螺旋隧道火災特性小尺寸實驗研究*

李　濤，謝　瑋，韋　濤，張澤江

(1.西南交通大學 交通運輸與物流學院，四川 成都 610031；2.西南交通大學 地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都 610031；3.公安部四川消防研究所，四川 成都 610036)

0　引言

現(xiàn)代公路隧道的選線已經(jīng)打破了過去寧直勿彎的規(guī)則，受到地質、地形、通風等因素的影響，為了避開斷裂帶、季節(jié)性冰凍帶等地形地質和惡劣環(huán)境條件[1]，部分地區(qū)開始建設曲線隧道。螺旋隧道火災不同于傳統(tǒng)直線隧道， 其“煙囪效應”使得煙氣在隧道上坡方向的蔓延變得異常強烈，為通風排煙設計和人員安全疏散帶來挑戰(zhàn)[2]。

國內(nèi)外學者已開展了針對螺旋隧道火災溫度場分布及臨界風速等變化規(guī)律的研究，其中，國內(nèi)伍燦等[3]基于干海子螺旋曲線公路隧道工程，研究干海子曲線隧道火災時的臨界風速，但只是局限在數(shù)值模擬階段；王峰[4-5]通過數(shù)值計算并結合試驗和現(xiàn)場測試，系統(tǒng)研究了干海子隧道和鐵寨子I號隧道運營通風的關鍵參數(shù)問題，首次提出了曲線隧道沿程阻力的計算方法；胡順利等[6-7]利用FDS建立新安螺旋公路隧道模型，對不同隧道曲率以及坡度下的溫度、能見度和CO濃度分布進行數(shù)值模擬研究，并獲得相應條件下的臨界風速；國外Atkinson等[8- 9]研究了坡度為0%～10%范圍內(nèi)的隧道火災，但是未考慮上坡方向煙氣溫度隨坡度的變化；趙紅莉[10]等人從能量守恒的角度出發(fā)，建立預測隧道火災煙氣沿程溫度變化的理論模型，研究坡度對隧道煙氣溫度的縱向衰減和最高溫度的影響；徐琳[11]等人提出了三區(qū)域溫度分布模型，并建立了火區(qū)、下游煙氣擴散區(qū)煙流沿程溫度分布預測模型及其計算參數(shù)確定方法，進而預測不同坡度下煙囪效應升壓力大?。焕钛卒h等[12]利用大渦模擬方法研究坡度在0%～5%范圍內(nèi)的隧道內(nèi)煙氣層橫向以及縱向溫度場分布以及火源拱頂處最高溫度隨時間的變化規(guī)律。

截止目前，國內(nèi)外對于曲線隧道的研究還處于數(shù)值模擬為主、小尺寸模型試驗為輔的階段，螺旋隧道火災相關特性仍待進一步研究。鑒于此，筆者將基于搭建的小尺寸螺旋隧道實驗模型，研究螺旋曲線隧道火災特性，以期為合理防治螺旋隧道火災危害提供實驗依據(jù)。

1　螺旋隧道火災縮尺模型實驗

1.1　實驗模型建立

本文以高速公路螺旋曲線雙洞單向隧道作為實驗研究的原型隧道，隧道凈高9.1 m，斷面圓弧半徑6.4 m，行車道凈寬11.5 m?；谀Ｐ蛯嶒炘O計理論的分析，要使模型和原型兩個流場相似，要求應確保使雷諾數(shù)處于湍流自模擬區(qū)，即流體流動的雷諾數(shù)應大于103。通過這一關鍵條件[13]，結合隧道火災模型和原型之間的尺度關系，便可確定實驗模型的尺寸。

發(fā)生火災時，燃燒熱驅動引發(fā)隧道行車道內(nèi)的煙氣流動，因此可以認為煙氣的特征速度us就是火羽流的特征速度，即：

(1)

8.28×106>103

(2)

由速度比例關系得：

(3)

則實驗模型的雷諾數(shù)應滿足：

(4)

簡化得模型的最小比例要求為：

(5)

綜合考慮實驗場地條件和經(jīng)濟條件等因素，最終確定采用1∶67的縮尺比例進行螺旋隧道模型建造，如圖1所示。整個螺旋隧道模型共分有1%，3%，5%和7%共4個坡度段，每一坡度段均由長度分別約為5.1 m和5.86 m的直管段和彎管段構成，軸流風機分別焊裝于每一坡度段火源上游1.4 m，下游0.3 m，1.9 m，4 m，5.9 m，7.9 m位置的鍍鋅鐵皮上，并用防火膠密封。

