（岩土工程专业论文）水下真空预压中真空产生机制、预压加固机理及其应用技术研究.pdf

中文摘要 将真空预压技术拓展于水下软基的处理即水下真空预压直未能实现， 其主要原因是水下真空预压加固机理尚不甚清楚以及水下施工工艺存在诸多 难题。而随着沿海滩涂的开发和港口建设向深水发展，水下真空预压加固软 土地基技术在水下开挖工程、高桩码头的岸坡处理工程和防波堤工程等领域 有着广阔的应用前景和适用性。为发展和推广水下真空预压预压，本文采用 模型试验、理论分析和数值模拟等研究手段，对水下真空预压技术的真空产 生机制，加固机理、和施工工艺和监测手段等进行了系统的研究。 通过理论计算和试验研究对抽真空设备和真空产生机制进行了研究，研 究表明抽水系统中射流泵部分可作适当改进，改进后的抽真空设备可产生 7 5 - 9 5 k p a 的真空度，可以应用于水下真空预压。当阀门关闭时随着设备入水 深度的增加，水头损失增大，因此所获得的真空度呈降低的趋势，随着入水 深度的增加抽真空设备内的流量明显增大，其变化趋势与实验获得的观测数 据基本相符。 室内模型试验表明，在水深l o m 下，通过室内水下真空预压和真空联合 堆载预压的对比模型试验( 水深逐级增加至1 0 r e ) ，证实了膜上水压可以作 为预压荷载，水下真空预压的预压荷载等于预压前的孔隙水压力和预压后( 完 全固结) 的孔隙水压力之差，当膜下砂垫层中的孔隙水压力小于0 时，膜上 水可全部作为预压荷载起作用，这时水下真空预压的预压荷载等于膜上水压 和膜下真空度之和。在水下真空预压过程中，加固区边界外的水产生向边界 内渗流不会引起土体破坏。 提出了水下真空预压加固地基渗流计算和固结计算的基本方程，介绍了 采用有限元方法进行水下真空预压加固地基固结计算的基本过程；论述了真 空预压加固地基数值分析中对土体本构方程的选择、位移和孔压边界条件处 理、密封膜的处理等问题；对水下真空预压加固过程进行了数值模拟。 针对水下施工的特点，对水下真空预压中的关键性技术滤管铺设、膜的 铺设和射流泵的安装等进行了系统的研究，并对水下真空预压的关键施工工 序一水下铺膜技术进行了研究，提出了水下铺膜车的设计构想。技术经济分 析证明，水下真空预压具有较好的适用性和良好的经济效益。对水下真空预 压监测技术和手段进行了研究，提出用液体压差沉降仪来测量地表沉降和分 层沉降的方法，即通过不同测点处孔隙水压力的差值来观测地表沉降和分层 沉降。 关键词：地基处理；水下真空预压；模型试验；数值模拟；施工工艺；监测 方法 a b s t r a c t s o rs o i li sd i s t r i b u t e di nt h ev a s ta r e ao ft h ew o r l dw i t hp o o rp r o p e r t y v a c u u mp r e l o a d i n gi sp o p u l a rs o f ts o i li m p r o v e m e n tt e c h n o l o g y i nc i v i l ，p o r t ， c o m m u n i c a t i o n ，a n dh y d r a u l i ce n g i n e e r i n g u s u a l l y ，v a c u u mp r e l o a d i n g 1 s l i m i t e di nl a n db e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t y o fu n d e r w a t e re n g i n e e r i n ga n dt h e u n c e r t a i n t y o fm e c h a n i s mi n u n d e r w a t e rv a c u u mp r e l o a d i n g w i t h t h e d e v e l o p m e n tt h ec o n s t r u c t i o n a n dt e c h n o l o g y ，t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f u n d e r w a t e rv a c u u mp r e l o a d i n gc a nb ep o s s i b l ea n dn e c e s s a r y t h es t u