驻波对堰闸大门的压力(论文翻译)

1、驻波对堰闸大门的压力M.E. Ptakida  UDC 627.845:532.593来自编辑处。作者研究了在对结构采用平面方法分析的情况下，有规则的波形对闸门产生的影响等一系列问题（二维问题）。Yu. I. Braslavskii 和 A. N. Militeev对此提出了新方法，将不规律风载对闸门所受荷载的决定性作用考虑在内。题为“随机载荷对大跨度的闸门的影响”，发表在国家计划的进程中，该项目正在调查研究中，收集在23,1972.在采用平面分析方法的情况下，堰闸门所受的水库风浪的负荷可达到静水压力的50 %，必须考虑在设计大门中。实际上，对闸门施加的一部分持续浪载和周期

2、性发生的并伴有不同比率的流动变载的现象已经在闸门水域前观察到。可以用一个图形表示，图1显示了，显示石蜡和沥青球中得u型球的三面运动，水流中波浪水槽表面特定的重力在该栅极模型上等于水的比重，两个指示（轨迹I和II）在驻波节点的左边和另一个指示（轨迹III）在节点和闸门模型之间。前两个指示的轨迹在有一部分驻波的情况下显示出水粒子特性；在本区的驻波中流动的影响几乎是察觉不到的。第三指示显示一个回路复杂的运动轨迹，显示在水下部分有驻波和变流的情况下固有粒子的运动。经检查，这种现象受指定参数的限制，我们利用驻波理论和实验系数对波浪水槽进行了实验。闸门平面与堰的上游面极为类似或可移向下游水域，形成一个细长

3、的水床或水域。闸门顶的海拔超过地平线或正常池水的高度，被称为“干涸的边缘，”通常都是微不足道的（平均0.5米），因此，在这样的条件下闸门顶波浪流动是不可避免的。闸门模型和实验设备。实验在水道,宽23米长,0.5米,水深为0.903米中进行。该模型(图2)由较低的固定部分和可以旋转到形成一个水床的可动部分组成。下方的块面板表面上附加三到四个压力传感器。模型上部由划时代的刚性金属框架、面板附加三个压力传感器和一个测波仪器组成。用于水流过面板时，接收水的水箱也内置金属框架结构。波动模型的水位在墙上(上半部分)被一个电容记录电波表类型和水波压力线应变仪(固有频率140赫兹)。测量量化记录在两个或三个系

4、列12至15波在每个相纸的示波器。大规模的模型和波的物理环境决定模型规模的选择是1:20,基于对门控大坝的维度的分析（分析数据主要来源于 Bukhtarma, Bratsk, Krasnoyarsk, Shashkhorsk, 和Ust'-Ilimsk电车站）。 有关闸门模型附带下列常数参数的调查已进行了实施：闸门顶部的海拔在NPL 2.7cm以上,为给定的海浪的高度h(表1)比率从0.16到0.27而设计的,在闸门前的水深Hi=30cm和在堰前的水深H = 90cm。在试验中，板长l 在0-50cm内各取不同。翻译来自Gidrotekhnicheskoe Stroitel '

5、stvo 35-39页。1973年8月8号。 图1图2.弧形闸门图实验模型。S)压力传感器;W)波计运动学中的水面指针的运动是在水闸模型水槽中测量的，其溢出条件为(根据电影数据每秒24帧的速度秒)。实验条件:波高h = 10 era,波长k = 170 era,水深在水槽H = 90.3 cm (NPL), 闸门的上部模型海拔超过 3.3 cm (NPL)。测量值为1010cm(规模)。因此,所选范围1: 2 0的波浪水槽和生成维度模型所对应以下实验条件: a)条件的波陡度因子h / k = 1/12和1/17范围与陡度相关，通常在设计实践中遇到特值;b)相对深度H / k,等于0.53和0.

