垂直淹沒射流對黏性底床沖刷挖掘體積的試驗研究*

董傳明，張民曦，喻國良

(上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

垂直淹沒射流對非黏性泥沙的沖刷已得到廣泛關(guān)注。Westrich等[10]研究發(fā)現(xiàn)最大沖刷深度和沖刷寬度隨沖刷時間的對數(shù)線性增加。Aderibigbe等[11]研究了非黏性泥沙的沖刷坑發(fā)展過程，發(fā)現(xiàn)了平衡態(tài)下沖刷坑的特征長度主要受射流參數(shù)(包括射流流速、靶距、坑徑等)和泥沙參數(shù)(泥沙粒徑和密度等)的影響。張浩等[12]研究發(fā)現(xiàn)非黏性泥沙的沖刷坑深度和寬度隨射流流速呈現(xiàn)線性增加。顧磊等[13]通過改變射流速度、噴射靶距、泥沙粒徑，開展了平面射流沖刷沙床的試驗，發(fā)現(xiàn)射流沖刷坑尺寸變化是一個不斷發(fā)展的過程，可將其分為快速增長期、緩慢發(fā)展期和動態(tài)穩(wěn)定期。相比非黏性泥沙，垂直淹沒射流對黏性泥沙的沖刷特征研究相對較少。Mazurek等[14]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)沖刷平衡狀態(tài)下的黏性底床沖刷坑尺寸是射流動量通量、射流靶距、水流的黏度和密度以及土壤的臨界剪切應(yīng)力的函數(shù)，并得出射流最大沖刷挖掘力。Dong等[15]研究發(fā)現(xiàn)垂直射流對泥床的沖刷挖掘尺寸與底床含水率、射流流速以及射流靶距和射流口徑等參數(shù)有關(guān)，并給出了估算床面臨界切應(yīng)力τc的方法?？傊怪鄙淞鲗︷ば缘状矝_刷已有一些代表性的研究成果，但對沖刷挖掘體積的研究仍較少。

本文采用注漿成型法制備底床沖刷挖掘坑的胚體，并通過3D掃描技術(shù)獲取射流挖掘體積以及沖刷坑深度和寬度等尺寸參數(shù)。通過改變射流流速、黏性底床的含水率、射流沖刷靶距等參數(shù)，研究垂直淹沒射流對黏性底床沖刷挖掘體積的影響，從而探究垂直淹沒射流對黏性底床的沖刷挖掘規(guī)律。

1 試驗及測量

1.1 試驗裝置

射流沖刷挖掘試驗的裝置見圖1，沖刷試驗的泥樣放置在直徑20 cm、高度20 cm的塑料圓桶中，并將泥樣桶放入一個直徑為66 cm、高度為75 cm的圓柱形水槽中。在距離圓桶底部64.5 cm處的桶壁開有一直徑為2 cm的溢流口，其為試驗提供了一個固定高度的淹沒射流環(huán)境，在試驗過程中水位始終保持在固定高度上，多余的水會從出口流出，以便提供一個穩(wěn)定的淹沒環(huán)境。水槽上方安置有射流裝置，射流管通過水管和水泵相連，水泵為功率370 W的變頻自吸泵，通過變頻和控制閥一起調(diào)節(jié)水流流速，其中利用電磁流量計測量射流管中的流速。射流管可以通過一個電壓為220 V、功率為250 W的交流變頻電機轉(zhuǎn)動使安裝在導軌上的射流管上下移動，進而調(diào)整試驗過程中噴嘴與泥樣表面的距離(簡稱射流靶距H)。試驗中，采用淹沒射流對泥樣進行沖刷，射流口位于泥樣的正上方，且始終位于液面以下，桶內(nèi)水位始終保持在64.5 cm。

圖1 試驗裝置

試驗采用的泥樣取自陽澄湖湖底和黃浦江河道的重塑軟黏土，其粒徑級級配曲線見圖2。陽澄湖湖底泥樣(YCL泥沙)和黃浦江河道泥樣(MHR泥沙)具體參數(shù)見表1。射流噴嘴的口徑d為0.5 cm，射流的流速8.5～13.0 m/s。射流噴嘴始終淹沒在水面以下10 cm以上，射流靶距H在4～10 cm，H/d范圍為8～20。

圖2 泥樣粒徑級配曲線

表1 黏性泥沙的基本參數(shù)

1.2 試驗步驟

1)底床的制備。試驗開始前，先將試驗泥樣放入恒溫105 ℃干燥箱中干燥12 h，將烘干后的泥樣取出并用孔徑為1.0 mm的網(wǎng)篩篩分去除其中的雜草、礫石、貝殼等雜質(zhì)，然后加入適量的水，重塑為不同含水率的泥樣。在底床的制備過程中需要充分壓實，使泥樣填滿容器，并保證泥樣表面保持水平。在試驗前需將配制好的泥樣用保鮮膜包裹，再靜置24 h。泥樣制備過程中，每次同時制備8～20桶相同含水率的泥樣樣品以供進行沖刷試驗。

