硬质黏土淹没射流冲刷试验研究

潘振东 赵荥 王仲梅 张文皎 张世宝

关键词：水库清淤工程；硬质黏土；射流冲刷；出口流速；喷嘴尺寸；射流靶距

0引言

近年来，自吸式管道排沙系统以其适用性强、经济性好和排沙效率高等优势，成为最常见的水库库容恢复技术之一。自吸式管道排沙系统的工作原理是通过一种特殊的水下吸泥头，利用水库自然水头将库区淤积泥沙吸排出库外。该系统由吸泥头、水面控制船、排沙管道、过坝隧洞、出口闸门等组成，如图1所示。黄河水利科学研究院自2007年开始，在小浪底库区对该系统进行了大量研究，提出了多种运用和改进方案，并提出自吸式管道排沙系统成功高效作业的关键是保证吸泥头附近的水体浓度，以供系统吸排。采用自吸式管道排沙系统进行清淤作业的过程中，受库区水深限制，其机械铰扰的方式起动底泥成本过高。如今越来越多的学者将目光投向了成本低、对环境影响小的高压水射流技术。对于淤积历时较长的硬质黏土，射流起动的效果与整个系统的清淤作业效率紧密相关。

高压水射流是以水为能量载体，通过高压生成系统将机械能转变为水的动能，再通过特定喷嘴形成高速射流。20世纪60年代，美国学者D．A．Wilson首次将此项技术应用于水库（河道）清淤工程，并提出了射流清淤的概念。此后，陆续有国内外学者对此展开研究，Mazurek等研究了稳定淹没射流对黏性泥沙的冲刷效果，发现黏性泥沙的抗冲刷性表现为：随黏粒含量的增大而增大，随土样密度的增大而增大，随泥沙屈服强度的增大而增大。黄佳丽等对垂直淹没射流冲刷的悬沙情况、高度和宽度等特征进行了观测，分析了悬沙特性与出口流速、射流靶距和冲刷强度E、的关系。郑健等选取一种硬质黏土和一种软黏土进行淹没射流冲刷试验，对比了二者在冲刷坑形成机理上的差异，并给出了更适合于硬质黏土冲坑颈口直径的预测公式。李恬进行了混流喷嘴的数值模拟计算，结果表明最大冲深、冲坑半径、沙丘高度、最大悬沙宽度和最大悬沙高度均与初始射流流速正相关。

以往研究大多针对非黏性泥沙进行射流冲刷，较少开展黏性泥沙射流冲刷试验，且其中大多服务于海底开沟作业．主要以冲坑宽深尺寸和发育过程为研究重点，而对不同水动力条件下冲坑尺寸和黏性泥沙起动量的研究较少。本文基于模型试验结果，首先探究硬质黏土受射流冲刷的破坏机制，然后选取不同射流出口速度、喷嘴直径和射流靶距对比试验结果，分析这些水动力条件对最大冲深、最大直径、收口直径和泥沙起动量等冲刷坑重要组成要素的影响，以期为包括自吸式管道排沙系统在内的、依靠高压水射流技术完成泥沙起动和输移的清淤方案制定提供理论依据和技术支持。

1试验说明

1.1试验装置

射流装置如图2所示，喷射装置安装在一个门架上，可实现水平方向移动和垂向靶距调节。喷射装置上的喷嘴可以自由更换，本次试验使用2种喷嘴直径d，分别为5mm和7mm，试验出口流速范围为7.5～12.5m/s，冲刷时间范围为10～180s，具体冲刷时间视试样冲刷情况而定。所用二维取土射流槽长20cm、宽4.5cm、高25cm，由透明有机玻璃制成，侧壁刻有方格（尺寸1cmx1cm）以便观测冲坑界面尺寸。试样上表面至槽顶为预留淹没水深区，最上方设有20cm长、5cm高的挡水板，防止溢流水影响观测效果。

1.2土样制备

试验所用黏性泥沙取自黄河下游花园口附近河段滩地，泥沙的颗粒级配曲线及粒度组成见图3和表1。泥沙样品经烘干筛分后，调配成饱和黏性泥浆，之后采用抽负压法快速固结制备成硬质黏土样。固结装置见图4，该装置由三部分连接而成，分别为负压固结桶、水气转换桶和真空泵。其中固结桶为双桶结构，内桶壁及底板均匀布置1cm直径的排水孔，外桶壁与真空泵相连，工作时可在内外桶间的空腔内形成稳定的真空压力。制备中使用-80kPa压力进行真空固结，48h后测得的土样力学参数见表2。