6、43,代表堰前水深,这是也在实验设计中的特值;c) 面板上的水的波高深度比率H / h等于3.0和1.8，所覆盖的深度范围从深水到临界深度。水位的波动。在水溢出顶部闸门模型的条件下，较小的波峰仍然高于前面被记录的水位,该计算根据驻波理论1,2,3。表2给出了上面的水位上升到静水平面的重要指标。证实了水床大小的改变从0到25厘米(k / 8的规则)对波峰的测量比率没有实质性影响，该计算由纯驻波理论而得(见表2)。然而,当水床的尺寸是50cm(或按k / 4的规则)时，其变化效果是相当大的(见表3)。比率k1=zm/zt,水位从高于静水位上升到最大水位的测量系数(zm)的计算是根据驻波理论计算的。

7、反射系数kref函数，该函数的相对海拔仍然高于静水位，(NPL)a0 =a/ h,波陡度/(见表3),减少a0，即水流过闸门顶部时增加4和同时减少障碍反射能力,表现为kref的减少。由于这个反射波的高度降低,从而导致波循环能力下降,因此波峰上升的高度减小(见表3)。我们可以从波与对应的反射系数的比较中(表3)可得,轻微倾斜的kref波大于陡波,在显示的陡峭范围内完全与波的性质符合5。因此我们可以得到水流过闸门溢出的波峰上升的最大值等式:z = k1zt其中zt是波峰附近上升的纯驻波的阶段,相位达到/2,或90。; 比例系数k1取决于使用的数据表3(插值最大值可以被视为等于0.8)。获得的数值的

8、平均值是最大值的1/3，最大值通常被称为最重要的数值。波的状态参数波参数hHH高度h,cm长度,cm时间,sec1101701.061/170.533.02172101.201/12.30.431.8表2 在水波作用下水流过闸门顶部时水位上升的重要标准 (获得每个实验最大水位上升测量平均值的1/3 )实验编号水槽长度l,cm水波高度h,cm水位上升高度zmztzm-acmzm-ahzmh反射系数理论值z测量值zm水波状态编号1101011.88.80.746.10.610.880.85201011.89.90.847.20.720.990.90301011.88.40.715.70.570.8

9、40.834251013.110.70.828.00.801.070.865501013.17.50.574.80.480.750.72 水波状态编号2601721.312.60.599.90.580.740.54701721.314.80.7012.10.710.870.588251723.015.30.6712.60.740.900.569501723.010.00.447.30.430.590.44注意：zt和zm，根据文本取值。表3 在水流上升时总结波峰数据特征h,cma0=ahhk1=zmztzmhkrefHth闸门的水波压力。图3展示了水波压力规律的一种调查结果(见表1 No. 1

10、)。在图3中的图表曲线的实线表示闸门前的水位的变化z 和无水槽闸门上的水波压力p0 (l = 0)，可得无量纲函数-= t/,此结论根据驻波理论（H = 90.3cm没有溢出条件下）获得;实验数据是在同一个H的设计值条件下绘制的，圈代表无门槽(l = 0)和跨越式门槽(l = 50cm) 。我们从图3 b看到,波的理论应用和在无门槽(l = 0)闸门和静水面( 海拔90.3cm)条件下水波压力p0的设计值下降;在深处1.5 h和3 h(海拔75.5 cm和61.5cm) 情况下，实验压力点在理论曲线上。在门槽存在(l = 50厘米)的条件下，静水面（海拔75.5cm）水压力与无门槽闸门水压相比

11、有所降低。这解释为门槽本身附加的波能消耗引起的。第二条驻波理论(理论曲线为表2 No. 2)为闸门上水波压力的定性特征，类似于第一条驻波理论。在压力图的基础上我们可以得出结论, 门槽上长度 l /4和深度H1(超过平均临界深度Hcr= 1.5h)对门槽上压力的影响是无关紧要的。我们注意到马鞍形坡口的存在形式的压力图,反映出压力在整个平面上驻波的通用属性特性。实验记录闸门上驻波的压力减少，解释为实际上当水流过闸门顶部时，波的一部分能量释放, 部分驻波出现,垂直墙面的驻波永远小于纯驻波。在水压停留在静水位水压的条件下，水位需要经历相当大的变化，水压才能突破零点以下。根据实验数据,对压力相位等于/2

12、,或90。时，波峰上升到最大值的情况下,静水平面垂直分界线上的最大压力 pmax0 可以由公式计算: pmax=kzp0t图3表示当条件为 H = 90.3 cm, H1=30 cm, a =3.3 cm, h=10 cm, X=170 cm, = 1.06sec, X/h =17,和H1/h=3,闸门水位的变化z的图表(a)和闸门上水波压力p的在三个层次变化(b)，实线是根据驻波理论在没有门槽(即l = 0)条件和没有溢出的条件下绘制的。实验图上的点是在有门槽和在闸门顶部有水流的条件下绘制的。O)表示无门槽 (l =0)； x） 表示有门槽(l = 50 cm)。纯驻波下静水平面上的水压p0

