山壁傾角對連續隧道群洞口間污染物竄流的影響

唐 莎 韓曉陽 曾仕豪 袁中原 雷 波

（1.中交公路規劃設計院有限公司 北京 100120 2.西南交通大學 成都 610031）

0 引言

隨著我國經濟的高速發展，公路進入一個快速發展的階段，隧道建設規模也不斷擴大，公路隧道運營的安全性、舒適性和健康性越來越受到行車人員和交通部門的關注。公路隧道通風經過長時間發展，已經有橫向式、半橫向式、縱向式以及組合式等多種系統[1]，縱向式對整個火災區域的煙霧控制能力較好，并且建設成本低、控制方便[2]，所以目前大部分隧道采用的通風系統均為縱向式[3]。

公路路段上會出現兩座或兩座以上間隔距離較短的隧道，縱向間距較短的被稱作毗鄰隧道[4]，橫向間距較短的被稱作相鄰隧道[5]。由于隧道洞口間距較小，在縱向通風作用下從上游洞口排出的污染空氣，未完全稀釋又被吸入下游隧道，形成二次污染，直接降低隧道通風效率，增大運營成本[6]。進入下游的污染物占從上游排出污染物的比例稱作竄流比[7]，多位學者分別針對毗鄰隧道和相鄰隧道進行數值模擬研究，并擬合出竄流比有關進排風速度以及隧道間距的計算式[5-7]。彭建康[8]和張桂蓮[9]等人研究發現自然風向以及風速對竄流現象的影響很大，但是最不利風向在毗鄰隧道和相鄰隧道中并不相同。之后有學者對同時存在毗鄰隧道和相鄰隧道的連續隧道群的污染物竄流問題進行研究，研究因素集中在進排風速度、隧道間距以及自然風上[10,11]。

在研究隧道洞口污染物竄流現象中，大部分學者都忽略了地形的影響，將洞口處山壁簡化為垂直平面，污染空氣流動域簡化為矩形空間，而實際上山壁都具有一定傾角，其形狀對竄流現象有一定影響，尤其對自然風影響較大。彭康夫[12]建立某隧道群實際地形模型，但并未研究地形造成的影響。

為了分析山體形狀對連續隧道群洞口間污染物竄流特性的影響，本文參考某連續隧道群建立模型，改變山壁傾角，采用Fluent 軟件進行數值模擬，并分析不同山壁傾角下污染物竄流的特點以及竄流比隨傾角的變化規律。

1 數值計算模型

本文參考某連續隧道群建立模型，隧道截面由一長12m、寬1.4m 的矩形和半徑6m 的半圓組成，如圖1所示。

圖1 隧道截面Fig.1 Tunnel section

洞口橫向間距28m，縱向間距50m，縱向沿線隧道洞口用橋面連接，兩側及上方各取5 倍當量直徑長度，下方取25m 深度表示山谷，隧道外空間為污染空氣擴散域，建立的連續隧道群三維模型如圖2所示。

圖2 連續隧道群模型Fig.2 Model of continuous tunnels group

大部分隧道洞口面積相對于山體表面是很小的，在洞口附近將山壁簡化為平壁不會引起很大誤差，但是山壁具有一定傾角，且一般不會接近0°，將其考慮為垂直面可能引起一定誤差。本研究設置5 種角度研究山壁傾角對污染物竄流的影響，5 種模型分別對應0°、15°、30°、45°和60°的傾角，模型3 垂直于隧道方向視圖如圖3所示。

圖3 模型3Fig.3 Model 3

采用Fluent 軟件進行計算，開啟能量方程以及組分運輸方程，湍流模型選擇標準k-ε湍流模型。山壁表面以及隧道設置為壁面邊界，與大氣相接觸表面設置為壓力出口邊界，隧道出入口設置為速度入口邊界。車輛排放氣體中CO 和NO2對人體健康影響最大，通常把他們作為首要控制有害氣體[13]，通風設計時將其濃度控制在一定的安全限度內是主要的設計指標之一，對較長的隧道CO 和NO2的控制限值分別為100cm3/m3和1cm3/m3[14]。本研究中僅考慮CO 作為污染氣體，隧道排出氣體中CO 濃度為100ppm，隧道進風速度與排風速度均設置為3m/s。

