平面淹没射流垂直冲刷泥沙试验研究

顾磊　倪雁　黄佳丽　倪福生

摘要：射流在水利工程中作为冲沙手段已有较广泛的应用，冲刷过程的射流冲坑特性与泥沙悬浮特性均是衡量冲刷效果的重要指标。通过改变射流速度、喷射靶距、泥沙粒径，进行了平面射流冲刷沙床的系列试验。结果表明：冲坑与泥沙的悬浮尺寸随时间均呈现快速增长期、缓慢发展期和动态稳定期3个发展阶段，在此过程中，泥沙悬浮尺寸会出现峰值，最终在某一数值上下波动;总体上冲坑深度与泥沙悬浮尺寸随射流速度和喷射靶距的增大而基本呈线性增大，短时间（1 s）内靶距的增加对冲坑深度的影响较小;冲坑深度与泥沙悬浮尺寸随粒径的增大有所减小;冲刷参数可以用来综合衡量射流的冲刷能力，随着射流冲刷参数的增大，无量纲化的冲坑深度、悬沙高度和悬沙宽度均呈线性增长趋势。

关键词：冲刷参数;冲坑尺寸;泥沙悬浮尺寸;射流冲刷;泥沙;清淤工程

中图分类号：TV142;TV697

文献标志码：A

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

在河流、航道、湖泊和水庫等处进行的清淤工程中，射流清淤方式日益得到重视。该方式的基本原理是利用射流冲击沙床，增强水流局部紊动强度，使泥沙悬浮形成异重流，结合水流作用产生向下游的泥沙运动，总体上提高水流的挟沙能力，达到消除泥沙淤积的目的。近年来，射流冲刷方式已得到较广泛的应用[1-2]，并获得了显著成效。

现有关于射流冲蚀的研究中，Rajaratnam N等[3]通过试验测量了动态冲刷深度的相关规律：齐梅兰等[4]基于泥沙起动理论和平面射流运动规律，建立了射流冲刷平衡深度计算式，并采用不同泥沙粒径和射流参数的冲刷试验数据，验证了计算式的有效性：槐文信等[5]基于Fluent软件对二维垂向射流冲刷沙床进行了数值模拟研究，提出了冲刷平衡时冲刷坑深度、宽度等特征长度的半经验公式：张浩等[6]针对粗沙沙床条件下二维垂向淹没射流冲坑深度进行了试验研究，探索了射流速度对动态沙坑深度的影响：申振等[7]基于泥沙动力学和射流冲刷理论，在不同靶距下进行了针对粗沙和中沙沙床的淹没射流冲刷试验，分析了冲刷开始10 s内坑深的发展规律：顾磊等[8]探究了双股射流冲刷时喷嘴间距对冲刷坑形状、冲坑深度和冲坑截面积的影响：刘思源[9]基于两相流模型和湍流模型，对不同粒径的沙床进行了二维垂向淹没射流冲刷的数值模拟，研究了粒径和射流速度对沙床冲刷坑深的影响。可以看到，现有研究大多单独将射流冲坑的相关参数作为衡量冲刷效果的关键指标。

实际上，射流冲坑仅反映了射流在沙床上形成的冲刷效果，射流清淤的目的不止于此，还需通过异重流和上游水流输送的方式将泥沙挟带至下游或泄沙口[10]。泥沙悬浮高度越高泥沙输移距离越远，悬浮范围越广输沙量越大，而通过悬沙悬浮高度与宽度即可评估悬沙范围。因此，泥沙悬浮特性同样应作为衡量射流冲刷效果的重要指标。

本文将冲坑特性和泥沙悬浮特性作为射流冲刷效果的衡量指标，开展了平面淹没射流冲刷泥沙的系列试验，研究了关键参数对冲刷效果的影响，以期为射流清淤工程提供一定参考。

1 试验装置及方法

本试验所用装置见图1。所用水槽由透明有机玻璃板构成，长1 300 mm，宽300 mm，高1 000 mm，两侧900 mm处设有溢流挡板。平面喷嘴出口宽度为2.5mm，采用精加工工艺保证出口宽度误差在+0.005 mm内，平面喷嘴长边尺寸为290 mm，远大于喷嘴宽度，以保证射流的二维平面特征。喷嘴由夹具固定，松动夹具即可使喷嘴上下活动以获得不同的喷射靶距。水流动力由一台离心水泵提供，水泵由变频电机驱动，调节电机频率即可改变水泵转速，由水泵出口流出的水流经由一个调节阀门后进人平面喷嘴，改变水泵转速或调节阀门开度均可获得不同的射流速度。射流速度由电磁流量计测得流量后计算得到，该流量计精度可达0.2%。整个装置位于一个大水池内，当试验水槽内水由两侧溢流挡板溢出时，由大水池内集水坑收集溢出水并与水泵人口通过管道相连，从而实现水的循环使用。

