在深基础施工中, 首先要解决的问题是把地下水位降到坑底标高以下, 通过预排水, 给地下工程提供安全和干燥的开挖环境, 并增加开挖基坑的边坡稳定性, 防止基坑底部岩土隆起或翻浆.由于地下工程(如地铁、地下交通线路)和高层建筑对地基基础、建筑功能和抗震等的要求不同, 一般设计2~3层地下建筑, 基础埋深达9~15 m, 对于这种深大地下工程, 轻型井点降水系统常常不能满足降水深度要求.

当降水深度超过8~20 m, 可采用喷射泵深层降水系统, 它基本上是一种深埋于地下的高压喷射泵装置, 在井底可以形成较高的负压, 集水效果较好.图 1为研制的同心式喷射泵深层降水系统, 该系统不仅解决了并列式深层降水喷射泵拔出时废损率高的问题, 与潜水泵或深井泵降水试验对比, 性能还很优异.在抽吸地层滞留水时, 与现有潜水泵、深井泵相比抽水效率高5倍以上, 而且利用真空集水, 相对基坑深度而言, 施工降水孔浅、直径小, 施工周期短, 效益好.特别适用于8~20 m以下渗透系数(0.1~20 m/d)较小的砂、粘土地层中干扰降水.

图  1  同心式喷射泵深层降水系统

Fig.  1.  Single pipe ejector system for deep foundation dewatering

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深层降水喷射泵深埋地下, 除了像地表常规喷射泵(如SPS-150正反循环喷射泵)一样, 利用喷射泵的吸程工作外, 主要利用降水喷射泵扩压管排出流体正压输送流体到地面, 因此, 需要建立深层降水喷射泵性能与结构参数之间的关系方程.一方面, 方便设计人员确定结构性能参数, 设计出结构合理、性能优异的喷射泵; 另一方面, 方便降水施工人员选择、使用深层降水喷射泵, 来满足深基础降水深度和排水量需要.

索科洛夫和津格尔(1977)系统建立了地表喷射泵设计理论, Powers(1992)研究了降水喷射泵实践应用, 近期一系列的研究(Deberne et al., 1999; Beithou and Aybar, 2000)主要针对用热蒸汽驱动的两相流喷射泵特性进行建模并仿真.本文应用地表喷射泵设计理论, 结合降水喷射泵实践, 建立了深层降水喷射泵性能与结构参数之间的关系方程, 据此理论优化设计了深层降水喷射泵.

1.   深基础降水喷射泵设计原理

喷射泵内没有运动构件, 结构简单, 工作可靠, 密封性好.为深基础降水工程设计的深层降水喷射泵结构如图 2所示, 喷射泵主要由喷嘴、喉管入口、喉管和扩压管组成.离心泵输出的高压水经供水总管输入内外管之间的环状空间, 经喷射泵喷嘴形成高速射流, 由于射流质点的横向紊动扩散作用, 将喷嘴周围流体带走而形成低压区, 真空度最高可达10 m水柱(-0.1 MPa), 这个低压区经底阀与滤水管连通, 因此地下水将被吸入, 经滤水管、底阀进入喷射泵内, 与喷嘴射出的高速水流相遇, 在喷射泵喉管内经过能量交换, 工作流体速度减小, 被吸流体速度增加, 在喉管出口处二者趋近一致, 压力逐渐增加, 进入扩压管, 混合流体经扩散后, 速度降低, 大部分动能转化为压力能, 使压力进一步增加.混合水经内管、回水胶管、内水管路进入水箱内, 地层中吸出的水将经水箱溢水口流走.

图  2  深基础降水喷射泵结构

Fig.  2.  Structure of a single pipe ejector

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1.1   地表喷射泵的基本理论

地表喷射泵基本方程表示压力、效率、流量与几何尺寸之间的关系, 它反映泵内能量的转换过程及主要构件(喷嘴、喉管等)对性能的影响, 是设计和使用喷射泵的理论依据.

索科洛夫和津格尔(1977)系统建立了置于地表喷射泵扬程比h、效率E与面积比m及引射系数q之间关系的基本方程为:

式中: φ₁, φ₂, φ₃, φ₄分别是喷嘴、喉管、扩压管和喉管入口的流量系数, φ₁=0.95、φ₂=0.975、φ₃=0.90、φ₄=0.925.

面积比m=喉管面积/喷嘴面积=f₃/f_n.当工作流体比容v_p与引射流体比容v_s相等时, 即v_p=v_s, 则

其中n=f₃/(f₃-f_n)=m/(m-1), 则(1)的另一表达形式为:

欲使喷射泵在特定工况具有最高效率, 对(3)作一阶求导, 令dh/dm=0得最优面积比:

可以从(4)看出, 最优面积比m_opt是引射系数q的函数, 喷射泵工况变化, 最优面积比随引射系数q变化而变化, 当取q=1、m_opt≈3.8时, 喷射泵的效率E最高, 由此即可确定工作泵的参数.因此设计喷射泵, 只能在特定工况下, 满足最高效率的要求, 当偏离q=1时, 效率E会有所下降.

