坡度對跨座式單軌隧道臨界風速的影響

張 雄

(中鐵四院集團西南勘察設計有限公司，云南 昆明 650220)

0 引言

跨座式單軌系統由于其造價低、工程量適中、建設占地小、景觀效果好、運輸客運量適中等優點，在中小城市發展尤為迅速[1-3]。但目前，我國單軌軌道交通系統還處于起步階段，很多關鍵技術尚未解決。

根據CJ/T 287—2008《跨座式單軌交通車輛通用技術條件》，跨座式單軌列車所用車輪為橡膠輪胎[4]。路世昌等[5]指出，橡膠輪胎具有高于木材的火災危險性且煙氣生產量巨大。同時，GB 50458—2008《跨座式單軌交通設計規范》[6]“4.3.1車輛主要技術規格”規定其最大坡度為6%。單軌隧道相對密閉且坡度大，發生火災時，橡膠極易燃燒且火源功率大。在跨座式單軌隧道中發生火災，由于其大坡度及大火源功率的特點，煙氣運動規律必定與無坡度小功率的隧道煙氣運動規律不同。如何有效抑制單軌隧道中的煙氣，避免煙氣回流現象[7]的發生，保障人員安全疏散和消防人員的安全救援，是亟待解決的問題。為了避免煙氣回流，工程實踐中常采用縱向通風的方法，而臨界風速則是縱向通風系統設計中的關鍵參數，故臨界風速一直以來都是隧道火災的研究熱點。

目前，已有大量關于臨界風速和坡度之間關系的研究，但是至今對坡度修正系數還存在爭議，特別是在大坡度大功率情況下，并沒有多少試驗數據證實前人研究結果的準確性，還需要大量的試驗數據來修正坡度修正系數。因此，本文通過縮尺試驗，研究大坡度大火源功率對臨界風速的影響。

1 試驗臺介紹和工況

1.1 試驗臺介紹

在隧道火災中，浮力效應起主導作用，火源附近的煙氣流動為重力流，因此，模型試驗采用Froude準則作為相似準則[14]。本文以柳州市4號線跨座式單軌隧道為原型，建立1∶20的縮尺隧道模型，如圖1所示。該模型長度為20 m，截面分為上下部分，上部為直徑0.32 m的半圓，下部為寬0.32 m、高0.13 m的長方形，如圖2(a)所示。為了便于觀察火源及煙氣特性，隧道一側安裝有與隧道等長的防火玻璃，寬為100 mm，厚為15 mm，另一側安裝有相同尺寸的防火板，隧道其余部分由2 mm厚的鋼板組成，隧道所有鋼結構表面涂抹防火涂料以防止鋼結構受熱變形。防火板、防火玻璃與鋼板之間的空隙采用防火泥密封。隧道左側的頂棚安裝1臺直徑200 mm的軸流風機，如圖2(b)所示，風機的轉速由變頻器控制，可在隧道內提供0～1.2 m/s的均勻風速。該模型隧道置于室內，受自然風影響可忽略。

圖1 隧道模型Fig.1 Model of tunnel

圖2 隧道示意Fig.2 Schematic diagram of tunnel

火源設置在距離隧道一側開口9 m處，火源燃料為丙烷，燃燒器大小為0.1 m×0.1 m，氣源由加壓氣罐提供，流量由轉子流量計控制。根據SFPE handbook[15]，丙烷燃燒熱為46.45 MJ/kg，密度為1.83 kg/m3，根據計算可得，7.90 L/min以及19.75 L/min分別對應熱釋放速率11.2 kW以及28.0 kW,即對應全尺寸20 MW和50 MW。為測量煙氣縱向溫度，沿隧道中心線縱向布置56個K型熱電偶，距火源0.2 m內間隔為0.1 m，距火源0.2 m至0.4 m內間隔為0.2 m，其余間隔均為0.4 m。溫度采集系統使用MT-X型多路溫度測試儀，每秒記錄1次數據。為測量煙氣流動速度，本文試驗在隧道水平中心位置、圓頂下方50 mm處設置2個風速測點，如圖2(c)所示。風速測量使用精度為0.01 m/s的Kanomax 6036型號的風速測量儀。

1.2 試驗工況

周慶等[16]通過數值模擬和試驗結果得出在同一個坡度下，縱向通風風速與回流長度近似呈線性關系，因此本文通過線性擬合煙氣回流長度和通風風速確定臨界風速大小。試驗功率為11.2 kW和28.0 kW，根據Froude準則換算，對應全尺寸火源功率分別為20 MW和50 MW，坡度分別為0%，3%和6%。送風方向見圖3，逆坡送風時坡度s為負，順坡送風時坡度s為正。試驗工況如表1所示。

