特長公路隧道全射流火災通風網絡解算研究*

李 杰，嚴曉楠，葉緒謙，曾艷華，付孝康

(1.西南交通大學 土木工程學院,四川 成都 610031； 2.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031;3.山西靜興高速公路有限公司，山西 呂梁 033500)

0 引言

公路隧道發生火災時煙氣對人員生命安全造成很大危害[1-2]，縱向通風[3-4]是公路隧道常用且簡單高效的控制煙氣通風方式。開啟聯絡通道的隧道通風系統可形成復雜的網絡[5]，可采用通風網絡理論進行火災通風設計[6-8]。通風網絡最早在礦井通風中使用，是礦井生產管理工作的基礎要件[9-10]，經過半個多世紀的發展，通風網絡解算方法被成功地應用到隧道通風中。

曾艷華等[11]依托二郎山和中梁山隧道工程，運用通風網絡解算的斯考德-恒斯雷算法和風量調節通路計算法，對隧道進行按需分風；胡金平等[12]討論公路隧道通風網絡中交通風的計算原理及處理方法，編制交通通風力程序塊；仇玉良[13]建立公路隧道送排風口的壓力計算網絡數學模型，主要對送風口高速噴射氣流的升壓力網絡仿真問題進行研究；寧軍[14]對海底隧道半橫向通風網絡進行自然分風解算和網絡優化調節分析，給出主隧道各支路的需風量限值要求，該程序尚不能對隧道火災時期通風網絡進行較好的解算。在隧道坡度對火災影響的研究方面，文獻[6]采用模擬和實驗方法研究坡度對傾斜隧道臨界速度的影響，發現臨界風速中坡度修正系數與坡度呈線性關系，而國內大多數研究也集中于隧道坡度對臨界風速的影響方面，并未研究隧道坡度對火風壓的影響規律。在通風網絡測試方面，Król等[15]對波蘭南部1條公路隧道進行2個橫截面正向和反向氣流風速測量，研究自然風的方向對隧道臨界風速的影響；劉成偉等[16]對終南山公路隧道內自然風速、交通活塞風速進行測量收集，得出終南山隧道自然風速出現的時間段以及交通量高峰時間段對隧道內風速值的影響規律。

通風網絡的研究大多集中在運營通風中，考慮到火風壓作用下隧道內網絡通風的復雜性，火災時的通風網絡技術亟待研究。而在現場測試方面，鮮有風機效率測試及通風測試研究。綜上所述，本文以銅鑼山隧道為例進行射流風機效率測試和現場通風測試，建立隧道火災全射流通風排煙網絡解算數學模型，展開基于通風網絡解算模型的火災風流分配規律研究。

1 網絡解算模型

1.1 基本定律

煙氣在網絡中流動，滿足質量守恒定律、能量守恒定律和阻力定律。

1)質量守恒定律

在單位時間內，任一節點流入和流出空氣質量的代數和為零，如式(1)所示：

(1)

式中：Mij為第i個節點上的第j條風路中的煙氣質量流量，kg/s；m為通風網絡中的節點數；n為通風網中的邊數。

2)風壓平衡定律

任何閉合回路上所發生的煙氣能量轉換的代數和為零，如式(2)所示：

(2)

式中：hij為各分支阻力，Pa；HFij為軸流風機風壓，Pa；pmi為自然通風力，Pa；pJij為射流風機風壓，Pa；pTij為交通通風力，Pa；pFij為火災通風阻力，Pa。

在全射流通風隧道發生火災時，由于無軸流風機的作用，隧道內車輛停止，交通通風力消失，故根據隧道內壓源的實際情況，風壓平衡定律可簡化為式(3)：

(3)

3)通風阻力定律

風流任一分支流動遵循阻力定律，如式(4)所示：

(4)

式中：hi為分支阻力，Pa；Ri為風阻，(N·s2)/m8；Qi為氣體體積流量，m3/s。

1.2 斯考德-恒斯雷算法模型

1)數學模型

對于有m個節點、n條邊的通風網絡，通風網絡解算的數學模型如式(5)所示：

(5)

2)算法模型

斯考德-恒斯雷近似算法是當方程中1個近似值已知時，用泰勒級數展開求得風量校正值，忽略二階以上微分項的回路迭代修正風量的解，迭代修正風量計算公式如式(6)所示：

(6)