1.3射流冲刷试验方案

具体射流冲刷试验方案如下：

1）土样取用。将二维取土射流槽垂直压载进固结土样内，各射流槽均紧贴固结桶内壁圆形阵列排布，用刮刀刮除粘连土体后，垂直取出各二维取土射流槽。

2）射流出口流速率定。根据电磁流量计数据显示，调节阀门开度直至射流出口流速满足试验要求，同时排净射流管道内空气，保证正式试验时水流稳定。

3）射流准备。将取出的射流槽放置在冲刷射流架上，调整射流喷嘴的位置和靶距，保证喷嘴紧贴射流槽前壁，沿射流槽侧壁缓缓加入淹没水，淹沒水深按15cm控制。

4）开始射流。打开水泵开始进行射流冲刷试验并计时，到达冲刷时间后关闭水泵，待水体静置后进行冲刷坑测量。

5）试验数据采集与处理。在射流试验过程中，通过架设的高清摄像机记录完整的冲坑发展过程，并借助计算机程序，根据标准参考网格的大小提取照片上呈现的各个时间点的冲坑截面形态和尺寸。

2试验结果分析

2.1硬质黏土射流冲刷特性研究

以7mm直径射流喷嘴、10m/s出口流速、3cm靶距工况为例（不同时刻冲坑形态见图5，其中z为以土样表面为坐标0点的垂向起点距，x为以喷嘴中心为坐标0点的水平向起点距），探讨硬质黏土冲坑发育的机理和特点。冲坑整体发展过程大致分为3个阶段。

第一阶段为发育前阶段。此阶段较为短暂，通常发生在射流装置启动后的较短时间内[见图5（a）]。射流装置一经启动，高速水体快速抵达土样表面，表层土体短暂抵抗后被压碎，土体内部出现微小剪切裂隙，裂隙在射流冲击的作用下不断扩大，至0.6s．一个小土块被整体冲起，形成最初的浅坑，标志着此阶段的结束。此阶段的土体破坏形式主要为表面侵蚀和压碎破坏正面土体，水流大多沿土体上表面横向流动。

第二阶段为快速下切阶段。随着最初的浅坑形成，射流楔人土中一定深度，同时水柱周围土体出现剪切破坏，并最终导致周围土体以较大的土块形态脱离，破坏面类似于地基破坏时出现的剪切滑移面[见图5（b）]。实际上通过不同工况的观察，在这个阶段，土体通常不是一次就被冲走，往往是以更小土块的形式逐渐脱离，但不管形式如何，最终都会形成这样一个剖面。射流继续下切，更多土体以块状形态被冲起，冲坑深不断变大的同时，冲坑表面宽度也在沿径向扩大，冲坑剖面逐渐向上宽下窄的楔形发展[见图5（c）]，至5.5s时在压力和反流作用下，冲坑纵截面继续沿径向扩大，不断有碎屑被剥离，冲坑形态近似于倒三角。此时的形态与其他研究者所开展的黏性土数值模拟结果有所不同，反而与无黏性土的坑形更为接近。5.5～8.5s内，冲坑上表面宽度基本发育完全，为本次试验的冲坑最大宽度，冲坑在深度上未发生明显变化，冲坑底部沿横向轻微发育[见图5（e）]，10s时随着一较大土块的启动，冲坑深度在短时间内快速变大[见图5（f）]，基本达到本次试验的最大冲坑深。该阶段为冲坑深度的主要发育阶段，冲坑发育趋势大体以纵向为主，在此过程中，冲坑上表面宽度也会较快发育完全，土体破坏形式主要表现为大块土体的间歇性移动，称为“大规模冲刷”。水流主要沿冲坑两侧边壁回流。

第三阶段为横向发育阶段。冲坑发育速度较之前明显放缓，且其深度基本不再发育，但此时尚不能认定黏性土冲坑发育完全，土体破坏形式仅以微弱的冲刷剥蚀为主，底部、侧向仍然发育[见图5（g）]。实际试验过程中可看到，此时水流在冲坑内，沿射流轴线和冲坑底部曲线快速旋转流动，不断冲刷冲坑侧壁，使侧壁出现细小裂缝（见图6），此后土体沿裂缝方向逐块被水流带走。至50s以后冲坑发育极为缓慢甚至部分不发育，除69s时左下方有一较大土块被整体冲起外未再发育，最终形成上下宽、中间窄的冲刷坑[见图5（h）]。

经过多次试验发现，第一阶段的时间长短受土样强度和射流强度两方面影响，土样强度越高、射流强度越低此阶段时间越久，并且以首个黏性土块的起动为结束标志。而黏性土“整块起动”的特性，导致第二阶段与第三阶段通常没有确切分界点。

冲坑破坏机制为：射流装置启动初期，破土形式以表面侵蚀为主，表面土体短暂抵抗射流压力后被压碎：在第二阶段早期，水流沿入射方向击碎正面土体并将其带走，冲坑呈倒三角形状；随着射流继续进行，至第二阶段中后期及第三阶段，可以明显观测到水流沿入射方向抵达冲坑底部，再沿冲坑底部和两侧边壁快速旋滚流动，在水流的冲击下，坑底两侧转角处出现剪裂隙，水流楔人并扩张裂缝，裂隙向下方发展贯通，坑底土块被压碎并被水流带走，直至坑深停止发展：第三阶段中期以后，冲坑底部边壁在冲刷作用下出现沿水流方向的细微裂缝，裂缝不断扩张最终导致土体沿裂缝被揭起或整块被冲起，实现扩底。

