真空預(yù)壓用射流泵吸水試驗(yàn)研究

劉宏偉，陳明，梁愛(ài)華，李衛(wèi)，于建

（1.天津臨港工業(yè)區(qū)建設(shè)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，天津 300452；2.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456；3.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市港口巖土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

0 引言

在真空預(yù)壓施工中常用的抽真空設(shè)備主要為射流泵。其中射流泵一般由射流噴槍，水泵和射流水箱3部分組成。水泵主要采用潛水泵，其功率一般為7.5 kW和5.5 kW；常用的射流噴槍主要為φ50×φ25（喉管直徑×噴嘴直徑）、φ50×φ22、φ50×φ20、φ40×φ22、φ40×φ20、φ30×φ20等，其中φ30×φ20的射流噴槍在北方港區(qū)應(yīng)用非常廣泛。

JTS147-2—2009《真空預(yù)壓加固軟土地基技術(shù)規(guī)程》主要規(guī)定了潛水泵的功率、單泵控制面積、形成真空能力及抽真空過(guò)程中的開(kāi)泵率，對(duì)于射流噴槍的型號(hào)尺寸的規(guī)定甚少，而射流噴槍的工作效率對(duì)工程造價(jià)、加固工期及加固效果影響很大。

為了了解北方港區(qū)常用射流泵的工作效率、形成真空能力等，通過(guò)常用功率的潛水泵和現(xiàn)場(chǎng)常用的不同型號(hào)的射流噴槍匹配，進(jìn)行室內(nèi)吸水試驗(yàn)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，以有助于對(duì)真空預(yù)壓抽真空設(shè)備的選擇。

1 射流泵吸水試驗(yàn)方法及內(nèi)容

1.1 射流泵產(chǎn)生負(fù)壓的工作原理

潛水泵形成具有一定能量（壓力和流量）的工作流體，經(jīng)過(guò)射流噴槍噴嘴噴出，形成高速水流，使射流噴槍側(cè)壁壓力降低。由于射流和空氣之間產(chǎn)生的黏滯作用，把吸入室內(nèi)的空氣帶走，使該處產(chǎn)生負(fù)壓（真空），在外界大氣壓力以及液體的靜壓力作用下，將被吸流體吸入吸入室，并隨同高速工作液流帶入喉管內(nèi)，進(jìn)行能量交換。在喉管內(nèi)，由于液體分子的紊動(dòng)作用，工作流體將一部分動(dòng)能傳給吸入流體。這樣，工作流體的流速逐步減慢，被吸液體逐步加快，到達(dá)喉管末端，兩股液流的速度漸趨一致，混合過(guò)程基本完成。然后進(jìn)入擴(kuò)散管，在擴(kuò)散管內(nèi)，流速逐步降低，壓力上升，最后排出管外。

真空預(yù)壓就是利用射流泵的工作原理，膜下濾管通過(guò)出膜裝置和射流噴槍的吸入室相連，靠射流泵的連續(xù)工作，把膜下的水氣混和物排出，在地基土中形成負(fù)壓，使土體固結(jié)。射流噴槍的工作效率和真空預(yù)壓加固效果、工程造價(jià)息息相關(guān)。

研究表明，射流噴槍的各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其性能有不同程度的影響。其中對(duì)性能影響最顯著的參數(shù)是面積比[1-2]，面積比m計(jì)算式為：

1.2 試驗(yàn)方法

在真空預(yù)壓施工中，射流噴槍的吸入室單位時(shí)間的吸入量（水、氣）、以及在吸入過(guò)程在膜下形成真空度的高低是射流泵工作性能的體現(xiàn)。根據(jù)抽真空設(shè)備在真空預(yù)壓施工中的工作原理，設(shè)計(jì)了室內(nèi)吸水試驗(yàn)，見(jiàn)圖1。通過(guò)吸水試驗(yàn)，可以了解不同型號(hào)的射流噴槍單位時(shí)間的吸水量，形成真空壓力值、單位時(shí)間耗電量等，這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)真空預(yù)壓抽真空設(shè)備的選擇很有幫助。

