環(huán)境參數(shù)對公路隧道煙氣蔓延影響的實(shí)驗(yàn)研究

吳婧，沈斐敏

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建福州 350116)

隧道是為滿足交通運(yùn)輸需求及地形而設(shè)計(jì)的特殊空間，呈現(xiàn)出密閉化、地下化等特性，一旦發(fā)生火災(zāi)，將出現(xiàn)溫度上升快、煙氣積累多、人員疏散慢等問題，造成的人員傷亡主要是由火災(zāi)所產(chǎn)生的高溫和濃煙擴(kuò)散所引起．隨著火災(zāi)規(guī)模以及通風(fēng)速度的變化，隧道內(nèi)的溫度以及煙氣流動的分布也將發(fā)生相應(yīng)的變化［1］．國內(nèi)外很多學(xué)者對隧道火災(zāi)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，如臨界風(fēng)速［2－4］、通風(fēng)仿真［5－6］、排煙方案［7］、隧道內(nèi)溫度場分布［8－9］等．但是，關(guān)于隧道內(nèi)環(huán)境溫度、風(fēng)速對火災(zāi)蔓延和煙氣擴(kuò)散影響的研究較少，本文重點(diǎn)討論環(huán)境溫度、風(fēng)速對火災(zāi)蔓延和人員疏散的影響，得出隧道火災(zāi)預(yù)防和控制的一些規(guī)律，為監(jiān)督管理部門對隧道內(nèi)溫度的控制和風(fēng)速的調(diào)節(jié)提供參考．

1 隧道模型的建立

1．1 隧道的基本情況

福州象山隧道是福州市二環(huán)路上位于西環(huán)北路的交通要塞，也是二環(huán)上的最大堵點(diǎn)之一．道路等級為城市主干道I級，設(shè)計(jì)行車速度50 km·h－1，現(xiàn)為四洞連拱結(jié)構(gòu)，中間兩洞通行機(jī)動車，雙向4車道，單洞隧道限界寬9．25 m，車道寬7 m，拱頂高7 m，凈空高5 m，隧道全長230 m，距隧道出入口50 m處兩洞間設(shè)置橫通道，高峰時(shí)段車流量為4 200輛·h－1．

1．2 隧道模型

所使用的隧道模型(取著火部分隧道)尺寸為9 000 mm×1 500 mm×1 500 mm的有機(jī)玻璃模型，有機(jī)玻璃模型便于觀察煙氣流動．實(shí)驗(yàn)采用縮尺溫度模型［10］，模擬不同火災(zāi)強(qiáng)度下，油池火的燃燒特性．根據(jù)無量綱控制方程分析(見式1)，采用密度修正弗諾德準(zhǔn)則Fr［11－13］，只要保證Re≥0．5×104和瑞利數(shù)Ra≥8×106，流動和熱力進(jìn)入自模擬區(qū)，實(shí)現(xiàn)模型與原型相似［14－15］．

式中:u為特征速度，取浮射流出口速度，m·s－1;L為特征尺寸，取浮射流出口直徑，m;g為重力加速度，m·s－2;T為特征溫度，取浮射流出口溫度，K;ΔT為特征溫差，取浮射流出口溫度與環(huán)境溫度的差值，K．

受實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒牧献罡邷囟燃鞍踩蛩叵拗疲夭畋瘸逤ΔT=0．079 1，幾何比尺CL=0．214，可以確定溫度比尺 CT為0．396，速度比尺 Cu為0．207．

對于燃燒區(qū)域煙氣的流動、熱力參數(shù)，不是本次實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)，而是需要關(guān)注擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)熱力參數(shù)的變化．根據(jù)辛烷(汽車燃油主要成分)燃燒化學(xué)反應(yīng)方程式及能量守恒，可得到相應(yīng)的燃燒參數(shù)(表1)作為隧道火源原型數(shù)據(jù)，將火源模化為熱源誘導(dǎo)的高溫浮射流．熱源原型參數(shù)與模型參數(shù)對照如表1所示．

表1 熱源原型參數(shù)與模型參數(shù)對照Tab．1 Comparisons between heat prototype parameters and model parameters

