硬質(zhì)黏土淹沒射流沖刷試驗研究

潘振東 趙滎 王仲梅 張文皎 張世寶

關(guān)鍵詞：水庫清淤工程；硬質(zhì)黏土；射流沖刷；出口流速；噴嘴尺寸；射流靶距

0引言

近年來，自吸式管道排沙系統(tǒng)以其適用性強、經(jīng)濟性好和排沙效率高等優(yōu)勢，成為最常見的水庫庫容恢復(fù)技術(shù)之一。自吸式管道排沙系統(tǒng)的工作原理是通過一種特殊的水下吸泥頭，利用水庫自然水頭將庫區(qū)淤積泥沙吸排出庫外。該系統(tǒng)由吸泥頭、水面控制船、排沙管道、過壩隧洞、出口閘門等組成，如圖1所示。黃河水利科學(xué)研究院自2007年開始，在小浪底庫區(qū)對該系統(tǒng)進行了大量研究，提出了多種運用和改進方案，并提出自吸式管道排沙系統(tǒng)成功高效作業(yè)的關(guān)鍵是保證吸泥頭附近的水體濃度，以供系統(tǒng)吸排。采用自吸式管道排沙系統(tǒng)進行清淤作業(yè)的過程中，受庫區(qū)水深限制，其機械鉸擾的方式起動底泥成本過高。如今越來越多的學(xué)者將目光投向了成本低、對環(huán)境影響小的高壓水射流技術(shù)。對于淤積歷時較長的硬質(zhì)黏土，射流起動的效果與整個系統(tǒng)的清淤作業(yè)效率緊密相關(guān)。

高壓水射流是以水為能量載體，通過高壓生成系統(tǒng)將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)樗膭幽埽偻ㄟ^特定噴嘴形成高速射流。20世紀(jì)60年代，美國學(xué)者D．A．Wilson首次將此項技術(shù)應(yīng)用于水庫（河道）清淤工程，并提出了射流清淤的概念。此后，陸續(xù)有國內(nèi)外學(xué)者對此展開研究，Mazurek等研究了穩(wěn)定淹沒射流對黏性泥沙的沖刷效果，發(fā)現(xiàn)黏性泥沙的抗沖刷性表現(xiàn)為：隨黏粒含量的增大而增大，隨土樣密度的增大而增大，隨泥沙屈服強度的增大而增大。黃佳麗等對垂直淹沒射流沖刷的懸沙情況、高度和寬度等特征進行了觀測，分析了懸沙特性與出口流速、射流靶距和沖刷強度E、的關(guān)系。鄭健等選取一種硬質(zhì)黏土和一種軟黏土進行淹沒射流沖刷試驗，對比了二者在沖刷坑形成機理上的差異，并給出了更適合于硬質(zhì)黏土沖坑頸口直徑的預(yù)測公式。李恬進行了混流噴嘴的數(shù)值模擬計算，結(jié)果表明最大沖深、沖坑半徑、沙丘高度、最大懸沙寬度和最大懸沙高度均與初始射流流速正相關(guān)。

以往研究大多針對非黏性泥沙進行射流沖刷，較少開展黏性泥沙射流沖刷試驗，且其中大多服務(wù)于海底開溝作業(yè)．主要以沖坑寬深尺寸和發(fā)育過程為研究重點，而對不同水動力條件下沖坑尺寸和黏性泥沙起動量的研究較少。本文基于模型試驗結(jié)果，首先探究硬質(zhì)黏土受射流沖刷的破壞機制，然后選取不同射流出口速度、噴嘴直徑和射流靶距對比試驗結(jié)果，分析這些水動力條件對最大沖深、最大直徑、收口直徑和泥沙起動量等沖刷坑重要組成要素的影響，以期為包括自吸式管道排沙系統(tǒng)在內(nèi)的、依靠高壓水射流技術(shù)完成泥沙起動和輸移的清淤方案制定提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1試驗說明

1.1試驗裝置

射流裝置如圖2所示，噴射裝置安裝在一個門架上，可實現(xiàn)水平方向移動和垂向靶距調(diào)節(jié)。噴射裝置上的噴嘴可以自由更換，本次試驗使用2種噴嘴直徑d，分別為5mm和7mm，試驗出口流速范圍為7.5～12.5m/s，沖刷時間范圍為10～180s，具體沖刷時間視試樣沖刷情況而定。所用二維取土射流槽長20cm、寬4.5cm、高25cm，由透明有機玻璃制成，側(cè)壁刻有方格（尺寸1cmx1cm）以便觀測沖坑界面尺寸。試樣上表面至槽頂為預(yù)留淹沒水深區(qū)，最上方設(shè)有20cm長、5cm高的擋水板，防止溢流水影響觀測效果。