圖3 送風方向示意Fig.3 Schematic diagram of air supply direction

表1 試驗工況Table 1 Experimental conditions

2 結果與分析

2.1 不同坡度下的臨界風速

根據表1所示試驗工況進行試驗，取煙氣回流長度0.5～2.0 m的通風風速進行擬合，確定臨界風速：取溫升超過10 ℃的位置為煙氣回流范圍確定煙氣回流長度；將煙氣回流長度與縱向通風風速作線性擬合，取當回流長度為0時的縱向通風風速作為此工況的臨界風速。縱向通風風速和回流長度如表2所示。

表2 縱向通風風速與煙氣回流長度Table 2 Longitudinal ventilation velocity and recirculation length of smoke

采用上文所述方法計算臨界風速，見表3和圖4。

表3 臨界風速匯總Table 3 Summary of critical wind velocities

圖4 不同坡度和火源功率條件下的臨界風速Fig.4 Critical wind velocities under different slopes and fire source powers

如圖5所示，0%坡度時，11.2 kW和28.0 kW的臨界風速差別較小，分別為0.652 m/s和0.665 m/s；根據Wu和Bakar[10]的修正公式在本試驗條件下計算出來的0%坡度的臨界風速為0.596 m/s和0.689 m/s，其與本試驗結果之間的誤差分別為8.54%和3.58%。

圖5 11.2，28.0 kW臨界風速值Fig.5 Critical wind velocities of 11.2 kW and 28.0 kW

無送風時，由于坡度的存在，浮力效應加強，煙氣向上坡方向蔓延速度加快。逆坡送風時，由于送風方向與煙氣蔓延相反，阻礙煙氣向上運動，因此臨界風速相對0%坡度時更大，并且大功率火源產生煙氣量大，臨界風速更大。順坡送風時，送風方向與煙氣蔓延相同，加劇煙氣向上運動，因此臨界風速相對0%坡度時更小，并且在6%坡度時，臨界風速與0%坡度幾乎相同。

2.2 臨界風速模型

Atkinson和Wu[8]提出坡度修正系數kg，考慮基于水平隧道臨界風速的坡度與臨界風速之間的關系，如式(1)所示：

(1)

式中：vc為有坡度隧道的臨界風速值，m/s；vc0為水平隧道的臨界風速值，m/s。

前人[8,11,13]大多采用逆坡送風的方式分析坡度與坡度修正系數之間的關系。表4為前人[8,11-13]得到的坡度修正系數kg和適用范圍。Ko等[11]加入坡度修正系數，并通過研究得出了坡度為0°至-8°、火源功率為對應全尺寸16～28 MW的修正系數kg=1-0.033θ；Atkinson和Wu[8]通過研究得出了對應全尺寸15～75 MW火源功率在坡度為0°至-10°的修正系數kg=1-0.014θ；Yi等[12]同時研究了順坡送風和逆坡送風，得出-3%至3%的修正系數，為kg=1-0.034s；另外，Li等[13]通過研究對應全尺寸火源功率5～20 MW，逆坡送風的修正系數，為kg=1-0.065s。

表4 kg與坡度之間的關系Table 4 Relationship between kg and slope

根據前人[8,11-13]研究結果，順坡送風和逆坡送風的kg與坡度均呈線性關系。然而，本文試驗研究發現，隨著坡度增大，同一種火源功率的順坡送風臨界風速增速變緩，如圖5所示。基于公式(1)對本文的試驗數據進行擬合，kg與坡度關系如公式(2)所示，擬合結果與前人[8,11-13]的對比如圖6所示。本文擬合出的曲線中，逆坡送風時與前人的研究結果基本吻合，逆坡送風的臨界風速均與坡度成線性負相關。而順坡送風時，與前人[8,11-13]的線性關系不同的是，本文試驗得出的臨界風速與坡度成反比例關系，即隨著坡度增大，kg增速變緩。這是由于當坡度增大，煙氣集聚減少，隨著坡度從上坡方向迅速排出，煙氣回流長度減小，坡度對回流長度的影響越來越小，隨著坡度的增大，順坡送風臨界風速增速變緩，反映臨界風速大小的kg減小速度也變緩。

(2)

圖6 不同模型下的坡度修正系數kgFig.6 Slope correction coefficient kg in different models

3 結論

1)通過縮尺模型，研究大火源功率(20，50 MW)不同坡度的試驗，得到臨界風速和其變化規律。

2)0%坡度時，11.2 kW和28.0 kW的臨界風速相差不大；逆坡送風臨界風速相對0%坡度時更大，順坡送風臨界風速相對0%坡度時更小；當火源功率足夠大時，順坡送風臨界風速變化非常小。

3)根據試驗結果，對前人的坡度與臨界風速的預測模型進行修正，提出此次試驗條件下的坡度修正系數。逆坡送風的臨界風速與坡度為線性關系，順坡送風的臨界風速與坡度成反比例函數關系。