试验时可通过透明玻璃观察平面喷嘴的动态冲刷过程，在其中一面有机玻璃上贴有透明的标准坐标纸，以此作为参照，可以读出冲刷时的泥沙悬浮高度和悬浮宽度;在透明玻璃外侧放置直尺，以此作为参照，可以读出射流冲坑深度。在正对该面前方，放置一频率最高可达100 fps（即每秒拍摄100帧图像）的摄像机，对冲刷过程进行实时拍摄。

本研究主要对射流冲刷动态冲坑以及悬浮泥沙的发展进行分析，重点关注冲坑在刚开始时短时间内的发展过程，并对不同沙床条件、不同射流靶距、不同射流速度下的动态冲坑以及悬浮泥沙进行对比分析。当冲坑和悬浮泥沙的变化均趋于稳定时结束试验。通过视频处理软件对拍摄的视频进行逐帧分析，读出各时刻的冲坑深度、泥沙悬浮高度和悬浮宽度。

为了很好地模拟实际疏浚工程施工过程中复杂的水下河床条件，分别选取中值粒径为0.5、1.8 mm的两种典型沙床条件进行射流试验，通过不同沙质沙床的对比试验，对实际疏浚施工中水下射流冲刷有更深入的了解。

射流冲刷试验的主要影响因素为沙床要素和射流要素。为了更深入地研究射流的影响要素和冲刷机理，选取不同射流要素的试验结果进行比较，试验工况见表1。分别进行同一喷射靶距下不同射流速度和同一射流速度下不同喷射靶距的试验，受相机拍摄范围和试验空间的限制，射流速度较大时无法同时拍摄到完整的冲坑和悬沙形态，因此在结果分析时选择合适的工况分别进行冲坑和悬沙数据的提取。

2 试验结果与分析

2.1 冲刷形貌

通过各工况下的试验视频，观察冲坑形貌以及悬沙形貌的发展过程，发现冲坑形貌以及悬沙形貌随时间的发展规律基本相同。

图2为射流速度为3 m/s、射流靶距为150 mm条件下粗沙河床冲坑的发展过程，可以看出冲坑基本呈初始、发展和平衡3个变化阶段。在初始阶段，床面沙粒在射流作用下起动，主要以推移质方式运动，伴随着射流流线的偏转而被全部带出冲坑并在两侧迅速堆积形成沙丘;在发展阶段，射流与更多的沙粒发生作用，射流中轴线处沙粒运动最为剧烈，一部分沙粒以推移质运动方式沿沙坡上爬，左右沙丘不断向两侧移动，冲坑宽度越来越大，冲坑中明显出现两个上下摆动的旋涡[11]，另一部分沙粒则以悬移质形式在冲坑中随旋涡旋转，冲坑形态逐渐清晰;平衡阶段，大多数泥沙颗粒已经被甩出冲坑，随旋涡一起旋转的泥沙颗粒减少，直至基本恒定数量的沙粒随旋涡运动，此时冲刷速率已不明显，冲坑形貌基本不再变化，冲坑趋于稳定。

图3为射流速度为4 m/s、喷射靶距为30 mm时粗沙的悬浮发展过程。可以看到，当射流刚刚到达床面时（0 s），泥沙开始起动，被两侧回流挟带而悬浮，此时两侧悬起形态基本对称。随着时间推移（0.4-5 s），悬浮泥沙逐渐上升、扩展，悬浮泥沙逐渐增多，沙坑逐渐增大，在冲坑内出现明显旋涡，两侧泥沙悬浮形态呈非对称性，有时左侧悬沙增多，有时右侧悬沙增多。某一时刻（5 s）后，冲坑基本达到平衡，悬沙范围基本动态稳定，只是悬沙在涡流挟带下在两侧交替增多，左右侧悬沙峰值呈现一定的周期性。为进一步获取冲坑深度和泥沙悬浮尺寸的详细发展情况，测量各时刻的冲坑深度、泥沙悬浮高度和悬浮宽度，其随时间的变化见图4、图5。