2 計算結果分析

取距路面高度1m 截面，在模型1 結果中做出CO 濃度云圖如圖4所示。

圖4 模型1 截面1 CO 濃度云圖Fig.4 CO concentration contours of section 1 in model 1

兩條隧道CO 擴散情況基本一致，左線與右線隧道進風處CO 濃度均為79.2ppm（云圖中上方隧道為左線，下方為右線），差別很小，取平均值即一條隧道總的竄流比為79.2%。在不考慮自然風等情況下，這是個很高的比例，有大量污染物被吸入下游隧道，造成嚴重二次污染。

根據文獻[7]中給出的下列公式：

式中，λ橫為橫向污染物竄流百分比；λ縱為縱向污染物竄流百分比；D橫為隧道橫向間距；D縱為隧道縱向間距；v進為隧道橫向間距；v排為隧道縱向間距。

計算得到只發生橫向竄流時，竄流比僅為0.04%；只發生縱向竄流時，竄流比為77.6%，兩者之和小于在連續隧道群中的總竄流比。在連續隧道群中，縱向竄流與橫向竄流相互影響，情況更加復雜，雖然原本意義上的橫向竄流量很小，但是存在另一種意義上的“橫向”竄流，以一條線為例做出示意圖如圖5所示。

圖5 竄流示意圖Fig.5 Schematic diagram of interporosity flow

雖然幾乎沒有污染物從右線上游隧道流出直接被吸入左線下游隧道，但是從右線擴散開的污染氣體會被卷入左線的污染氣體射流中，從而進入左線下游隧道，增加總的污染物竄流量，這種現象在山壁處比較明顯。取右線隧道中間截面，在模型1中做出CO 濃度云圖如圖6所示。除去大部分污染空氣直接發生縱向竄流進入下游隧道外，還有相當一部分污染氣體并未向上擴散到遠處，而是向另一條線方向以及向下擴散，進入兩股污染氣體射流中間及山谷區域，又被氣流卷吸進入下游隧道，發生二次污染。

圖6 模型1 截面2 CO 濃度云圖Fig.6 CO concentration contours of section 2 in model 1

取右線隧道中間截面，在模型2～5 中做出CO濃度云圖如圖7所示。

圖7 模型2～5 截面2 CO 濃度云圖Fig.7 CO concentration contours of section 2 in model 2～5

山壁傾角增大后，上游排出的污染空氣射流頂部會較底部提前擴散，但對射流前面部分流態影響不大。但隨著山壁傾角的增大，排出的污染氣體射流更容易沿著山壁擴散至遠處，減小下游洞口從周圍尤其是上方和兩側吸入氣體中的CO 濃度，圖中可觀察到下游隧道頂部氣體中CO 濃度有明顯下降。在山壁傾角較大時上游出口頂部、底部以及山谷的氣體中CO 濃度較小，說明山壁傾角的增大有助于減少污染氣體進入兩股污染氣體射流中間及山谷區域而被卷吸形成二次污染，這一點在距路面高度1m 的截面中也有所體現，如圖8所示。

圖8 模型5 截面1 CO 濃度云圖Fig.8 CO concentration contours of section 1 in model 5

隨著山壁傾角的增大，下游隧道吸入氣體中CO 濃度有比較明顯的下降，各模型分別計算出左線右線總竄流比如表1所示，左線竄流比從79.21%降至67.54%，下降了14.73%；右線竄流比從79.22%降至67.87%，下降了14.33%。兩條線竄流情況差異很小，取左線右線竄流比平均值以及對應山壁傾角，做出折線圖如圖9所示，可以看出竄流比隨著山壁傾角的增加表現出明顯的下降趨勢。

表1 不同模型左右線竄流比Table 1 Interporosity flow ratio of left and right line in different models

圖9 竄流比與山壁傾角的關系Fig.9 The relationship between interporosity flow ratio and mountain surface inclination

3 結論

目前對連續隧道群污染物竄流問題研究較少，本文采用CFD 數值模擬方法研究了山壁傾角對污染物竄流的影響，得到如下結論：

（1）連續隧道群污染物竄流存在一種不同于原本的縱向竄流以及橫向竄流的形式，多發生于兩橫向洞口間靠近山壁區域。在洞口橫向間距較大時，橫向竄流量較少，但該形式的竄流同樣會使一條隧道排出污染物進入相鄰隧道下游，增加竄流量。

（2）較大的山壁傾角更有利于污染氣體擴散至遠處，有效減少下游洞口吸入氣體中污染物濃度。隨著山壁傾角從0°增加至60°，污染物竄流比從79.22%下降至67.71%，降低了14.53%。