平面淹沒射流垂直沖刷泥沙試驗研究

顧磊　倪雁　黃佳麗　倪福生

摘要：射流在水利工程中作為沖沙手段已有較廣泛的應(yīng)用，沖刷過程的射流沖坑特性與泥沙懸浮特性均是衡量沖刷效果的重要指標(biāo)。通過改變射流速度、噴射靶距、泥沙粒徑，進(jìn)行了平面射流沖刷沙床的系列試驗。結(jié)果表明：沖坑與泥沙的懸浮尺寸隨時間均呈現(xiàn)快速增長期、緩慢發(fā)展期和動態(tài)穩(wěn)定期3個發(fā)展階段，在此過程中，泥沙懸浮尺寸會出現(xiàn)峰值，最終在某一數(shù)值上下波動;總體上沖坑深度與泥沙懸浮尺寸隨射流速度和噴射靶距的增大而基本呈線性增大，短時間（1 s）內(nèi)靶距的增加對沖坑深度的影響較小;沖坑深度與泥沙懸浮尺寸隨粒徑的增大有所減小;沖刷參數(shù)可以用來綜合衡量射流的沖刷能力，隨著射流沖刷參數(shù)的增大，無量綱化的沖坑深度、懸沙高度和懸沙寬度均呈線性增長趨勢。

關(guān)鍵詞：沖刷參數(shù);沖坑尺寸;泥沙懸浮尺寸;射流沖刷;泥沙;清淤工程

中圖分類號：TV142;TV697

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10. 3969/j .issn.1000- 1379.2019.06.009

在河流、航道、湖泊和水庫等處進(jìn)行的清淤工程中，射流清淤方式日益得到重視。該方式的基本原理是利用射流沖擊沙床，增強(qiáng)水流局部紊動強(qiáng)度，使泥沙懸浮形成異重流，結(jié)合水流作用產(chǎn)生向下游的泥沙運(yùn)動，總體上提高水流的挾沙能力，達(dá)到消除泥沙淤積的目的。近年來，射流沖刷方式已得到較廣泛的應(yīng)用[1-2]，并獲得了顯著成效。

現(xiàn)有關(guān)于射流沖蝕的研究中，Rajaratnam N等[3]通過試驗測量了動態(tài)沖刷深度的相關(guān)規(guī)律：齊梅蘭等[4]基于泥沙起動理論和平面射流運(yùn)動規(guī)律，建立了射流沖刷平衡深度計算式，并采用不同泥沙粒徑和射流參數(shù)的沖刷試驗數(shù)據(jù)，驗證了計算式的有效性：槐文信等[5]基于Fluent軟件對二維垂向射流沖刷沙床進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，提出了沖刷平衡時沖刷坑深度、寬度等特征長度的半經(jīng)驗公式：張浩等[6]針對粗沙沙床條件下二維垂向淹沒射流沖坑深度進(jìn)行了試驗研究，探索了射流速度對動態(tài)沙坑深度的影響：申振等[7]基于泥沙動力學(xué)和射流沖刷理論，在不同靶距下進(jìn)行了針對粗沙和中沙沙床的淹沒射流沖刷試驗，分析了沖刷開始10 s內(nèi)坑深的發(fā)展規(guī)律：顧磊等[8]探究了雙股射流沖刷時噴嘴間距對沖刷坑形狀、沖坑深度和沖坑截面積的影響：劉思源[9]基于兩相流模型和湍流模型，對不同粒徑的沙床進(jìn)行了二維垂向淹沒射流沖刷的數(shù)值模擬，研究了粒徑和射流速度對沙床沖刷坑深的影響。可以看到，現(xiàn)有研究大多單獨(dú)將射流沖坑的相關(guān)參數(shù)作為衡量沖刷效果的關(guān)鍵指標(biāo)。

實際上，射流沖坑僅反映了射流在沙床上形成的沖刷效果，射流清淤的目的不止于此，還需通過異重流和上游水流輸送的方式將泥沙挾帶至下游或泄沙口[10]。泥沙懸浮高度越高泥沙輸移距離越遠(yuǎn)，懸浮范圍越廣輸沙量越大，而通過懸沙懸浮高度與寬度即可評估懸沙范圍。因此，泥沙懸浮特性同樣應(yīng)作為衡量射流沖刷效果的重要指標(biāo)。

