地形對(duì)連續(xù)隧道洞口間污染物竄流的影響

唐 莎 韓曉陽(yáng) 曾仕豪 袁中原 雷 波

（1.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 北京 100120；2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，公路進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展的階段，隧道建設(shè)規(guī)模也不斷擴(kuò)大，公路隧道的建設(shè)成為需要重點(diǎn)攻關(guān)的工程建設(shè)項(xiàng)目[1]。公路隧道通風(fēng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間發(fā)展，已經(jīng)有橫向式、半橫向式、縱向式以及組合式等多種系統(tǒng)[2]，縱向式對(duì)整個(gè)火災(zāi)區(qū)域的煙霧控制能力較好，并且建設(shè)成本低、控制方便[3]，所以目前大部分隧道采用的通風(fēng)系統(tǒng)均為縱向式[4]。

公路路段上會(huì)出現(xiàn)兩座或兩座以上縱向間隔距離較短的隧道，被稱(chēng)作連續(xù)毗鄰隧道[5]，下文簡(jiǎn)稱(chēng)連續(xù)隧道。由于洞口間距較小，上下游軸線(xiàn)保持一致，在縱向通風(fēng)作用下從上游隧道排出的污染空氣未完全稀釋又被吸入下游隧道，這種現(xiàn)象被稱(chēng)作污染物竄流。竄流現(xiàn)象造成二次污染，降低隧道通風(fēng)效率，增大運(yùn)營(yíng)成本[6]。被吸入下游的污染物占上游排出污染物的比例稱(chēng)作竄流比，有學(xué)者針對(duì)連續(xù)隧道進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析竄流比隨上下游隧道風(fēng)速及隧道間距的變化特性，并擬合出竄流比計(jì)算式[7]。彭建康[8]等人研究發(fā)現(xiàn)自然風(fēng)向以及風(fēng)速對(duì)竄流現(xiàn)象的影響很大，且在大部分風(fēng)向下竄流現(xiàn)象會(huì)受到減弱。韓星[9]等人利用模型試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的可信性，并發(fā)現(xiàn)錯(cuò)開(kāi)隧道洞口可有效減小竄流比。還有學(xué)者提出修筑明洞設(shè)置天窗以及修筑通風(fēng)橫洞的方法來(lái)減小竄流比[10]。

在利用數(shù)值計(jì)算研究隧道洞口污染物竄流現(xiàn)象中，大部分學(xué)者都忽略了地形的影響，取路面之上的矩形空間作為計(jì)算域，洞口處山坡簡(jiǎn)化為垂直平面。而實(shí)際上很多隧道建設(shè)在山腰高度，道橋橫跨山谷連接洞口，且山坡都具有一定坡角，這些都會(huì)對(duì)竄流現(xiàn)象產(chǎn)生一定影響。有學(xué)者[11]依據(jù)實(shí)際地形建立計(jì)算模型，但并未研究地形對(duì)污染物竄流造成的影響。

現(xiàn)實(shí)中的地形非常復(fù)雜，為了分析地形對(duì)連續(xù)隧道洞口間污染物竄流的影響，本文將地形分為山谷以及山坡兩個(gè)因素并作一定簡(jiǎn)化，參考某連續(xù)隧道建立模型，采用STAR CCM+軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 含有山谷的模型

本文將隧道做一定簡(jiǎn)化，隧道斷面矩形和半圓組成，如圖1所示，矩形尺寸為12m×1.4m，半圓的半徑為6m。

圖1 隧道截面Fig.1 Tunnel section

建模時(shí)將山谷簡(jiǎn)化為洞口下的矩形空間，設(shè)置洞口縱向間距150m，隧道長(zhǎng)度120m，計(jì)算域取洞口兩側(cè)和上方60m，以及洞口下方山谷部分，設(shè)置山谷深10m，橋厚0.5m，建立的三維模型如圖2所示。