13、t 是在相位等于/2,或90。的时间段内计算的;k2是一个实验系数。比较表4给出的测量值T(p0m)和在静水位下的计算压力(p0t)以及比值k2。根据实验数据,可以使用系数k2的值为0.8。(2)从水深度H 1.5 H开始和低于任何静水水压,墙上的水波压力与此前的驻波二阶近似理论2，3保持一致。水位和水深度H = 1.5 H之间变化的水波压力由荷兰国际集团线性法确定。 下面我们将计算决定整个水闸的水波压力。据驻波第二近似理论,一般情况下的墙板上的最大垂直水波压力与最大上升的水位阶段不一致。墙板上的水波压力最大值发生在上升阶段的最大值之前。这种现象在1,3被详细探讨,在恰当的公式中确定水波压力和

14、对应的相位。在给定的情况下是不可能直接使用驻波理论和直接找到闸门水波压力的最大值,因为已知的公式推导是有条件的，比如垂直墙从底部开始到高于静水平面可能受到水流大阻碍。图4显示了理论No. 1的相变(a)和水闸上合成水波压力R(b)，并计算闸门水波压力图 (c),通过运用理论我们可以计算压力水波的合成R .门板上有无溢出的影响在实验图形4 a和b被追踪记录。从闸门水波压力R图的分析结果中可得一个非常重要的结论,在后一种情况下R的最大值出现在无量纲时间段0.10到0.15的之间。我们应该注意到,在初始阶段,靠近= 0.10,门槽上的R值所受影响很小,只有在后续阶段大大增加。图4 图形变化的水位z(

15、a)和波的合成R(b)和一个水闸水波压力模型的压力计算图(c)与图3相同的条件下。1)无溢出条件(理论曲线);2和3)溢出的条件下,各自l = 0,l= 50cm时(实验曲线)。最大的合成水波压力应该通过图形确定, 上述范围3到4点之间的阶段是运用驻波理论计算的。因为闸门前水深总是大于H >/ 2,为了减少计算我们可以运用以下方程的驻波理论欧拉(变量)来确定:a)相位的最大值和垂直墙面的合成水波压力 sint= h(8H-3) （3）b) 高于静水面水位的垂直墙的水位上升高度 zb=-h sint-kh2 sin2t （4）c)任一点处水波压力(静压) zp =(he-kzsint -

16、kh22e-2kz cost + kh22 cos2t ) （5） K=2/, =2/，t是时间。下面是一个示例的计算，使用方程式确定一个水闸最大水压的量级。(3)-(5)以下给定参数: h=3 m, =30 m, H = 15 m, H1 = 6 m, a = 0.5 m, and l = 0 m。墙面计算水位的变化结果是,闸门水压及整个墙板的水波压力的合成结果作为无因次时间-=t的一个函数，图5中p0、p'、p''是在深度分别为3和6m静水压力下的水压和图6显示了图上的计算压力p在四个阶段的不同值1903，450，700,和900。图5为在闸门图形上的计算水位z的变

17、化,在静水压力水平闸门水压(p0)和深度的3 m时的水压(p')和深度为6米时的水压(p'')和整个墙板的合成压力R。图6为水压在四种情况下的计算简图：1903，450，700,和900.1) t = 1903 (-=0.054); 2) 450 (-=0.125)； 3) 700 (-=0.194) ; 4) 900(-=0.250).整个无界墙板的最大水波压力图与t = 1903相对应阶段是用实线1表示。从这个图得出的计算合成压力是14.2 tom/linear m。虚线4表示相对应/ 2 =900压力图，在墙面处于zmax下水位的上升值达到波峰(3.94米), 这

18、个图中合成压力计算值是6.5 tom/linear m,我们可以在这个图中看到有一个相当大的负压力（图的下面）。在图6中我们也可以查到在相变范围从1903到900之间时垂直压力的强度是如何变化的。静水压力的强度从0.88tons/linear m增加到2.07 tons/linear m和水平面上从0.96 tons/linear m降低到0.96tons/linear m(图6中的阴影区域表示区域闸门最大水压区)。这些图没有给出闸门上合成水压的最大值。这些图是从相变为1903到900之间的中间段中截取的。为了解决这个问题我们必须计算纵坐标的压力,分别标记几个阶段的值(在实践中使用三个或四个值就足够了)表示。在给定的示例中,我们只计算四个阶段的上升高度和静水压力以及深度为3m和6m时的静水压力。然后我们绘制图形的变化