本文將沖坑特性和泥沙懸浮特性作為射流沖刷效果的衡量指標(biāo)，開展了平面淹沒射流沖刷泥沙的系列試驗，研究了關(guān)鍵參數(shù)對沖刷效果的影響，以期為射流清淤工程提供一定參考。

1 試驗裝置及方法

本試驗所用裝置見圖1。所用水槽由透明有機(jī)玻璃板構(gòu)成，長1 300 mm，寬300 mm，高1 000 mm，兩側(cè)900 mm處設(shè)有溢流擋板。平面噴嘴出口寬度為2.5mm，采用精加工工藝保證出口寬度誤差在+0.005 mm內(nèi)，平面噴嘴長邊尺寸為290 mm，遠(yuǎn)大于噴嘴寬度，以保證射流的二維平面特征。噴嘴由夾具固定，松動夾具即可使噴嘴上下活動以獲得不同的噴射靶距。水流動力由一臺離心水泵提供，水泵由變頻電機(jī)驅(qū)動，調(diào)節(jié)電機(jī)頻率即可改變水泵轉(zhuǎn)速，由水泵出口流出的水流經(jīng)由一個調(diào)節(jié)閥門后進(jìn)人平面噴嘴，改變水泵轉(zhuǎn)速或調(diào)節(jié)閥門開度均可獲得不同的射流速度。射流速度由電磁流量計測得流量后計算得到，該流量計精度可達(dá)0.2%。整個裝置位于一個大水池內(nèi)，當(dāng)試驗水槽內(nèi)水由兩側(cè)溢流擋板溢出時，由大水池內(nèi)集水坑收集溢出水并與水泵人口通過管道相連，從而實現(xiàn)水的循環(huán)使用。

試驗時可通過透明玻璃觀察平面噴嘴的動態(tài)沖刷過程，在其中一面有機(jī)玻璃上貼有透明的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)紙，以此作為參照，可以讀出沖刷時的泥沙懸浮高度和懸浮寬度;在透明玻璃外側(cè)放置直尺，以此作為參照，可以讀出射流沖坑深度。在正對該面前方，放置一頻率最高可達(dá)100 fps（即每秒拍攝100幀圖像）的攝像機(jī)，對沖刷過程進(jìn)行實時拍攝。

本研究主要對射流沖刷動態(tài)沖坑以及懸浮泥沙的發(fā)展進(jìn)行分析，重點(diǎn)關(guān)注沖坑在剛開始時短時間內(nèi)的發(fā)展過程，并對不同沙床條件、不同射流靶距、不同射流速度下的動態(tài)沖坑以及懸浮泥沙進(jìn)行對比分析。當(dāng)沖坑和懸浮泥沙的變化均趨于穩(wěn)定時結(jié)束試驗。通過視頻處理軟件對拍攝的視頻進(jìn)行逐幀分析，讀出各時刻的沖坑深度、泥沙懸浮高度和懸浮寬度。

為了很好地模擬實際疏浚工程施工過程中復(fù)雜的水下河床條件，分別選取中值粒徑為0.5、1.8 mm的兩種典型沙床條件進(jìn)行射流試驗，通過不同沙質(zhì)沙床的對比試驗，對實際疏浚施工中水下射流沖刷有更深入的了解。

射流沖刷試驗的主要影響因素為沙床要素和射流要素。為了更深入地研究射流的影響要素和沖刷機(jī)理，選取不同射流要素的試驗結(jié)果進(jìn)行比較，試驗工況見表1。分別進(jìn)行同一噴射靶距下不同射流速度和同一射流速度下不同噴射靶距的試驗，受相機(jī)拍攝范圍和試驗空間的限制，射流速度較大時無法同時拍攝到完整的沖坑和懸沙形態(tài)，因此在結(jié)果分析時選擇合適的工況分別進(jìn)行沖坑和懸沙數(shù)據(jù)的提取。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 沖刷形貌

