CN115909837A - 激流水道水力设计方法及水域救援综合训练基地 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激流水道水力设计方法及水域救援综合训练基地,提出了激流水道不同水流流态水力参数的计算方法,使得在水道中可以准确模拟出天然河道多种激流流态;提供了激流水道不同水流流态训练区可供参考的技术要求和设计标准,确保了参训人员的人身安全及训练效果。通过水域救援综合训练基地激流水道的实操培训,便于救援人员在不同水域事故场景下选择相对合理的救援方法,极大地提高水域事故救援成功率。
Description
技术领域
本发明涉及应急救援技术领域,特别是一种激流水道水力设计方法及水域救援综合训练基地。
背景技术
受极端天气影响,洪涝灾害引发的人员被困事故显著增多,水域救援任务日趋繁重, 救援形势越来越严峻。水域救援最显著特点是遇险事故的突发性、救援环境的危险性和 救援时间的紧迫性。目前,救援人员的水域救援理论知识不足、训练场地匮乏,救援人员训练尚依赖于天然河道。由于天然河道来水条件不确定、河道地形复杂,训练计划安 排受到极大制约,训练过程中救援人员人身伤亡事故时有发生。激流水道的作用就在于 为救援人员提供安全可靠的实操培训场地。激流水道水力条件应满足理论知识教学、水 流形态识别、基础体能训练、救援组织与指挥等功能要求,同时应满足分场景救援技术 和自救方法、救援装备操作、现场急救等训练要求,以及在不同水域事故场景下选择相 对合理的救援方法,确保救援人员自身安全,提高救援成功率。
根据水域救援特点,激流水道需要模拟出常见的水流流态,主要包括:沸腾线、翻滚流、覆盖流、微笑流、皱眉流、漩涡流、回流区等多种流态,以及舟艇操控训练区域 和车船覆没救援训练区域。在水域救援技术领域,激流水道水流流态技术要求缺乏可供 参考的设计标准,水力计算方法远远超出了现行标准规范及水力计算手册的适用范围。
CN113362669A提供了一种消防救援形成V字流流态的水道及流态设计方法,CN215562303U、CN211473544U提供了一种水域救援综合训练基地,然而上述现有技 术并未提供沸腾线、翻滚流、覆盖流、微笑流、皱眉流、漩涡流、回流区等流态的可供 参考的水力参数计算方法、技术要求和设计标准,无法准确计算与模拟激流流态。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是,针对现有技术不足,提供一种激流水道水力设计方法及水域救援综合训练基地,提出不同水流流态水力参数的计算方法,提供不同水流 流态训练区可供参考的技术要求和设计标准,达到在激流水道中准确模拟出不同水流流 态的目的,从而确保参训人员训练时的人身安全和训练效果。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:一种激流水道水力设计方法,激流水道包括沸腾线训练区;该方法包括:
当所述沸腾线训练区上游壅水堰体为半圆型宽顶堰时,堰上水头H的计算公式为:
当所述沸腾线训练区上游壅水堰体为半圆型堰时,堰上水头H的计算公式为:
当所述沸腾线训练区下游壅水堰体为折线型低堰时,下游水深ht计算公式为:
其中,m为流量系数;q为单宽流量,h为折线型低堰堰上水头,b、P分别为折线 型低堰堰体宽度和高度;Z为上、下游水面总落差,g为重力加速度。
本发明提供了沸腾线训练区水力参数计算方法,准确地模拟了沸腾线流态,确保参训人员在沸腾线训练时的人身安全和训练效果,提高水域救援能力。
本发明中,P=0.5m~1.0m。
所述激流水道还包括翻滚流训练区;所述翻滚流训练区水力参数计算方法包括:
翻滚流前缘的水流流速V的计算公式为:
满足翻滚流流态形成条件的来流水深h0计算公式为:
满足翻滚流流态形成条件的下游水深ht计算公式为:
为进一步准确模拟不同流态,本发明还提供了翻滚流训练区水力参数计算方法,实现了对翻滚流流态的准确模拟。
所述激流水道还包括覆盖流训练区;所述覆盖流训练区水力参数计算方法包括:
满足覆盖流流态形成条件的来流水深h0计算公式为:
满足覆盖流流态形成条件的下游水深ht计算公式为:
其中,V为来流流速,取值范围为3.0m/s~5.0m/s。
为进一步准确模拟不同流态,本发明还提供了覆盖流训练区水力参数计算方法,实 现了对覆盖流流态的准确模拟。
所述激流水道还包括微笑流训练区;所述微笑流训练区水力参数计算方法包括:
其中,V为迎水面行近流速,取值范围为大于1.5m/s;
为进一步准确模拟不同流态,本发明还提供了微笑流训练区水力参数计算方法,实 现了对微笑流流态的准确模拟。
所述激流水道还包括皱眉流训练区;所述皱眉流训练区水力参数计算方法包括:
皱眉流顶冲流速V的取值范围为:2.0m/s~3.5m/s,水流弗劳德数Fr为Fr=0.5~0.8;
为进一步准确模拟不同流态,本发明还提供了皱眉流训练区水力参数计算方法,实 现了对皱眉流流态的准确模拟。
所述激流水道还包括漩涡流训练区;所述漩涡流训练区水力参数计算方法包括:
流速V取值范围:2.0m/s~4.0m/s;
为进一步准确模拟不同流态,本发明还提供了漩涡流训练区水力参数计算方法,实 现了对漩涡流流态的准确模拟。
所述激流水道还包括回流区;所述回流水力参数计算方法包括:
流速V取值范围:0.5m/s~2.0m/s,水流弗劳德数Fr小于1;
为进一步准确模拟不同流态,本发明还提供了回流区水力参数计算方法,实现了对 回流区的准确模拟。
作为一个发明构思,本发明还提供了一种水域救援综合训练基地,包括沿水道布置 至少一个水流流态训练区;所述水流流态训练区采用本发明上述方法设计。所述激流水道净宽为4m~15m,水面落差5.0m~8.0m,综合底坡可取1:20~1:30,供水流量10m3/s~20m3/s。
本发明的水域救援综合训练基地还包括舟艇操控训练区域和车船覆没救援训练区 域;所述舟艇操控训练区域包括覆盖流、微笑流、皱眉流、漩涡流、回流区水流流态; 所述车船覆没救援训练区域设置于回流区。
与现有技术相比,本发明所具有的有益效果为:本发明提出了激流水道不同水流流 态水力参数的计算方法,使得在水道中可以准确模拟出天然河道多种激流流态;提供了激流水道不同水流流态训练区可供参考的技术要求和设计标准,确保参训人员的人身安全及训练效果。本发明设计的水域救援综合训练基地激流水道,便于救援人员在不同水 域事故场景下选择相对合理的救援方法,极大地提高水域事故救援成功率。
附图说明
图1为本发明实施例沸腾线立面流态设计参数示例;
图2为本发明实施例沸腾线半圆型宽顶堰设计参数示例;
图3为本发明实施例沸腾线半圆型堰设计参数示例;
图4为本发明实施例折线型低堰设计参数示例;
图5为本发明实施例翻滚流立面流态设计参数示例;
图6为本发明实施例覆盖流立面流态设计参数示例;
图7为本发明实施例微笑流立面流态设计参数示例;
图8为本发明实施例微笑流平面流态设计参数示例;
图9为本发明实施例皱眉流立面流态设计参数示例;
图10为本发明实施例漩涡流平面流态设计参数示例;
图11为本发明实施例回流平面流态设计参数示例;
图12为某激流水道示意图;
其中,1-沸腾线;2-微笑流;3-翻滚流;4-皱眉流;5-覆盖流;6-漩涡流;7-回流区。
具体实施方式
根据水域救援特点,激流水道需要模拟出常见的水流流态,主要包括:沸腾线、翻滚流、覆盖流、微笑流、皱眉流、漩涡流、回流区等多种流态,以及舟艇操控训练区域 和车船覆没救援训练区域。在水域救援技术领域,激流水道水流流态水力计算缺乏可供 参考的设计标准,水力计算方法远远超出了现行标准规范及水力计算手册的适用范围, 为此,本发明实施例提供了激流水道水力设计方法。
1、沸腾线设计方法
(1)流态描述
沸腾线产生于滚水坝、拦水闸、低水头溢流堰等泄水建筑物的下游水域处,主要流态特征表现为:下泄水流以跌流或挑流的形式射入下游水体中,由于下泄水流的剪切与 拖曳作用,在下游水体的表面形成横轴漩滚(见图1)。表面漩滚上下往复快速运动,困 住人员与物体,是最常遇见的极度危险的水流。
(2)技术要求
