集中排煙公路隧道入口段火災(zāi)下誘導(dǎo)風(fēng)速研究*

徐志勝，于年灝，張 新，2，姜學(xué)鵬，2，趙紅莉，李偉平

(1.中南大學(xué)防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所，湖南長沙410075;2.中國人民武裝警察部隊學(xué)院滅火救援技術(shù)公安部重點實驗室，河北廊坊065000;3.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江杭州310006)

集中排煙公路隧道入口段火災(zāi)下誘導(dǎo)風(fēng)速研究*

徐志勝1，于年灝1，張 新1，2，姜學(xué)鵬1，2，趙紅莉1，李偉平3

(1.中南大學(xué)防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所，湖南長沙410075;2.中國人民武裝警察部隊學(xué)院滅火救援技術(shù)公安部重點實驗室，河北廊坊065000;3.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江杭州310006)

為研究集中排煙模式下公路隧道入口段發(fā)生火災(zāi)時的合理誘導(dǎo)風(fēng)速，以某公路隧道為背景，運用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件FDS對隧道入口段火災(zāi)時不同坡度、不同誘導(dǎo)風(fēng)速的16組火災(zāi)工況進行模擬研究，通過對各工況下隧道內(nèi)的溫度場分布及煙氣控制效果模擬結(jié)果的分析，得到了各工況下的合理誘導(dǎo)風(fēng)速，研究結(jié)果可為公路隧道集中排煙系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)提供參考。

隧道火災(zāi);集中排煙;誘導(dǎo)風(fēng)速;煙氣蔓延;排煙效率

2000年以來，我國公路隧道的數(shù)量和長度與日俱增，截至2010年底，全國公路隧道已達7 384處、512.26萬m［1］。由于隧道結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件的特殊性，其消防安全問題日益嚴(yán)峻［2－4］，隧道火災(zāi)時通風(fēng)排煙系統(tǒng)對降低火災(zāi)損失、減少人員傷亡起著至關(guān)重要的作用。目前，在國內(nèi)外公路隧道中普遍采用縱向排煙模式和集中排煙模式，吳德興等對這兩種排煙模式的設(shè)計理念做了研究，指出集中排煙模式的排煙效果及防災(zāi)能力具有明顯的優(yōu)越性［5－6］，但目前集中排煙模式在我國的應(yīng)用及相關(guān)研究較少。當(dāng)公路隧道入口段發(fā)生火災(zāi)時，如果采用縱向排煙模式將煙氣通過中部豎井或隧道出口排出，煙氣將流經(jīng)隧道大部分空間，對隧道結(jié)構(gòu)破壞很大［7］。同時，由于公路隧道入口段多為負坡度，縱向排煙需要的通風(fēng)風(fēng)速較大［8］，不但會增加通風(fēng)設(shè)備的成本，而且較大的通風(fēng)風(fēng)速容易擾亂煙氣分層，不利于人員疏散及救援。如果采用集中排煙模式，開啟離火源較近的排煙閥及排煙風(fēng)機，同時開啟入口段的射流風(fēng)機提供一定的誘導(dǎo)風(fēng)速，將煙氣誘導(dǎo)至排煙閥開啟段，通過排煙閥進入排煙道從而被排煙風(fēng)機排出，這樣既能夠保證人員的安全疏散，又能將高溫?zé)煔鈱λ淼澜Y(jié)構(gòu)的破壞范圍大大減小。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，對集中排煙模式下不同坡度公路隧道入口段火災(zāi)時的合理誘導(dǎo)風(fēng)速進行研究，為公路隧道集中排煙模式關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)的確定提供依據(jù)。

1 物理模型建立

1.1 數(shù)值模擬軟件介紹

采用由美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究院(NIST)開發(fā)的火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件FDS，該軟件理論基礎(chǔ)堅實，采用數(shù)值方法求解受火災(zāi)浮力驅(qū)動的低馬赫數(shù)流動的N-S方程，能夠描述很寬范圍的火災(zāi)現(xiàn)象，而且其準(zhǔn)確性得到了大量試驗驗證［9－10］，可以說FDS代表了目前火災(zāi)煙氣運動模擬的世界領(lǐng)先水平。

1.2 物理模型及尺寸

以錢江隧道為背景建立隧道物理模型。錢江隧道是高速公路項目“錢江通道及接線工程”下穿錢塘江的控制性工程，位于錢江觀潮勝地鹽官以西2.5 km處，由江中段、兩岸工作井、兩岸明挖暗埋段和兩岸敞開段等幾個部分組成，其中江中段采用東、西線分離的結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)法施工，每管隧道內(nèi)布置單向3車道。左線隧道建筑長度4 450 m，右線隧道建筑長度4 447.36 m。隧道段設(shè)計行車速度80 km/h，車道寬度組成為2×3.75 m+3.5 m，車道高度5.0 m。整個隧道的縱坡呈“V”字形［11］。

