垂直淹没射流对黏性底床冲刷挖掘体积的试验研究*

2022-03-07董传明张民曦喻国良

水运工程 2022年2期

董传明，张民曦，喻国良

(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240)

垂直淹没射流对非黏性泥沙的冲刷已得到广泛关注。Westrich等[10]研究发现最大冲刷深度和冲刷宽度随冲刷时间的对数线性增加。Aderibigbe等[11]研究了非黏性泥沙的冲刷坑发展过程，发现了平衡态下冲刷坑的特征长度主要受射流参数(包括射流流速、靶距、坑径等)和泥沙参数(泥沙粒径和密度等)的影响。张浩等[12]研究发现非黏性泥沙的冲刷坑深度和宽度随射流流速呈现线性增加。顾磊等[13]通过改变射流速度、喷射靶距、泥沙粒径，开展了平面射流冲刷沙床的试验，发现射流冲刷坑尺寸变化是一个不断发展的过程，可将其分为快速增长期、缓慢发展期和动态稳定期。相比非黏性泥沙，垂直淹没射流对黏性泥沙的冲刷特征研究相对较少。Mazurek等[14]通过试验研究发现冲刷平衡状态下的黏性底床冲刷坑尺寸是射流动量通量、射流靶距、水流的黏度和密度以及土壤的临界剪切应力的函数，并得出射流最大冲刷挖掘力。Dong等[15]研究发现垂直射流对泥床的冲刷挖掘尺寸与底床含水率、射流流速以及射流靶距和射流口径等参数有关，并给出了估算床面临界切应力τc的方法。总之，垂直射流对黏性底床冲刷已有一些代表性的研究成果，但对冲刷挖掘体积的研究仍较少。

本文采用注浆成型法制备底床冲刷挖掘坑的胚体，并通过3D扫描技术获取射流挖掘体积以及冲刷坑深度和宽度等尺寸参数。通过改变射流流速、黏性底床的含水率、射流冲刷靶距等参数，研究垂直淹没射流对黏性底床冲刷挖掘体积的影响，从而探究垂直淹没射流对黏性底床的冲刷挖掘规律。

1 试验及测量

1.1 试验装置

射流冲刷挖掘试验的装置见图1，冲刷试验的泥样放置在直径20 cm、高度20 cm的塑料圆桶中，并将泥样桶放入一个直径为66 cm、高度为75 cm的圆柱形水槽中。在距离圆桶底部64.5 cm处的桶壁开有一直径为2 cm的溢流口，其为试验提供了一个固定高度的淹没射流环境，在试验过程中水位始终保持在固定高度上，多余的水会从出口流出，以便提供一个稳定的淹没环境。水槽上方安置有射流装置，射流管通过水管和水泵相连，水泵为功率370 W的变频自吸泵，通过变频和控制阀一起调节水流流速，其中利用电磁流量计测量射流管中的流速。射流管可以通过一个电压为220 V、功率为250 W的交流变频电机转动使安装在导轨上的射流管上下移动，进而调整试验过程中喷嘴与泥样表面的距离(简称射流靶距H)。试验中，采用淹没射流对泥样进行冲刷，射流口位于泥样的正上方，且始终位于液面以下，桶内水位始终保持在64.5 cm。

图1 试验装置

试验采用的泥样取自阳澄湖湖底和黄浦江河道的重塑软黏土，其粒径级级配曲线见图2。阳澄湖湖底泥样(YCL泥沙)和黄浦江河道泥样(MHR泥沙)具体参数见表1。射流喷嘴的口径d为0.5 cm，射流的流速8.5～13.0 m/s。射流喷嘴始终淹没在水面以下10 cm以上，射流靶距H在4～10 cm，H/d范围为8～20。

图2 泥样粒径级配曲线

表1 黏性泥沙的基本参数

1.2 试验步骤

1)底床的制备。试验开始前，先将试验泥样放入恒温105 ℃干燥箱中干燥12 h，将烘干后的泥样取出并用孔径为1.0 mm的网筛筛分去除其中的杂草、砾石、贝壳等杂质，然后加入适量的水，重塑为不同含水率的泥样。在底床的制备过程中需要充分压实，使泥样填满容器，并保证泥样表面保持水平。在试验前需将配制好的泥样用保鲜膜包裹，再静置24 h。泥样制备过程中，每次同时制备8～20桶相同含水率的泥样样品以供进行冲刷试验。

2)泥样放置水槽。将准备好的泥样去除保鲜膜后放置在水槽的中心，根据试验条件，开启电机使射流管在导轨上上下移动，并调整好射流喷嘴到泥面的距离；然后往水槽内缓慢注水，直到水槽内水位达到溢出口为止。

3)泥样临界切应力估计。打开水泵，将流量控制阀调节至适当位置，然后使用步进电机逐步降低射流喷口到水槽正下方泥样的垂直距离，同时观察水槽底部泥样床面的变化，当泥沙开始被冲刷时，关闭步进电机，并记录此时射流口到泥面的垂直距离，即为临界射流靶距值Hc。根据临界射流靶距和射流流速估算黏性底床的临界切应力。

4)黏性底床冲刷挖掘试验。根据每次试验的冲刷时间、射流靶距和射流流速，打开水泵开关和阀门，调整好射流靶距，并进行泥样的冲刷试验。射流冲击到泥面上会对泥样产生冲蚀并形成冲刷坑，见图3a)。到设定冲刷时间后关闭射流，并记录相关数据。