圖1 室內(nèi)射流泵吸水試驗(yàn)示意圖

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)天津港地區(qū)常用的潛水泵，選擇了占有天津市場(chǎng)份額較多的兩個(gè)廠家：天津甘泉集團(tuán)公司生產(chǎn)的7.5 kW和5.5 kW的甘泉牌潛水泵，見(jiàn)圖2。江蘇連云港倍力特科技有限公司生產(chǎn)的倍力特牌7.5 kW和5.5 kW潛水泵，見(jiàn)圖3。泵的參數(shù)見(jiàn)表1。射流噴槍選用北方港區(qū)常用噴槍。射流噴槍具體參數(shù)見(jiàn)表2。實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備除了潛水泵和射流噴槍外，還有單相潛水泵、計(jì)量罐、壓力表、真空表、秒表等。真空表、壓力表精度等級(jí)為0.4級(jí)。

圖2 甘泉牌潛水泵

圖3 倍力特牌潛水泵

表1 試驗(yàn)用潛水泵參數(shù)表

表2 射流噴槍參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 射流泵單位時(shí)間吸水量分析

射流噴槍單位時(shí)間吸水量是射流泵工作效率的體現(xiàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)做射流泵單位時(shí)間吸水量隨射流噴槍面積比變化曲線見(jiàn)圖4?？梢钥闯觯?/p>

圖4 單位時(shí)間吸水量隨面積比變化曲線

1）射流噴槍面積比在3～6之間是高效區(qū)，單位時(shí)間吸水量大。

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2）不管是接7.5 kW的潛水泵還是接5.5 kW的潛水泵，噴嘴直徑為25mm、22mm，喉管直徑為50mm的射流噴槍單位時(shí)間吸水量?jī)?yōu)于喉管直徑為40mm、30mm的射流噴槍。

3）喉管直徑為30mm的射流噴槍，面積比最小，單位時(shí)間吸水量也最小，是其他射流噴槍的單位時(shí)間吸水量的一半甚至更少。

真空預(yù)壓施工抽真空初期，地基土中含有大量自由水和氣體，需要迅速排出，在常用的這幾種射流噴槍接7.5 kW、5.5 kW的潛水泵中，φ30×φ20的吸水效率顯然是最低的，φ50×φ25、φ50×φ22吸水效率最高，喉管直徑為40 mm的射流噴槍吸水效果居中。

2.2 閥門打開(kāi)狀態(tài)真空度變化分析

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)甘泉5.5 kW、倍力特5.5 kW潛水泵和φ50×φ20射流噴槍相連接時(shí)，泵前閥門關(guān)閉狀態(tài)下，真空度值為-0.089 MPa、-0.087 MPa，真空度值不能滿足JTS147-2—2009《真空預(yù)壓加固軟土地基技術(shù)規(guī)程》要求。

吸入室閥門為打開(kāi)狀態(tài)時(shí)，射流噴槍從計(jì)量罐內(nèi)吸水，計(jì)量罐非密閉容器，水體表面承受了一個(gè)大氣壓，吸入室形成的真空負(fù)壓不能達(dá)到-0.1MPa，但是仍然能夠說(shuō)明各種匹配情況效率的高低。不同面積比的射流噴槍接不同功率的潛水泵真空度隨面積比變化曲線見(jiàn)圖5。從這些可以看出：

圖5 真空度隨面積比變化曲線

1）對(duì)于形成的真空度而言，面積比在3～6之間是高效區(qū)，形成的真空負(fù)壓最低。

2）在吸入敞開(kāi)狀態(tài)下計(jì)量罐的水過(guò)程中，喉管直徑為50mm噴嘴直徑為22mm、25mm的射流噴槍形成真空度的效果最好；喉管直徑為40mm的射流噴槍形成真空度的效果居中；喉管直徑為30mm的射流噴槍，形成真空度的效果最差。

