毗鄰隧道洞口遮陽棚光環境及二次污染數值模擬

彭余華，傅向祥，陸 昕，李 璇

(長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

0 引 言

近年來，隨著公路建設步伐的加快，隧道群也日益增多。相鄰隧道間距較小且空間封閉性較大，車輛在其間行駛時間很短，在白天洞內外光照差異較大的情況下，駕車通過連續短距離隧道時會經歷連續交替變化的光環境，有一個“暗-亮-暗”的過程，從而影響駕駛員的視覺適應[1]。基于此，國內部分公路在短距離隧道間設置遮陽棚來滿足駕駛員的視覺特性，但遮陽棚結構形式往往較為封閉，不利于隧道內污染物的擴散，對毗鄰隧道也有較大影響。

關于公路隧道洞口行車安全和二次污染相關問題，國內外學者做了大量的研究。王少飛[2]針對“隧道群”概念模糊的問題，建議當相鄰隧道間距L≤250 m時定義為毗鄰隧道，當250 m

筆者構建了底部兩側鏤空(鏤空高度300 cm)、上方封閉的遮陽棚模型，采用Daylight Visualizer軟件和Ansys Fluent軟件分別從光環境和隧道洞口二次污染兩個方面進行了分析。結果表明，構建的遮陽棚能大大減少隧道洞內外的照度差距，且隧道洞口污染物的擴散得到了有效控制。

1 毗鄰隧道間光環境模擬

1.1 毗鄰隧道間光環境計算模型

1.1.1 毗鄰隧道光環境特征

隧道洞口由于其特殊的環境光照度條件，白天駕駛員駕車通過毗鄰隧道時會在短時間內經歷連續、強烈的明暗適應，難以辨別道路交通信息和路面狀況，會產生連續的“白洞效應”與“黑洞效應”，易誘發交通事故。

圖1為2010—2014年間云南省已完工的16條高速公路隧道群路段交通事故統計情況，隧道洞口事故數占隧道事故總數的54.08%。原因是在通過毗鄰隧道時，駕駛員明暗適應變化頻繁，且白天洞內外照度差異大，引起駕駛員的視覺障礙，增加了駕駛員心理、生理負荷，交通安全風險很高。

圖1 2010—2014年云南省16條高速公路隧道群路段交通事故統計Fig. 1 Statistics of traffic accidents occurred at section of sisteen expressway tunnel groups in Yunnan province from 2010 to 2014

圖2為車輛以80 km/h的速度通過某毗鄰隧道間距為50 m的光照強度曲線。圖中橫坐標為車輛從上游隧道出口段至下游隧道入口段的行駛時間；縱坐標為洞口照度值。毗鄰隧道內外照度差約70 000 Lux，使得駕駛員在穿越毗鄰隧道時沒有足夠的時間去適應光環境的劇烈變化，從而影響了駕駛員對前方車輛或障礙物的視認和辨別，這是毗鄰隧道事故高發的主要原因。

圖2 某毗鄰隧道洞口照度曲線Fig. 2 Illumination curve at the portal of one adjacent tunnel

為了降低隧道洞口事故多發安全隱患，隧道洞口設計必須充分考慮駕駛員的生理和心理因素，我國JTG/T D 70/2-01—2014《公路隧道照明設計細則》中，關于隧道洞內各段照明亮度值的確定，借鑒了人眼的暗適應曲線，并在此基礎上得到隧道內的照度曲線。從亮環境逐漸進入到暗環境中，人眼瞳孔面積不斷增加，對光照的強弱也越來越敏感，約30 min可達到最大值，這個過程就是暗適應的過程[9]。

1.1.2 幾何模型構建與參數設置

Daylight Visualizer軟件是一款通過國際照明協會(CIE)采光標準檢驗的光模擬分析軟件，能針對各種自然光對建筑物進行采光和環境舒適度分析，進而改善建筑空間的光環境和視覺感受。鑒于Daylight Visualizer軟件與AutoCAD有很好的兼容性，筆者利用AutoCAD的三維建模功能建立幾何模型。

考慮遮陽棚兩側通風需求，構建了底部兩側鏤空(鏤空高度300 cm)、上方封閉形式的遮陽棚(圖3)，為使光環境仿真分析結果更精確，遮陽棚的兩端構建了一定長度的隧道模型與之相連。選取三維導入方式，將模型文件導入到Daylight Visualizer中，毗鄰隧道洞口為正南北朝向，地理坐標為26.7 N和106.3 E，考慮遮陽棚的遮陽效果，同時兼顧視覺美觀功能，在軟件材料庫中選取透光率為30%的遮陽材料，在晴天條件下，選取具有代表性的夏至那一天對08：30—18：30時間段(步長為1 h)進行采光分析。