通過各工況下的試驗視頻，觀察沖坑形貌以及懸沙形貌的發(fā)展過程，發(fā)現(xiàn)沖坑形貌以及懸沙形貌隨時間的發(fā)展規(guī)律基本相同。

圖2為射流速度為3 m/s、射流靶距為150 mm條件下粗沙河床沖坑的發(fā)展過程，可以看出沖坑基本呈初始、發(fā)展和平衡3個變化階段。在初始階段，床面沙粒在射流作用下起動，主要以推移質(zhì)方式運(yùn)動，伴隨著射流流線的偏轉(zhuǎn)而被全部帶出沖坑并在兩側(cè)迅速堆積形成沙丘;在發(fā)展階段，射流與更多的沙粒發(fā)生作用，射流中軸線處沙粒運(yùn)動最為劇烈，一部分沙粒以推移質(zhì)運(yùn)動方式沿沙坡上爬，左右沙丘不斷向兩側(cè)移動，沖坑寬度越來越大，沖坑中明顯出現(xiàn)兩個上下擺動的旋渦[11]，另一部分沙粒則以懸移質(zhì)形式在沖坑中隨旋渦旋轉(zhuǎn)，沖坑形態(tài)逐漸清晰;平衡階段，大多數(shù)泥沙顆粒已經(jīng)被甩出沖坑，隨旋渦一起旋轉(zhuǎn)的泥沙顆粒減少，直至基本恒定數(shù)量的沙粒隨旋渦運(yùn)動，此時沖刷速率已不明顯，沖坑形貌基本不再變化，沖坑趨于穩(wěn)定。

圖3為射流速度為4 m/s、噴射靶距為30 mm時粗沙的懸浮發(fā)展過程。可以看到，當(dāng)射流剛剛到達(dá)床面時（0 s），泥沙開始起動，被兩側(cè)回流挾帶而懸浮，此時兩側(cè)懸起形態(tài)基本對稱。隨著時間推移（0.4-5 s），懸浮泥沙逐漸上升、擴(kuò)展，懸浮泥沙逐漸增多，沙坑逐漸增大，在沖坑內(nèi)出現(xiàn)明顯旋渦，兩側(cè)泥沙懸浮形態(tài)呈非對稱性，有時左側(cè)懸沙增多，有時右側(cè)懸沙增多。某一時刻（5 s）后，沖坑基本達(dá)到平衡，懸沙范圍基本動態(tài)穩(wěn)定，只是懸沙在渦流挾帶下在兩側(cè)交替增多，左右側(cè)懸沙峰值呈現(xiàn)一定的周期性。為進(jìn)一步獲取沖坑深度和泥沙懸浮尺寸的詳細(xì)發(fā)展情況，測量各時刻的沖坑深度、泥沙懸浮高度和懸浮寬度，其隨時間的變化見圖4、圖5。

圖4為射流速度為3 m/s、射流靶距為150 mm工況下沖坑深度隨時間的變化情況，其他工況與其基本相似。其中圖4（a）為10 s時間內(nèi)沖坑深度的發(fā)展過程，可以看出在前3s坑深急劇變大，6s后坑深已基本無變化.3-6 s坑深變化緩慢，整體呈指數(shù)增長趨勢。在一些沖淤工程中，移動噴嘴與沙床上某點(diǎn)的作用時間較短，由1 s時間內(nèi)沖坑深度的發(fā)展情況（見圖4（b））可知，1 s內(nèi)沖坑深度呈線性增長，增長斜率較大，可見該時段射流與泥沙處于快速交互作用階段。

圖5以射流速度為4 m/s、噴射靶距為30 mm工況為例顯示了泥沙懸浮尺寸的變化過程。由圖5可知，在沖刷開始1 s內(nèi)，與沖坑深度相似，泥沙懸浮高度與懸浮寬度均呈線性快速增長。1-4 s內(nèi)，其數(shù)值盡管有所波動，但整體上仍然呈增長趨勢。在4s左右泥沙懸浮高度與懸浮寬度均出現(xiàn)最大值。4s后泥沙懸浮尺寸有所下降，最后達(dá)到動態(tài)平衡并在某一數(shù)值上下波動，波動頻率在Is以內(nèi)，這可能是紊動射流的非定常性所決定的。