2)泥樣放置水槽。將準備好的泥樣去除保鮮膜后放置在水槽的中心，根據(jù)試驗條件，開啟電機使射流管在導軌上上下移動，并調(diào)整好射流噴嘴到泥面的距離；然后往水槽內(nèi)緩慢注水，直到水槽內(nèi)水位達到溢出口為止。

3)泥樣臨界切應(yīng)力估計。打開水泵，將流量控制閥調(diào)節(jié)至適當位置，然后使用步進電機逐步降低射流噴口到水槽正下方泥樣的垂直距離，同時觀察水槽底部泥樣床面的變化，當泥沙開始被沖刷時，關(guān)閉步進電機，并記錄此時射流口到泥面的垂直距離，即為臨界射流靶距值Hc。根據(jù)臨界射流靶距和射流流速估算黏性底床的臨界切應(yīng)力。

4)黏性底床沖刷挖掘試驗。根據(jù)每次試驗的沖刷時間、射流靶距和射流流速，打開水泵開關(guān)和閥門，調(diào)整好射流靶距，并進行泥樣的沖刷試驗。射流沖擊到泥面上會對泥樣產(chǎn)生沖蝕并形成沖刷坑，見圖3a)。到設(shè)定沖刷時間后關(guān)閉射流，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

(2) 微網(wǎng)儲能及能量管理技術(shù) 目前電池類、超級電容器和光伏電池等元件儲能是微網(wǎng)儲能技術(shù)的研究重點,儲能往往伴隨著微電網(wǎng)的能量管理。微網(wǎng)能量管理發(fā)展到現(xiàn)在,已實現(xiàn)了分布式能源的即插即用。未來儲能技術(shù)將向多種儲能元件協(xié)調(diào)配合使用方向發(fā)展,混合儲能系統(tǒng)的優(yōu)化將成為未來微網(wǎng)能量管理的一個研究趨勢。

5)灌漿法測沖刷體積。沖刷結(jié)束后，將水槽中水緩慢排出，取出沖刷后的泥樣。利用注漿成型法制備沖刷坑輪廓胚體，待胚體凝固后取出利用3D掃描儀獲取其體積。當沖刷完成后，將泥樣從水槽中取出，將配制好的灌漿液注入沖刷坑中，使灌漿液略高于沖刷坑表面，靜止一段時間，待灌漿液凝固成型后，將成型后的胚體取出，見圖3b)。然后利用EinSan-SE三維掃描儀，將成型的胚體進行掃描建模，進而可以得到?jīng)_刷坑的外部輪廓，見圖3c)，并計算出射流挖掘體積。試驗中的灌漿液為水和超細硅酸鹽水泥按照1:0.6比例混合而成。

圖3 沖刷坑形狀

6)重復以上操作，直至試驗完成，最后整理數(shù)據(jù)和試驗設(shè)備。

2 試驗結(jié)果與分析

在實驗室共開展了54組射流沖刷試驗，其中1～43組為YCL泥樣的底床、44～54組為MHR泥樣的底床，具體試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 射流挖掘體積試驗結(jié)果

2.1 射流挖掘時間對挖掘體積的影響

如圖4所示，隨著沖刷時間的增加，射流對YCL底床沖刷挖掘體積不斷增加。根據(jù)沖刷挖掘體積隨時間的變化趨勢，可以將其分為3個階段，即急劇增加階段、緩慢增加階段、趨于平衡狀態(tài)。1)急劇增加階段。當射流剛接觸床面時，依靠其水射流切應(yīng)力，很快會將泥面從床面剝離，其射流挖掘體積變化較大且沖刷坑形狀變化較為不規(guī)則。2)緩慢增加階段。隨著沖刷的持續(xù)，沖刷挖掘體積持續(xù)增加，但隨著深度的增加以及射流在沖刷坑中能量的消耗，射流對底床沖刷效率會明顯減弱，雖然射流挖掘體積仍不斷增加，但其增加速率減緩。3)趨于平衡階段。隨著沖刷的持續(xù)，射流挖掘體積增加到一定程度，水射流很難從沖刷坑掘取泥沙，或?qū)⑵鋷С鰶_刷坑，此時射流挖掘體積基本保持穩(wěn)定，沖刷挖掘體積的增長趨于平緩。此外，隨著射流靶距的增加，射流挖掘體積也會逐漸減小。