圖3 毗鄰隧道遮陽棚示意Fig. 3 Adjacent tunnel sunshade

1.2 光環境模擬計算分析

采用Daylight Visualizer對遮陽棚進行光環境仿真計算，得到設置遮陽棚前、后毗鄰隧道間路面照明曲線及無遮陽棚洞口一天的照度變化，如圖4。

圖4 晴天毗鄰隧道間路面照度及洞口照度Fig. 4 Illumination of road and portals between adjacent tunnelson sunny days

由圖4可以看出，設置遮陽棚后，隧道連接段路面照度變化平穩適中，得到的照度最大值為17 625 Lux，最小值為465 Lux，在白天大部分時段的減光率接近50%，大大縮小了隧道洞內與洞外路面照度的差值。設置遮陽棚后，隧道內外照度變化幅度更能滿足駕駛員的視覺感受，毗鄰隧道間的行車安全性和舒適性得到極大的提高。

2 毗鄰隧道間通風竄流模擬

2.1 毗鄰隧道竄流模型構建

利用ANSYS軟件中ICEM CFD的建模功能，建立毗鄰隧道模型，導入ANSYS Fluent軟件進行流體計算分析。數學模型采用標準k-ε雙方程的三維紊流模型及多組分擴散傳輸方程組[8]。幾何模型基本參數為：隧道洞門斷面下部是一矩形，高1.4 m、長11 m，上部是一半圓，半徑5.5 m；遮陽棚為底部兩側鏤空(鏤空高度300 cm)、上方封閉形式；選取毗鄰公路隧道內50 m的兩隧道柱體空間和洞外x、y、z三個方向各取120、60(毗鄰隧道間距)、45 m的一個長方體的空間作為流體計算區域(圖5)，進行污染物竄流模擬分析，并做如下假設[10-12]：

1)假設流體是不可壓縮的，且簡化為穩定流。

2)毗鄰隧道洞口同一軸線上，且假設洞門的山體為直壁壁面，流場是等溫的，均為300 K，隧道壁面也是絕熱的。

3)以CO濃度的分布來代表污染物的擴散分布，上游隧道處的CO平均濃度為0.020%，且為唯一污染散發面源。CO的基本物理性質為：密度ρ= 1.160 kg/m3，熱容γ=1 042.5 J/(kg·K)，導熱系數δ=0.008 6 W/(m·k)，動力黏性系數μ=17.76 kg/(m·s)。

4)洞外微風天氣，風速恒定，U=2.4 m/s。

5)流體按連續介質處理。

圖5 計算模型(單位：m)Fig. 5 Calculation model

2.2 模型網格劃分與邊界條件設定

三維計算模型利用ICEM CFD的網格劃分功能采用非結構化網格，由于流場比較規則，因此生成的網格能夠滿足計算需要。首先對上游隧道入口面的矩形部分采用四邊形進行面網格劃分；在此基礎上，采用掃略劃分方式將其沿縱向進行體網格的劃分，再對隧道上半段及過渡段進行體網格的掃略劃分，并在隧道洞口過渡進行網格加密。計算模型劃分后，網格數量處于200 000～300 000之間，網格劃分模型如圖6。將網格模型文件導入ANSYS Fluent，檢查網格并根據假設條件定義邊界條件、建立監控斷面進行數值模擬分析。

圖6 網格劃分模型Fig. 6 Mesh models

2.3 數值模擬計算分析

為探究毗鄰隧道洞口二次污染規律，結合該毗鄰隧道各設計年限的設計風速和工程運營階段可能發生的工況，取進、排口風速1.0～8.0 m/s進行分析。項目所在地近三年的最高風速3.73 m/s、最低風速0.18 m/s，三年平均風速2.4 m/s，這對上游排風隧道射流所引起的污染物擴散有很大的影響，故取洞外自然風速U=2.4 m/s進行分析。

2.3.1 隧道洞口通風竄流特征

毗鄰隧道中，有排風、進風洞口，就有出流及入流。出流只在一個有限的錐形區域內擴散，入流則由于洞口處存在負壓，在壓力差的作用下，排風氣流的狀態往往發生變化，排出的污染氣體未來得及充分擴散便竄入下游隧道洞口。毗鄰隧道洞口及遮陽棚的流場分布如圖7。

