真空预压用射流泵吸水试验研究

刘宏伟，陈明，梁爱华，李卫，于建

（1.天津临港工业区建设开发有限责任公司，天津 300452；2.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456；3.中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津市港口岩土工程重点实验室，天津 300222）

0 引言

在真空预压施工中常用的抽真空设备主要为射流泵。其中射流泵一般由射流喷枪，水泵和射流水箱3部分组成。水泵主要采用潜水泵，其功率一般为7.5 kW和5.5 kW；常用的射流喷枪主要为φ50×φ25（喉管直径×喷嘴直径）、φ50×φ22、φ50×φ20、φ40×φ22、φ40×φ20、φ30×φ20等，其中φ30×φ20的射流喷枪在北方港区应用非常广泛。

JTS147-2—2009《真空预压加固软土地基技术规程》主要规定了潜水泵的功率、单泵控制面积、形成真空能力及抽真空过程中的开泵率，对于射流喷枪的型号尺寸的规定甚少，而射流喷枪的工作效率对工程造价、加固工期及加固效果影响很大。

为了了解北方港区常用射流泵的工作效率、形成真空能力等，通过常用功率的潜水泵和现场常用的不同型号的射流喷枪匹配，进行室内吸水试验及试验数据分析，以有助于对真空预压抽真空设备的选择。

1 射流泵吸水试验方法及内容

1.1 射流泵产生负压的工作原理

潜水泵形成具有一定能量（压力和流量）的工作流体，经过射流喷枪喷嘴喷出，形成高速水流，使射流喷枪侧壁压力降低。由于射流和空气之间产生的黏滞作用，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。

真空预压就是利用射流泵的工作原理，膜下滤管通过出膜装置和射流喷枪的吸入室相连，靠射流泵的连续工作，把膜下的水气混和物排出，在地基土中形成负压，使土体固结。射流喷枪的工作效率和真空预压加固效果、工程造价息息相关。

研究表明，射流喷枪的各结构参数对其性能有不同程度的影响。其中对性能影响最显著的参数是面积比[1-2]，面积比m计算式为：

1.2 试验方法

在真空预压施工中，射流喷枪的吸入室单位时间的吸入量（水、气）、以及在吸入过程在膜下形成真空度的高低是射流泵工作性能的体现。根据抽真空设备在真空预压施工中的工作原理，设计了室内吸水试验，见图1。通过吸水试验，可以了解不同型号的射流喷枪单位时间的吸水量，形成真空压力值、单位时间耗电量等，这些实验数据对现场真空预压抽真空设备的选择很有帮助。

图1 室内射流泵吸水试验示意图

1.3 试验设备

根据天津港地区常用的潜水泵，选择了占有天津市场份额较多的两个厂家：天津甘泉集团公司生产的7.5 kW和5.5 kW的甘泉牌潜水泵，见图2。江苏连云港倍力特科技有限公司生产的倍力特牌7.5 kW和5.5 kW潜水泵，见图3。泵的参数见表1。射流喷枪选用北方港区常用喷枪。射流喷枪具体参数见表2。实验主要设备除了潜水泵和射流喷枪外，还有单相潜水泵、计量罐、压力表、真空表、秒表等。真空表、压力表精度等级为0.4级。

图2 甘泉牌潜水泵

图3 倍力特牌潜水泵

表1 试验用潜水泵参数表

表2 射流喷枪参数

2 试验结果分析

2.1 射流泵单位时间吸水量分析

射流喷枪单位时间吸水量是射流泵工作效率的体现，根据试验数据做射流泵单位时间吸水量随射流喷枪面积比变化曲线见图4。可以看出：

图4 单位时间吸水量随面积比变化曲线

1）射流喷枪面积比在3～6之间是高效区，单位时间吸水量大。

当代中国宪法学的发展不仅具有人类政治文明进步的一般性意义，更有着非同寻常的特殊历史意蕴。党的十九大作出中国特色社会主义进入新时代的重大政治判断，为宪法学进一步繁荣发展提供了新的重大契机，也为宪法学研究确立了新的历史方位和时代使命。

2）不管是接7.5 kW的潜水泵还是接5.5 kW的潜水泵，喷嘴直径为25mm、22mm，喉管直径为50mm的射流喷枪单位时间吸水量优于喉管直径为40mm、30mm的射流喷枪。

3）喉管直径为30mm的射流喷枪，面积比最小，单位时间吸水量也最小，是其他射流喷枪的单位时间吸水量的一半甚至更少。

真空预压施工抽真空初期，地基土中含有大量自由水和气体，需要迅速排出，在常用的这几种射流喷枪接7.5 kW、5.5 kW的潜水泵中，φ30×φ20的吸水效率显然是最低的，φ50×φ25、φ50×φ22吸水效率最高，喉管直径为40 mm的射流喷枪吸水效果居中。