d yw a s d i r e c t e dt o w a r dt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h em e c h a n i s mo fu n d e r w a t e r v a c u u mp r e l o a d i n gt e c h n i q u e ，t h ee q u i p m e n tf o r v a c u u mp u m p i n ga n dt h e t e c h n o l o g i c a lp r o c e s sf o ri m p l e m e n t a t i o no f u n d e r w a t e rv a c u u mp r e l o a d i n g d u r i n gt h ef e a s i b i l i t ys t u d y ，t h ee x i s t i n g l a n d - b a s e dv a c u u mp u m p i n g e a u i p m e n tw a st e s t e di nt h ew a t e ra n dr a t i o n a l l ya n a l y z e db yw a y o fc o m b i n l n g t h e o r e t i c a ir e s e a r c hw i t hm o d e lt e s t i n g i tw a sk n o w nf r o m t h el a b o r a t o r yt e s t s t h a t ，t h el a n d b a s e dv a c u u me q u i p m e n t w a sc a p a b l eo fp r o d u c i n gav a c u u mo f9 5 t o7 5k p aa n dt h e yc o u l db eu s e di nu n d e r w a t e rv a c u u mp r e l o a d i n g t h ew o r k i n gm e c h a n i s mo ft h ew a t e ro nt 叩o ft h es e a l i n gm e m b r a n ew a s s t u d i e dt h r o u g hl a b o r a t o r ym o d e lt e s t sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s e s t h ep r e - l o a d s p r o d u c e db yt h eu n d e r w a t e rv a c u u mp r e l o a d i n ge q u a lt h e s u mo ft h ew a t e r p r e s s u r eo nt h es e a l i n gm e m b r a n ea n dt h ev a c u u mb e n e a t h t h es e a l i n gm e m b r a n e i nt h el a b o r a t o r yt e s t s ，w h e nt h ew a t e rh e a dw a s10m ，t h ew h o l e w a t e rp r e s s u r e ( 1o ok p a ) c o u l db ec o n v e r t e d i n t o p r e l o a d s d u r i n g t h ei m p l e m e n t a t i o no t u n d e r 、a t e rv a c u u mp r e l o a d i n g ，t h ei n f i l t r a t e df l o wo fw a t e rf r o mo u t s i d et h e b o u n d a r yo fs o i lb e i n gc o n s o l i d a t e dw o u l d n tr e s u l ti nt h e f a i l u r eo ft h es o i lm a s s d u r i n gt h el a b o r a t o