一种疏浚粘土切削临界射流压力的测量方法与流程

本发明涉及一种疏浚粘土切削临界射流压力的测量方法，属于疏浚工程技术领域。

背景技术：

在疏浚工程中，耙吸挖泥船挖掘粘土时，常采用水射流切削的方式，不仅可以提高挖掘效率，而且可有效减粘，因而该方式得以广泛应用。然而，施工中射流速度的设定还依赖于经验。耙头喷嘴射流速度过大会增加射流能耗，加大施工成本；射流速度太小则无法冲破粘土，达不到预期效果。因此，需确定粘土切削时的临界射流压力，从而根据施工要求合理设定射流系统的工艺参数。

现存水流冲刷粘土临界状态的确定方法主要包括2种：方法1：让水流水平流经粘土床面，逐渐提高水流速度，通过肉眼观察或b超成像的方法观测床面的浑浊度，将泥沙出现少量动或普遍动作为临界状态的标准；方法2：采用水流垂直冲击粘土床面某点，测量并计算出粘土表面的消失速度和流动切应力，作冲刷速度随切应力的变化曲线，将该曲线的拐点作为临界状态点，采用该方法普遍发现临界状态与土体强度密切相关。

耙吸挖泥船上射流随船体一起运动，移动速度较快，达0.5-1.5m/s。采用现有方法测量这种快速移动下的破土临界压力，会存在下列不足：

1、方法1主要针对河床冲刷的预防，将泥沙稍有起动即作为河床收到冲刷的临界，但是疏浚施工以破碎土体为目的，床面的可观性破坏应该作为切削产生效果的临界，因此方法1的临界标准并不适合测量疏浚工程中的临界射流压力；

2、方法1采用肉眼观察或b超成像的方法观测床面浑浊度，疏浚中喷嘴贴床面移动时，对床面稍有插碰即可能产生水体浑浊，因此方法1的观测方法不适合疏浚中的贴壁移动射流切削；

3、方法2为了测量床面的消失速度，需频繁启闭射流以测量冲刷深度，在启闭过程中射流的强度会有所变化，造成的冲刷量也被包括到冲刷速度的计算中了，这必然会产生一定的系统误差。

4、临界状态与土体强度密切相关，喷嘴快速移动时切削的土体长度较大，这就要求该长度范围内土体强度均匀，这在现场基本无法做到，即使是在实验室内，其制备难度和工作量也非常大。

技术实现要素：

本发明针对现有临界状态方法不适合疏浚领域快速移动射流切削粘土的问题，提出一种临界射流压力的测量方法，可以保证消耗较少土样获取测量结果，即可降低备土难度和工作量，又可提高测量准确性，同时测量方法客观准确。

本发明的技术解决方案是：

选择强度均匀的区域，通过窗口切削的方式，采用不同强度的射流切削该区域，测量切削深度，绘制切削深度随射流压力变化的拟合直线，该直线在射流压力轴上的截距即为临界射流压力值。其中窗口切削指，露出选择区域，采用平板遮盖未选择土样区域，射流在土样上方移动时，仅会切削露出区域，该区域即为窗口区域，沿切削方向窗口的尺度称作窗口宽度。

具体测量步骤如下：

(1)、测量土样的不排水抗剪强度，选择强度均匀的区域作为实验区域；

(2)、根据实验条件选取固定的喷嘴和移动速度，采用某一强度的射流切削土样，若未出现显著切削深度，则适当提高射流压力，直至出现显著切削深度；在该射流强度上依次递增共取若干个射流压力值，作为实验工况，压力的测量通过电磁流量计测算喷嘴速度后计算获得；

pj＝8ρq²v/(π²d⁴)

式中，pj-射流压力；ρ-流体密度；qv-电磁流量计体积流量读数；d-喷嘴直径；

(3)、根据步骤(2)中选择的射流压力，采用合适的窗口宽度，在调试区调节阀门或水泵转速获得所需射流压力，待其稳定后，对步骤(1)的选择区域进行多次切削，测量每次的切削沟槽形状尺寸，在喷嘴移动方向，沿切削沟槽中线测量水平位置和切削深度进行测量，选择沟槽底部平整区域的切削深度求平均值作为各射流压力下的切削深度值