綜上所述，無論是沖坑尺寸還是泥沙懸浮尺寸，均經(jīng)歷了快速增長期、緩慢發(fā)展區(qū)和動態(tài)穩(wěn)定期。在射流作用初期，沖刷尺寸均呈線性快速增長，泥沙懸浮尺寸會出現(xiàn)最大值。動態(tài)平衡時，沖坑尺寸基本穩(wěn)定，而泥沙懸浮尺寸則由極大值有所下降，并因射流動力的非定常性而呈現(xiàn)周期波動。

2.2 射流速度的影響

分別將沖坑深度和泥沙懸浮尺寸隨射流速度的變化繪制在圖6、圖7中。圖中各數(shù)值點(diǎn)的噴射靶距、泥沙粒徑等條件均保持一致，僅改變射流速度，取值為各工況下的最大沖坑深度和泥沙懸浮尺寸。為反映作用時間的影響，分別選取10 s（見圖6（a））和1 s（見圖6（b））時間內(nèi)的沖坑深度值。由圖6可知，無論是10s時段還是1 s時段，沖坑深度均隨射流速度線性增大，且兩個時段內(nèi)該增大的趨勢線基本平行。可見增大射流速度對加深沖坑效果顯著，而且無論作用時間長短，其最大沖深的增長趨勢都由射流對床面作用初期的沖擊效果決定。發(fā)展初期的沖刷速率直接決定了所能達(dá)到的最大沖坑深度。

由圖7可知，泥沙懸浮尺寸隨射流速度的變化與沖坑深度的相似，均隨射流速度的增大而線性增大。可見射流速度對泥沙懸浮尺寸的影響也非常顯著。

實際上，無論是沖坑深度還是泥沙懸浮尺寸，其形成的本質(zhì)為泥沙的起動和懸浮，這取決于作用于床面泥沙的流速或切應(yīng)力以及反沖水流速度。當(dāng)其他條件恒定時，射流速度正是上述條件的綜合反映。射流速度增大時，到達(dá)床面的流速與床面切應(yīng)力均有所增大，更多的泥沙被挾帶懸浮，而反沖水流的速度與旋渦能量也有所增大，就會為懸浮泥沙拋離沖坑或保持懸浮提供更多動力，因此沖坑與泥沙懸浮尺寸都會有所增大。

2.3 噴射靶距的影響

圖8和圖9分別為沖坑尺寸和泥沙懸浮尺寸隨噴射靶距的變化，其中圖8分別選取了10 s時段內(nèi)和Is時段內(nèi)的最大沖坑深度。可以看出，在本文試驗條件下，較長時段內(nèi)的沖坑深度、泥沙懸浮高度和懸浮寬度均隨噴射靶距的增大而線性增大。由射流的水下衰減規(guī)律可知，隨著截面與射流出口距離的增加，射流中心速度逐漸減小[12]，那么靶距減小時到達(dá)床面的水流動力應(yīng)有所增大，但試驗結(jié)果卻顯示，小靶距下的沖坑深度和泥沙懸浮尺寸均比大靶距下小得多，原因可能是射流不僅為泥沙起動提供了動力，而且方向向下的射流對泥沙的向上運(yùn)動還具有一定的抑制作用，尤其是小靶距時射流還未充分發(fā)展即與泥沙發(fā)生作用，核心區(qū)的強(qiáng)剪切大大阻礙了中線附近泥沙的起動。此時，從相應(yīng)的試驗視頻也可以看到，整個沖刷流場明顯受到較強(qiáng)約束，其紊動非常平緩。這種抑制作用會隨噴射靶距的增加而衰減，其衰減速度比射流動力衰減的速度快得多。這一原因還未得到證實，需測量更多詳細(xì)信息，深入研究兩相流場進(jìn)行驗證。

此外，從圖8（b）可知，當(dāng)射流作用時間較短時，噴射靶距對沖坑深度的影響較小，在噴射靶距為150 mm時沖坑深度略有升高，但幅度非常小。

可以肯定的是，當(dāng)噴射靶距增大到足夠大時，必然會出現(xiàn)床面射流速度小于泥沙起動速度的情況，此時無泥沙懸浮，沖坑和懸沙尺寸都將為零。因此，必然存在一個噴射靶距使得沖刷尺寸達(dá)到最大。清淤工程中應(yīng)設(shè)法找到該最佳噴射靶距。當(dāng)噴嘴移動沖刷時，由于地形的波動，因此噴射靶距會有所變化，但這種變化在較短作用時間內(nèi)對沖刷效果的影響并不顯著。