r yt e s t s ，t h ec h a n g eo f j e t t i n gp a r a m e t e r sw i t ht h ew a t e rd e p t h i nd i f j f e r e n tc i r c u m s t a n c e sd u r i n gv a c u u mp u m p i n gw a sa l s os t u d i e dt o a c h i e v ea s e r i e so fr e g u l a rp a t t e r n s a n dt h el a b o r a t o r ym o d e lt e s t so fu n d e r w a t e rv a c u u m p r e l o a d i n g h a v ev e r i f i e dt h ew o r k i n gm e c h a n i s m o fu n d e r w a t e rv a c u u m p r e l o a d i n ga n dt h ec o n v e r s i o no f w a t e rp r e s s u r ei n t op r e l o a d s b a s i ct h e o r ya n dg o v e r n i n ge q u a t i o n so fu n d e r w a t e rv a c u u mp r e l o a d i n g w e r ef i r s t l yi n t r o d u c e d b a s i cp r o c e s so fu n d e r w a t e rv a c u u mp r e l o a d i n ga n a l y s i s u s i n g1 f i n i t ee l e m e n tm e t h o dw a si n t r o d u c e d t h e nu s i n g f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n u m e r i c a ls t u d yo nt h ep r o c e s so fu n d e r w a t e rv a c u u mp r e l o a d i n gw a s c o n d u c t e d i l s o m e k e ys u b j e c t so fn u m e r i ca n a l y s i sw e r ed i s c u s s e ds u c h a s ：s e l e c t i n g p r i n c i p l e so fc o n s t i t u t i v ee q u a t i o n so fs o f ts o i l ，t h et r e a t m e n tm e t h o d sf o r b o u n d a r yc o n d i t i o no fd i s p l a c e m e n ta n dp o r ew a t e rp r e s s u r e ，t h es i m u l a t i o no f s e a l i n gm e m b r a n e b a s eo nt h ef e a t u r eo fu n d e r w a t e rc o n s t r u c t i o n ，s o m e k e yt e c h n o l og yo f u n d e r w a t e rv a c u u mp r e l o a d i n gw e r es t u d i e ds u c ha s t h e l a y i n go fs e a l i n g m e m b r a n ea n df i l e rt u b e ，t h ei n s t a l l i n go fv a c u u mp u m p t h e s t u d yw a sf o c u so n o n eo tt h ek e yp r o c e d u r e s ，t h eu n d e r w a t e rs e a l i n gm e m b r a n el a y i n gt e c h n o l o g v a n