為了精確地得出隧道內(nèi)火災(zāi)蔓延規(guī)律并盡量減小出口邊界條件的影響，數(shù)值模擬中隧道模型總長度取為600 m(x方向)，其中明挖暗埋段200 m，盾構(gòu)段400 m。明挖暗埋段及盾構(gòu)段的斷面尺寸如圖1所示，明挖暗埋段隧道模型斷面尺寸為寬度(y軸)方向13.35 m，高度(z軸)方向6.35 m。盾構(gòu)段隧道模型斷面為內(nèi)徑13.7 m的圓形斷面，即模型寬度(y方向)及高度(z方向)均為13.7 m(以上數(shù)據(jù)均為凈尺寸)。

圖1 隧道模型斷面尺寸示意圖

2 模擬條件及工況設(shè)置

2.1 模擬條件設(shè)置

2.1.1 火源位置

由于隧道屬于半封閉狹長空間，火災(zāi)發(fā)生的位置不同，集中排煙模式下的通風(fēng)排煙方案也需做相應(yīng)的調(diào)整才能更好地控制煙氣的蔓延范圍。本文主要考慮火災(zāi)發(fā)生在隧道入口段明挖暗埋段內(nèi)，位于隧道入口及北岸工作井之間，距離工作井60 m處，如圖2所示。

圖2 火源位置示意圖

2.1.2 設(shè)計火源功率及火源類型

設(shè)計火源功率時，考慮到雖然隧道內(nèi)發(fā)生大型火災(zāi)的概率比較低，但是一旦發(fā)生，其后果將不堪設(shè)想。因此，本文模擬計算時參考國內(nèi)外有關(guān)行車隧道、橋梁及高速公路的設(shè)計中規(guī)定的不同種類的汽車的火災(zāi)規(guī)模，保守地將火源功率取為50 MW。同時，本文主要研究火災(zāi)穩(wěn)定后的煙氣控制效果，因此在數(shù)值模擬中采用穩(wěn)態(tài)火源，火源功率在起火后迅速達到最大值，不考慮增長階段和衰減階段。

2.1.3 網(wǎng)格劃分

劃分網(wǎng)格時，需同時考慮計算成本和計算結(jié)果的精度。由于火源區(qū)、浮力羽流區(qū)、煙氣層區(qū)對于網(wǎng)格密度的敏感程度依次遞減，故而采用火源段一定范圍內(nèi)局部加密的方法可以在控制計算時間的同時保障計算精度。本文模擬計算時網(wǎng)格設(shè)置為高度方向上取0.4 m，寬度方向上取0.685 m，火源中心附近4.0 m范圍內(nèi)加密至0.40 m，長度方向上，火源前后各160 m取0.4 m，其他區(qū)域取0.8 m。

2.2 數(shù)值模擬工況

設(shè)置數(shù)值模擬工況時，考慮了不同隧道坡度(－4%，－3%，－2%，－1%)、火源上游不同誘導(dǎo)風(fēng)速(0 m/s，1 m/s，2 m/s和3 m/s)，共設(shè)置了4組16個模擬工況，計算時間取為15 min。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 溫度場分布規(guī)律

當(dāng)隧道入口段發(fā)生火災(zāi)，火源功率為50 MW，開啟離火源最近的6個排煙閥及排煙風(fēng)機時，進行單向排煙，不同誘導(dǎo)風(fēng)速時隧道內(nèi)頂隔板下方溫度分布如圖3所示。

由圖3可以看出，火源上游2 m高度處的溫度隨著誘導(dǎo)風(fēng)速的增大先升高后降低，這是由于在火源上游，火災(zāi)熱煙氣在浮力效應(yīng)和煙囪效應(yīng)的共同作用下向隧道入口蔓延，其蔓延方向與誘導(dǎo)風(fēng)速的方向相反，二者之間的作用表現(xiàn)為反向流剪切［12］，當(dāng)誘導(dǎo)風(fēng)速較小時，這種反向流剪切起到了一個集熱障礙物的效果，導(dǎo)致火源上游2 m高度的溫度比沒有誘導(dǎo)風(fēng)速高，隨著誘導(dǎo)風(fēng)速的增大，火災(zāi)熱煙氣逐漸被吹向火源下游，火源上游2 m高度處的溫度又隨之下降，當(dāng)誘導(dǎo)風(fēng)速為3 m/s時，火源上游2m高度處的溫度基本上降為環(huán)境溫度;火源下游段隧道內(nèi)2 m高處溫度基本上隨著誘導(dǎo)風(fēng)速的增大而升高。

