火源位置對城市地下綜合管廊電力艙火災蔓延的影響研究

楊永斌

(武警學院 消防工程系，河北 廊坊 065000)

城市地下綜合管廊(以下簡稱“綜合管廊”)也稱“共同溝”“共同管道”，是指建于城市地下用于容納兩類及以上城市工程管線的構筑物及附屬設施[1]。近年來，綜合管廊的發展迅速，2014年財政部和住房城鄉建設部發布《關于開展中央財政支持地下綜合管廊試點工作的通知》[2]，隨后組織了2015年綜合管廊試點城市評審，共確定了10個試點城市[3]，2016年又有15個城市成為綜合管廊試點城市[4]。

綜合管廊的火災危險性主要存在于電力艙，其火災特點包括：(1)電力艙空間狹長，發生火災后，電纜在長達200 m防火分隔[1]的狹長密閉空間內燃燒，熱量不能及時傳遞出去，導致火場溫度高，嚴重威脅管廊結構安全；(2)綜合管廊屬地下封閉式結構，通風換氣受限，易形成不完全燃燒，產生大量氯化氫、一氧化碳等有毒煙氣，對滅火救援人員造成極大威脅；(3)管廊起火后易形成回燃條件，處置過程中如通風不當，突然注入的空氣與高溫煙氣混合，可能產生回燃造成二次破壞。

1 基于FDS的綜合管廊電力艙火災模型建立

1.1 基本假設

電纜基本結構包括導體、絕緣及護套，絕緣護套的材料多樣化，使電纜在燃燒時，反應過程較為復雜。為實現數值模擬研究，對綜合管廊電纜火災進行如下假設：(1)假設電纜在燃燒過程中為均質，而且在整個燃燒過程中其各項性能(導熱系數、比熱容等)不發生變化。(2)電纜燃燒的主要成分為絕緣護套材料，絕緣護套組成成分復雜，假設電纜中只存在主要成分。綜合管廊中電纜絕緣護套材料多為交聯聚乙烯和聚氯乙烯，假設管廊中電纜材料全部為聚氯乙烯。(3)考慮最危險工況，使管廊內可燃物達到最大化。假設電力艙內電纜均為截面600 mm2的220 kV電纜。(4)綜合管廊發生火災會關閉防火門，形成密閉空間。假設整個空間是一個長200 m，被混凝土包裹的密閉空間，根據初步估算，此空間的氧氣能夠供給約40 m電纜燃燒。(5)忽略電纜橋架等裝置在點燃過程中的吸熱量。(6)采用絕緣護套材料為聚氯乙烯的電纜燃燒作為模擬火源。

1.2 可燃物基本參數設定

根據李文婷在《綜合管溝電纜火災數值模擬研究》中對聚氯乙烯為絕緣材質的電纜的熱重分析結論[16]，得出聚氯乙烯在加熱過程中溫度、重量隨時間變化規律：電纜在159 ℃析出少量氣體；240 ℃有少量有機氣體產生；288 ℃添加劑受熱析出氣體；328 ℃開始析出HCl氣體；385 ℃反應變為放熱反應，析出氣體除HCl氣體、增塑劑外還有碳氧化物。取反應轉變為放熱反應時的溫度為電纜的引燃溫度，將聚氯乙烯絕緣材料燃點設定為380 ℃。

1.3 管廊電力艙模型構建

通過對各地綜合管廊工程設計參數進行調研，根據《城市綜合管廊工程技術規范》(GB 50838—2015)相關要求，建立單側布置電纜的綜合管廊電力艙模型。模型長度200 m，即一個防火分隔間距的大小[1]，截面高2.8 m、寬1.6 m，右側布置6排18根電纜，邊界條件為混凝土，結合電纜直徑和截面尺寸兩方面因素劃分網格。

2 綜合管廊電力艙火災模擬工況設置

2.1 模擬工況設計

火源位置考慮不同水平和豎直位置的情況，模擬工況的設置如表1所示。模擬共設計5種工況，水平坐標X=0.8表示火源位于管廊盡端，X=100表示火源設置于綜合管廊一個防火分隔內正中位置。垂直坐標Z=0.4表示火源位于管廊電力艙地面，首先作用于最底層電纜；Z=1.2表示火源位于第2層電纜上方，首先作用于第3層電纜(由底層電纜向上數)；Z=2.0表示火源位于第4層電纜上，首先作用于第5層電纜。例如，盡頭底部火，即火源位置4如圖1所示。

2)泥礦三段脫泥各作業給礦的礦漿體積量波動較大，砂泵選型難以兼顧，旋流器會出現跑粗的情況，各段脫泥旋流器開動臺數要根據礦漿體積量進行調整，確保脫泥系統的體積量平衡較為重要。

表1 模擬工況設計

圖1 火源位置4示意圖

2.2 參數測點布置

本文重點采用火場溫度參數來體現綜合管廊電纜火災發展蔓延規律，因此在模型中布置了多組溫度測點。管廊電力艙水平200 m方向上，每隔10 m布置一個溫度測點，在火源10 m范圍內，加密為每隔5 m布置一個測點。橫截面溫度測點分別布置在管廊右側和中間，位于右側的溫度測點共兩組：T1組測點距離管廊右壁0.5 m，高1.0 m；T2組測點距管廊右壁0.5 m，高1.8 m。管廊中部測點位于正中間共三組：T3組測點高度0.2 m，T4組測點高度1.4 m；T5組測點高度2.7 m，溫度測點橫截面圖如圖2所示。