沸腾线训练区域上下游水面总落差Z不小于0.5m,水流入水角不大于60°,下游最小水深ht≥2.5m,有效训练宽度不小于4m,长度L≥10m。
(3)设计方法
①半圆型宽顶堰堰上水头H计算
溢流堰基本体型为(见图2):上游直立面,堰顶曲线由单圆弧和直线组成,圆弧半径0.3m~0.5m,直线长度1.0m~2.0m。溢流堰堰上水头H计算式为:
式中:H为溢流堰堰上水头,以m计;
m为流量系数;
q为单宽流量,以m3/s.m计。
②半圆型堰堰上水头H计算
溢流堰基本体型为(见图3):上游直立面,堰顶曲线由圆弧半径为0.5m的圆弧。
溢流堰堰上水头H计算式为:
式中:H为溢流堰堰上水头,以m计;
m为流量系数;
q为单宽流量,以m3/s.m计。
③下游水深ht计算
当水道壅水结构为折线型低堰时(见图4),下游水深ht计算式为:
式中:ht、h分别为下游水深、折线型低堰堰上水头,以m计;
b、P分别堰体宽度和高度,以m计;
q为单宽流量,以m3/s.m计。
图4中:i1为堰体上游坡,i1=1︰1~1︰2;
i2为堰体下游坡,i2=1︰6~1︰12;
P为堰体高度,P=0.5m~1.0m。
④沸腾线消能率K计算
上式中:K为沸腾线消能率;Z为上下游水面总落差,以m计;ht为下游水深,以 m计。
2、翻滚流设计方法
(1)流态描述
在天然河道中,水流流经斜坡段时获得落差,势能转换为动能,流速增大、水深减小,弗劳德数Fr由小逐渐增大,当弗劳德数Fr>1时,水流呈现为急流流态;当水流流 经河床变坡处或沟槽处且水深大于第二共轭水深的区域时,水流以水跃的形式从急流转 换为缓流。水流Fr=4.5~9.0时形成的水跃保持十分稳定的均衡状态,水跃跃首的表面 横轴漩滚区即为翻滚流(见图5)。当人员被表面漩滚卷入时无法自然流出。
(2)技术要求
翻滚流训练水深ht≥0.8m,有效训练长度L≥10m。
(3)设计方法
根据翻滚流的技术要求,主要水力参数的计算方法如下:
①流速V计算
当水流通过斜坡获得落差时,在变坡处流速V宜达到5.0m/s~8.0m/s,水流弗劳德数Fr宜大于4.5,符合稳定水跃标准。流速计算式为:
式中:Z为斜坡上下游总落差,以m计;
i为斜坡坡度,i=1:12~1:6,或5°≤θ≤10°,θ以°计。
②水深h0计算
为满足稳定水跃标准,水流弗劳德数Fr4.5<Fr≤9.0。计算式为:
式中:q为单宽流量,以m3/s.m计;
h0为来流水深,以m计;
g为重力加速度,取9.81m/s2。
③水深ht计算
水深ht可按(1.3)式计算,且ht大于第二共轭水深,即:
式中:h0、ht分别为来流水深和下游水深,以m计;
q为单宽流量,以m3/s.m计;
g为重力加速度,取9.81m/s2。
3、覆盖流设计方法
(1)流态描述
在天然河道中,水流流经斜坡段时获得落差,势能转换为动能,流速增大、水深减小,弗劳德数Fr由小逐渐增大,当弗劳德数Fr=1时,水流呈现为波状水跃流态;或者, 河床由斜坡变为平坡或逆坡时,流速减小、水深增大,弗劳德数Fr由大逐渐变小,当 弗劳德数Fr=1时,水流由急流向缓流过渡,水流呈现为波状水跃流态。水流Fr=1.0~ 1.7时形成的水跃,由于较高流速的底流间歇性地向上跃起形成涌浪,无显著表面漩滚, 或表面漩滚呈现翻转停滞状态,水流以类似于驻波的形式向下游推进,直至表面波动能 量衰减完成。波状水跃流态即为覆盖流(见图6)。
(2)技术要求
覆盖流呈现为波状水跃流态,主要用于舟艇操控训练,跃前水深h0≥0.8m,训练水深ht≥0.8m,有效训练宽度B≥4m,长度L≥10m。
(3)设计方法
根据覆盖流的技术要求,主要水力参数的计算方法如下:
①流速V计算
②水深h0计算
为满足波状水跃标准,水流弗劳德数Fr1.0<Fr≤1.7,计算式为:
式中:q为单宽流量,以m3/s.m计;h0为来流水深,以m计;g为重力加速度, 取9.81m/s2。
③水深ht计算
训练水深ht可参照(1.3)式计算,且ht大于第二共轭水深。
④涌浪高度Z计算
