自然風壓對豎井分段式縱向通風系統的影響

李科，賈智剛，陳建忠，王少飛

（1.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067；2.中央財經大學，北京 100081）

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自然風壓對豎井分段式縱向通風系統的影響

李科1，賈智剛2，陳建忠1，王少飛1

（1.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067；2.中央財經大學，北京 100081）

摘要：以寧武（寧德—武夷山）高速公路洞宮山隧道為依托，分析了自然風壓對豎井分段式縱向通風系統的影響及自然風壓的產生因素和計算方法；通過工程實測驗證了自然風壓對隧道洞內風壓的影響規律；介紹了洞宮山隧道利用自然風壓進行營運通風的實施方案，分析了該方案在提高通風系統利用效率、降低系統運營能耗方面的優勢。

關鍵詞：隧道；自然風壓；分段式縱向通風；自然通風

在區域路網還未最終形成前，隧道營運早期交通量遠低于遠期通行交通量，為使洞內機電設備與實際通行交通量需求的營運條件相匹配，現行《公路隧道通風設計細則》提出了通風系統應“統籌規劃，一次設計，分期實施”的設計理念。特長公路隧道通風井等結構物隨隧道主體施工一次建成，通風設施卻根據交通量增加分階段實施，這將導致遠期營運需配套的結構物在近期會閑置的情況，形成資源浪費。通風井貫通后，由于通風井兩端自然高差和洞內外溫差的存在，行車的氣壓差會在洞內形成風速，給隧道營運通風提供了有利條件。因此，如何在滿足衛生標準和排煙需求的前提下合理利用自然風，提高現有通風系統的利用效率，是隧道通風系統合理管理需解決的問題。下面以寧武（寧德—武夷山）高速公路洞宮山特長隧道為背景，對自然風壓在豎井分段式縱向通風系統中的應用進行研究。

1　項目背景

洞宮山特長隧道場址區屬中低山地貌，地形起伏大，進洞口自然山坡坡度35°～45°，出洞口自然山坡坡度30°～35°，自然山坡穩定，洞身最高點海拔為1 266.8 m（旗山頂），溝塹較發育，大多呈V形。屬亞熱帶季風氣候，氣候溫和，多濕多雨，陽光充足，氣溫北低南高，年平均氣溫17.8～21.1℃，年平均降雨量1 556～2 229 mm。全年雨日164～177 d，3—4月為春雨季，雨量占全年的23%～24%；5—6月為梅雨季，雨量占36%～37%；7—9月為臺風、雷雨季，雨量約占20%；10—翌年2月為少雨期，雨量約占20%。降雨分布不均勻，年際變化大。

洞宮山隧道的平縱主要技術參數見表1。

2　隧道自然風壓

路線縱坡引起的隧道兩端洞口高差、通風斜/豎井兩端井口高差、洞內外溫差、洞外自然風與隧道內風速在洞口產生的“風墻”等均會產生氣壓差，引起洞內空氣流動，統稱為自然風壓。總結以上自然條件，隧道內自然風壓一般由3種差壓構成：一是洞口、通風井口自然高差形成的靜壓差；二是洞口高差及洞內外溫差形成的熱位差；三是隧道內、外自然風在洞口形成的“風墻”效應。

表1　洞宮山隧道主要技術參數

《公路隧道通風設計細則》關于隧道自然風形成的風阻的計算公式為：

式中：ΔPm為隧道內自然風阻力（N/m2）；ξe為隧道入口局部阻力系數，取0.5；λr為隧道壁面摩擦阻力系數，取0.02；L為隧道長度（m）；Dr為隧道斷面當量直徑（m）；ρ為空氣密度（kg/m3）；vn為自然風作用引起的洞內風速（m/s），通常取2～3 m/s。