2.4 泥沙粒徑的影響

選擇中值粒徑為0.5 mm的中沙和1.8 mm的粗沙兩種典型泥沙進(jìn)行分析，其在相同射流條件下達(dá)到動態(tài)平衡時的沖刷形態(tài)見圖10。由圖10可知，中沙的沖坑深度、泥沙懸浮高度和寬度分別為為148、190、410 mm.粗沙的沖坑深度、泥沙懸浮高度和寬度分別為98、190、240 mm。可見當(dāng)粒徑增大時，沖坑深度與泥沙懸浮寬度均有所減小。這由泥沙的起動原理[13]可以很好地解釋：當(dāng)粒徑增大時，顆粒慣性增大，其起動條件增加，懸浮所需動力也相應(yīng)增大，對射流能量的消耗也就有所增大。顯然，當(dāng)面對粗顆粒泥沙時，為保證相同的沖刷結(jié)果，需提供更強(qiáng)的射流動力。

2.5 隨沖刷參數(shù)的變化

Rajaratnam N等提出了圓柱噴嘴的沖刷參數(shù)E。，并獲得了較為準(zhǔn)確的經(jīng)驗公式[14]：式中：U0為射流速度;d為噴嘴直徑;h為噴射靶距;g為重力加速度;D為泥沙粒徑;△p為泥沙密度與水的密度之差;p為水的密度。

參數(shù)E采用無量綱數(shù)反映了射流在床面處的強(qiáng)度與泥沙的水下慣性之比，沖坑特性與泥沙懸浮特性均與這兩方面因素相關(guān)。本文仿照Rajaratnam N等的做法，結(jié)合平面射流的衰減規(guī)律，對圓柱噴嘴的沖刷參數(shù)稍作變化，見式（2）： 式中：2b為平面噴嘴的寬度。

采用式（2）計算了各工況的沖刷參數(shù)，并用噴射靶距對沖坑深度、泥沙懸浮高度和懸浮寬度的最大值進(jìn)行無量綱化，獲得的無量綱沖刷尺寸與沖刷參數(shù)的關(guān)系見圖11。

由圖11可知，隨著射流沖刷參數(shù)E的增大，無量綱化的沖坑深度、泥沙懸浮高度和懸浮寬度均呈線性增長趨勢。線性擬合關(guān)系式分別為

3 結(jié)語

分別在中值粒徑為0.5、1.8 mm的沙床上，改變射流速度和噴射靶距，進(jìn)行了平面淹沒射流的垂直沖刷系列試驗，觀測了沖坑、懸沙的形態(tài)和尺寸發(fā)展，在本文試驗條件范圍內(nèi)結(jié)論如下。

（1）沖刷主要經(jīng)歷快速增長期、緩慢發(fā)展期和動態(tài)平衡期3個階段，其中快速增長期的沖刷速率直接決定了整體沖刷趨勢。沖坑深度基本呈指數(shù)增長趨勢，而泥沙懸浮尺寸會出現(xiàn)最大值，然后有所下降并維持在某一數(shù)值上下波動。因此，工程中若能在快速增長期適當(dāng)延長射流的作用時間，則有利于提高沖沙量。

（2）長時段沖刷的沖坑深度和懸沙尺寸隨射流速度和沖刷靶距的增大呈線性增大，隨泥沙粒徑的增大而有所減小。當(dāng)射流作用時間較短時，噴射靶距的變化與長時段內(nèi)的作用規(guī)律不同，當(dāng)噴射靶距變化時，沖坑尺寸變化不明顯。工程中應(yīng)選擇合適的噴射靶距，而對于運(yùn)動噴嘴，沖刷效果對噴射靶距的敏感性則會大大減弱。

（3）平面噴嘴的沖刷參數(shù)可以綜合反映射流相對泥沙的沖刷強(qiáng)度，采用該參數(shù)能夠較好地預(yù)測平面射流沖刷的沖坑尺寸和泥沙懸浮尺寸。

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