圖4 射流挖掘體積隨沖刷時間的變化情況

2.2 射流靶距對沖刷挖掘體積的影響

在保持底床泥樣參數(shù)和射流等其他參數(shù)不變的情況下，研究射流靶距與射流挖掘體積的關(guān)系，其中射流噴距為4～8 cm、射流流速為11 m/s、YCL底床的含水率為42%。如圖5所示，隨著射流靶距的增大，射流挖掘體積呈現(xiàn)出近似線性減小的趨勢。當射流靶距增加時，噴射出的水流從射流口到床面的運動路徑越長，則射流需要克服水體阻力所做的功越大、水射流沖刷挖掘床面時所具有的能量越低，從而床面挖掘體積便相應(yīng)減小。另一方面，沖擊射流在其運動的過程中會卷吸周圍的水，在卷吸水體過程中會減小射流流速，但隨著卷吸水體加入，沖刷射流的流量會相應(yīng)增加，導致較大面積的床面受到?jīng)_刷挖掘，從而形成較淺而寬的坑。因此，在一定靶距范圍內(nèi)，隨著射流靶距的增加形成的沖刷挖掘的體積有減小趨勢，但其減小幅度并非理論分析的那么劇烈。

圖5 射流靶距對沖刷挖掘體積的影響

2.3 射流流速對沖刷挖掘體積的影響

如圖6所示，針對射流靶距為9 cm，以不同的射流速度對含水率為41%、43%和45%的YCL底床進行沖刷試驗。試驗結(jié)果表明，當射流流速增加時射流挖掘體積相應(yīng)增加，床面形成的沖刷坑對射流沖刷挖掘能力存在一定削弱作用。隨著射流沖刷挖掘體積的增加，射流對底床沖刷作用的增加速度也會相應(yīng)減弱，其體積增加相應(yīng)減緩。分析認為，射流流速越大，水從射流口流出后具有的能量越高，其具有的剪切力越大，沖擊到泥樣后形成的射流挖掘體積越大。另一方面，隨著射流對泥樣的持續(xù)沖刷，射流挖掘體積和深度不斷增加，射流掘取更深處或更邊緣處泥樣并將其攜帶出沖刷坑外所需消耗的能量越大，因此其沖刷挖掘體積增加的幅度有所減緩。

圖6 射流流速對射流挖掘體積變化的影響

2.4 底床含水率對沖刷挖掘體積的影響

如圖7所示，針對含水率0.30～0.42的YCL底床，當射流靶距為4 cm、射流流速為8.95 m/s時進行垂直沖刷試驗。試驗結(jié)果表明，隨著泥樣含水率的增加，不同時間段射流形成的射流挖掘體積逐漸增加。分析認為，隨著泥樣含水率的增加，黏性顆粒間的水分填充顆粒間的間隙，底床泥樣含水率增加會削弱顆粒間的黏結(jié)力，黏性底床的抗沖刷能力相應(yīng)減弱，射流對底床的沖刷耗能也逐漸減小，從而底床的沖刷挖掘體積增加。

圖7 底床含水率對沖刷挖掘體積的影響

2.5 射流挖掘體積變化無量綱分析

結(jié)合上述試驗研究和文獻分析，射流挖掘體積為V，可以用以下方程表示：

V=f(t，μ，d，ρ，H，U0，τc，W，WL)

(1)

式中：t為沖刷時間；μ為水的黏度系數(shù)；d為射流口徑；ρ為水的密度；U0為射流流速；τc為泥樣的臨界切應(yīng)力；W為泥樣的含水率；WL為泥樣的液性指數(shù)。

泥樣射流挖掘體積的無量綱函數(shù)可以表示為：

(2)

通過對試驗數(shù)據(jù)(表2)進行擬合分析，最終得到射流挖掘體積變化的無量綱公式為：

(3)

其中，R2為95.5%。

利用公式(3)對試驗的所有工況進行計算分析，將射流挖掘體積無量綱化后的試驗值和計算值在圖8中進行比較，可以看出計算值與試驗值吻合度較高，93.6%的數(shù)據(jù)都在誤差線±25%以內(nèi)。

圖8 射流挖掘體積的試驗值與計算值的比較

3 結(jié)論

1)射流挖掘體積與射流參數(shù)有關(guān)。射流挖掘體積隨著射流速度增加而射流挖掘體積顯著增加；射流挖掘體積隨著射流靶距的增加而顯著減小。

2)沖刷坑的沖刷體積與黏性底床的性質(zhì)有關(guān)。隨著含水率的增加，黏性泥沙顆粒間的黏結(jié)強度降低，更容易被沖刷，因而射流挖掘體積會顯著增加。

3)通過綜合射流參數(shù)與黏性參數(shù)對黏性泥沙沖刷的影響，最終得出了射流挖掘體積的表征公式，該公式為無量綱化，可以為水下射流挖溝、射流疏浚以及射流沉樁等工程應(yīng)用提供一定理論參考價值。