式中：ΔQi為修正風量，m3/s。

預先設定1個精度，當回路迭代修正風量值滿足設定精度，停止計算，得到近似風量值即自然分配風量。

1.3 火災通風阻力

火災通風阻力除摩擦阻力外，還包括火區阻力Pf1和高溫煙氣流經有坡度隧道產生的火風壓Pf2。

1)火區阻力

火災阻力等于單位體積煙氣流經火區所產生的機械能損失，其表達式如式(7)所示：

(7)

式中：R為火災支路的風阻，N·s2/m8；M為質量流量，kg/s；Q為火災功率，W；Cp為空氣比熱，J/(kg·K)；ρ0為環境空氣密度，kg/m3；T0為環境溫度，K；A為隧道截面面積，m2。

2)火風壓

火災浮力效應的理論計算如式(8)所示：

(8)

式中：ρ為煙氣密度，kg/m3；sinθ為隧道的坡率；g為重力加速度，m/s2；L為下游煙氣長度，m。

火災隧道內煙氣密度計算如式(9)所示：

(9)

式中：TP為煙氣最高溫度，K；T為煙氣的溫度，K；ρP為煙氣最高溫度對應密度，kg/m3。

隧道煙氣沿程溫度變化的計算如式(10)所示:

(10)

將式(9)及(10)式代入式(8)，在高溫區內積分，推導出火災后污染區內煙流的浮力效應阻力公式如式(11)所示：

(11)

2 現場通風測試及模型驗證

2.1 隧道概況

銅鑼山隧道長度為5 032 m，隧道采用人字坡，坡度為1.5%和-0.6%。隧道采用全射流縱向通風方式，射流風機直徑1 120 mm，功率37 kW，左線設置13組風機，右線設置12組風機，每組2臺。2隧道間設置5個車行橫通道，火災時2隧道互為救援通道，采用縱向排煙方式。隧道射流風機及橫通道平面布置如圖1所示。

圖1 銅鑼山隧道通風系統平面布置Fig.1 Plane layout of ventilation system in Tongluoshan tunnel

2.2 測試方案

為驗證通風網絡程序的正確性，展開銅鑼山隧道現場通風測試。通風網絡程序中風機參數設置對結果的準確性有較大影響，因此，先進行銅鑼山隧道射流風機效率的測試，為網絡通風中風機參數設置提供依據。

1)射流風機效率測試

隧道內射流風機受安裝因素的影響，實際產生的升壓力應小于理論升壓力值，射流風機升壓效率等于各組風機的實測升壓力ΔPC與理論計算升壓力ΔPJ的比值，如式(12)所示：

(12)

式中：φ為射流風機升壓效率；n為測試風機臺數；ΔPj為單臺射流風機理論計算升壓力，Pa；ΔPC為測試風機組間的實測升壓力，Pa。其中，各組風機的實測升壓力ΔPC計算如式(13)所示：

(13)

式中：ΔPa-b為測試風機組a-a和b-b2個斷面之間測試的靜壓差，Pa；va，vb分別為a-a，b-b2個斷面平均風速，m/s。

測試過程中為使得測點風速可以代表斷面風速，在測試斷面布置k1～k1010個測點，取10個測點的平均值代替斷面平均風速，采用BYWF-2001袖珍數字風速儀同時測定兩斷面平均風速，測點布置如圖2所示。

斷面兩端設皮托管，采用LTP101智能微差壓測試儀測試兩斷面的靜壓差，用溫度儀和FYP-1型數字式精密氣壓表分別測試溫度和大氣壓力，測試布置如圖3所示。

2)現場通風測試

現場測試工況見表1。測試前先對銅鑼山隧道自然風速進行測試，得到自然風大小為1.2～1.5 m/s，自然風方向從南充端洞口吹向梁平端洞口。測試斷面布置如圖4所示。

圖2 隧道斷面風速測點布置Fig.2 Layout of measurement points for wind speed on tunnel section

圖3 隧道風機效率測試示意Fig.3 Schematic diagram for fan efficiency test of tunnel

表1 現場測試工況Table 1 Field test conditions

圖4 隧道測試截面布置示意Fig.4 Schematic diagram for layout of tunnel test sections

2.3 結果分析

1)風機效率

銅鑼山隧道射流風機效率測試結果如圖5所示。銅鑼山隧道射流風機正向運轉，每組風機升壓效率為0.83～0.93，平均0.882；風機反向運轉，每組風機升壓效率為0.65～0.68，平均效率為0.665。該值的測試為后續通風網絡計算提供基礎數據。