2 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置

2．1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

模型實(shí)驗(yàn)臺由熱源模擬系統(tǒng)、垂直風(fēng)流模擬系統(tǒng)和測量系統(tǒng)三部分組成．熱源模擬系統(tǒng)采用兩級電加熱組加熱環(huán)境空氣，直至滿足熱源風(fēng)溫要求，在熱源系統(tǒng)前端添加去離子水煙霧發(fā)生器，便于追蹤觀察，煙霧和加熱空氣在熱風(fēng)箱(31．0 cm×15．5 cm×22．5 cm)里混合后在浮升力作用下進(jìn)入實(shí)驗(yàn)隧道．為保證垂直風(fēng)流送風(fēng)均勻，在隧道的進(jìn)風(fēng)斷面設(shè)置了配有均流板的軸流式風(fēng)機(jī)，并采用變頻器進(jìn)行風(fēng)速調(diào)節(jié)．實(shí)驗(yàn)測量以地下工程安全數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為平臺，系統(tǒng)包括兩大部分:一是硬件部分，負(fù)責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，安裝有JWSK－6溫濕度傳感器4個(gè)、SBWZ鉑熱電阻傳感器12個(gè)、EE65微風(fēng)風(fēng)速傳感器8個(gè)、風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器(自研)2個(gè)、SN－687PTA/26W工業(yè)攝像頭2個(gè)、DH－DVR0404LE－AS硬盤錄像機(jī)1臺;二是基于WebGIS的安全監(jiān)測模塊，系統(tǒng)可連續(xù)監(jiān)測隧道內(nèi)風(fēng)速、溫度、濕度等安全參數(shù)及圖像信息，安全監(jiān)測系統(tǒng)從空間數(shù)據(jù)庫中得到相關(guān)數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)動態(tài)顯示和分析評價(jià)．

2．2 測點(diǎn)布置

根據(jù)美國消防協(xié)會NFPA發(fā)布的有關(guān)公路隧道、橋梁和限制通行的高速公路的防災(zāi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(NFPA 502)中的可接受維生環(huán)境的準(zhǔn)則，當(dāng)煙氣界面下降到人眼特征高度(取為1．6 m)時(shí)，對人的危害將是直接燒傷或吸入熱氣體引起的．結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室的實(shí)施條件，布置以下測點(diǎn)，見圖1．

圖1 傳感器位置布置圖Fig．1 Layout plan of sensor position

2．3 實(shí)驗(yàn)工況

隧道模型內(nèi)按汽車建立模型，車輛的最大長、寬、高尺寸分別取4．80 m×1．85 m×1．50 m，著火車輛為一輛，其位置設(shè)在距隧道入口2．14 m(對應(yīng)隧道原型為距離隧道入口55 m)處，著火點(diǎn)向隧道入口方向發(fā)生堵車，著火點(diǎn)向隧道出口方向無車停留．實(shí)驗(yàn)工況如表2所示．

表2 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置Tab．2 Experimental conditions setting

2．4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用控制變量法，以隧道內(nèi)初始溫度、風(fēng)速、濕度為變量，得出目標(biāo)點(diǎn)處的溫度隨煙氣蔓延時(shí)間的變化過程，并根據(jù)相似理論對模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步折算為原型隧道煙氣速度、溫度的變化，據(jù)此討論熱煙氣蔓延的規(guī)律．

2．4．1 隧道頂部測點(diǎn)溫度變化結(jié)果

當(dāng)環(huán)境溫度為17．3℃時(shí)，火源上方隧道頂部測點(diǎn)21及火源前方0．64 m(對應(yīng)隧道原型為火源前方3 m)處隧道頂部測點(diǎn)20在三種不同風(fēng)速下(隧道模型中v0=0 m·s－1，v1=0．5 m·s－1，v2=1 m·s－1;對應(yīng)隧道原型中 v0=0 m·s－1，v1=2．4 m·s－1，v2=4．8 m·s－1)的溫度變化情況見圖2、3 所示．

圖2測點(diǎn)21在不同風(fēng)速下溫度值Fig．2 Temperature values of measuring point 21 under different wind speeds

圖3 測點(diǎn)20在不同風(fēng)速下溫度值Fig．3 Temperature values of measuring point 20 under different wind speeds

圖2中，前25 min未發(fā)生火災(zāi)，溫度保持不變，第25 min火源點(diǎn)燃持續(xù)35 min并處于無機(jī)械通風(fēng)狀態(tài)，最高溫度可達(dá)到44．53℃(根據(jù)相似理論折算成原型隧道溫度為361．55℃)，當(dāng)開啟風(fēng)機(jī)并保持0．5 m·s－1的風(fēng)速15 min時(shí)，溫度快速下降至21．97℃(折算后溫度為76．34℃)，再調(diào)大風(fēng)速至1．0 m·s－1并保持18 min，溫度繼續(xù)下降至19．30℃(折算后溫度為42．58℃)．

圖3中，第20 min火源點(diǎn)燃持續(xù)燃燒33 min并處于無機(jī)械通風(fēng)狀態(tài)，溫度緩慢上升到最高溫度31．17℃(折算后溫度為194．89℃)，開啟風(fēng)機(jī)并保持0．5 m·s－1的風(fēng)速10 min時(shí)，溫度快速下降至22．27℃(折算后溫度為80．94℃)，再調(diào)大風(fēng)速至1．0 m·s－1溫度下降到19．89℃(折算后溫度為50．46℃)．