圖2 含有10m 深山谷的連續(xù)隧道模型Fig.2 Model of continuous tunnels with 10m deep valleys

1.2 含有山坡的模型

大部分隧道洞口面積相對(duì)于山體表面是很小的，在洞口附近將山坡簡(jiǎn)化為平壁不會(huì)引起很大誤差，但是山坡具有一定坡角，簡(jiǎn)單的將其考慮為垂直面可能引起一定誤差。本研究設(shè)置90°、75°、60°、45°和30°這5 種角度研究山坡角度對(duì)污染物竄流的影響。縱向間距100m 且60°坡角山坡的連續(xù)隧道模型垂直于隧道方向視圖如圖3所示。

圖3 含有60°坡角山坡的連續(xù)隧道模型Fig.3 Model of continuous tunnels with 60°slopes angle hillside

許多隧道進(jìn)出口的邊、仰坡高陡，存在落石危害，此時(shí)可采用接長(zhǎng)明洞的方式進(jìn)行預(yù)防[12]。設(shè)置明洞的隧道洞口模型如圖4所示。圖中顯示，設(shè)置明洞時(shí)，隧道洞口形狀與山坡為90°的情形類(lèi)似。

圖4 含有特殊結(jié)構(gòu)的隧道洞口模型Fig.4 Model of tunnel opening with special structure

1.3 基本假設(shè)

隧道中氣流運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，為解決主要問(wèn)題，本文在進(jìn)行隧道通風(fēng)模擬時(shí)做如下假設(shè)：

（1）流體是不可壓縮的，風(fēng)流類(lèi)型屬于穩(wěn)定流，流體按連續(xù)介質(zhì)處理[7]。

（2）采用CO 的濃度分布來(lái)代表污染物的擴(kuò)散分布[13]。隧道上游處流入氣體中CO 濃度設(shè)置為100ppm[14]，計(jì)算域內(nèi)除此以外無(wú)任何污染源。

（3）計(jì)算域內(nèi)無(wú)熱源，不考慮溫度的影響，不考慮自然風(fēng)的影響。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 山谷對(duì)污染物竄流的影響

根據(jù)文獻(xiàn)[7]對(duì)竄流比λ的定義式，并考慮到上下游隧道斷面面積一樣，可以推得：

式中，c和v分別表示污染物CO 濃度以及隧道風(fēng)速，下標(biāo)分別表示上游或下游隧道。

設(shè)置上下游隧道風(fēng)速均為5m/s，改變縱向間距，計(jì)算得到各工況中竄流比，如圖5所示。在縱向間距較小時(shí)，山谷對(duì)竄流影響不大；而間距達(dá)到250m，存在山谷時(shí)竄流比相對(duì)減少了13.30%，山谷對(duì)竄流有比較明顯的影響。

圖5 不同縱向間距下竄流比計(jì)算結(jié)果Fig.5 Results of crossflow ratio in different longitudinal spacings

選取縱向間距200m 的模型，截取兩個(gè)工況中兩洞口中間處CO 濃度云圖如圖6所示。在氣流上部及中心，濃度分布兩個(gè)工況差異不大，而存在山谷時(shí)原本靠近地面的污染氣體則有部分向山谷擴(kuò)散。說(shuō)明存在山谷時(shí)污染氣體有更大的擴(kuò)散空間，但由于橋面的阻隔，只有氣體擴(kuò)散范圍超過(guò)橋面后才能向山谷擴(kuò)散，所以在間距較小的模型中是否存在山谷對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大。

圖6 CO 濃度云圖Fig.6 CO concentration contours

不考慮自然風(fēng)和溫差影響，污染物竄流比與上下游隧道的風(fēng)速比值相關(guān)[10]，設(shè)置山谷深度10m，縱向間距為200m，改變上下游隧道風(fēng)速比，計(jì)算得到各工況中竄流比，如圖7所示。在不同隧道風(fēng)速比下，存在山谷時(shí)竄流比都會(huì)減少，但減少比例變化不大。

圖7 不同隧道風(fēng)速比下竄流比計(jì)算結(jié)果Fig.7 Results of crossflow ratio in different tunnel wind speed ratio

設(shè)置上下游隧道風(fēng)速均為5m/s，縱向間距為200m，改變山谷深度，計(jì)算得到各工況中竄流比如圖8所示。圖中顯示，竄流比隨山谷深度增加而減小，但是變化幅度很小，因?yàn)槲廴練怏w只有小部分向山谷擴(kuò)散，山谷空間的限制對(duì)竄流情況影響不大。實(shí)際上山谷普遍較深，一般不用考慮山谷深度對(duì)污染氣體擴(kuò)散的限制。