圖3 不同誘導(dǎo)風(fēng)速下坡度隧道內(nèi)2 m高度處溫度分布

3.2 合理縱向誘導(dǎo)風(fēng)速分析

在集中排煙模式下，誘導(dǎo)風(fēng)速的作用是通過一定的風(fēng)速引導(dǎo)高溫的火災(zāi)煙氣向排煙閥打開段內(nèi)，讓煙氣更好地通過排煙道排出行車道，將煙氣控制在一定的范圍內(nèi)，更好地確保在隧道火災(zāi)中車輛和人員安全，以及避免設(shè)備和設(shè)施的損壞。因此，在不同的火源位置下排煙方式的合理誘導(dǎo)風(fēng)速的確定，應(yīng)結(jié)合2 m高度處的溫度、能見度和排煙效率的數(shù)值模擬結(jié)果來進行確定。

篇幅有限，以－4%坡度為例，分析火源位于隧道入口段時，單向集中排煙模式下合理的誘導(dǎo)風(fēng)速。

3.2.1 隧道內(nèi)2 m高處60℃煙氣前鋒蔓延范圍分－4%坡度不同誘導(dǎo)風(fēng)速下煙氣蔓延穩(wěn)定后2 m高度處60℃煙氣前鋒蔓延范圍如表1所示。

表1 不同誘導(dǎo)風(fēng)速下2 m高處60℃煙氣前鋒蔓延范圍

由表1可見，當(dāng)誘導(dǎo)風(fēng)速為0 m/s、1 m/s和2 m/s時，隧道內(nèi)60℃煙氣前鋒向上游蔓延的距離較大，均蔓延至隧道模型入口處，在實際隧道中總蔓延范圍可能超過300 m;當(dāng)誘導(dǎo)風(fēng)速為3 m/s時，60℃煙氣前鋒向上游蔓延的距離為63 m，總的蔓延范圍為222 m，60℃煙氣前鋒控制在300 m范圍內(nèi)。

3.2.2 隧道內(nèi)2 m高處能見度分布規(guī)律

50 MW火災(zāi)下，煙氣蔓延穩(wěn)定后，誘導(dǎo)風(fēng)速分別為0 m/s、1 m/s、2 m/s、3 m/s，隧道內(nèi)2 m高處能見度分布，如圖4所示。

從2 m高度處能見度數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，50 MW情況下，當(dāng)縱向誘導(dǎo)風(fēng)速為0 m/s時，火源附近的很小范圍內(nèi)和下游區(qū)域存在2 m高度處能見度小于10 m情況;當(dāng)縱向誘導(dǎo)風(fēng)速為1 m/s時，離火源最近的排煙閥F1上游范圍內(nèi)2 m高度處能見度均小于10 m，F(xiàn)1下游范圍內(nèi)2 m高度處能見度基本為30 m;當(dāng)誘導(dǎo)風(fēng)速為2 m/s，火源附近的很小范圍內(nèi)存在2 m高度處能見度小于10 m情況，火源上游和下游的2 m高處能見度在10 m附近波動;當(dāng)誘導(dǎo)風(fēng)速為3 m/s時，只在火源附近的很小范圍內(nèi)存在2 m高度處能見度小于10 m情況，且火源上游2 m高度處能見度基本為30 m。

圖4 不同縱向誘導(dǎo)風(fēng)速下隧道內(nèi)2 m高度處能見度隨距離的變化

3.2.3 排煙效率分析

排煙效率是評價隧道集中排煙系統(tǒng)煙氣控制效果的重要參數(shù)，排煙系統(tǒng)的排煙效率用單位時間內(nèi)所有排煙閥的排煙量總和占火災(zāi)煙氣生成總量的百分?jǐn)?shù)表征，在數(shù)值模擬時，通過火源生成的CO2量和排出的CO2量表征火源的煙氣生成量和煙氣的排出量，火源生產(chǎn)的CO2量通過火源燃燒化學(xué)方程式求得，各排煙閥排出的CO2量通過FDS模擬計算得出［13］。－4%坡度不同縱向誘導(dǎo)風(fēng)速下煙氣蔓延穩(wěn)定后各排煙閥排煙效率和總排煙效率如表2所示。

表2 不同誘導(dǎo)風(fēng)速下排煙效率數(shù)值模擬結(jié)果

誘導(dǎo)風(fēng)速為0 m/s時的排煙效率只有6.7%，且只有離火源最近的排煙閥R1處有煙氣排出;當(dāng)縱向誘導(dǎo)風(fēng)速為1 m/s和2 m/s時，總排煙效率達到100%;當(dāng)縱向誘導(dǎo)風(fēng)速增大到3 m/s時，總排煙效率又降至94.5%。

