自激吸气式脉冲射流装置在多泥沙深水水库的应用研究探讨

自激吸气式脉冲射流装置在多泥沙深水水库的应用研究探讨作者：王松林高传昌王玉川［摘要］异重流排沙一般仅在调水调沙后期采用，只能将运行至坝前的部分细粒径泥沙排出; 射流清淤技术在浅水中进行局部的采砂、清淤有广泛的应用，二者在深水泥沙处理上均存在一定的局限性。

为此，结合异重流产生和运动的特点，提出利用自激吸气式脉冲射流装置制造人工异重流进行冲驱泥沙的新方法。

研究并探讨了技术的可行性及影响因素，以及清淤河段的选择，对脉冲射流的冲沙速度等技术参数进行了论证，以求解决深水条件下大面积、长距离的大量排沙清淤的技术难题。

［关键词］自激吸气式; 脉冲射流; 人工异重流; 输沙; 淤积［中图分类号］ TV145 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1006-7175(2013) 11-0052-04Self-excited Air-breathing Pulse Jet Device in More Deepwater Reservoir Silt Applied ResearchWANG Song-lin1，GAO Chuan-chang1，WANG Yu-chuan2Abstract: Density disilting generally only used in the water and sediment regulation later，Can only be run to dam the part before the fine grain size of sediment; Jet dredging technology in shallow water for local sand，silt is widely used，two in certain limitations of deepwater sediment treatment are. Therefore，combined with the characteristics of density current generation and movement，the pulse jet device for producing artificial density current new method of scouring sediment by self suction. Research and discuss the feasibility and influence factors of technology，as well as the choice of the dredging of river，The pulse jet flushing speed technology parameters are discussed，in order to solve the Deepwater conditions of large area，long distance，large desilting at technical problem.Key words: self aspirated; pulsed jet; artificial density current; sediment; siltation0 研究背景面对水库泥沙处理这一世界难题，主要通过水库联合调度、泥沙扰动等手段，采用异重流排沙方式进行处理。

20 世纪70 年代左右，我国水利工作者已在陕西黑松林水库、辽宁红山水库和山西小河口水库等水库中运用异重流将库中的泥沙排出，取得了良好的效果。

据统计，按水库中形成的异重流排沙方式，中小型水库排沙比可达60%，最高达80%以上［1］。

小浪底水库的调水调沙实践［2］证明，异重流在水库形成后，可以在水下长距离运行，直到排出库外，达到排沙清淤的效果。

南非Welbedacht水库、美国Lake Mead 水库、Elephant Butte 水库等都有利用天然泥沙产生异重流输沙成功的经验［1］。

异重流排沙一般仅在调水调沙后期采用，且只能将运行至坝前的部分细粒径泥沙排出，存在一定的局限性。

针对异重流产生和运动的特点，能否利用自激吸气式脉冲射流装置冲击库底泥沙产生人工异重流，以解决水库淤积问题，目前在国内外仍然是个空白，但国内外学者对利用射流冲刷水下淤积物进行了研究与应用。

1945年，美国格劳公司［4］利用射流泵增加挖泥船离心式泥泵的吸柱，在南部各州中开挖砂石河床。

1969 年，I ·让德(I·Zandi) ［5］设计了一套从海底取沙的射流泵系统，对新泽西州的格德海滩进行整治。

美国海军土木工程实验室(NCEL) 为解决军港淤积问题，曾进行了一系列射流清淤的室内和野外试验研究［6-7］。

英国建造了射流式挖泥船，为北陆架石油开采、海港疏浚和采砂工程服务。

格林－波劳汀公司生产的W 型系列射流泵用于排泥沙。

日本研制成功的“亚洲一号”、“飞龟号”等大型射流挖泥船，挖取海底80～100 m深的海沙，进行围海造地。

前苏联在乌拉尔河截弯取直工程引河开挖中和莫斯科运河开挖中，使用了射流挖泥船。

在国内，陆宏圻［4］先后研制了7 种JET型射流挖泥船，分别在广东、湖北、上海和菲律宾等水库清淤中应用。

金文林［8］和黑龙江水科院研制了射流式挖泥船。

2000 年，由广州船舶院、长江船舶设计院和上海708 所设计的3 艘新型清淤射流船，目前在黄河潼关清淤，运行状态良好。

1996-2000 年，黄河水利科学研究院［9］对射流清淤进行了大量试验研究，并在黄河潼关河段进行了射流清淤工程实践。

李芳君等［10］对水下圆截面贴底射流及对周围淤泥质床面的冲刷作用进行了试验研究，给出了射流冲刷坑尺度的经验公式。

台湾大学HerveCapart 教授和彭子轩博士［11］针对海底铺设管道、电缆等深水作业工程需求，运用流体力学和湍流射流理论，将浅层流理论扩展到水下射流冲击泥沙的运动过程中，推导了深水条件下静止连续射流冲击松散沙床的运动控制方程。

王建生［16］对脉冲射流水下(浅水) 穿透特性进行了研究，试验表明，水下脉冲射流的穿透性能明显优于连续射流，最大打击力增加40%左右，体积冲蚀速度提高72%左右，最优靶距提高了20%～50%。