2.3 射流泵單位能耗工作效率分析

真空預(yù)壓施工中，臨時(shí)用電費(fèi)在工程造價(jià)中占有很大的比重[3]，射流泵的單位能耗工作效率和工程造價(jià)關(guān)系很大。同一臺(tái)潛水泵，射流噴槍不同，單位能耗的吸水量是不一樣的，選擇一款高效的射流噴槍來(lái)降低能耗、提高單位能耗的工作效率，進(jìn)而降低工程造價(jià)是至關(guān)重要的。潛水泵單位能耗吸水量隨射流噴槍面積比變化曲線見(jiàn)圖6?？梢钥闯觯?/p>

圖6 單位能耗吸水量隨面積比變化曲線

1）對(duì)于同一臺(tái)潛水泵接不同的射流噴槍，面積比在3～6之間單位能耗吸水量是高效區(qū)。

2）甘泉7.5 kW、5.5 kW，倍力特7.5 kW潛水泵接噴嘴直徑為25mm、22mm，喉管直徑為50mm的射流噴槍單位能耗吸水量?jī)?yōu)于喉管直徑為40mm、30mm的射流噴槍。喉管直徑為30mm的射流噴槍，面積比最小，單位能耗吸水量也最小，是非常不經(jīng)濟(jì)的。

3）倍力特5.5 kW的潛水泵接喉管直徑為40mm，噴嘴直徑為20mm的射流噴槍單位能耗吸水量工作效率最高。

把同一廠家的兩臺(tái)潛水泵放在一起做單位能耗吸水量隨面積比變化曲線，并添加趨勢(shì)線，見(jiàn)圖7?？梢钥闯觯?/p>

圖7 單位能耗吸水量隨面積比變化曲線

1）在沒(méi)有滿負(fù)荷工作條件下，甘泉7.5 kW、5.5 kW兩臺(tái)潛水泵分別接不同的射流噴槍，單位能耗吸水量工作效率相差不多，兩條趨勢(shì)線基本重合。倍力特5.5 kW的潛水泵接不同射流噴槍單位能耗吸水量工作效率優(yōu)于7.5 kW的潛水泵。

2）從趨勢(shì)線上來(lái)看，兩個(gè)廠家的潛水泵接不同的射流噴槍，面積比在5附近時(shí)，是單位能耗工作效率高效區(qū)，φ50×φ22的射流噴槍單位能耗吸水量工作效率相對(duì)較高。

3 結(jié)論

抽真空設(shè)備在真空預(yù)壓施工中起到至關(guān)重要的作用，它的優(yōu)劣、工作效率的高低直接決定施工能否順利進(jìn)行、工程造價(jià)高低以及地基加固效果的好壞。如何選擇抽真空設(shè)備尤其是射流噴槍非常重要。通過(guò)北方港區(qū)常用功率的潛水泵和常用的不同型號(hào)的射流噴槍相匹配，分別進(jìn)行單位時(shí)間吸水量、能耗、泵出水口壓力、真空度等方面的測(cè)試和數(shù)據(jù)分析，得到如下結(jié)論：

1）功率為7.5 kW、5.5 kW的潛水泵接不同型號(hào)的射流噴槍，射流噴槍面積比在3～6之間是高效區(qū)，單位時(shí)間吸水量大，形成真空負(fù)壓低，單位能耗吸水量大。

2）噴嘴直徑為25mm、22mm，喉管直徑為50mm的射流噴槍工作效率基本優(yōu)于喉管直徑為40mm、30mm的射流噴槍。

3）φ30×φ20射流噴槍從單位時(shí)間吸水量、單位能耗吸水量、形成真空負(fù)壓3個(gè)方面，效率都非常低，在真空預(yù)壓施工中可能會(huì)造成資源浪費(fèi)，不建議采用。

[1] 沈東，王難貴，卜育民.射流泵水力結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其性能的影響[J].云南工學(xué)院學(xué)報(bào) 1990（3）：24-35.

[2] 卜長(zhǎng)根.輕型井點(diǎn)降水變參數(shù)射流泵的設(shè)計(jì)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2003（1）：46-47.

[3] 董志凌.第四代真空射流裝置節(jié)能技術(shù)改造[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2010（3）：72-74.