3.2.4 合理誘導(dǎo)風(fēng)速確定

綜合考慮隧道內(nèi)溫度場分布、2 m高處能見度分布以及排煙效率，當(dāng)火源位于－4%坡度段時，合理的煙控氣流組織模式為:開啟離火源最近的排煙風(fēng)機和6個排煙閥進行上游端單向排煙，單向交通前方無堵塞時可取3 m/s的縱向誘導(dǎo)風(fēng)速，單向交通有堵塞或雙向交通時可取2.5 m/s的縱向誘導(dǎo)風(fēng)速。該隧道不同坡度(－4%，－3%，－2%，－1%)下對應(yīng)的合理誘導(dǎo)風(fēng)速如表3所示。

表3 不同坡度隧道入口段火災(zāi)時合理誘導(dǎo)風(fēng)速

4 結(jié)論

通過對集中排煙模式下不同坡度隧道入口段火災(zāi)時合理誘導(dǎo)風(fēng)速的數(shù)值模擬分析，主要有以下結(jié)論。

(1)當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在坡度隧道入口處，集中排煙+誘導(dǎo)風(fēng)速模式下，火源上游2 m高度處的溫度在火災(zāi)熱煙氣在浮力效應(yīng)和煙囪效應(yīng)的共同作用下隨著誘導(dǎo)風(fēng)速的增大先升高后降低，火源下游段隧道內(nèi)2 m高處溫度基本上隨著誘導(dǎo)風(fēng)速的增大而升高。

(2)當(dāng)坡度隧道入口段發(fā)生火災(zāi)時，開啟離火源最近的排煙風(fēng)機和6個排煙閥進行上游端單向集中排煙，綜合考慮隧道內(nèi)溫度場分布、2 m高處能見度分布以及排煙效率可知，隧道坡度為－4%～－2%時，合理的誘導(dǎo)風(fēng)速為:單向交通前方無堵塞時可取3 m/s，單向交通有堵塞或雙向交通時可取2.5 m/s。隧道坡度為－1%時，合理的誘導(dǎo)風(fēng)速為:單向交通前方無堵塞時可取2 m/s，單向交通有堵塞或雙向交通時可取1.5 m/s。

［1］中華人民共和國交通運輸部．2010年公路水路交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報［EB/OL］．［2011－04－28］．http://www．moc．gov．cn/zhuzhan/tongjigongbao/fenxigongbao/hangyegongbao/201104/t20110428_937558.html．

［2］彭立敏，安永林，楊高尚．隧道火災(zāi)調(diào)研及其對雪峰山隧道防災(zāi)設(shè)計的啟示［J］．災(zāi)害學(xué)，2006，21(3):103－106．

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Study on Induced Velocity of Highway Tunnel Entrance Fire in Centralized Smoke Exhaust M ode

Xu Zhisheng1，Yu Nianhao1，Zhang Xin1，2，Jiang Xuepeng1，2，Zhao Hongli1and LiWeiping3
(1．Institute of Disaster Prevention Science＆ Safety Technology，Central South University，Changsha 410075，China;2．Department of Fire Command，The Chinese People's Armed Police Force Academy，Langfang 065000，China;3．Zhejiang Provincial Institute of Communications Planning，Design＆ Research，Hangzhou 310006，China)

To study the reasonable induced velocity of highway tunnel entrance fire in centralized smoke exhaustmode，using a certain highway tunnel as background，16 groups of fires conditions of different slope and induced velocity within the entrance section of tunnel are simulated with software of the Fire Dynamics Simulation(FDS)．Based on the analysis of simulation results of the temperature distribution and effect of smoke control in tunnel under respective fire conditions，the reasonable induced velocity of fire conditions are worked out，which would provide reference for key design parameters of centralized smoke exhaust system in highway tunnel．

tunnel fire;central smoke exhaust;induced velocity;smoke velocity;exhaust efficiency

TU988.12

A

1000－811X(2012)03－0097－05

2012－02－17

2012－03－19

浙江省交通運輸廳科技計劃項目(2010H01);中國人民武裝警察部隊學(xué)院滅火救援技術(shù)公安部重點實驗室開放課題(KF2011003);中南大學(xué)研究生教育創(chuàng)新工程項目(2010ssxt217);中南大學(xué)研究生教育創(chuàng)新工程項目(2011ssxt164)

徐志勝(1962－)，男，山東濰坊人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事火災(zāi)科學(xué)、城市公共安全及綜合防災(zāi)、土木工程防災(zāi)減災(zāi)等方面的研究和教學(xué)工作．E-mail:zhshxu82@163.com