不同砂床條件下垂直射流清淤的試驗探究

張浩，王姍姍，秦振，吳利明，曹志

（1.南水北調東線江蘇水源有限責任公司，江蘇南京220019；2.疏浚技術教育部工程研究中心，江蘇常州213022；3.水發規劃設計有限公司，山東濟南250000）

1 引言

在規模大的河道、湖泊等水利工程的清淤中，無法進行干法清淤，常利用水下射流提高水流局部紊動強度，進而提高局部水流挾砂能力從而消除泥砂淤積。在疏浚領域，高速射流作為一種有效的疏浚手段，在自航式耙吸挖泥船中使用，輔助耙頭挖掘，以降低挖掘阻力、提高挖掘深度，尤其在挖掘硬質土和板結土時，耙頭高壓沖水的水力破土效率遠遠超過機械破土效率[1]。

國內外針對射流沖刷進行了大量的試驗研究，主要研究了沖坑的發展過程以及最終平衡狀態下的沖坑形態（如圖1所示）。試驗條件下，沖坑特征長度主要受到射流要素和砂床要素的影響，即：

圖1 沖坑示意

式中：U0，b，h，ρ，υ為射流要素；gΔρ，D為砂床要素[2]。對于射流沖刷試驗研究的內容主要體現在用單因數法探究不同變量對沖坑的影響[3]。

本文主要研究不同砂床條件下，射流速度增大對初期動態沖坑深度和寬度影響的變化規律以及動態沖坑的幾何形態。在耙吸挖泥船清淤施工中，射流沖擊砂床形成動態沖坑，沖坑中的砂粒隨著泥泵的抽吸而被帶離沖坑，動態沖坑的尺寸大小決定了清淤的效果，通過不同砂床的試驗比較，對比清淤的效果，以供工程施工參考。

2 試驗裝置及方法

本試驗在小型透明水槽中進行，便于觀察動態沖坑的發展情況。試驗通過變頻器控制循環水泵產生穩定的水流，水流流經噴嘴形成二維垂向射流平面，試驗所用噴嘴孔口縫隙為2.5 mm，射流與砂床作用構成二維垂向淹沒射流沖刷，射流速度通過電磁流量計采集。水槽試驗裝置三維模型，如圖2所示。

圖2 水槽試驗裝置三維模型

試驗所用砂床條件如下：分別篩選中值粒徑為0.5、1.80 mm的泥砂顆粒作為試驗用砂，試驗的組次和參數詳見表1。

表1 試驗組次和參數

3 試驗現象及結果

試驗主要觀測了不同砂床條件下，坑深隨時間的發展變化情況。二維垂向淹沒射流動態沖坑的發展過程，可分為3個階段。

（1）沖坑迅速發展階段。試驗剛開始，噴口形成穩定的平面射流，射流接觸砂床瞬間流線偏轉，使動態沖坑內產生漩渦，使動態沖坑在很短的時間內迅速發展，大量砂粒被帶出砂坑形成兩側的砂丘。

（2）沖坑緩慢發展階段。隨著射流流線的偏轉，漩渦在砂坑中形成，當漩渦擺動至最高點時，部分砂粒被甩出砂坑，動態沖坑沿深度方向緩慢增加，在此階段中，被甩出的砂粒落到砂丘上，使兩側的砂丘沿豎直和水平方向緩慢發展。

（3）達到力學條件下的動態平衡階段。隨著時間推移，兩側砂丘開始向砂坑塌陷，漩渦在砂坑中擺動，在力學條件下，砂粒受到的拖曳力大于水下重力和阻力，滿足離開沖坑的條件，但大部分砂粒隨著漩渦在沖坑中循環運動，因此動態沖坑的特征尺寸基本穩定。

不同砂床條件下達到動態穩定時的沖坑形態，如圖3所示。在相同射流要素條件下，隨著試驗砂床從粗砂換成中砂，動態沖坑的深度和寬度隨之增加，參與運動的砂粒的數量也隨之增加。

圖3 不同砂床動態沖坑

4 結果分析

4.1 動態沖坑的特征尺寸

本文射流沖刷試驗研究的主要內容為初期迅速發展階段不同砂床及射流速度對動態沖坑的影響，并結合射流清淤施工的一些特點，對于沖坑的特征形態更多地關注前期短時間內的發展。本文選取沖坑發展10 s時刻為關注點，來研究不同砂床條件射流動態沖坑的特征尺寸及其坑形，從而對比清淤的效果。

射流對砂床的沖刷過程，主要取決于射流要素和砂床要素，2種因素的結合形成了動態沖坑的形態，主要通過沖坑的深度和寬度來體現，如圖1所示。沖擊能力因素主要體現在射流的速度和靶距等方面，砂床抗沖擊能力主要體現在砂床砂質的粒徑和孔隙度上。依據以上的不同因素，采用控制變量的方法研究不同砂床條件下動態沖坑的特征尺寸，相同射流靶距下射流速度變化對2種砂床的影響詳見表2。

表2 不同射流速度下動態沖坑特征尺寸

從表2可以看出，在中砂砂床條件下沖坑的尺寸明顯大于粗砂砂床條件下的尺寸，從單一砂床看，射流速度對沖坑深度的影響程度大于對沖坑寬度的影響。為了更直觀了解射流速度對沖坑的影響，下面通過曲線展示射流對動態沖坑的深度和寬度的影響，隨著射流速度的增加，沖坑的特征尺寸基本呈線性發展趨勢，如圖4—5所示。

圖4 不同射流速度對沖坑深度的影響

圖5 不同射流速度對沖坑寬度的影響

4.2 動態沖坑幾何相似性

為了研究沖坑的幾何相似性，本文對動態沖坑剖面的坐標進行無量綱化處理，以沖坑寬度的1/2和沖坑深度分別作為無量綱參數[4]。同一砂床條件下不同射流速度進行的試驗經無量綱化處理后可以疊加在一起，因此對于同一種砂床而言，相同靶距下不同射流速度時射流沖刷的動態沖坑具有幾何相似性。不同粒徑砂床條件下的動態沖坑幾何相似曲線有所不同，如圖6—8所示。

圖6 粗砂條件下不同射流速度動態沖坑（無量綱）

圖7 中砂條件下不同射流速度動態沖坑（無量綱）

圖8 2種砂床條件下不同射流速度動態沖坑（無量綱）

通過對中砂砂床和粗砂砂床的比較可以發現，在中砂砂床下動態沖坑相似性曲線的寬深比明顯大于粗砂砂床，其沖坑的輪廓線更加圓潤。

5 結論

（1）隨著射流速度的增加，沖坑的特征尺寸基本呈線性發展趨勢。

（2）同一砂床條件下，相同靶距下射流速度為3、4、5、6、7 m/s時動態沖坑具有良好的幾何相似性。

（3）通過對比不同砂床條件下的動態沖坑幾何相似性曲線可以發現，在中砂砂床下動態沖坑的相似性曲線的寬深比明顯大于粗砂砂床，其沖坑的輪廓線更加圓潤，清淤的效果更佳。