高传昌［17］关于脉冲射流的研究结果表明，脉冲射流比连续射流的效率提高了10%～15%，最高达25%以上。

上述射流清淤技术研究或应用是在较浅的水深中进行，或者是局部的采砂、清淤。

本文根据异重流的特点、运行方式，分析利用自激吸气式脉冲射流装置产生人工异重流冲驱泥沙可行性、影响因素，对清淤河段的选择、脉冲射流的冲沙速度等技术参数进行了论证，为自激吸气式脉冲射流装置的实际应用提供理论基础，以求解决深水条件的大面积、长距离的大量排沙清淤，解决水库淤积问题。

1 水库异重流水流挟沙量不同使产生的浑水密度存在差异，浑水的密度较大，因此形成的水库异重流是潜入库底的，且具有很强的挟沙能力，可远距离持续输送泥沙。

由于异重流的高粘性，对河床有较强的剪切冲刷能力。

水库泥沙异重流是利用自然条件形成的，能否人为创造形成水库泥沙异重流持续运动的条件，继而产生异重流，这种异重流被称为人工异重流。

1. 1 异重流运行条件黄河水利科学研究院深入研究了异重流运行条件，异重流潜入点水深亦可用下式计算:（1）韩其为认为，异重流潜入后，经过一定距离运行后成为均匀流，其水深:（2）式中: ηg为重力修正系数; g 为有效重力加速度; Q为流量; B 平均宽度; J0为水库底坡; λ'为异重流的阻力系数，取为0. 025。

若异重流均匀流水深h'n ＜ h0，则潜入成功; 反之，异重流水深将超过表层清水水面，则异重流上浮而消失。

当时，相应临界底坡J0，c = J0 = 0. 001 875。

即一般来讲，异重流除满足潜入条件式(1)-式(2)之外，还应满足水库底坡J0 ＞ J0，c 。

因此，库区形成锥体淤积形态后，往往难以形成异重流输沙流态。

1. 2 自激吸气式脉冲射流人工异重流的基本思路利用射流冲驱泥沙制造人工异重流的构想见图1。

在水库中，抽取表层清水通过自激吸气式脉冲射流装置形成液气两相高速脉冲射流，由坝前开始冲击水库底部的泥沙淤积面，使泥沙悬浮，利用调水调沙时的水流携带向前运行形成人工异重流。

另外，由于射流冲击作用，在泥沙淤积面会自上而下由冲坑扩展为渠槽，渠槽内的泥沙在水流作用下向前运行，也会形成异重流。

这就是利用液气自激振荡射流制造人工异重流的基本构想。

1. 3 自激吸气式脉冲射流人工异重流特点从自激吸气式脉冲射流装置产生人工异重流的过程得知其特点为: ①产生的人工异重流是在淤积的水库中根据需要人工干预产生的，不依赖上游河流浑水入库; ②由下游开始产生人工异重流且不断地向上游发展，但仅在沿冲沙形成的渠槽内上游向下游运动; ③含沙量同库底淤积面的坡度、淤积泥沙的特性、自激吸气式脉冲射流装置的性能及运动状况有关。

2 自激吸气式脉冲射流异重流理论基础脉冲射流冲击靶物产生远远大于连续射流的冲击力的原因［18］是，在对水介质冲击压缩的过程中产生水锤效应。

产生水锤效应的原因是水具有惯性和可压缩性，当高速水射流接近靶物时，靶物表面附近的流体速度突然减小，但水的惯性却使水流维持原先的速度，这样将在靶物表面附近引起液体质点的拥挤和压缩。

由动量定理可知，流体速度或动量的降低必然引起压力升高，此压力增量即为水锤压力PH，是一种压力阶跃，它以声速a 在液体介质内传播。

射流在突然冲击靶物时产生的水锤压力为:（3）式中: ρs为靶材密度; as为靶材中声音传播速度。

对于冲沙这种开放的水力冲击体系，只有当射流平端面与靶物表面接触时，连续射流才处于一种封闭的压缩状态，这时才能产生水锤效应; 而当液体内部压力释放并开始出现液体的径向流动时，液体对靶体的加载压力降低为通常的滞止压力。

但是如果采用脉冲射流，就可以周期性制造射流平端面与靶物表面的接触，产生周期性的水锤压力。

当脉冲射流冲击泥沙时就可以对泥沙产生周期性的水锤压力，对泥沙形成破坏，使其获得更大的能量，而且脉冲射流可以消除连续射流对泥沙的“压持效应”，使泥沙更好地向周围悬浮。

目前，高压水射流技术的淹没水深已经可以达到几百米，主要用于水下破岩、切割等。

但由于流量小，其并不适用于水库泥沙扰动。

作为新兴低压大流量射流中的自激脉冲射流，近几年得到快速的发展，该装置体积小、结构简单、密封性好、可靠性高以及成本低廉，无需附加外驱动机构，通常认为对于自激脉冲射流，在腔内射流核两侧低压区域易产生空化，形成空化脉冲射流。

但是在淹没条件下要想产生空化，必须增大工作压力，加大输入能量。

笔者在前人研究的基础上，研制一种新式低压大流量自激吸气式脉冲射流装置，并采用自制淹没射流冲蚀试验平台对不同淹没水深射流进行冲蚀试验研究，选用石蜡作为冲蚀样本，比较自激吸气式脉冲射流和连续射流对石蜡的冲蚀效果，石蜡冲蚀效果见图2。