1.2土樣制備

試驗所用黏性泥沙取自黃河下游花園口附近河段灘地，泥沙的顆粒級配曲線及粒度組成見圖3和表1。泥沙樣品經(jīng)烘干篩分后，調(diào)配成飽和黏性泥漿，之后采用抽負(fù)壓法快速固結(jié)制備成硬質(zhì)黏土樣。固結(jié)裝置見圖4，該裝置由三部分連接而成，分別為負(fù)壓固結(jié)桶、水氣轉(zhuǎn)換桶和真空泵。其中固結(jié)桶為雙桶結(jié)構(gòu)，內(nèi)桶壁及底板均勻布置1cm直徑的排水孔，外桶壁與真空泵相連，工作時可在內(nèi)外桶間的空腔內(nèi)形成穩(wěn)定的真空壓力。制備中使用-80kPa壓力進行真空固結(jié)，48h后測得的土樣力學(xué)參數(shù)見表2。

1.3射流沖刷試驗方案

具體射流沖刷試驗方案如下：

1）土樣取用。將二維取土射流槽垂直壓載進固結(jié)土樣內(nèi)，各射流槽均緊貼固結(jié)桶內(nèi)壁圓形陣列排布，用刮刀刮除粘連土體后，垂直取出各二維取土射流槽。

2）射流出口流速率定。根據(jù)電磁流量計數(shù)據(jù)顯示，調(diào)節(jié)閥門開度直至射流出口流速滿足試驗要求，同時排凈射流管道內(nèi)空氣，保證正式試驗時水流穩(wěn)定。

3）射流準(zhǔn)備。將取出的射流槽放置在沖刷射流架上，調(diào)整射流噴嘴的位置和靶距，保證噴嘴緊貼射流槽前壁，沿射流槽側(cè)壁緩緩加入淹沒水，淹沒水深按15cm控制。

4）開始射流。打開水泵開始進行射流沖刷試驗并計時，到達沖刷時間后關(guān)閉水泵，待水體靜置后進行沖刷坑測量。

5）試驗數(shù)據(jù)采集與處理。在射流試驗過程中，通過架設(shè)的高清攝像機記錄完整的沖坑發(fā)展過程，并借助計算機程序，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)參考網(wǎng)格的大小提取照片上呈現(xiàn)的各個時間點的沖坑截面形態(tài)和尺寸。

2試驗結(jié)果分析

2.1硬質(zhì)黏土射流沖刷特性研究

以7mm直徑射流噴嘴、10m/s出口流速、3cm靶距工況為例（不同時刻沖坑形態(tài)見圖5，其中z為以土樣表面為坐標(biāo)0點的垂向起點距，x為以噴嘴中心為坐標(biāo)0點的水平向起點距），探討硬質(zhì)黏土沖坑發(fā)育的機理和特點。沖坑整體發(fā)展過程大致分為3個階段。

第一階段為發(fā)育前階段。此階段較為短暫，通常發(fā)生在射流裝置啟動后的較短時間內(nèi)[見圖5（a）]。射流裝置一經(jīng)啟動，高速水體快速抵達土樣表面，表層土體短暫抵抗后被壓碎，土體內(nèi)部出現(xiàn)微小剪切裂隙，裂隙在射流沖擊的作用下不斷擴大，至0.6s．一個小土塊被整體沖起，形成最初的淺坑，標(biāo)志著此階段的結(jié)束。此階段的土體破壞形式主要為表面侵蝕和壓碎破壞正面土體，水流大多沿土體上表面橫向流動。