目前，計(jì)算火源上方頂棚射流最高溫度的理論分析主要有Alpert公式［16－17］和Kurioka［18］模型．Kurioka模型對于縱向風(fēng)速為0或風(fēng)速很小的情況，F(xiàn)r值趨近于0，其預(yù)測結(jié)果與真實(shí)情況差別很大［8］．Alpert等通過煙氣羽流撞擊頂棚實(shí)驗(yàn)得到下列關(guān)于最高溫度θmax(℃)的分布關(guān)系式:

式中:θ0為環(huán)境溫度，℃;h為火源底面到頂棚的高度，m;y為頂棚射流在水平方向上離火源中心線的距離，m;Q為熱釋放率，kW．

用Alpert公式對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，對火源上方隧道頂部測點(diǎn)21、20的最高溫度進(jìn)行計(jì)算，取:

θ0=17．3 ℃，h=7 －0．2=6．8 m，Q=12 MW，y ＜0．18 h=1．2，θmax－ θ0=362．88 ℃，θmax=380．18 ℃;

y ＞0．18 h=1．2，θmax－ θ0=199．36 ℃，θmax=216．66 ℃;

計(jì)算值與測點(diǎn)21、20測得的最高溫度值361．55、194．89℃接近，誤差分別為4．90%和10．04%，可見Alpert公式計(jì)算火源上方最高溫度的方法是可靠的，實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)也具有可靠性．同時(shí)，火源前方1．5、2．1、3．2、3．8 m(對應(yīng)隧道原型為火源前方7、10、15、18 m)處隧道頂部測點(diǎn)14、04、17、07 在三種不同風(fēng)速下(隧道模型中 v0=0 m·s－1、v1=0．5 m·s－1、v2=1 m·s－1，對應(yīng)隧道原型中 v0=0 m·s－1、v1=2．4 m·s－1、v2=4．8 m·s－1)的溫度變化情況見圖4～圖7所示．從圖4～7可以看出，隨著離火源距離越遠(yuǎn)，隧道頂部溫度上升幅度越小，最高溫度也隨之降低，并且開啟風(fēng)機(jī)通風(fēng)對溫度影響也不大．

同一條件下，火源后方0．64、1．28 m(對應(yīng)隧道原型為火源后方3、6 m)、火源前方1．5、2．1 m(對應(yīng)隧道原型為火源前方7、10 m)處隧道側(cè)壁人眼特征高度處測點(diǎn)30、31、16、06在三種不同風(fēng)速下(隧道模型中 v0=0 m·s－1、v1=0．5 m·s－1、v2=1 m·s－1，對應(yīng)隧道原型中 v0=0 m·s－1、v1=2．4 m·s－1、v2=4．8 m·s－1)的溫度變化情況見圖8～圖11所示．

圖8中，第20 min火源點(diǎn)燃持續(xù)燃燒33min并處于無機(jī)械通風(fēng)狀態(tài)，溫度緩慢上升到最高溫度20．51℃(折算后溫度為57．88℃)，開啟風(fēng)機(jī)并保持0．5 m·s－1的風(fēng)速10 min時(shí)，溫度快速下降至20．21℃(折算后溫度為54．09℃)，再調(diào)大風(fēng)速至1．0 m·s－1溫度下降到18．16℃(折算后溫度為28．17℃)．

圖4 測點(diǎn)14在不同風(fēng)速下溫度值Fig．4 Temperature values of measuring point point 14 under different wind speeds

圖5 測點(diǎn)04在不同風(fēng)速下溫度值Fig．5 Temperature values of measuring 04 under different wind speeds

圖6 測點(diǎn)17在不同風(fēng)速下溫度值Fig．6 Temperature values of measuring point 17 under different wind speeds

圖7 測點(diǎn)07在不同風(fēng)速下溫度值Fig．7 Temperature values of measuring point 07 under different wind speeds

圖8 測點(diǎn)30在不同風(fēng)速下溫度值Fig．8 Temperature values of measuring point 30 under different wind speeds

圖9 測點(diǎn)31在不同風(fēng)速下溫度值Fig．9 Temperature values of measuring point 31 under different wind speeds

圖10 測點(diǎn)16在不同風(fēng)速下溫度變化值Fig．10 Temperature values of measuring point 16 under different wind speeds

圖11 測點(diǎn)06在不同風(fēng)速下溫度變化值Fig．11 Temperature values of measuring point 06 under different wind speeds