式中:Z为涌浪高,以m计;V为流速,以m/s计;g为重力加速度,取9.81m/s2。
4、微笑流设计方法
(1)流态描述
在天然河道中,水流常常遇到高出水面的桥墩、孤石等障碍物的阻挡,在障碍物迎水面形成滞点且水面壅高;在重力作用下,水流沿着障碍物两侧边壁产生侧向绕流,并 且在脱离边壁后形成的分离漩涡。微笑流流态特征主要表现为:障碍物迎水面水面壅高, 压力增大,流线侧向弯曲;障碍物两侧水面凹陷形成分离漩涡,边壁压力降低(见图7)。 人员被水流挤压在障碍物迎水面,或卷入分离漩涡后吸贴在障碍物壁面或底部,无法自 然流出。
在障碍物下游面,水流脱离边壁后由于剪切作用使下游水体产生旋转方向相反、周 期性左右摆动、并且向下游流动的漩涡(亦称回流区/卡门涡街,见图8)。在回流区内,水流流态平缓,流速显著小于外侧,可作为救援人员休息、观察或等待救援的区域。
(2)技术要求
微笑流障碍物迎水面为连续光滑曲面,宽度b≥2.0m,倾角60°~90°;水流呈缓流流态,迎水面行近流速大于1.5m/s,最小水深不小于0.4m,水流滞点水面不发生翻转; 障碍物下游回流区水深ht≥0.8m,长度L=2b~4b。
(3)设计方法
根据微笑流的技术要求,主要水力参数的计算方法如下:
①滞点水面壅高值Z计算
式中:Z为微笑流障碍物铅直迎水面滞点水面壅高值,以m计;V为行近流速,以 m/s计;g为重力加速度,取9.81m/s2。
②回流区水深ht计算
水深ht可由1.3式计算。
5、皱眉流设计方法
(1)流态描述
当水流受到岩壁、直立河岸等障碍物的正面阻挡,动能转换为势能,水流水面壅高后沿着障碍物壁面向两侧流动,同时向上爬高形成涌浪,涌浪在最高处产生翻转,翻转 水流跌落时将水流表面覆盖,并与底部水流发生碰撞形成激溅水流;在水流涌浪区域障 碍物壁面压力增大。尤其是,当障碍物上游区域河床向下凹陷或障碍物壁面倒悬,水流 具有向下运动的空间时,一部分水流向上运动形成涌浪,另一部分水流向下运动形成螺 旋流(见图9)。人员被水流挤压在障碍物壁面,或被螺旋流卷入后吸贴在障碍物壁面或 底部,无法自然流出。
(2)技术要求
皱眉流障碍物壁面为直立面或倒悬面,与水流运动方向呈90°~100°夹角。有效训练宽度B≥4m,长度L≥10m,水深ht≥1.5m。
(3)设计方法
根据皱眉流的技术要求,主要水力参数的计算方法如下:
①顶冲流速V
皱眉流顶冲流速V取值范围:2.0m/s~3.5m/s,水流弗劳德数Fr宜为Fr=0.5~0.8。
②水深ht计算
皱眉流顶冲流速V取值范围:1.5m/s~3.0m/s,水流弗劳德数Fr宜为Fr=0.5~0.8, 水深ht=h0+P,即:
式中:ht为训练区水深,以m计;P为底板下沉深度,以m计;V为顶冲流速, 以m/s计;Fr为水流弗劳德数Fr。
③涌浪爬高值Z计算
或:
式中:Z为皱眉流障碍物铅直壁面顶冲点涌浪爬高值,以m计;V为顶冲流速,以 m/s计;g为重力加速度,取9.81m/s2。
6、漩涡流
(1)流态描述
在河岸转弯处、凹陷区域或凸出障碍物的下游区域,由于外侧运动水流强烈的剪切 和掺混作用,内侧水体被卷吸和拖曳进入下游河道,内侧水体流失、水位降低,当外侧水位高于内侧水位时,在重力作用下产生由外而内的运动水流,即漩涡流(见图10)。 漩涡流的流动特征主要表现为沿着壁面作相对封闭的运动,与外侧运动水流的交换量较 小,漩涡中心区水面凹陷,被困人员或物体无法自然流出。
(2)技术要求
根据漩涡流的技术要求,主要水力参数的计算方法如下:
(3)设计方法
漩涡流水深ht≥0.5m,有效训练宽度B≥4m,长度L≥5m。
①流速V
流速V取值范围:2.0m/s~4.0m/s。
②水深ht
训练水深ht取值范围:0.5m~1.5m,为满足水流弗劳德数Fr数Fr大于1的要求, 计算式为:
式中:q为单宽流量,以m3/s.m计;ht为训练区水深,以m计;g为重力加速度, 取9.81m/s2。
7、回流区
(1)流态描述