圖8 不同山谷深度下竄流比計(jì)算結(jié)果Fig.8 Results of crossflow ratio in different valley depths

2.2 山坡對(duì)污染物竄流的影響

建立上、下游隧道洞口存在坡角為30°的山坡模型，并在對(duì)應(yīng)洞口構(gòu)建如圖4的明洞結(jié)構(gòu)，上下游隧道洞口縱向間距為50m，改變上下游隧道風(fēng)速比，將竄流比的計(jì)算結(jié)果與垂直山壁的結(jié)果相對(duì)，如圖9所示。圖9顯示，在相同隧道風(fēng)速比的條件下，當(dāng)隧道洞口設(shè)置明洞時(shí)，山坡對(duì)竄流基本沒(méi)有影響。

圖9 不同隧道風(fēng)速比下竄流比計(jì)算結(jié)果Fig.9 Results of crossflow ratio in different tunnel wind speed ratios

選取上下游風(fēng)速比均為1 的三個(gè)工況，截取CO 濃度云圖如圖10 所示。

圖10 CO 濃度云圖Fig.10 CO concentration contours

根據(jù)流體力學(xué)理論并結(jié)合CO 濃度云圖分析，污染氣體從上游洞口高速?lài)姵龊蟮倪\(yùn)動(dòng)狀況，主要受洞口幾何因素影響，設(shè)置明洞結(jié)構(gòu)時(shí)，上游山坡并不會(huì)影響洞口幾何因素，所以也不會(huì)對(duì)竄流造成影響。雖然下游洞口吸入氣體會(huì)受周?chē)鷰缀我蛩赜绊懀瞧湮攵纯谥車(chē)鷼怏w較少，影響較小，所以設(shè)置明洞的下游山坡對(duì)竄流影響也很小。

構(gòu)建不含明洞的隧道模型，設(shè)置各工況上下游隧道風(fēng)速均為5m/s，并改變山坡坡角，設(shè)置縱向間距為50m（此處以洞口底部間距計(jì)算）。顯然，隧道由于山坡的存在，上下游隧道洞口頂部的間距大于底部的間距，因此，為了更好與垂直山壁情況進(jìn)行比較，本文采用山坡情況下隧道洞口的頂部間距和底部間距，分別建立了垂直山壁的計(jì)算模型。竄流比的比較結(jié)果如圖11 所示。圖中顯示，存在山坡時(shí)的竄流比，高于頂部間距垂直山壁模型的竄流比，但低于底部間距垂直山壁模型的竄流比。因此，對(duì)于沒(méi)有設(shè)置明洞的隧道，山坡對(duì)竄流造成的影響可近似考慮為改變縱向間距造成的影響。

圖11 不同山坡坡角下竄流比計(jì)算結(jié)果Fig.11 Results of crossflow ratio in different t different slope angles

3 結(jié)論

本文采用CFD 數(shù)值模擬方法研究了山谷和山坡等地形因素，對(duì)縱向隧道洞口污染物竄流的影響，得到如下結(jié)論：

（1）山谷的存在有利于污染氣體擴(kuò)散，使竄流比減少，其減少比例與縱向間距有關(guān)，間距越大，減少比例越大。山谷深度增加，竄流比隨之減小，但變化幅度很小。存在山谷時(shí)，在不同上下游隧道風(fēng)速下，竄流比減少比例基本一致。

（2）當(dāng)洞口周?chē)嬖谏狡虑以O(shè)置明洞結(jié)構(gòu)時(shí)，上下游山坡均不影響洞口大小形狀，對(duì)竄流無(wú)明顯影響。

（3）洞口周?chē)嬖谏狡虑也辉O(shè)置明洞結(jié)構(gòu)時(shí)，洞口形狀會(huì)造成縱向間距的不一致，此時(shí)山坡對(duì)污染物竄流造成的影響可以近似考慮為縱向間距變化造成的影響。