第二階段為快速下切階段。隨著最初的淺坑形成，射流楔人土中一定深度，同時水柱周圍土體出現(xiàn)剪切破壞，并最終導(dǎo)致周圍土體以較大的土塊形態(tài)脫離，破壞面類似于地基破壞時出現(xiàn)的剪切滑移面[見圖5（b）]。實際上通過不同工況的觀察，在這個階段，土體通常不是一次就被沖走，往往是以更小土塊的形式逐漸脫離，但不管形式如何，最終都會形成這樣一個剖面。射流繼續(xù)下切，更多土體以塊狀形態(tài)被沖起，沖坑深不斷變大的同時，沖坑表面寬度也在沿徑向擴大，沖坑剖面逐漸向上寬下窄的楔形發(fā)展[見圖5（c）]，至5.5s時在壓力和反流作用下，沖坑縱截面繼續(xù)沿徑向擴大，不斷有碎屑被剝離，沖坑形態(tài)近似于倒三角。此時的形態(tài)與其他研究者所開展的黏性土數(shù)值模擬結(jié)果有所不同，反而與無黏性土的坑形更為接近。5.5～8.5s內(nèi)，沖坑上表面寬度基本發(fā)育完全，為本次試驗的沖坑最大寬度，沖坑在深度上未發(fā)生明顯變化，沖坑底部沿橫向輕微發(fā)育[見圖5（e）]，10s時隨著一較大土塊的啟動，沖坑深度在短時間內(nèi)快速變大[見圖5（f）]，基本達到本次試驗的最大沖坑深。該階段為沖坑深度的主要發(fā)育階段，沖坑發(fā)育趨勢大體以縱向為主，在此過程中，沖坑上表面寬度也會較快發(fā)育完全，土體破壞形式主要表現(xiàn)為大塊土體的間歇性移動，稱為“大規(guī)模沖刷”。水流主要沿沖坑兩側(cè)邊壁回流。

第三階段為橫向發(fā)育階段。沖坑發(fā)育速度較之前明顯放緩，且其深度基本不再發(fā)育，但此時尚不能認(rèn)定黏性土沖坑發(fā)育完全，土體破壞形式僅以微弱的沖刷剝蝕為主，底部、側(cè)向仍然發(fā)育[見圖5（g）]。實際試驗過程中可看到，此時水流在沖坑內(nèi)，沿射流軸線和沖坑底部曲線快速旋轉(zhuǎn)流動，不斷沖刷沖坑側(cè)壁，使側(cè)壁出現(xiàn)細(xì)小裂縫（見圖6），此后土體沿裂縫方向逐塊被水流帶走。至50s以后沖坑發(fā)育極為緩慢甚至部分不發(fā)育，除69s時左下方有一較大土塊被整體沖起外未再發(fā)育，最終形成上下寬、中間窄的沖刷坑[見圖5（h）]。

經(jīng)過多次試驗發(fā)現(xiàn)，第一階段的時間長短受土樣強度和射流強度兩方面影響，土樣強度越高、射流強度越低此階段時間越久，并且以首個黏性土塊的起動為結(jié)束標(biāo)志。而黏性土“整塊起動”的特性，導(dǎo)致第二階段與第三階段通常沒有確切分界點。

沖坑破壞機制為：射流裝置啟動初期，破土形式以表面侵蝕為主，表面土體短暫抵抗射流壓力后被壓碎：在第二階段早期，水流沿入射方向擊碎正面土體并將其帶走，沖坑呈倒三角形狀；隨著射流繼續(xù)進行，至第二階段中后期及第三階段，可以明顯觀測到水流沿入射方向抵達沖坑底部，再沿沖坑底部和兩側(cè)邊壁快速旋滾流動，在水流的沖擊下，坑底兩側(cè)轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)剪裂隙，水流楔人并擴張裂縫，裂隙向下方發(fā)展貫通，坑底土塊被壓碎并被水流帶走，直至坑深停止發(fā)展：第三階段中期以后，沖坑底部邊壁在沖刷作用下出現(xiàn)沿水流方向的細(xì)微裂縫，裂縫不斷擴張最終導(dǎo)致土體沿裂縫被揭起或整塊被沖起，實現(xiàn)擴底。

通過對不同時刻排泥量和沖坑尺寸進行分析可知，在整個射流沖刷過程中，泥沙起動量隨時間遞增，且在前10s內(nèi)泥沙啟動量增速最快，最終泥沙總起動量為207.6cm3，前10s泥沙起動量占總起動量的75.87%：泥沙起動速率整體呈先增大后減小的趨勢（見圖7），最大起動速率于10s左右達到，約為33.5cm/S。

關(guān)于鄭健等試驗中出現(xiàn)的“收口”現(xiàn)象在本次試驗中也觀測到了，收口在距泥樣上表面約2cm深度處，收口與沖坑最大寬度和深度都在射流前10s內(nèi)快速發(fā)育，并且很快發(fā)展完畢（見圖8）。經(jīng)過多次不同工況的射流試驗，得出關(guān)于收口的以下結(jié)論：1）除少數(shù)射流工況試驗中出現(xiàn)的淺而寬的沖坑外，收口現(xiàn)象普遍存在于硬質(zhì)黏土射流試驗過程中：2）收口的深度和直徑受射流出口速度、射流靶距、土樣強度和噴嘴尺寸等因素影響；3）收口總是處于沖坑的上部接近土體表面的位置；4）收口直徑一般為沖坑的最小直徑。綜上所述，收口直徑小且接近土體上表面的特性，成為影響射流清淤效果的重要因素之一。