圖7 毗鄰隧道洞口及遮陽棚流場分布Fig. 7 Flow field distribution of adjacent tunnel portals and sunshade

2.3.2 進、排風風速的影響(無洞外自然風時)

下列計算結果中二次污染率w(%)為下游進風隧道進口處CO平均濃度相對于上游排風隧道出口CO平均濃度的相對百分數。

1)進、排風風速相同時

當進、排風風速相同時，即Vin=Vex，二次污染率w與進、排風風速大小的變化關系不大，風速的變化并不能直接引起二次污染率的變化，計算結果如圖8。可見，無洞外自然風時，上游隧道約有73%的污染物進入了下游隧道；設置底部兩側鏤空高度為300 cm的遮陽棚后，上游隧道約有97%的污染物進入了下游隧道，相比無遮陽棚時二次污染率提高了24%。

圖8 當Vin=Vex時，w與Vex的關系Fig. 8 Relationship between w and Vex when Vin is equal to Vex

以小汽車駕駛員的平均視點高度Z=1.2 m為隧道污染物竄流分析界面，Vin=Vex=3 m/s時的CO濃度分布云圖如圖9。

圖9 當Vin=Vex=3 m/s時，CO擴散情況Fig. 9 Diffusion of CO when Vin and Vex are equal to 3 m/s

2)進、排風風速不同時

當排風風速Vex恒定時，不同排風風速下，二次污染率w均隨著進風風速Vin的增大而減小；而當進風風速Vin恒定時，不同進風風速下，二次污染率w均隨著排風風速Vex的增大而增大。計算結果如圖10。可見，洞外無自然風時，設置遮陽棚后w的變化趨勢與未設置遮陽棚的基本一致。并且進、排風風速不同時，兩者的w相差均在10%以內，表明該鏤空形式遮陽棚能有效地減小道洞口污染物的擴散。

圖10 當Vex(或Vin)恒定時，w與Vin(或Vex)的關系Fig. 10 Relationship between w and Vin when Vex is constant, or between w and Vex when Vin is constant

排風風速Vex=3 m/s、進風風速為Vin=8 m/s時，視點高度Z=1.2 m的隧道污染物竄流分析界面的CO濃度分布云圖如圖11。

2.3.3 考慮洞外自然風速與隧道軸線垂直情況

由圖12知，當Vin=Vex=3.6 m/s、洞口自然風速U=2.4 m/s時，設置遮陽棚后下游隧道洞口處的CO平均濃度為0.011 742%；二次污染率w由90.18%下降到了58.71%，減少了1.53倍。可見洞外自然風速能明顯改善遮陽棚通風效果。

圖12 當Vin=Vex=3.6 m/s、U=2.4 m/s時，CO擴散情況Fig. 12 Diffusion of CO when Vin and Vex are equal to 3.6 m/s andU is 2.4 m/s

3 結 論

1)由光分析發現，白天駕車通過毗鄰隧道時，洞內外照度差異大會形成明顯的不舒適眩光，駕駛員在短時間內經歷連續、強烈的明暗適應，對行車安全構成了隱患。設置遮陽棚后實現了光照強度與人眼視覺基本適應，起到了良好的光環境過渡效果。

2)設置底部兩側鏤空(鏤空高度300 cm)、上方封閉形式的遮陽棚(透光率30%)后，在白天大部分時段的減光率接近50%，大大減少了隧道內和連接段路面照度的差值，有效地提高了在毗鄰隧道間的行車安全性和舒適性。

3)不考慮洞外自然風速影響，當進、排風風速相同時，風速大小與二次污染率的變化關系不大，風速的變化并不能直接引起二次污染率的變化，且設置遮陽棚后二次污染現象較嚴重。

4)不考慮洞外自然風速影響，在排風風速一定時，增大進風風速，二次污染率將減少；反之在進風風速一定時，增大排風風速，二次污染率將增加，且設置遮陽棚后二次污染率的變化趨勢與未設置遮陽棚時基本一致，通風效果明顯。

5)當洞外自然風速U=2.4 m/s時，設置鏤空形式的遮陽棚后二次污染率由90.18%下降到了58.71%，可見洞外自然風速能明顯改善遮陽棚通風效果。