dac o n c e p to fu n d e r w a t e rm e m b r a n e - l a y i n gv e h i c l ew a sp r e s e n t e di n t h i s s t u d y i ti ss u g g e s tb ym o n i t o r i n gt e c h n o l o g yo fu n d e r w a t e rv a c u u m p r e l o a d i n g c o n s t r u c t i o ns t u d yt h a tt h es e t t l e m e n to fg r o u n ds u r f a c ec a nb em e a s u r e db v li q u i dd i f f e r e n t i a lp r e s s u r es e t t l e m e n tm e t r e t h i sm e t h o do b t a i n st h es e t t l e m e n t f r o mt h ed i f f e r e n t i a lv a l u eo fp o r ew a t e r p r e s s u r ea te a c hm e a s u r i n gp o i n t t h e c o s t e f f e c t i v e n e s s a n a l y s i sr e v e a l e dt h a tu n d e r w a t e rv a c u u m p r e l o a d i n gh a s f a i r l yg o o da p p l i c a b i l i t ya n de c o n o m i c a le f f i c i e n c y k e y w o r d s ：f o u n d a t i o nt r e a t m e n t ，a n d e r w a t e rv a c u u m p r e l o a d i n g ，m o d e l e x p e r i m e n t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y ，m o n i t o r i n gm e t h o d m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和l 阪得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗叁鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在沦文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：旅番乏 签字日期： 哪多；工月名 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤聋盘鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘童叁鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字f - i 期： 即孬 欲敌 ， z - f - j7 j 苏 导师签名： 签字h 期： 豫以 叫f ny gr 第一章引言 第一章引言 1 1 真空预压加固软土地基技术 软土是指沿海的滨海相、三角洲相、内陆平原或山区的河流相、湖泊相、 沼泽相等主要由细粒土组成的土，具有孔隙比大( 一般大于1 ) 、天然含水量 高( 接近或大于液限) 、压缩性高( a 1 2 o 5 m p a 以) 和强度低的特点，包括淤 泥、淤泥质粘性土、淤泥质粉土等，多数还具有高灵敏度的结构。软土在我 国沿海地区分布广泛，内陆平原和山区亦有分布。软土地基在欧美各国、日 本、东南亚都有有分布，我国东海、黄海、渤海、南海等沿海地区，例如滨 海相沉积的天津塘沽，浙江温州、宁波等地，以及溺谷相沉积的闽江口平原 河滩相沉积的长江中下游、珠江下游、淮河平原、松辽平原等地区。内陆( 山 区) 软土主要位于湖相沉积的洞庭湖、洪泽湖、太湖、鄱阳湖四周和古云梦泽 地区边缘地带，以及昆明的滇池地区，贵州六盘水地区的洪积扇等。