圖1　螺旋隧道縮尺實驗模型Fig.1　Reduced-scale spiral tunnel experimental model

圖2　實驗溫度測點及起火點示意Fig.2　Experimental temperature measurement and fire point

1.2　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及實驗工況設置

隧道模型采用K型鎧裝熱電偶作為溫度傳感器，將溫度信息通過溫度采集模塊傳遞至數(shù)據(jù)采集器，并連接到計算機實現(xiàn)實時監(jiān)測。沿隧道縱向，分別在火源上游0.75 m，下游0.75 m，1.5 m，3 m，5.7 m，8.4 m處于隧道拱頂下方和30 mm高處布置K型熱電偶，同時在火源處隧道內(nèi)拱頂下方、30 mm高處和82 mm高處設置溫度測點，每一坡度段共設有15個溫度測點。此外，還布置了4個高清攝像頭以監(jiān)控煙氣的流動狀態(tài)，測點及起火點示意見圖2。

表1　螺旋隧道火災實驗工況

注：表1中括號內(nèi)數(shù)值為按縮尺比例換算而得的全尺寸隧道中的對應參數(shù)值

2　實驗結果與分析

2.1　坡度對螺旋隧道溫度場的影響分析

不同坡度下螺旋隧道溫度沿隧道縱向分布曲線如圖3所示。由圖可知，各坡度隧道內(nèi)拱頂溫度沿隧道縱向分布的規(guī)律基本一致。在低坡度條件下(1%和3%坡度)，隧道內(nèi)高溫集中分布在近火源區(qū)域，且該區(qū)域溫度隨時間的推移逐漸增大，并以火源處為中點呈對稱分布?；鹪聪掠坞x開火源1.5m后，隧道溫度保持在初始溫度不隨時間發(fā)生變化。經(jīng)觀察分析知，由于正庚烷的燃燒效率較高，產(chǎn)煙量少，同時煙氣流動過程中不斷與鍍鋅鐵皮和石英玻璃進行熱交換，使隧道遠端的溫度變化幅度不明顯。

圖3　不同坡度下隧道拱頂處溫度沿隧道縱向分布曲線Fig.3　Longitudinal temperature near ceiling under different slope

圖4是t=146 s時不同坡度下隧道拱頂溫度分布曲線，由圖可知，隨著坡度的增加，高溫區(qū)逐漸朝下游延伸。這是由于坡度增大，隧道進出口高差越大，隧道內(nèi)煙囪效應越明顯，所形成的縱向風流作用力越強，抑制熱煙氣逆流，促進煙氣朝下游擴散。圖5為隧道火源處拱頂下方最高溫度隨坡度的變化曲線，由圖可知，隨著隧道坡度的增加，火源處拱頂下方最高溫度呈現(xiàn)先升高后降低再上升的趨勢。經(jīng)分析觀察知，隧道坡度的增加導致煙囪效應越突出，隧道內(nèi)空氣流動加強，適量新鮮空氣的吹入促進了燃料的進一步燃燒，熱量增多；當風流增大至一定程度后，冷空氣帶走的熱量增加，溫度逐漸降低；風流的持續(xù)增大，加快了正庚烷的燃燒并使其出現(xiàn)沸溢現(xiàn)象，促使燃燒空間擴大，產(chǎn)熱量增加，溫度開始升高。

圖4　146 s時不同坡度下隧道拱頂溫度分布曲線Fig.4　Temperature near ceiling when t=146 s

圖5　不同坡度下火源處拱頂下方最高溫度Fig.5　The highest temperature near ceiling

2.2　風速對螺旋隧道溫度場的影響分析

受大氣壓力和溫差等因素的作用，公路隧道外存在一定的自然風吹入隧道內(nèi)。圖6(a),(b),(c)分別為自然風0.24 m/s,0.37 m/s和0.49 m/s時模型隧道內(nèi)溫度在不同時刻下的沿程分布曲線，由圖可知，隨著時間的推移，不同大小的自然風作用下，火源上游隧道溫度均保持初始溫度，火源處及其下游隧道拱頂溫度變化明顯，呈現(xiàn)出隨時間逐漸升高的變化規(guī)律。圖6(d)為不同自然風作用下隧道內(nèi)溫度在起火后146 s時的分布曲線，隨著自然風速的增大，近火區(qū)域隧道拱頂溫度逐漸降低，離開火源3 m后拱頂溫度基本不受自然風的影響。以上現(xiàn)象表明隧道內(nèi)自然風產(chǎn)生了一定的縱向排煙效果，作用于煙氣使其朝下游擴散，降低了火源附近區(qū)域的拱頂溫度。雖然自然風導致了火災煙氣蔓延距離延長，使下游溫度場的縱向分布加長，但總體溫升幅度不大，對人員疏散及隧道結構的影響作用不強。

圖6　不同自然風速下隧道內(nèi)溫度沿程分布曲線Fig.6　Longitudinal temperature distribution under different natural wind velocity