當自然風向與隧道營運需風向相反時，式（1）取“+”；反之取“-”。

洞宮山隧道面積為62 m2，隧道外自然風速不同取值對隧道洞內風阻的影響見表2。

表2　隧道不同洞外風速引起的洞內風阻情況

從表2可看出：風速大小與其引起的隧道內風阻成二次方關系，合理利用洞外自然風可大大提高隧道通風系統運行效率，節省運營開支。

3　自然風壓對隧道洞內壓力影響的計算

3.1靜壓差對隧道洞內壓力影響的計算

如圖1所示，取隧道進口1處、出口2處、通風井進口3處為計算基準點，其超靜壓差分別記為ΔP1、ΔP2、ΔP3，且設ΔP3=0。由于三處洞口存在超靜壓差，故隧道內空氣開始流動，并在一定時間內達到穩定狀態。根據氣流流動的阻力定律，有：

式中：Rn為風道n段的沿程風阻；R′n為風道n段的局部風阻。

圖1　靜壓差對隧道洞內壓力影響示意圖

現以洞宮山左線隧道為例，編程計算不同自然風速下產生的洞內自然風量，計算模型見圖2。

圖2　洞宮山隧道超靜壓計算模型

以左線出口ΔP2為超靜壓差的計算基準點，則ΔP2=0，送風井口ΔP3、排風井口ΔP4及隧道進口ΔP1的超靜壓差計算結果見表3。

從表3可以看出：自然風速引起的洞內風量與隧道斷面成正比，超靜壓差與其引起的隧道風量成正比。

表3　洞宮山隧道左線各自然風引起的洞內各段風量

3.2溫度對隧道洞內壓力影響的計算

因隧道洞內受外界自然條件影響較小，隧道洞內外溫差不同，從而引起洞內外空氣密度不同。當洞內氣溫高于洞外氣溫即洞外空氣密度大于洞外空氣密度時，隧道內空氣將由海拔低端洞口向海拔高端洞口流動；反之，當洞內氣溫低于洞外氣溫即洞外空氣密度小于洞外空氣密度時，隧道內空氣將由海拔高端洞口向海拔低端洞口流動。這種現象稱為因熱位差引起的洞內壓力變化。

對于有通風豎井的隧道，主洞和通風井內均存在熱位差。計算時，假定洞內氣溫為T0，兩洞口通風井口氣溫分別為T1、T2、T3，對應的空氣密度分別為ρ0、ρ1、ρ2、ρ3，各洞口及通風井口的標高分別為H0、H1、H2、H3（見圖3），則有：

圖3　熱位差對隧道洞內壓力影響示意圖

式中：ΔhⅠ、ΔhⅡ為洞口1處、洞口2處分別與通風井口4處之間的熱位差；Hn-m為兩點相對高差，即Hm-Hn；ρⅠ、ρⅡ為洞口1處、洞口2處分別與通風井口4處的平均空氣密度。

該隧道左線中部設置一處豎井，隧道所在地平均大氣壓力為92 004 Pa，各點的高程分別為H1= 47.2 m、H2=0 m、H3=140 m。左線熱位差計算模型見圖4，計算結果見表4。

圖4　洞宮山隧道熱位差計算模型

從表4可以看出：隧道內通風量變化與洞內外溫差變化成正比。

3.3洞口“風墻”對隧道洞內壓力影響的計算

隧道外自然風吹向隧道內時，因洞口局部阻力損失及與隧道壁碰撞后，自然風動壓的一部分轉變成靜壓力，另一部分動壓繼續對隧道洞內風速造成影響。剩余動壓計算經驗公式為：

式中：va為隧道外自然風速（m/s）；α為自然風風向與隧道中線的夾角（°）。

計算隧道洞外自然風速分別為1、3、5、7、9 m/s時自然風對洞內壓力的影響，結果見圖5。

從圖5可以看出：隧道外自然風速為1～9 m/s時，當自然風向與隧道軸線平行時，洞外風速引起洞內風速及壓力變化較大，洞內外風速計風壓之比均約為0.7；當自然風向與隧道軸線垂直時，洞外風速引起洞內風速及壓力變化幾乎為零。

表4　洞宮山隧道左線熱位差引起的洞內各段風量

圖5　自然風對隧道內風速及風壓的影響

4　洞宮山隧道氣象實測

上面分別計算了洞外3種動力對隧道內壓力的影響，各動力孤立，互不干擾。但現實中3種動力是同時存在、相互作用的，其共同作用對隧道產生的影響通過現場實測進行分析。現場測試內容包括大氣壓力、溫度、風速及風向。

