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(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司，江蘇南京220019；2.疏浚技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇常州213022；3.水發(fā)規(guī)劃設(shè)計有限公司，山東濟(jì)南250000）

1 引言

在規(guī)模大的河道、湖泊等水利工程的清淤中，無法進(jìn)行干法清淤，常利用水下射流提高水流局部紊動強度，進(jìn)而提高局部水流挾砂能力從而消除泥砂淤積。在疏浚領(lǐng)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(zhì)土和板結(jié)土?xí)r，耙頭高壓沖水的水力破土效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過機(jī)械破土效率[1]。

國內(nèi)外針對射流沖刷進(jìn)行了大量的試驗研究，主要研究了沖坑的發(fā)展過程以及最終平衡狀態(tài)下的沖坑形態(tài)（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(nèi)容主要體現(xiàn)在用單因數(shù)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(tài)沖坑深度和寬度影響的變化規(guī)律以及動態(tài)沖坑的幾何形態(tài)。在耙吸挖泥船清淤施工中，射流沖擊砂床形成動態(tài)沖坑，沖坑中的砂粒隨著泥泵的抽吸而被帶離沖坑，動態(tài)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(jìn)行，便于觀察動態(tài)沖坑的發(fā)展情況。試驗通過變頻器控制循環(huán)水泵產(chǎn)生穩(wěn)定的水流，水流流經(jīng)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(gòu)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(shù)詳見表1。

表1 試驗組次和參數(shù)

3 試驗現(xiàn)象及結(jié)果

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

（1）沖坑迅速發(fā)展階段。試驗剛開始，噴口形成穩(wěn)定的平面射流，射流接觸砂床瞬間流線偏轉(zhuǎn)，使動態(tài)沖坑內(nèi)產(chǎn)生漩渦，使動態(tài)沖坑在很短的時間內(nèi)迅速發(fā)展，大量砂粒被帶出砂坑形成兩側(cè)的砂丘。

（2）沖坑緩慢發(fā)展階段。隨著射流流線的偏轉(zhuǎn)，漩渦在砂坑中形成，當(dāng)漩渦擺動至最高點時，部分砂粒被甩出砂坑，動態(tài)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(cè)的砂丘沿豎直和水平方向緩慢發(fā)展。

（3）達(dá)到力學(xué)條件下的動態(tài)平衡階段。隨著時間推移，兩側(cè)砂丘開始向砂坑塌陷，漩渦在砂坑中擺動，在力學(xué)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(huán)運動，因此動態(tài)沖坑的特征尺寸基本穩(wěn)定。

不同砂床條件下達(dá)到動態(tài)穩(wěn)定時的沖坑形態(tài)，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(tài)沖坑的深度和寬度隨之增加，參與運動的砂粒的數(shù)量也隨之增加。

圖3 不同砂床動態(tài)沖坑

4 結(jié)果分析

4.1 動態(tài)沖坑的特征尺寸

本文射流沖刷試驗研究的主要內(nèi)容為初期迅速發(fā)展階段不同砂床及射流速度對動態(tài)沖坑的影響，并結(jié)合射流清淤施工的一些特點，對于沖坑的特征形態(tài)更多地關(guān)注前期短時間內(nèi)的發(fā)展。本文選取沖坑發(fā)展10 s時刻為關(guān)注點，來研究不同砂床條件射流動態(tài)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(jié)合形成了動態(tài)沖坑的形態(tài)，主要通過沖坑的深度和寬度來體現(xiàn)，如圖1所示。沖擊能力因素主要體現(xiàn)在射流的速度和靶距等方面，砂床抗沖擊能力主要體現(xiàn)在砂床砂質(zhì)的粒徑和孔隙度上。依據(jù)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(tài)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(tài)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(tài)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(fā)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(tài)沖坑幾何相似性

為了研究沖坑的幾何相似性，本文對動態(tài)沖坑剖面的坐標(biāo)進(jìn)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(shù)[4]。同一砂床條件下不同射流速度進(jìn)行的試驗經(jīng)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(tài)沖坑具有幾何相似性。不同粒徑砂床條件下的動態(tài)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(tài)沖坑（無量綱）

圖7 中砂條件下不同射流速度動態(tài)沖坑（無量綱）

圖8 2種砂床條件下不同射流速度動態(tài)沖坑（無量綱）

通過對中砂砂床和粗砂砂床的比較可以發(fā)現(xiàn)，在中砂砂床下動態(tài)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(jié)論

（1）隨著射流速度的增加，沖坑的特征尺寸基本呈線性發(fā)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(tài)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(tài)沖坑幾何相似性曲線可以發(fā)現(xiàn)，在中砂砂床下動態(tài)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。