圖9中，第20 min火源點(diǎn)燃持續(xù)燃燒35 min并處于無機(jī)械通風(fēng)狀態(tài)，溫度緩慢上升到最高溫度19．04℃(折算后溫度為39．30℃)，開啟風(fēng)機(jī)并保持0．5 m·s－1的風(fēng)速15 min時(shí)，溫度快速下降至18．46℃(折算后溫度為31．96℃)，再調(diào)大風(fēng)速至1．0 m·s－1溫度下降到18．16℃(折算后溫度為28．17℃)．

從圖8～11可以看出，隨著離火源距離越遠(yuǎn)，隧道側(cè)壁人眼特征高度處溫度上升幅度越小，最高溫度也隨之降低．

2．4．2 煙氣蔓延的時(shí)間

在表2中列出的15個(gè)場景工況下煙氣蔓延到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的時(shí)間如表3所示．

表3 各場景下煙氣蔓延到達(dá)特定位置的時(shí)間Tab．3 Smoke spread time to reach the particular locations in experimental conditions (s)

由表3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)知，環(huán)境溫度越低，煙氣蔓延時(shí)間越短．產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是:隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后，火場溫度升高，空氣膨脹、體積增大、密度減小，與隧道外的冷空氣產(chǎn)生較大的密度差，引起熱空氣向上運(yùn)動，即“煙囪效應(yīng)”和“浮力效應(yīng)”的綜合作用．外界環(huán)境溫度越低，這種密度差越大，熱壓越明顯，煙氣蔓延速度會加大，傳播時(shí)間就會縮短．

2．4．3 煙氣蔓延的過程

當(dāng)環(huán)境溫度為10．4℃，無風(fēng)工況時(shí)，火源燃燒后，熱煙氣迅速撞擊頂棚并向四周擴(kuò)散，然后在模型的上部空間逐漸積累并向上、下游蔓延，煙氣層在傳播過程中基本保持水平，下沉速度緩慢，傳播時(shí)間較長，如圖12所示．風(fēng)速較小時(shí)(模型中v=0．5 m·s－1，原型中v=2．4 m·s－1)，火源燃燒后產(chǎn)生的煙氣上升后，被軸流風(fēng)機(jī)的氣流打散，煙氣逐漸彌漫整個(gè)隧道空間，并向下游擴(kuò)散，上游無明顯煙氣流，見圖13．風(fēng)速較大時(shí)(模型中v=1．0 m·s－1，原型中v=4．8 m·s－1)，火源燃燒后，產(chǎn)生的煙氣還未上升，就被軸流風(fēng)機(jī)的氣流吹散，煙氣迅速彌漫整個(gè)隧道空間，向下游擴(kuò)散，上游無煙氣流，見圖14．

圖12 無風(fēng)時(shí)煙氣蔓延分布圖Fig．12 Smoke spread distribution under no wind

圖 13 v=0．5 m·s－1時(shí)煙氣蔓延分布圖Fig．13 Smoke spread distribution under wind speed is 0．5 m·s－1

圖14 v=1 m·s－1時(shí)煙氣蔓延分布圖Fig．14 Smoke spread distribution under wind speed is 1m·s－1

3 結(jié)語

1)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后，火源上方隧道頂部的溫度上升幅度大，響應(yīng)時(shí)間短，其最高溫度的測量值與Alpert公式理論計(jì)算的結(jié)果比較接近，可以用Alpert公式計(jì)算預(yù)測隧道內(nèi)火源上方的最高溫度值;火源上、下游人眼特征高度處溫度的上升幅度較小，離火源距離越遠(yuǎn)，火源對其上、下游的影響逐漸減小，因此火災(zāi)發(fā)生后，350 s內(nèi)不應(yīng)開啟風(fēng)機(jī)，此時(shí)煙氣蔓延還未降至人眼特征高度處，且此高度以下溫度變化幅度小，離火源較遠(yuǎn)的人員可以逃生．

2)通風(fēng)對隧道內(nèi)溫度的影響很大，火災(zāi)發(fā)生后，隧道內(nèi)火源附近溫度急劇上升，開啟風(fēng)機(jī)通風(fēng)后，溫度迅速下降，但是并不是風(fēng)速越大，溫度下降的越多，而且離火源距離越遠(yuǎn)，通風(fēng)對溫度影響越小，因此火災(zāi)發(fā)生后，350 s后應(yīng)開啟風(fēng)機(jī)通風(fēng)，可迅速降低隧道內(nèi)溫度，但風(fēng)速不宜大于3 m·s－1．

3)根據(jù)煙氣蔓延時(shí)間及人的步行速度(約為1．2 m·s－1)，對于特長或交通量比較大的隧道，隧道內(nèi)每隔300～400 m應(yīng)設(shè)置避難聯(lián)絡(luò)橫通道．

4)環(huán)境溫度較低時(shí)，煙氣蔓延時(shí)間更短，在低溫時(shí)段應(yīng)為人員安全疏散及滅火救援爭取更多時(shí)間．

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