圖5 風機效率測試結果Fig.5 Test results of fan efficiency

2)通風網絡風流測試

3種工況下各斷面測試風量結果如圖6所示，以工況1為例進行說明，圖6中節點①是右線隧道入口；節點②是1#橫通道與右線隧道連接處；節點③為右線隧道出口；節點④為左線隧道入口；節點⑤是1#橫通道與左線隧道連接處；節點⑥是左線隧道出口，圖6中箭頭表示風流流動方向。

圖6 現場測試結果Fig.6 Field test results

由圖6(a)可知，當開啟1#橫通道，左線隧道從南充端流入的風流大部分通過1#橫通道匯入右線隧道。右線隧道在入口開啟第1，2組射流風機，中部開啟第5～10組風機正向運轉后，從南充入口流入隧道的風量為182.67 m3/s，經1#橫通道處與左線隧道流入的風量匯合，流向右線第2段隧道。

由圖6(b)可知,當開啟1#，2#橫通道時，左線隧道部分風流通過1#，2#橫通道流入右線主隧道，盡管風機開啟與工況1相同，但通風網絡發生改變。右線隧道入口段測試截面a-a處和1#橫通道內風速減小；在2#橫通道處，風流方向從左線流入右線隧道。

由圖6(c)可知,當開啟1#～3#橫通道時，隧道內風流分配與前2種工況有較大變化。左線隧道受第5，6組風機及右線隧道入口第1，2組風機開啟的影響，1#橫通道右線隧道處的壓力高于左線隧道，1#橫通道有47.16 m3/s的風流從右線隧道流入左線隧道；其他2#，3#橫通道的風流仍然是由左線隧道流入右線隧道。

2.4 模型驗證

1)隧道分風驗證

采用通風網絡計算模型計算出相同工況下隧道網絡中風流分配情況，對比現場測試風流分布結果，印證通風網絡計算模型的正確性。現場測試與計算結果對比如圖7所示。由圖7可知，通風網絡計算的隧道及橫通道中風流流動方向與圖6中現場測試風流流動方向完全一致，僅在量值上有差異。

現場測試不穩定因素較多(如風流流動的不穩定性等)，因此可能導致結果誤差，但是計算結果與現場實測結果誤差均在15%以下，說明通風網絡計算結果可靠，可以通過計算指導實際工程設計。

2)隧道內相對壓力分布

通過通風網絡計算，根據各段隧道內射流風機升壓力以及隧道通風阻力，得到左線隧道和右線隧道內相對壓力分布，如圖8所示。

由圖8可知，工況1中左線隧道出口段風流經第1～3組射流風機升壓后相對壓力升高，在1#車行橫通道處相對壓力為71.08 Pa。右線隧道入口段風流經1，2組射流風機后相對壓力提升，到達1#車行橫通道處的相對壓力為41.59 Pa。由于1#橫通道左線隧道相對壓力高于右線隧道，致使風流由左線隧道流向右線隧道。

圖7 現場測試與計算結果對比Fig.7 Comparison of field tests and calculation results

圖8 隧道內壓力分布Fig.8 Pressure distribution in tunnel

由圖7(b)和圖8(b)可知，盡管工況2與工況1開啟風機相同，但由于橫通道開啟不同，2隧道內各段風量不同，相對壓力分布也不同。在1#和2#橫通道兩側，左線隧道風流的相對壓力分別為72.13 Pa和58.45 Pa，高于右線2橫道處的相對壓力58.23 Pa和34.30 Pa，引起2橫通道內風流從左線隧道流入右線隧道。其他左右線隧道內風流的相對壓力與工況1相同。