2.2硬質(zhì)黏土射流沖刷效率研究

2.2.1出口流速的影響

出口流速是決定射流能量的關(guān)鍵因素，直接關(guān)乎射流的破土效果。本次試驗選取出口流速u分別為7.5、10.0、12.5m/s，對應(yīng)沖坑形態(tài)如圖9所示（其中L為靶距）。通過對不同出口流速試驗工況沖坑最大寬度、沖坑最大深度及起動泥沙量等數(shù)據(jù)進行分析，可以得到3種流速對應(yīng)沖坑最大深度比值為1：1.70：3.20，沖坑最大寬度比值為1：1.35：1.62，泥沙起動量比值為1：1.98：6.04。不難看出，隨著射流出口流速增大，沖坑最大寬度、最大深度和泥沙起動量均增大，且深度的增幅大于寬度的漲幅?？梢哉J(rèn)為改變射流出口流速是控制射流破土深度的較有效手段。

2.2.2噴嘴尺寸的影響

噴嘴尺寸的改變會影響射流流量、射流沖刷范圍等，因此噴嘴是影響自吸式管道排沙系統(tǒng)清淤工作效率的重要因素之一。根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)經(jīng)驗，本次試驗選取了5mm和7mm直徑的射流噴嘴，2種噴嘴尺寸下的流量比為1：1.96，不同噴嘴尺寸工況沖坑形態(tài)如圖10所示。在出口流速和射流靶距等條件不變的情況下，2種噴嘴尺寸工況沖坑最大深度比值為1：1.40，沖坑最大寬度比值為1：1.15，泥沙起動量比值為1：1.23?？梢钥闯?，噴嘴直徑越大，射流流量越大，則沖坑寬度和深度也越大，同時起動泥沙量也與噴嘴直徑成正比。

2.2.3射流靶距的影響

射流靶距是指射流噴嘴出口至初始土樣表面的垂線距離，靶距的大小直接關(guān)乎射流的發(fā)展以及滯止壓力，是影響射流破土效果的重要參數(shù)。在各射流靶距試驗工況中，0cm靶距工況較為特殊，由于噴嘴緊貼土樣上表面射流，射流壓力直達土體內(nèi)部，因此該工況下土體破壞形式與其他靶距工況存在一定差異。本次試驗在保持出口流速和噴嘴尺寸等其他參數(shù)不變的條件下，進行了0cm靶距射流試驗和3cm靶距射流試驗，不同射流靶距工況沖刷坑形態(tài)如圖11所示。

不同射流靶距工況下，最大沖坑深度比值為1：0.65，最大沖坑寬度比值為1：1.25，泥沙起動量比值為1：0.52?？梢钥闯?，在沖坑尺寸方面，0cm靶距工況較3cm靶距工況沖坑深度更大，且0cm靶距兩側(cè)土體隆起更明顯，但3cm靶距工況沖坑表層寬度更大：在沖坑形態(tài)方面，0cm靶距工況收口所在位置更深，收口直徑略小于3cm靶距工況的：同時，泥沙起動量與射流靶距成反比。

3結(jié)論

以負(fù)壓不排水快速固結(jié)的方式制備了硬質(zhì)黏土試樣，然后進行了硬質(zhì)黏土淹沒直立射流試驗．主要結(jié)論如下。

1）硬質(zhì)黏土受射流破土機制：射流水壓力壓碎并破壞正面土體，同時使土體產(chǎn)生側(cè)向和軸向的裂縫，水體楔入裂縫，向裂縫兩側(cè)土體施加水壓力，最終導(dǎo)致土體沿裂縫方向被撕碎卷起。

2）沖坑尺寸和泥沙起動量受射流出口流速、噴嘴尺寸和射流靶距共同影響，沖坑尺寸和起動泥沙量均與出口流速和噴嘴尺寸成正比，與射流靶距成反比。增大射流出口流速和噴嘴直徑時，沖坑最大深度的增幅大于最大寬度的增幅，但對沖坑收口深度和收口直徑的影響都較小。減小射流靶距，沖坑尺寸明顯增大，同時表層土體隆起程度、收口位置和收口直徑都會明顯發(fā)生變化。