随着国 民经济的发展和城市建设的发展，很多工程不得不建造在软土地基上，由于 软土具有含水量高、孔隙比大、强度低、压缩性高、渗透性小的特点，为保 证建筑物的安全和正常使用，除非采用深基础，否则必须对天然地基进行加 固处理。 加固软土地基的方法很纠1 】【1 2 】，但每种方法都有一定的适用范围，必须 根据地质情况、施工条件、地区特点及使用要求进行选择，同时，应遵守就 地取材、因地制宜、节约三材的原则，以期得到最大的经济效益。真空预压 法i l 习【2 0 】就是在这种基础上提出来的。根据交通部的安排，在天津港务局的 大力支持下，天津港湾工程研究所于1 9 8 0 年开始了真空预压的研究1 2 l 】- 【2 2 j ， 开展了l l m 2 4 m 的现场探索试验，进行了5 5 0 m 2 与1 2 5 0 m 2 的中间试验， 研究出了合适的抽真空设备和铺膜工艺，真空预压施工获得了成功。同时联 合天津大学在分析国内外研究资料的基础上，进行了真空预压机理研究，提 出了负压条件下的固结模型和解题方法。1 8 8 3 年，真空预压法加固软土地基 技术正式列入国家科技攻关项目并于1 9 8 5 年通过了国家鉴定，随后广泛应用 于港口、公路、水利工程等领域，加固面积已超过2 0 0 0 万m 2 ，取得了巨大 的经济效益和社会效益。 真空预压加固地基方法最早由瑞典皇家地质学院杰尔曼( w k j e l l m a n ) 于 1 9 5 2 年提出，1 9 5 8 年美国费城机场首次采用真空井点降水与砂井相结合的工 法处理飞机跑道扩建工程的地基问题，随后日本、芬兰、苏联、法国、美国、 第一章引言 瑞典等地都有该工法的应用报道，但由于抽真空设备效率、气水分离技术、 密封技术等关键问题未能很好解决，很长一段时间该工法没有得到广泛应用。 我国早在5 0 年代就开始对该工法的研究，但当时也没能使之成功用于现场地 基的加固。 2 0 世纪8 0 年代，我国交通部一航局、天津大学、南京水利科学院土工 所等单位对真空预压加固软土地基在施工工艺和设计方法等方面做了不少工 作，使其在工程应用中取得成功，此后该工法得到很大的发展。从单一的真 空预压法加固软土地基发展到真空联合堆载、真空联合电渗、真空联合降水、 真空联合碎石桩加固软土地基等一系列各种工法。特别是真空联合堆载加固 软基工法，在软土地区高等级公路建设上具有相当优势，得到广泛应用。 在国外，原来制约该工法应用的关键技术问题也得到了相应的解决，形 成了一些比较成熟的采用真空预压原理加固软土地基的技术，并在工程实践 中得到了广泛应用，如法国m e n a r d 公司的真空固结法( m e n a r dv a c u u m c o n s o l i d a t i o nm e t h o d ) 和荷兰i f c o 公司的i f c o 真空强制固结法等。 目前，国内外真空预压加固软土地基应用日益增多，在机理研究、施工 工艺、设计理论等方面也得到了一些发展，但理论研究仍落后于工程实践， 制约了该工法的进一步发展和工程应用，已引起学术界和工程界的普遍关注。 卜也一 卜l - 一 铆始有效戍力 簟加的育麓盛力 图1 1 真空预压法加固机理简图 在真空预压法加固软土地基技术的理论和实际应用方面，我国在世界上 2 亘图 纠田 砌 力 默 锯 剐 火 囫囵 第一章引言 已处于领先地位，对真空预压法加固机理的研究也比较透彻【2 2 】【3 5 1 。真空预 压法属于排水固结法，它是在不增加土的总应力的情况下，通过降低膜下排 水通道中的大气压力，使膜上膜下形成压力差，在该压力差的作用下土体得 以排水固结，见图1 1 。 1 2 水下真空预压技术的提出 真空预压技术在陆上应用已取得了巨大的成功，但将该项技术拓展于水 下软基的技术研究及应用却一直未能实现。其主要原因是水下真空预压加固 机理尚不甚清楚以及水下施工工艺存在诸多难题。当前，抽真空所用材料、 工艺、设备已经进行了较大的改进，陆上真空预压施工技术日臻完善，为水 下真空预压的研究提供了条件。随着沿海滩涂的开发和港i = l 建设向深水发展， 水下真空预压技术有着广阔的应用前景和适用性，一旦成功实施，至少可以 解决以下几个问题： ( 1 ) 水下开挖工程 由于港口建设受工期、施工场地的限制，水下淤泥在边坡较陡又未被加 固的情况下进行开挖，易于导致滑坡，比如天津港南疆港区焦炭泊位挖泥过 程中的滑坡。为避免出现岸坡失稳问题，天津港北港池集装箱码头工程的建 设中，采用的处理方法是先回填形成陆域，然后采用真空联合堆载预压加固， 最后再开挖岸坡，这样虽然保证了岸坡开挖过程中的稳定性，但延长了工期， 增加了工程造价。