由圖8(c)可知，在1#橫通道處左線風流的相對壓力為46.79 Pa，低于右線隧道1#橫通道處的50.27 Pa，致使1#橫通道處風流由右線隧道流向左線隧道。在左線隧道1#橫通道與2#橫通道間增開第5，6組射流風機后，2#，3#橫通道處的左線隧道的相對壓力均高于右線隧道，從而使得2#，3#橫通道的風流由左線隧道流入右線隧道。

從通風網絡計算得到的各工況左右線隧道內相對壓力分布可得，由左、右線隧道內相對壓力差而引起的橫通道內煙氣流動方向與測試結果一致，說明通風網絡計算結果可信。

3 考慮火區阻力的通風網絡

在構建的通風網絡解算模型基礎上，將火災通風阻力計算公式(7)、式(11)引入通風網絡模型中，建立全射流火災排煙通風網絡計算模型，在通風網絡解算程序中，完善火災平均最高溫度計算、隧道沿程溫度分布計算、考慮火風壓的回路風量修正值計算，可分析得出流向火源點風量及不同坡率工況下火風壓對通風網絡中風流流動的影響。

3.1 火風壓對隧道各支路風流分配的影響

將銅鑼山隧道3種火災工況下的通風系統轉化成圖9所示的通風網絡圖，通風網絡圖由節點和支路組成，其中，虛線邊表示自然風虛擬支路，實線邊表示主隧道和支路隧道，實線、虛線上的數字為對應的支路序號。計算火災功率為30 MW，坡率為-0.6%。

計算火災時的通風網絡采用質量流量，將計算結果與非火災時的通風網絡計算結果進行對比，如圖10所示。由圖10可知，火災支路在未考慮火風壓時的計算風量大于考慮火風壓情況下的，由于火災支路所在的隧道為負坡，隧道內火災通風阻力作用方向與煙氣方向相反，對該支路通風起阻力作用，因此該支路風速會減小。圖10的結果也表明，火災通風阻力對隧道內不同區域的網絡支路風量分布影響程度不同，火災通風阻力對事故隧道網絡支路的煙氣分布影響最大，對橫通道支路的煙氣分布影響次之，對非事故隧道支路的煙氣分布影響最小。

圖9 火災工況通風網絡Fig.9 Ventilation network under fire situation

圖10 考慮火風壓計算結果對比Fig.10 Comparison of calculation results considering fire pressure

3.2 坡率對風流分配的影響

以工況3為例探究坡率對火災通風網絡煙氣分配的影響。將4號支路的坡率分別設置為-2.6%，-1.6%，-0.6%，0.6%，1.6%，2.6%，通過通風網絡解算得到不同坡率時4號支路的火風壓、風量和風速，見表2。

表2 坡率對通風網絡煙氣的影響Table 2 Influence of slope ratio on smoke in ventilation network

由表2可知，隨著火災支路坡率的變化，該支路的火風壓、風量和風速將會發生變化。當火災隧道為下坡時(坡率為負值)時，火風壓對于該支路煙氣流動起阻礙作用；當坡率從-0.6%增大到-2.6%時，火風壓阻力從14.88 Pa增大到70.12 Pa，說明隨著下坡隧道坡度增大，火風壓阻力作用變大。當火災隧道為上坡時(坡率為正值)時，火風壓與該支路煙氣方向流動一致，起動力作用；當坡率從0.6%增大到2.6%，火風壓動力從14.37 Pa增大到59.61 Pa，說明隨著上坡隧道坡度增大，火風壓動力作用變大。

4 結論

1)銅鑼山隧道射流風機正向運轉效率遠大于反向運轉效率，正向運轉平均效率為0.882，反向運轉平均效率為0.665。

2)現場通風測試結果與通風網絡計算吻合較好，結果量值誤差在15%以內，可通過通風網絡解算程序對實際隧道工程防災通風提供參考。

3)火災通風阻力不同程度地引起隧道支路和橫通道內風量的變化，其中對事故隧道支路影響最大，橫通道支路次之，對非事故隧道支路道影響最小。

4)隧道坡率對通風網絡煙氣分配影響較大。下坡隧道火風壓對該支路煙氣流動起阻礙作用，上坡隧道火風壓對該支路煙氣流動起動力作用；火風壓動力(或阻力)與坡率成正相關，火災支路對坡率敏感性較高。