洞宮山隧道全長6 500 m，豎井位于3 200 m處。其中左洞縱向自然風測試共設置11個測點（見圖6）。

圖6　洞宮山隧道左洞自然風測點布置

同一時間各測點的風速、風向、風壓、溫度為一組數據，每組數據間隔5 min，連續測試2 h，每個時間段共24組數據，共取得1 344組實測數據。整理后數據見圖7～9。

對隧道實測數據進行分析，可得：1）該隧道豎井內的自然風速為±（1～3）m/s，隧道內自然風速為±（1～2）m/s。2）隧道左洞自然風向，豎井內夏季由隧道外向隧道內流動，進口段由隧道外向隧道內流動，出口段由隧道內向隧道外流動。3）超靜壓差與其引起的隧道風量成正比；隧道內通風量變化與洞內外溫差變化成正比。

圖7　洞宮山隧道左洞風速變化曲線

圖8　洞宮山隧道左洞溫度變化曲線

圖9　洞宮山隧道左洞大氣壓力變化曲線

5　工程應用

根據該隧道氣象數據實測值，計算得表5所示各工況下隧道各通風段的風量（見表6）。將表6中自然風量用圖表述，結果見圖10。

從圖10可看出：隧道左洞內主導自然風和行車方向一致，能有效利用自然風對隧道內污染空氣進行稀釋，其有效自然風利用量見表7。

表5　洞宮山隧道各區段風量計算工況

表6　各工況下洞宮山隧道各區段計算風量

圖10　洞宮山隧道左洞自然風量流動示意圖（單位：m3/s）

表7　各工況下洞宮山隧道左洞有效自然風利用量

眾所周知，利用自然風能對隧道正常營運輔助通風提供有利條件，但其風量會受隧道沿程阻力等因素影響而減少，同時受交通通風力影響，對隧道通風提供動力（或阻力）。稀釋隧道內污染空氣需風量、汽車交通通風力、隧道通風阻抗力計算方法在《公路隧道通風設計細則》中有詳細介紹，在此不贅述。

根據《國家高速公路沈陽至?？诳v線寧德至上饒聯絡線福建境內段（寧德至武夷山）可行性研究報告》及其修訂本提供的隧道各設計年份交通組成，分別計算洞宮山隧道各交通量下左洞稀釋CO和VI的需風量，計算結果見表8。

表8　洞宮山隧道左洞全長稀釋CO和VI的需風量

從表8可知：設計車速為30～80 km/h、設計交通量為100～700 veh/h工況下，利用自然風能稀釋洞內CO。在設計車速為30～80 km/h、設計交通量為100～500 veh/h及設計車速為60～80 km/h、設計交通量為600 veh/h工況下，利用自然風能稀釋洞內VI，其他工況則不能。

參照《公路隧道通風設計細則》計算該隧道交通通風力ΔPt和自然風阻力ΔPm，得ΔPm=13.93 N/m2，ΔPt計算結果見表9。

表9　洞宮山隧道交通通風力ΔPt計算結果

由表9可以看出：在高峰小時混合車交通量為100～200輛、行車速度為30～40 km/h的情況下，交通通風力不能抵抗隧道出口段自然風阻力，除此以外，其余工況交通通風力均大于自然風阻力。但如此小的交通量下，全隧道車輛以40 km/h通行的可能性很小，故在通行交通量小于700 veh/h的營運近期，閑置（未設置通風設備）的通風道內流動的空氣量能稀釋隧道內CO及VI污染物，不需開啟機械通風設備，利用隧道各洞口間形成的超靜壓差及洞內外溫差引起的有利自然風即能滿足營運通風需求。

6　結語

該文以寧武高速公路洞宮山隧道為依托，采用理論計算、現場實測等手段，分析了自然風壓對豎井分段式縱向通風系統的影響，并將這一成果在該隧道推廣應用，提高了通風系統的利用效率，降低了系統運營能耗。

參考文獻：

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中圖分類號：U453.5

文獻標志碼：A

文章編號：1671-2668（2016）03-0250-06

收稿日期：2016-01-25