图4为射流速度为3 m/s、射流靶距为150 mm工况下冲坑深度随时间的变化情况，其他工况与其基本相似。其中图4（a）为10 s时间内冲坑深度的发展过程，可以看出在前3s坑深急劇变大，6s后坑深已基本无变化.3-6 s坑深变化缓慢，整体呈指数增长趋势。在一些冲淤工程中，移动喷嘴与沙床上某点的作用时间较短，由1 s时间内冲坑深度的发展情况（见图4（b））可知，1 s内冲坑深度呈线性增长，增长斜率较大，可见该时段射流与泥沙处于快速交互作用阶段。

图5以射流速度为4 m/s、喷射靶距为30 mm工况为例显示了泥沙悬浮尺寸的变化过程。由图5可知，在冲刷开始1 s内，与冲坑深度相似，泥沙悬浮高度与悬浮宽度均呈线性快速增长。1-4 s内，其数值尽管有所波动，但整体上仍然呈增长趋势。在4s左右泥沙悬浮高度与悬浮宽度均出现最大值。4s后泥沙悬浮尺寸有所下降，最后达到动态平衡并在某一数值上下波动，波动频率在Is以内，这可能是紊动射流的非定常性所决定的。

综上所述，无论是冲坑尺寸还是泥沙悬浮尺寸，均经历了快速增长期、缓慢发展区和动态稳定期。在射流作用初期，冲刷尺寸均呈线性快速增长，泥沙悬浮尺寸会出现最大值。动态平衡时，冲坑尺寸基本稳定，而泥沙悬浮尺寸则由极大值有所下降，并因射流动力的非定常性而呈现周期波动。

2.2 射流速度的影响

分别将冲坑深度和泥沙悬浮尺寸随射流速度的变化绘制在图6、图7中。图中各数值点的喷射靶距、泥沙粒径等条件均保持一致，仅改变射流速度，取值为各工况下的最大冲坑深度和泥沙悬浮尺寸。为反映作用时间的影响，分别选取10 s（见图6（a））和1 s（见图6（b））时间内的冲坑深度值。由图6可知，无论是10s时段还是1 s时段，冲坑深度均随射流速度线性增大，且两个时段内该增大的趋势线基本平行。可见增大射流速度对加深冲坑效果显著，而且无论作用时间长短，其最大冲深的增长趋势都由射流对床面作用初期的冲击效果决定。发展初期的冲刷速率直接决定了所能达到的最大冲坑深度。

由图7可知，泥沙悬浮尺寸随射流速度的变化与冲坑深度的相似，均随射流速度的增大而线性增大。可见射流速度对泥沙悬浮尺寸的影响也非常显著。

实际上，无论是冲坑深度还是泥沙悬浮尺寸，其形成的本质为泥沙的起动和悬浮，这取决于作用于床面泥沙的流速或切应力以及反冲水流速度。当其他条件恒定时，射流速度正是上述条件的综合反映。射流速度增大时，到达床面的流速与床面切应力均有所增大，更多的泥沙被挟带悬浮，而反冲水流的速度与旋涡能量也有所增大，就会为悬浮泥沙抛离冲坑或保持悬浮提供更多动力，因此冲坑与泥沙悬浮尺寸都会有所增大。

2.3 喷射靶距的影响

图8和图9分别为冲坑尺寸和泥沙悬浮尺寸随喷射靶距的变化，其中图8分别选取了10 s时段内和Is时段内的最大冲坑深度。可以看出，在本文试验条件下，较长时段内的冲坑深度、泥沙悬浮高度和悬浮宽度均随喷射靶距的增大而线性增大。由射流的水下衰减规律可知，随着截面与射流出口距离的增加，射流中心速度逐渐减小[12]，那么靶距减小时到达床面的水流动力应有所增大，但试验结果却显示，小靶距下的冲坑深度和泥沙悬浮尺寸均比大靶距下小得多，原因可能是射流不仅为泥沙起动提供了动力，而且方向向下的射流对泥沙的向上运动还具有一定的抑制作用，尤其是小靶距时射流还未充分发展即与泥沙发生作用，核心区的强剪切大大阻碍了中线附近泥沙的起动。此时，从相应的试验视频也可以看到，整个冲刷流场明显受到较强约束，其紊动非常平缓。这种抑制作用会随喷射靶距的增加而衰减，其衰减速度比射流动力衰减的速度快得多。这一原因还未得到证实，需测量更多详细信息，深入研究两相流场进行验证。