圖7　不同通風條件下隧道拱頂溫度沿程分布曲線Fig.7　Longitudinal temperature near ceiling under different ventilation condition

縱向通風排煙是公路隧道發(fā)生火災時最常用的排煙模式之一，單開啟機械縱向通風以及機械風協(xié)同自然風作用時模型隧道中溫度沿程分布曲線如圖7(a)，(b)所示。僅開啟機械縱向通風(0.24 m/s)時，降溫效果不佳，仍出現(xiàn)部分火災煙氣逆流的現(xiàn)象，近火區(qū)域溫度較高并隨時間逐步上升；當機械縱向通風和自然風協(xié)同作用時，隧道拱頂溫度下降明顯，降幅約200℃，無煙氣回流現(xiàn)象。說明當0.24 m/s的縱向通風條件不能滿足縱向排煙要求時，考慮機械通風和自然風協(xié)同作用，將大大提高降溫排煙效果。

2.3　煙氣蔓延特性分析

煙氣在自然風或機械縱向通風作用下，勢必會呈現(xiàn)出不同的流動狀態(tài)。隧道內(nèi)無自然風時，火源下游2 m處在不同時刻時的煙氣流動情況如圖8所示，由圖8可知，無自然風作用時，條件下隧道內(nèi)處于自然排煙狀態(tài)，火災煙氣依靠熱浮力、頂棚射流等作用沿隧道縱向蔓延。隨時間的推移，燃燒生成的煙氣量逐漸增多，而自然排煙情況下煙氣流動緩慢，從而導致火源下游2 m處聚集的煙氣濃度也隨之增大，起火146 s后隧道內(nèi)能見度明顯降低。而在自然風為0.49 m/s時，在起火后73 s，110 s和146 s，下游2 m處的煙氣量相差不大，火災煙氣依靠熱浮力、頂棚射流等作用沿隧道縱向蔓延，并在自然風作用下快速排出隧道管段，隧道內(nèi)能見度也基本相同，這主要是因為自然風促進火焰煙氣蔓延，有效避免煙氣在隧道內(nèi)聚集。

圖8　無自然風時不同時刻相同位置煙氣蔓延情況Fig.8　Smoke spread pattern while no natural wind

正庚烷被點燃后釋放熱量和由CO2、水蒸氣等成分組成的煙氣，隨著隧道坡度增加，煙囪效應加強，火焰形態(tài)變化如圖9所示。從圖中可以看出，坡度為1%和3%時，火羽流呈豎直狹長型，燃燒火焰撞擊隧道拱頂后朝四周伸展，形成頂棚射流。隧道坡度增大至7%后，火羽流截面變大變寬，且燃燒火焰不穩(wěn)定，四處擺動搖曳，總體向火源下游傾斜。隨著坡度增大，煙氣蔓延速度加快，煙氣先鋒到達彎管段末端所需時間依次減少。這是因為隨著坡度增大，煙囪效應加強，使流入隧道內(nèi)的新鮮冷空氣量增多，抑制了火災煙氣逆流，同時促進了煙氣在火源下游的蔓延速度。另外，加速流動的冷空氣流破壞了小坡度時火羽流緩慢豎直向上的流動狀態(tài)，同時加快了正庚烷的揮發(fā)燃燒，使火焰變寬，并在火源上方來回舞動。

圖9　不同坡度下火焰形態(tài)Fig.9　Fire flame shape under different slope

3　結論

1)隧道內(nèi)高溫區(qū)在低坡度(1%和3%)條件下以火源處為中點呈對稱分布，離開火源一定距離后隧道遠端溫度變化幅度并不明顯。隨著隧道坡度和自然風速的增加，抑制了火災煙氣逆流，同時促進了煙氣向火源下游的蔓延速度，大大提高了排煙的有效性，減少人員傷害。

2)隧道坡度為1%和3%時，火羽流呈豎直狹長型；當坡度增大至7%后，加速流動的冷空氣流破壞了小坡度時火羽流緩慢豎直向上的流動狀態(tài)，同時加快了正庚烷的揮發(fā)燃燒，使火羽流截面變大變寬，且燃燒火焰不穩(wěn)定，四處擺動搖曳。此外，隨著坡度增加，隧道進出口高差增大，煙囪效應加強，使得高溫區(qū)逐漸朝下游延伸，火源處拱頂下方最高溫度隨隧道坡度增大呈現(xiàn)先上升后降低再升高的變化規(guī)律。

3)本次實驗條件下，0.24 m/s的機械通風不能滿足縱向排煙要求，考慮機械通風和自然風協(xié)同作用，將大大提高降溫排煙效果。風速增加，火災煙氣蔓延距離延長，使下游溫度場的縱向分布加長，但總體溫升幅度不大，對人員疏散及隧道結構的影響作用不強。

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