2.2 阀门打开状态真空度变化分析

试验发现甘泉5.5 kW、倍力特5.5 kW潜水泵和φ50×φ20射流喷枪相连接时，泵前阀门关闭状态下，真空度值为-0.089 MPa、-0.087 MPa，真空度值不能满足JTS147-2—2009《真空预压加固软土地基技术规程》要求。

吸入室阀门为打开状态时，射流喷枪从计量罐内吸水，计量罐非密闭容器，水体表面承受了一个大气压，吸入室形成的真空负压不能达到-0.1MPa，但是仍然能够说明各种匹配情况效率的高低。不同面积比的射流喷枪接不同功率的潜水泵真空度随面积比变化曲线见图5。从这些可以看出：

图5 真空度随面积比变化曲线

1）对于形成的真空度而言，面积比在3～6之间是高效区，形成的真空负压最低。

2）在吸入敞开状态下计量罐的水过程中，喉管直径为50mm喷嘴直径为22mm、25mm的射流喷枪形成真空度的效果最好；喉管直径为40mm的射流喷枪形成真空度的效果居中；喉管直径为30mm的射流喷枪，形成真空度的效果最差。

2.3 射流泵单位能耗工作效率分析

真空预压施工中，临时用电费在工程造价中占有很大的比重[3]，射流泵的单位能耗工作效率和工程造价关系很大。同一台潜水泵，射流喷枪不同，单位能耗的吸水量是不一样的，选择一款高效的射流喷枪来降低能耗、提高单位能耗的工作效率，进而降低工程造价是至关重要的。潜水泵单位能耗吸水量随射流喷枪面积比变化曲线见图6。可以看出：

图6 单位能耗吸水量随面积比变化曲线

1）对于同一台潜水泵接不同的射流喷枪，面积比在3～6之间单位能耗吸水量是高效区。

2）甘泉7.5 kW、5.5 kW，倍力特7.5 kW潜水泵接喷嘴直径为25mm、22mm，喉管直径为50mm的射流喷枪单位能耗吸水量优于喉管直径为40mm、30mm的射流喷枪。喉管直径为30mm的射流喷枪，面积比最小，单位能耗吸水量也最小，是非常不经济的。

3）倍力特5.5 kW的潜水泵接喉管直径为40mm，喷嘴直径为20mm的射流喷枪单位能耗吸水量工作效率最高。

把同一厂家的两台潜水泵放在一起做单位能耗吸水量随面积比变化曲线，并添加趋势线，见图7。可以看出：

图7 单位能耗吸水量随面积比变化曲线

1）在没有满负荷工作条件下，甘泉7.5 kW、5.5 kW两台潜水泵分别接不同的射流喷枪，单位能耗吸水量工作效率相差不多，两条趋势线基本重合。倍力特5.5 kW的潜水泵接不同射流喷枪单位能耗吸水量工作效率优于7.5 kW的潜水泵。

2）从趋势线上来看，两个厂家的潜水泵接不同的射流喷枪，面积比在5附近时，是单位能耗工作效率高效区，φ50×φ22的射流喷枪单位能耗吸水量工作效率相对较高。

3 结论

抽真空设备在真空预压施工中起到至关重要的作用，它的优劣、工作效率的高低直接决定施工能否顺利进行、工程造价高低以及地基加固效果的好坏。如何选择抽真空设备尤其是射流喷枪非常重要。通过北方港区常用功率的潜水泵和常用的不同型号的射流喷枪相匹配，分别进行单位时间吸水量、能耗、泵出水口压力、真空度等方面的测试和数据分析，得到如下结论：

1）功率为7.5 kW、5.5 kW的潜水泵接不同型号的射流喷枪，射流喷枪面积比在3～6之间是高效区，单位时间吸水量大，形成真空负压低，单位能耗吸水量大。

2）喷嘴直径为25mm、22mm，喉管直径为50mm的射流喷枪工作效率基本优于喉管直径为40mm、30mm的射流喷枪。

3）φ30×φ20射流喷枪从单位时间吸水量、单位能耗吸水量、形成真空负压3个方面，效率都非常低，在真空预压施工中可能会造成资源浪费，不建议采用。

[1] 沈东，王难贵，卜育民.射流泵水力结构参数对其性能的影响[J].云南工学院学报 1990（3）：24-35.

[2] 卜长根.轻型井点降水变参数射流泵的设计[J].水文地质工程地质，2003（1）：46-47.

[3] 董志凌.第四代真空射流装置节能技术改造[J].中国港湾建设，2010（3）：72-74.