如果提前采用水下真空预压技术对放坡处水下淤泥进行加 固，使其强度提高，同样可以保证岸坡的稳定性，但工期缩短，造价降低。 ( 2 ) 高桩码头的岸坡处理工程 a 、高桩码头接岸结构施工回填时岸坡产生的位移造成码头后几排桩、梁、 板变形、开裂等问题是高桩码头施工过程中的普遍问题，更有甚者，岸坡产 生的位移会将桩挤断，使码头结构受到破坏，给业主单位造成巨大的损失， 例如天津港南疆矿石码头的岸坡位移造成3 0 多根桩产生较大的位移或折断。 如果提前采用水下真空预压技术对岸坡处水下淤泥进行加固后再打桩，就可 以避免上述问题的发生，提高码头的使用年限。 b 、采用水下真空预压技术还可以减小高桩码头的承台宽度，增加后方陆 域堆场的使用面积，提高堆场的使用效率。由于受码头施工场地的限制，要 想减小码头的承台宽度，目前只能采取下面的方法：先进行回填形成陆域， 再采用陆上地基处理技术对地基进行加固，最后再开挖至设计要求的标高， 采用该法施工开挖回填工作量很大，施工工期很长，且回填时易对海侧挤淤 3 第一章引言 造成环境污染，比如天津港北港池集装箱码头工程采用该方法来处理，使得 承台宽度由9 0 m 减少到7 0 m 。如果采用水下真空预压技术对高桩码头岸坡处 水下淤泥进行加固后再开挖，在达到同样目的的情况下可减小大量的开挖工 作量，并且没有回填工作量，又可缩短施工工期。 c 、改变码头的结构形式 采用水下真空预压技术可将部分高桩码头结构设计改为重力式码头结 构，节约造价。对码头岸坡开挖到设计深度后，采用水下真空预压技术对岸 坡处的软土进行加固，待地基土达到一定强度后开始重力式码头的施工，施 工结束后再停止水下真空预压。 ( 3 ) 防波堤施工 采用水下真空预压技术对水下软土地基进行加固后，地基土的强度得到 较大提高，在保证防波堤地基稳定的基础上可以缩小防波堤断面尺寸，在节 省大量材料的同时可以缩短施工工期。同时，地基土的主要沉降量在水下真 空预压过程中发生，可有效地控制防波堤堤顶标高。 在防波堤施工中也可考虑边抽真空边进行防波堤施工。 ( 4 ) 代替传统的换填法施工工程 近几年来国家对海上环境污染控制逐渐严格，采用传统的换填法施工作 业可能给海上养殖业带来严重影响，采用水下真空预压施工技术可减少淤泥 的挖填量，减少环境污染。 课题研究中的水下平铺膜机械和垂直插膜机械一旦研制成功，可应用于 陆上真空预压施工中，大大提高真空预压施工的机械化程度；由于采用垂直 插膜机械可将密封膜插入到地面以下8 l o r e ，对1 0 m 深度范围内有透气土层 的地区可以不再打设粘土密封墙，节约工程造价；即使没有透气土层，由于 密封膜埋到地面以下8 l o m ，也可使加固区边界处的土体密封性大大提高， 减少大量的抽真空设备，节约大量能源，更利于将真空预压技术推向国际市 场。 因此，对水下真空预压技术进行研究，既是市场需要，也是真空预压技 术进一步深入发展的必然。 但到目前为止，对水下真空预压技术研究的深度较浅，日本、英国、美 国等少数国家有一些试验或构想，例如日本在大阪南港进行过刚性膜的水下 真空预压试验，在关西海湾进行过单孔刚性密封帽的水下真空预压试验，这 两项试验不仅面积小，而且都因工艺和抽真空设备问题，未能达到满意的效 果。1 9 8 5 1 9 8 6 年天津港湾工程研究所结合天津新港东突堤码头岸坡稳定， 在潮间带曾进行过真空预压试验，试验面积3 0 2 0m 2 ，膜上水深在0 - 6m 之 4 第章引言 间变化，真空压力达5 5 0 m m h g ，真空预压6 4 天，中心点沉降7 9 5 c m ，深度 8 m 范围内强度增长达6 7 - - , 1 7 l ，取得了较好的加固效果。该试验针对陆上 真空预压有两点改进：首先，密封膜选用的是0 2 - - 0 4 m m 厚的风筒革，铺 膜工艺为卷装铺设工艺，但铺膜是在落潮时试验区露出地面后进行的，不是 真正意义上的水下铺膜。其次，为了克服涨潮对抽真空设备的影响，将离心 泵和射流泵分离，射流泵留在水下，离心泵放置在小船( 方驳) 上，离心泵 和射流泵用供水管连接。尽管其铺膜工艺和抽真空设备有所改进，但是并没 有真正解决水下真空预压技术应用于深水( 如水深1 0 m ) 中的施工技术难题。 在此后的十几年中，由于没有合适的依托工程和研究经费，这项技术的开发 应用就一直处于搁置状态。 