在河岸转弯处、凹陷区域、凸出于岸边或高于水面的障碍物下游区域,由于外侧运动水流的剪切和拖曳作用,带动内侧水体形成多个相对封闭的环向流动,即回流区。该 区域内的水流大多呈现为缓流流态(见图11);对于位于河道中间的桥墩、孤石等障碍 物而言,水流从障碍物两侧经过后,在障碍物下游面形成流速相对缓慢的回流区。回流 区可作为救援人员休息、观察或等待救援的区域。
(2)技术要求
回流区水深ht≥0.5m,有效训练宽度B≥2m。
(3)设计方法
根据回流区的技术要求,主要水力参数的计算方法如下:
①流速V
流速V取值范围:0.5m/s~2.0m/s,水流弗劳德数Fr小于1。
②水深ht
训练水深ht取值范围:0.5m~1.5m,为满足水流弗劳德数Fr数Fr小于1的要求, 计算式为:
式中:q为单宽流量,以m3/s.m计;ht为训练区水深,以m计;g为重力加速度, 取9.81m/s2。
8、舟艇操控训练
冲锋舟/摩托艇在水域应急救援中发挥着不可替代的作用,是必不可少的重要交通工 具,舟艇操控是应急救援人员必备的基本技能之一,是日常基本训练科目。舟艇操控训 练区域宜包括:覆盖流、微笑流、皱眉流、漩涡流、回流区等水流流态。
舟艇尺寸按2m×5m计,最小水深0.65m,回旋区最小水域面积6m×6m,训练长度 不宜小于50m。
9、车船覆没救援
车船覆没救援实操培训一般可设置在回流区,水深取0.5m~1.5m,流速取0.5m/s~ 2.0m/s,有效训练宽度B≥2m,长度L≥5m。
如图12所示,某实操培训激流水道尺寸为:长度153m,宽度4.5m~10m,矩形断 面,水道上下游最大水面落差5.0m,综合坡度3.27%,设计最大单宽流量3.33m3/s.m, 最大流速5.0m/s。
沸腾线训练区尺寸10m×10m,跌水落差大于1.0m,训练水深大于1.8m;微笑流训练区尺寸11.5m×7m,训练水深大于0.8m,回流区水深大于1.2m;翻滚流训练区尺寸 14m×7m,训练水深大于1m,宽度大于2m;皱眉流训练区尺寸15m×5m,训练水深大 于1.5m;覆盖流训练区尺寸15m×10m,训练水深大于1.5m;漩涡流训练区尺寸10m×10m, 训练水深大于1.0m;舟艇操控训练区长度90m,宽高4.5m~10m;车辆救援训练区尺 寸10m×10m,训练水深大于1.0m。
表1水流流态水力参数汇总表
本发明另一实施例还提供了一种水域救援综合训练基地,包括沿水道布置至少一个 激流水道训练区。水流流态采用上述实施例的方法设计。本实施例中,水流流态训练区包括沸腾线训练区、翻滚流训练区、覆盖流训练区、微笑流训练区、皱眉流训练区、漩 涡流训练区、回流区。
本发明实施例的水域救援综合训练基地还包括舟艇操控训练区域和车船覆没救援 训练区域。舟艇操控训练区域包括覆盖流、微笑流、皱眉流、漩涡流、回流区水流流态。车船覆没救援训练区域设置于回流区。
本发明实施例对水域救援激流水道的水流流态进行了系统的描述,首次提出了水道 水力设计技术要求及标准,提出不同水流流态水力参数的计算方法,并对参数的取值进行了规定。本发明实施例为水域救援实操培训水道的水力设计提供了计算方法。
Claims (11)
2.根据权利要求1所述的激流水道水力设计方法,其特征在于,P=0.5m~1.0m。
9.一种水域救援综合训练基地,包括沿水道布置至少一个激流水道训练区;其特征在于,所述激流水道训练区水流流态采用权利要求1~8之一所述方法设计。
10.根据权利要求9所述的水域救援综合训练基地,其特征在于,还包括舟艇操控训练区域和车船覆没救援训练区域;所述舟艇操控训练区域包括覆盖流、微笑流、皱眉流、漩涡流、回流区水流流态;所述车船覆没救援区域设置于回流区。
11.根据权利要求9或10所述的水域救援综合训练基地,其特征在于,所述水道净宽为4m~15m,水面落差5.0m~8.0m,综合底坡取1:20~1:30,供水流量10m3/s~20m3/s。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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