮叶片频率，为轴流泵转轮叶片频率传递导致;主频幅值随开度的增大而增大，开度增大导致水流紊动强度增大，故主频脉动压力幅值增大;存在0.5Hz低频脉动压力。由图4（a）可以看出，开度为0、2、4、5cm，频率为0.5Hz时1#点脉动压力幅值分别为0.020、0.019、0.029、0.083kPa，随着开度的增大，涡旋及负压导致的水流紊动强度增大，因此低频脉动压力幅值增大。由图4（b）可知，2#点主频为49.8Hz，开度由0cm增大到5cm，其低频脉动压力幅值由0.003kPa增大到0.005kPa。由图4（c）可以看出，开度由0cm增大到5cm，3#点低频脉动压力幅值由0.008kPa增大到0.011kPa。由图4（d）可知，紊动强度随着开度的增大而增大，开度为0、2、4、5cm时低频脉动压力幅值为0.008、0.011、0.037、0.043kPa。由图4（e）可知，5#点脉动压力能量分布频域较宽，为0～150Hz，紊动强度最大。滚筒闸体存在0.5Hz的低频脉动压力，开度为0、2、4、5cm时低频脉动压力幅值为0.032、0.033、0.034、0.057kPa。

综上分析可知，滚筒闸体存在主频为49.8Hz的脉动压力、次主频0.5Hz的低频脉动压力，迎水面由1#点到5#点脉动压力能量分布频域逐渐变宽，紊动强度逐渐增大。脉动压力主频接近轴流泵转轮叶片频率，这是流道短，轴流泵转轮叶片频率传递所致。滚筒闸体存在0.5Hz的低频脉动压力，幅值随开度的增大而增大，闸体下缘5#点后设置跌坎，有涡旋产生，5#点所在负压区紊动强度大，涡旋产生低频脉动压力。

3 结语

（1）通过室内模型试验的方法，对自动滚筒闸门不同上游水位、不同闸门开度条件下水流脉动压力特性进行了研究，通过脉动压力时域、频域分布分析，探讨了不同边界条件下自动滚筒闸门水流脉动压力特性。试验结果表明：紊动水流中的滚筒闸门脉动压力表现为随机平稳时域过程，各点脉动压力周期明显，脉动压力幅值因位置而异。

（2）滚筒闸门脉动压力主频约为轴流泵转轮叶片频率，同时存在0.5Hz的低频脉动压力，从1#点到5#点脉动压力能量频域逐渐增宽，低频脉动压力幅值逐渐增大。下游闸坎处涡旋旋转导致水流紊动强度增大而产生低频脉动压力，低频脉动压力沿闸体迎水面向上游传递，振幅逐渐减小。

（3）上游水深为28.04～34.04cm时，脉动压力主频幅值与上游水深负相关，主频幅值随着上游水深的增大而减小，上游水深由28.04cm增大到34.04cm，1#点～5#点脉动压力主频幅值分别降低了10.9%、13.3%、42.9%、20.6%、36.2%。2#点～5#点存在0.5Hz低频脉动压力，低频脉动压力幅值与上游水位相关性较弱。

（4）脉动压力主频幅值与闸下开度正相关，开度由0cm增大到5.0cm，1#～5#点脉动压力主频幅值分别增大139.1%、139.8%、20.6%、57.2%、91.8%。跌坎处涡旋导致水流紊动强度增大而产生0.5Hz低频脉动压力，低频脉动压力幅值随开度的增大逐渐减小。

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