此外，从图8（b）可知，当射流作用时间较短时，喷射靶距对冲坑深度的影响较小，在喷射靶距为150 mm时冲坑深度略有升高，但幅度非常小。

可以肯定的是，当喷射靶距增大到足够大时，必然会出现床面射流速度小于泥沙起动速度的情况，此时无泥沙悬浮，冲坑和悬沙尺寸都将为零。因此，必然存在一个喷射靶距使得冲刷尺寸达到最大。清淤工程中应设法找到该最佳喷射靶距。当喷嘴移动冲刷时，由于地形的波动，因此喷射靶距会有所变化，但这种变化在较短作用时间内对冲刷效果的影响并不显著。

2.4 泥沙粒径的影响

选择中值粒径为0.5 mm的中沙和1.8 mm的粗沙两种典型泥沙进行分析，其在相同射流条件下达到动态平衡时的冲刷形态见图10。由图10可知，中沙的冲坑深度、泥沙悬浮高度和宽度分别为为148、190、410 mm.粗沙的冲坑深度、泥沙悬浮高度和宽度分别为98、190、240 mm。可见当粒径增大时，冲坑深度与泥沙悬浮宽度均有所减小。这由泥沙的起动原理[13]可以很好地解释：当粒径增大时，颗粒惯性增大，其起动条件增加，悬浮所需动力也相应增大，对射流能量的消耗也就有所增大。显然，当面对粗颗粒泥沙时，为保证相同的冲刷结果，需提供更强的射流动力。

2.5 随冲刷参数的变化

Rajaratnam N等提出了圆柱喷嘴的冲刷参数E。，并获得了较为准确的经验公式[14]：式中：U0为射流速度;d为喷嘴直径;h为喷射靶距;g为重力加速度;D为泥沙粒径;△p为泥沙密度与水的密度之差;p为水的密度。

參数E采用无量纲数反映了射流在床面处的强度与泥沙的水下惯性之比，冲坑特性与泥沙悬浮特性均与这两方面因素相关。本文仿照Rajaratnam N等的做法，结合平面射流的衰减规律，对圆柱喷嘴的冲刷参数稍作变化，见式（2）： 式中：2b为平面喷嘴的宽度。

采用式（2）计算了各工况的冲刷参数，并用喷射靶距对冲坑深度、泥沙悬浮高度和悬浮宽度的最大值进行无量纲化，获得的无量纲冲刷尺寸与冲刷参数的关系见图11。

由图11可知，随着射流冲刷参数E的增大，无量纲化的冲坑深度、泥沙悬浮高度和悬浮宽度均呈线性增长趋势。线性拟合关系式分别为

3 结语

分别在中值粒径为0.5、1.8 mm的沙床上，改变射流速度和喷射靶距，进行了平面淹没射流的垂直冲刷系列试验，观测了冲坑、悬沙的形态和尺寸发展，在本文试验条件范围内结论如下。

（1）冲刷主要经历快速增长期、缓慢发展期和动态平衡期3个阶段，其中快速增长期的冲刷速率直接决定了整体冲刷趋势。冲坑深度基本呈指数增长趋势，而泥沙悬浮尺寸会出现最大值，然后有所下降并维持在某一数值上下波动。因此，工程中若能在快速增长期适当延长射流的作用时间，则有利于提高冲沙量。

（2）长时段冲刷的冲坑深度和悬沙尺寸随射流速度和冲刷靶距的增大呈线性增大，随泥沙粒径的增大而有所减小。当射流作用时间较短时，喷射靶距的变化与长时段内的作用规律不同，当喷射靶距变化时，冲坑尺寸变化不明显。工程中应选择合适的喷射靶距，而对于运动喷嘴，冲刷效果对喷射靶距的敏感性则会大大减弱。

（3）平面喷嘴的冲刷参数可以综合反映射流相对泥沙的冲刷强度，采用该参数能够较好地预测平面射流冲刷的冲坑尺寸和泥沙悬浮尺寸。

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