1.2   深基础降水喷射泵特性方程

深基础降水喷射泵特性方程是指降水深度与供水泵压力、流量和喷射泵结构参数(喷嘴面积、喉管面积及长度等)之间关系方程, 图 3为深层降水喷射泵工作简图, 喷射泵喷嘴入口压力、扩压管排出口压力和吸入口压力如下:

图  3  深层降水喷射泵工作简图

Fig.  3.  Principle sketch of single pipe ejector

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式中: h_fi是离心泵和喷嘴间的供水总管、双壁管环状间隙的沿程和局部阻力的总和; h_fo是喷射泵排出口和水箱间回水总管、双壁管内管的沿程、局部阻力的总和; hp是离心泵出口的表压; h_d、h_s分别是喷射泵的排水和吸水水头; 把(5)、(6)、(7)代入(3), 并代入最优面积比m_opt=3.8, 得扬程比h随q变化的基本方程:

变换(8)得:

当q=1、m_opt=3.8时, 喷射泵的效率E最高, 代入(8), h=0.23;理论计算h_fo、h_fi的值偏小, 参考Patrick(1992)中实验数据, 供水边阻力损失h_fi=5 m水头, 回水边阻力损失h_fo=1.5 m水头, 若设计降水深度D=h_d+h_s=20 m, 此时, 把数据代入(9), 计算表压h_p=80 m.(9)是特定降水深度选择工作泵压的计算公式.

若降水深度D不变, 要想降低工作泵压可采取以下措施: ①减小面积比m, 就可以增大扬程比h, 可设计高压喷射泵, 但喷射泵最大效率会有所下降; ②降低供水、回水边阻力损失, 尤其是回水边阻力损失.

(10) 反映降水深度D与h_p、h_fo、h_fi和q等参数有关, 当离心泵出口表压h_p=80 m水头, 降水深度D=h_d+h_s=20 m, 这样特定工况设计的喷射泵系统, 用于降水深度不同的基础工程时, 降深D、效率E与引射系数q之间的关系如图 4所示, 经分析计算:

图  4  降水深度D、效率E与引射系数q的关系

Fig.  4.  Ejector equation of dewatering depth D and efficiency E versus q

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① 当该系统用于深度D=10~30 m基础降水时, 效率E=23.7%~29.8%, 引射系数q≈1.56~0.58, 当工作流量Q_p=2.76 m³/h, 引射流量Q_s=q·Q_p=4.3~1.6 m³/h.因此, 适当地选择工作流量Q_p是能满足大多数深基础工程对降水深度和流量的要求的.

② 式(10)表明: 供水、回水边阻力损失影响系统的降水深度, 设计时要特别注意减小回水端的阻力损失, 由于系数h/(1-h)≤1/(1-h), 较小的回水阻力或背压都能显著地降低喷射泵降深和效率.

③ 函数关系式(10)较复杂, 为便于工程计算, 对式(10)D-q之间函数关系进行多项式拟合, 降水深度:

相关系数R²=0.999 8, 拟合相关程度高.用(10a) 简化式计算特定降深的排水量, 便于施工人员进行深基础降水设计.

2.   喷射泵结构参数的设计

大量实验资料表明, 影响喷射泵性能的主要结构参数就是喷嘴直径d_n、喉管直径d₃所确定的面积比m.而其他喷射泵结构参数如喉嘴距L_n、喉管长度L_m和扩压管长度L_k等都与喷嘴直径d_n或喉管直径d₃成比例, 因此, 喷射泵结构设计就是确定喷嘴直径d_n、喉管直径d₃.

按以上关系设计的单管同心式深基础降水喷射泵如图 2所示, 其主要结构、技术性能参数见表 1.

表  1  单管同心式喷射泵结构、性能参数

Table  Supplementary Table   Single pipe ejector main size and technical parameter

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3.   结论

(1) 降水深度D不变, 减小面积比m, 使扬程比h增大, 或降低供水、回水边阻力损失, 设计高压喷射泵, 能降低工作泵泵压, 但喷射泵最大效率有所下降.(2)供水、回水边阻力损失影响喷射泵井点的降深, 设计时要特别注意减小回水端的阻力损失, 因为较小回水背压都显著地降低喷射泵降深.(3)为便于施工人员计算特定(D=20 m, h_p=80 m水头)工况的喷射泵D-q之间的关系, 用多项式拟合简化式(10a)计算特定降深的排水量, 可以进行深基础降水设计.(4)该系统用于深度D=10~30 m基础降水时, 引射系数q≈1.56~0.58, 效率较高, 当工作流量Q_p=2.76 m³/h, 引射流量Q_s=q·Q_p=4.3~1.6 m³/h.因此, 适当地选择工作流量Qp是能满足大多数深基础工程对降水深度和流量的要求的.依据上述理论(卜长根等, 2002)设计的单管同心式深基础降水喷射泵, 已成功应用于深基础降水工程.