圖2 橫截面溫度測點圖

3 綜合管廊電力艙火災蔓延規律分析

3.1 中間底部火源

對于火源位置1，重點監測T1、T2和T5點溫度變化，如圖3所示。從圖3可以看出，管廊內部的溫度沿X軸方向呈對稱方式分布。點火后188 s左右，火災產生的煙氣垂直向上蔓延至頂部，同時加熱火源正上方的中層電纜和上層電纜，頂部溫度最高。197 s時，3層電纜火災都已開始蔓延。從230 s和244 s曲線可以看出，這段時間中層和上層電纜火災蔓延速度要明顯快于底部電纜，這是由于中、上層電纜處于來自下部火焰中溫度較高的外焰部分，同時更接近熱煙氣層的結果。

(a)Z=1.0

(b)Z=1.8

(c)Z=2.7

3.2 中間中部火源

對于火源位置2，不同時刻溫度變化曲線如圖4所示。管廊內部的溫度沿X軸方向依然呈對稱方式分布，同等時間內，溫度超過電纜燃點的區域明顯小于中間底部火的情況，即蔓延速度相對較慢。相對于中、上層電纜，下層電纜最晚引燃，即電纜中層起火時，火勢先垂直蔓延至上層電纜，然后由上層、中層依次向兩端擴散，最終引燃底層電纜。

(a)Z=1.0

(b)Z=1.8

(c)Z=2.7

3.3 中間頂部火源

對于火源位置3，三個水平面上不同時刻溫度變化曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，上層電纜火災蔓延較快，從280 s左右開始擴大，300 s頂層電纜開始大量燃燒，火災煙氣向管廊兩端擴散。同時隨著火災煙氣下降首先引燃中層電纜，最后引燃底層電纜。

(a)Z=1.0

(b)Z=1.8

(c)Z=2.7

3.4 盡頭底部火源

對于火源位置4，同樣取T1、T2和T5點溫度數據，不同時刻溫度曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，溫度呈現從火源點沿X方向逐漸遞減的趨勢。電纜火勢于162 s左右開始擴大，174 s火源正上方的底層、中層和上層電纜均已開始燃燒，蔓延速度和溫度分布比較接近。相對于中間點火的方式，火源上方空間的溫度明顯升高。此現象與火源和管廊維護結構的相對距離有關，火災初期受周圍防火門及墻體的影響，產生的熱量和煙氣只能向一端擴散，熱擴散條件劣于火源位于中間位置，在著火側盡頭積聚，局部溫度升高較快。

(a)Z=1.0

(b)Z=1.8

(c)Z=2.7

3.5 盡頭中部火源

對于火源位置5，三個水平面上不同時刻溫度變化曲線如圖7所示。從圖7中可以看出，溫度曲線的趨勢與盡頭底部火相似，但火勢的蔓延速度明顯較慢。火災首先由中層電纜垂直蔓延至上層電纜，然后由上層、中層依次向兩端擴散，當高溫煙氣層達到底端時，引燃底層電纜。

(a)Z=1.0

(b)Z=1.8

(c)Z=2.7

4 結論

本文利用數值模擬手段，分析了5種典型點火位置情況下，綜合管廊電力艙底層、中層和上層的溫度分布規律，進而得到電纜火災的蔓延順序和火勢發展的劇烈程度，得到以下結論：(1)火源位置不僅影響綜合管廊電力艙內部火場溫度分布和火勢發展的劇烈程度，還會影響火災蔓延到未燃電纜層的時間。(2)相對于火源處于綜合管廊電力艙中間位置的情況，盡頭火源引發的電纜火災在局部形成的溫度更高，在同等時間內，火災蔓延的范圍比較接近。(3)火源位于綜合管廊電力艙中間和盡頭兩種情況下，底部點燃相對于中、上部點燃的方式，火災形成的溫度分布整體更高，火勢蔓延速度和蔓延范圍更大。(4)火源位于綜合管廊電力艙中間和盡頭兩種情況下，底部火源情況下，中層和上層電纜引燃的時間比較接近；中部火源情況下，火災首先蔓延到上層電纜，最終引燃底層電纜；頂部火源情況下，火災首先蔓延到上層電纜，最終引燃底層電纜。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.城市綜合管廊工程技術規范:GB 50838—2015[S].北京:中國計劃出版社,2015.

[2] 中華人民共和國財政部.關于開展中央財政支持地下綜合管廊試點工作的通知:財建〔2014〕839號[EB/OL].(2014-12-26)[2017-11-12].http://jjs.mof.gov.cn/zhengwuxinxi/tongzhigonggao/201501/t20150113_1179393.html.

[3] 中華人民共和國財政部經濟建設司,中華人民共和國住房城鄉建設部城市建設司.2015年地下綜合管廊試點城市名單公示[EB/OL].(2015-04-10)[2017-11-12].http://jjs.mof.gov.cn/zhengwuxinxi/tongzhigonggao/201504/t20150409_1214636.html.

[4] 中華人民共和國財政部經濟建設司,中華人民共和國住房城鄉建設部城市建設司.2016年中央財政支持地下綜合管廊試點城市名單公示[EB/OL].(2016-04-25)[2017-11-12].http://jjs.mof.gov.cn/zxzyzf/csgwzxzj/201604/t20160425_1964180.html.

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