1 3 本文的工作及技术路线 本文主要研究水下真空预压加固软土地基的加固机理及其应用技术，具 体研究内容为： ( 1 ) 膜上水的作用机理，主要研究膜上水能否起到预压荷载的作用； ( 2 ) 膜下抽真空情况下，渗流压力是否会造成土体破坏及其防治； ( 3 ) 研究水深对抽真空设备效率的影响，探讨陆上抽真空设备应用于 水下的可行性与适用性； ( 4 ) 研究适于海上作业的水下真空预压的施工工艺，包括埋膜密封技 术和抽真空技术； ( 5 ) 研究水下真空预压加固质量检验、施工监测技术和方法； ( 6 ) 测算水下真空预压的成本构成，论证其经济合理的适用范围。 本文采用理论研究与模型试验相结合，在借鉴国内外研究经验和总结过 去研究成果的基础上开展研究工作。具体如下： ( 1 ) 通过对现有陆上抽真空设备进行水下抽真空能力的检验，看其是 否适用于水下真空预压的施工，并通过调研和理论计算对其试验结果的合理 性进行分析； ( 2 ) 通过室内模型试验和理论分析相结合的方法对膜上水的作用机理 进行研究，主要是做三组试验，一组为模拟现场真空联合堆载预压试验，一 组为模拟水下真空预压试验，通过对两组试验土体的受力和变形情况进行对 比分析，找出水下真空预压技术的加固机理；第三组试验在土体中插入塑料 排水板，研究水下真空预压对较深处土层的加固效果以及真空度在土中的传 递情况； 第一章引言 ( 3 ) 采用室内试验和有限元数值计算相结合的方法，对水下真空预压 加固软土的机理进行阐述； ( 4 ) 由于没有合适的现场示范工程，我们进行了大量的调查研究，初 步找出了一套适合水下真空预压施工的施工工艺，并研究出一套施工监测技 术和对加固质量进行检验的方法，同时根据施工工艺的特点测算其成本构成。 第二章水下真空产生机制及抽真空设备的研究 2 1 概述 第二章水下真空产生机制及抽真空设备的研究 在水下真空预压可行性研究中，抽真空设备的研究是个关键环节，没 有合适的抽真空设备，水下真空预压的推广应用就成为一纸空谈，为此，我 们先对陆上真空预压使用的抽真空设备进行水下抽真空能力检验，看其在水 下具有多大的抽真空能力，再根据水力学及流体力学理论对试验结果进行理 论分析，同时找出抽真空设备的改进方法。 2 2 抽真空设备原理及其设计 2 2 1 射流泵产生负压的工作原理 图2 1 为进行水下真空预压试验中使用的射流泵内部结构示意图，整个 射流结构由如下几部分构成：喷嘴；吸水管：喉管进口段；喉管( 混 合室) ；扩散管。 图2 - 1射流泵内部结构图 当具有一定能量( 压力和流量) 的工作流体，经过喷嘴喷出，形成高速水 流，使侧壁压力降低。由于射流和空气之间产生的粘滞作用，把吸入室内的 空气带走，使该处产生负压( 真空) ，在外界大气压力以及液体的静压力作用 7 五 第二章水下真空产生机制及抽真空设备的研究 下，将被吸流体吸入吸入室，并随同高速工作液流带入喉管内，进行能量交 换。在喉管内，由于液体分子的紊动作用，工作流体将一部分动能传给吸入 流体。这样，工作流体的流速逐步减慢，被吸液体逐步加快，到达喉管末端， 两股液流的速度渐趋一致，混合过程基本完成。然后进入扩散管，在扩散管 内，流速逐步降低，压力上升，最后排出管外。 2 2 2 射流泵结构参数的选择 研究表明【3 6 】- 【3 7 1 ，射流泵的各结构参数对其性能有不同程度的影响。其中 对性能有显著影响的参数按次序是面积比、扩散角、喉嘴距，喉管进口角、 喉管长度。其中喉管进口角和喉管长度为次要影响因素。 根据已有的研究成果，应按照下面的要求适当地选取射流泵的主要技术 参数： ( 1 ) 面积比m 面积比是影响喷射泵性能的主要参数。m = 3 时具有高效点，m 在3 4 之 间是高效区。 其中m 为面积比为，可由下式计算： 一磊2 丽蕊而 西喉管断面积 ( 2 一1 ) ( 2 ) 扩散角( 口：) 扩散角是指圆锥形扩散管的角度，它也能较大的影响喷射泵的性能。 口，= 8 。时，喷射泵有高效点，4 。 口， 1 0 。是最好工作区。 ( 3 ) 喉嘴距( l 2 ) 喉嘴距是指喷嘴出口断面到喉管入口断面之间的距离。它对喷射泵性能 的影响也是显著的。l 2 = 1 5 d o 时，喷射泵具有高效点，o l 2 2 d o 是高效区。 ( 4 ) 喉管进口角( ) 喉管进口角是指喉管圆锥形进口段的角度，它对性能的影响表现为，较 小的进1 2 1 角或较大的进口角具有较高的效率和扬程比。 ( 5 ) 喉管长度( l 4 ) 喉管长度是指喉管圆柱段部分的长度，它对扬程和流量的影响很小，对 泵体的效率影响稍大，从效率指标考察可取产6 以为最好。 