通过对不同时刻排泥量和冲坑尺寸进行分析可知，在整个射流冲刷过程中，泥沙起动量随时间递增，且在前10s内泥沙启动量增速最快，最终泥沙总起动量为207.6cm3，前10s泥沙起动量占总起动量的75.87%：泥沙起动速率整体呈先增大后减小的趋势（见图7），最大起动速率于10s左右达到，约为33.5cm/S。

关于郑健等试验中出现的“收口”现象在本次试验中也观测到了，收口在距泥样上表面约2cm深度处，收口与冲坑最大宽度和深度都在射流前10s内快速发育，并且很快发展完毕（见图8）。经过多次不同工况的射流试验，得出关于收口的以下结论：1）除少数射流工况试验中出现的浅而宽的冲坑外，收口现象普遍存在于硬质黏土射流试验过程中：2）收口的深度和直径受射流出口速度、射流靶距、土样强度和喷嘴尺寸等因素影响；3）收口总是处于冲坑的上部接近土体表面的位置；4）收口直径一般为冲坑的最小直径。综上所述，收口直径小且接近土体上表面的特性，成为影响射流清淤效果的重要因素之一。

2.2硬质黏土射流冲刷效率研究

2.2.1出口流速的影响

出口流速是决定射流能量的关键因素，直接关乎射流的破土效果。本次试验选取出口流速u分别为7.5、10.0、12.5m/s，对应冲坑形态如图9所示（其中L为靶距）。通过对不同出口流速试验工况冲坑最大宽度、冲坑最大深度及起动泥沙量等数据进行分析，可以得到3种流速对应冲坑最大深度比值为1：1.70：3.20，冲坑最大宽度比值为1：1.35：1.62，泥沙起动量比值为1：1.98：6.04。不难看出，随着射流出口流速增大，冲坑最大宽度、最大深度和泥沙起动量均增大，且深度的增幅大于宽度的涨幅。可以认为改变射流出口流速是控制射流破土深度的较有效手段。

2.2.2喷嘴尺寸的影响

喷嘴尺寸的改变会影响射流流量、射流冲刷范围等，因此喷嘴是影响自吸式管道排沙系统清淤工作效率的重要因素之一。根据现场作业经验，本次试验选取了5mm和7mm直径的射流喷嘴，2种喷嘴尺寸下的流量比为1：1.96，不同喷嘴尺寸工況冲坑形态如图10所示。在出口流速和射流靶距等条件不变的情况下，2种喷嘴尺寸工况冲坑最大深度比值为1：1.40，冲坑最大宽度比值为1：1.15，泥沙起动量比值为1：1.23。可以看出，喷嘴直径越大，射流流量越大，则冲坑宽度和深度也越大，同时起动泥沙量也与喷嘴直径成正比。

2.2.3射流靶距的影响

射流靶距是指射流喷嘴出口至初始土样表面的垂线距离，靶距的大小直接关乎射流的发展以及滞止压力，是影响射流破土效果的重要参数。在各射流靶距试验工况中，0cm靶距工况较为特殊，由于喷嘴紧贴土样上表面射流，射流压力直达土体内部，因此该工况下土体破坏形式与其他靶距工况存在一定差异。本次试验在保持出口流速和喷嘴尺寸等其他参数不变的条件下，进行了0cm靶距射流试验和3cm靶距射流试验，不同射流靶距工况冲刷坑形态如图11所示。

不同射流靶距工况下，最大冲坑深度比值为1：0.65，最大冲坑宽度比值为1：1.25，泥沙起动量比值为1：0.52。可以看出，在冲坑尺寸方面，0cm靶距工况较3cm靶距工况冲坑深度更大，且0cm靶距两侧土体隆起更明显，但3cm靶距工况冲坑表层宽度更大：在冲坑形态方面，0cm靶距工况收口所在位置更深，收口直径略小于3cm靶距工况的：同时，泥沙起动量与射流靶距成反比。

3结论

以负压不排水快速固结的方式制备了硬质黏土试样，然后进行了硬质黏土淹没直立射流试验．主要结论如下。

1）硬质黏土受射流破土机制：射流水压力压碎并破坏正面土体，同时使土体产生侧向和轴向的裂缝，水体楔入裂缝，向裂缝两侧土体施加水压力，最终导致土体沿裂缝方向被撕碎卷起。

2）冲坑尺寸和泥沙起动量受射流出口流速、喷嘴尺寸和射流靶距共同影响，冲坑尺寸和起动泥沙量均与出口流速和喷嘴尺寸成正比，与射流靶距成反比。增大射流出口流速和喷嘴直径时，冲坑最大深度的增幅大于最大宽度的增幅，但对冲坑收口深度和收口直径的影响都较小。减小射流靶距，冲坑尺寸明显增大，同时表层土体隆起程度、收口位置和收口直径都会明显发生变化。