(2) 微网储能及能量管理技术目前电池类、超级电容器和光伏电池等元件储能是微网储能技术的研究重点,储能往往伴随着微电网的能量管理。微网能量管理发展到现在,已实现了分布式能源的即插即用。未来储能技术将向多种储能元件协调配合使用方向发展,混合储能系统的优化将成为未来微网能量管理的一个研究趋势。

5)灌浆法测冲刷体积。冲刷结束后，将水槽中水缓慢排出，取出冲刷后的泥样。利用注浆成型法制备冲刷坑轮廓胚体，待胚体凝固后取出利用3D扫描仪获取其体积。当冲刷完成后，将泥样从水槽中取出，将配制好的灌浆液注入冲刷坑中，使灌浆液略高于冲刷坑表面，静止一段时间，待灌浆液凝固成型后，将成型后的胚体取出，见图3b)。然后利用EinSan-SE三维扫描仪，将成型的胚体进行扫描建模，进而可以得到冲刷坑的外部轮廓，见图3c)，并计算出射流挖掘体积。试验中的灌浆液为水和超细硅酸盐水泥按照1:0.6比例混合而成。

图3 冲刷坑形状

6)重复以上操作，直至试验完成，最后整理数据和试验设备。

2 试验结果与分析

在实验室共开展了54组射流冲刷试验，其中1～43组为YCL泥样的底床、44～54组为MHR泥样的底床，具体试验数据见表2。

表2 射流挖掘体积试验结果

2.1 射流挖掘时间对挖掘体积的影响

如图4所示，随着冲刷时间的增加，射流对YCL底床冲刷挖掘体积不断增加。根据冲刷挖掘体积随时间的变化趋势，可以将其分为3个阶段，即急剧增加阶段、缓慢增加阶段、趋于平衡状态。1)急剧增加阶段。当射流刚接触床面时，依靠其水射流切应力，很快会将泥面从床面剥离，其射流挖掘体积变化较大且冲刷坑形状变化较为不规则。2)缓慢增加阶段。随着冲刷的持续，冲刷挖掘体积持续增加，但随着深度的增加以及射流在冲刷坑中能量的消耗，射流对底床冲刷效率会明显减弱，虽然射流挖掘体积仍不断增加，但其增加速率减缓。3)趋于平衡阶段。随着冲刷的持续，射流挖掘体积增加到一定程度，水射流很难从冲刷坑掘取泥沙，或将其带出冲刷坑，此时射流挖掘体积基本保持稳定，冲刷挖掘体积的增长趋于平缓。此外，随着射流靶距的增加，射流挖掘体积也会逐渐减小。

图4 射流挖掘体积随冲刷时间的变化情况

2.2 射流靶距对冲刷挖掘体积的影响

在保持底床泥样参数和射流等其他参数不变的情况下，研究射流靶距与射流挖掘体积的关系，其中射流喷距为4～8 cm、射流流速为11 m/s、YCL底床的含水率为42%。如图5所示，随着射流靶距的增大，射流挖掘体积呈现出近似线性减小的趋势。当射流靶距增加时，喷射出的水流从射流口到床面的运动路径越长，则射流需要克服水体阻力所做的功越大、水射流冲刷挖掘床面时所具有的能量越低，从而床面挖掘体积便相应减小。另一方面，冲击射流在其运动的过程中会卷吸周围的水，在卷吸水体过程中会减小射流流速，但随着卷吸水体加入，冲刷射流的流量会相应增加，导致较大面积的床面受到冲刷挖掘，从而形成较浅而宽的坑。因此，在一定靶距范围内，随着射流靶距的增加形成的冲刷挖掘的体积有减小趋势，但其减小幅度并非理论分析的那么剧烈。

图5 射流靶距对冲刷挖掘体积的影响

2.3 射流流速对冲刷挖掘体积的影响

如图6所示，针对射流靶距为9 cm，以不同的射流速度对含水率为41%、43%和45%的YCL底床进行冲刷试验。试验结果表明，当射流流速增加时射流挖掘体积相应增加，床面形成的冲刷坑对射流冲刷挖掘能力存在一定削弱作用。随着射流冲刷挖掘体积的增加，射流对底床冲刷作用的增加速度也会相应减弱，其体积增加相应减缓。分析认为，射流流速越大，水从射流口流出后具有的能量越高，其具有的剪切力越大，冲击到泥样后形成的射流挖掘体积越大。另一方面，随着射流对泥样的持续冲刷，射流挖掘体积和深度不断增加，射流掘取更深处或更边缘处泥样并将其携带出冲刷坑外所需消耗的能量越大，因此其冲刷挖掘体积增加的幅度有所减缓。

图6 射流流速对射流挖掘体积变化的影响

2.4 底床含水率对冲刷挖掘体积的影响

如图7所示，针对含水率0.30～0.42的YCL底床，当射流靶距为4 cm、射流流速为8.95 m/s时进行垂直冲刷试验。试验结果表明，随着泥样含水率的增加，不同时间段射流形成的射流挖掘体积逐渐增加。分析认为，随着泥样含水率的增加，黏性颗粒间的水分填充颗粒间的间隙，底床泥样含水率增加会削弱颗粒间的黏结力，黏性底床的抗冲刷能力相应减弱，射流对底床的冲刷耗能也逐渐减小，从而底床的冲刷挖掘体积增加。