以此可知，射流泵较好的结构参数为： 面积比 m = 3 喉嘴距三2 = 1 5 a o 扩散角 口2 = 8 。 喉管进口角 口。3 0 。或1 2 0 。 第二章水下真空产生机制及抽真空设备的研究 喉管长度 三尸6 如 2 2 3 试验用射流泵尺寸校核 射流泵各部分尺寸详图见图2 2 a 试验用射流泵详图 图2 - 2 试验用射流泵尺寸图 各部分尺寸校核 面积比：肌= 筹= 等4 2 喉嘴距：每= 1 3 0 0 9 = 2 5 6 得l 2 = 2 5 6 函 3 扩散角铲2 嘴( 学- 2 酬等) = 8 。 4 喉管进口角铲2 伽喀( 警2 们增( 笳= 3 2 3 5 喉管长度 阜：i 1 7 0 ：3 5 即三4 ：3 5 d 2 a 2 o = 一= 臣h l 4 一j 以4 8 通过计算可知5 个影响因素中只有喉嘴距和喉管长度两个因素没有达到 9 第二章水下真空产生机制及抽真空设备的研究 最佳的要求，其中喉管长度三4 的变化对射流泵流量和扬程的影响很小但对泵 体效率的影响稍大。而喉嘴距三2 的影响范围国内外的研究众说不一，对流量 的影响不大，但对射流泵效率的影响显著。因此，试验用射流泵的尺寸是比 较合理的。 2 3 抽真空设备水下抽真空能力的检验方法 抽真空设备水下抽真空能力的检验分别在陆上淡水和海上咸水中进行。 2 0 0 2 年5 月2 日在天津市耐酸泵总厂的试验水池内( 水深7 1 m ) 进行了真 空预压设备的水下抽真空能力试验，但由于受水池深度所限，试验深度偏低， 取得的数据不充分。于是我们于7 月3 日和1 5 日在天津新港港池中又进行了 两次试验，取得了较为满意的结果。试验情况如下： 2 3 1 陆上淡水中真空设备水下抽真空能力试验 2 311 试验设备 采用陆上抽真空设备，由于流量测量需要一定长度的直流段，所以将连 接潜水泵和射流器的直流段加长了1 2 m 。改造后的抽真空设备见图2 3 。 真空表 图2 - 3 真空设备水下抽真空能力试验示意图( 7 1 m 深水池) 1 0 入水 第二章 水下真空产生机制及抽真空设备的研究 2 3 1 2 测量内容及手段 流量( 流速) ：采用天津求精科技发展有限公司生产的超声波时差流量计 ( s t b 固定式) 测量。其工作原理是利用超声波速在液体中传播时，液体的 流动将使传播时间产生微小的变化，并且其传播时间的变化与液体的流速成 正比。根据超声波沿液体流速正反两个方向的时间差来推算液体的流速。 真空度：采用真空表测量，表精度0 4 级，量程0 1 m p a - - 0 m p a 。 电流电压，采用万用表测量。 2 3 1 3 试验步骤 ( 1 ) 接上真空表，拧紧进水截门，将立式抽真空设备吊起放入试验水池中， 水淹没泵体即可( 入水深度为1 5 m ) ，开动水泵，安装时差式超声波流量计， 并不断调整使之达到最佳接收效果，然后将传感器压住，扣上密封盖，待流 量和真空表稳定后正式测量( 流量计、真空表、电流、电压) 。 ( 2 ) 关闭水泵，将真空设备的底部下沉到水下3 m 的位置，开启水泵，继 续测量上述内容。 ( 3 ) 关闭水泵，依次将真空设备的底部下沉到水下5 r n 、6 5 m 和7 1 m 的位 置( 下沉前接好各保护管) ，开启水泵，每个位置均测量上述内容。 ( 4 ) 使抽真空设备入水深度为1 5 m ，打开进水截门( 见图2 3 ) ，这时真空 度下降，不能维持关闭截门时的真空度，控制截门的打开幅度，使真空度维 持在8 2 k p a 。 ( 5 ) 再将该设备重新下沉到水下3 m 、5 m 和6 5 m 的位置，每个位置均测 量上述内容。 本试验只进行了立式抽真空设备试验。 2 3 2 海上真空设备水下抽真空能力试验 2 3 2 1 试验设备 见图2 4 ，在陆上淡水中试验设备上增加了一条进水( 进气) 管道( 图 中红色部分) 。 第二章水下真空产生机制及抽真空设备的研究 真空表 入水 图2 - 4 真空设备水下抽真空能力试验示意图( 天津新港港池中) 2 3 2 2 测量内容及手段 测量内容及手段同2 3 1 2 中的陆上淡水中试验。 2 3 2 3 试验步骤 对立式泵和卧式泵都做4 次试验( 见表2 1 ) ，具体试验步骤如下： 表2 - 1 抽真空设备试验情况说明 试验1 射流泵所有截门都关闭 试验2射流泵通过进水进气截门从表面进水 试验3射流泵通过下部的进水截门进水 试验4射流泵通过进水进气截门从进气 ( 1 ) 接上真空表，拧紧各截门，将立式设备吊起放入海水池中，水淹没泵 体即可( 入水深度为1 5 m )