(4)、以射流压力为横坐标，切削深度值为纵坐标，在坐标系内绘制实验数据点，对冲刷相同次数的数据点采用直线拟合，获取各拟合直线与射流压力轴的截距，对同一强度的粘土实验发现这些截距变化较小，取这些截距的平均值作为临界射流压力值。

上述步骤(3)中采用合适的窗口宽度的方法如下：

当射流压力小于0.25mpa且粘土强度大于16kpa时，选择窗口宽度为16mm；当射流压力小于0.5mpa且粘土强度大于16kpa时，选择窗口宽度为32mm；当射流压力小于1.2mpa且粘土强度大于35kpa时，选择窗口宽度为48mm；对于上述范围之外的工况，通过调整窗口宽度进行试切削，寻求对切削深度无影响时的最小窗口宽度。

上述步骤(3)中沿切削沟槽中线测量水平位置和切削深度的测量方法如下：

水平位置采用位移传感器测量，切削深度采用激光测距仪测量。

本发明所达到的有益效果：

1、减少所需粘土试样用量，由于粘土试样制备过程复杂且耗时较大，可一次备土进行多次实验，既可保证所备土样特性的同一性，又可大大节省土样制备工序和时间。

2、测量手段和临界射流压力的标准客观，测量精度可控。摒除了测量过程中的主观因素，大大提高了测量的重复性。

3、测量均采用常用设备，测量方法简单，步骤明确，降低了测量难度和所需时间。

附图说明

图1为移动射流窗口切削布置的正视图。

图2为移动射流窗口切削布置的俯视图。

图3为临界射流压力的确定方法图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

一种疏浚粘土切削临界射流压力的测量方法，具体步骤如下：

(1)、测量土样的不排水抗剪强度，选择强度均匀的区域作为实验区域；

(2)、根据实验条件选取固定的喷嘴和移动速度，采用某一强度的射流切削土样，若未出现显著切削深度，则适当提高射流压力，直至出现显著切削深度；在该射流强度上依次递增共取若干个射流压力值，作为实验工况，压力的测量通过电磁流量计测算喷嘴速度后计算获得；

pj＝8ρq²v/(π²d⁴)

式中，pj-射流压力；ρ-流体密度；qv-电磁流量计体积流量读数；d-喷嘴直径；

(3)、如图1、图2所示，根据步骤(2)中选择的射流压力，采用合适的窗口宽度，在调试区调节阀门或水泵转速获得所需射流压力，待其稳定后，对步骤(1)的选择区域进行多次切削，测量每次的切削沟槽形状尺寸，在喷嘴移动方向，沿切削沟槽中线测量水平位置和切削深度进行测量，选择沟槽底部平整区域的切削深度求平均值作为各射流压力下的切削深度值

(4)、以射流压力为横坐标，切削深度值为纵坐标，如图3所示，在坐标系内绘制实验数据点，对冲刷相同次数的数据点采用直线拟合，获取各拟合直线与射流压力轴的截距，对同一强度的粘土实验发现这些截距变化较小，取这些截距的平均值作为临界射流压力值。

上述步骤(3)中采用合适的窗口宽度的方法如下：

当射流压力小于0.25mpa且粘土强度大于16kpa时，选择窗口宽度为16mm；当射流压力小于0.5mpa且粘土强度大于16kpa时，选择窗口宽度为32mm；当射流压力小于1.2mpa且粘土强度大于35kpa时，选择窗口宽度为48mm；对于上述范围之外的工况，通过调整窗口宽度进行试切削，寻求对切削深度无影响时的最小窗口宽度。

上述步骤(3)中沿切削沟槽中线测量水平位置和切削深度的测量方法如下：

水平位置采用位移传感器测量，切削深度采用激光测距仪测量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。