城市地下道路V形區段坡度構成對煙氣擴散和重點排煙效果的影響研究*

謝 飛，喬雅心，李俊梅，董啟偉，劉文博，畢 強,常默寧，齊 兆

(1.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082；2.北京工業大學 綠色建筑環境與節能技術北京市重點實驗室，北京 100124；3.北京工業大學 城市建設學部，北京 100124)

0 引言

近年來，修建更多的城市地下道路已成為我國部分大、中城市為緩解城市交通壓力所采取的主要措施之一[1]。城市地下道路一般處于中心城區，隨著城市地下空間的不斷開發，新修建的地下道路往往需要下穿或跨越已建成的地下管廊、地鐵等各種地下設施，豎向結構日趨復雜，不再是簡單的水平或者單坡隧道，而是呈現出不同形式的V形區段的組合。

V形區段根據變坡點兩側隧道不同的坡度構成可分為對稱V形區段(變坡點兩側隧道坡度相同)和非對稱V形區段(變坡點兩側隧道存在坡度差)。火災時，完全對稱的V形區段，其內部煙氣擴散基本以變坡點為中心向兩側對稱擴散，但當變坡點兩側存在坡度差時，變坡點兩側由于坡度的不同，形成的煙囪效應大小也不一樣，這將對該區段內的煙氣流動產生較大的影響。當兩側坡度差較大時，煙氣可能會完全在大坡度側蔓延，使得在實施煙氣控制時，必須考慮V形區段兩側的坡度構成對煙氣流動及煙氣控制效果的影響。

火災時采用重點排煙是目前我國多數城市地下道路通常采用的通風排煙方案。關于隧道內重點排煙煙氣控制的研究，目前國內外主要以水平和單坡隧道為主[2-8]。針對含有V形區段的隧道，當前的研究主要集中于煙氣的自由擴散和縱向通風煙氣控制[9-11]，對于重點排煙的相關研究較為缺乏。隨著地下空間的持續開發，包含V形區段且坡度多變的城市地下道路的數量會越來越多。當前的設計規范中針對火災重點排煙特別是特殊結構路段重點排煙的設計條款相對缺乏，對此類隧道內煙氣如何實施有效控制急需必要的理論和技術支持。基于此，本文將針對城市地下道路內典型的V形區段不同的坡度構成，通過數值模擬研究不同的坡度構成對對稱V形區段和非對稱V形區段煙氣流動和控制的影響，以期為含有V形區段的坡度多變的城市地下道路重點排煙系統的設計和運行提供指導。

1 數值模擬研究

1.1 隧道模型的建立

本文采用美國NIST開發的火災模擬專用軟件FDS(6.0版)進行相關的模擬研究。鑒于當前城市地下道路多為單向三車道結構，因此，模擬隧道寬13 m，高6.5 m，組成排煙道的頂隔板厚0.2 m，排煙道為弧形，最高點與下部頂隔板的垂直距離為2 m。模擬隧道及隧道斷面示意圖分別如圖1和圖2所示，V型區段變坡點兩側隧道模擬長度各為400 m。為討論變坡點兩側不同的坡度構成對煙氣擴散和控制的影響，變坡點兩側的坡度取1%、3%和5%的任意坡度組合。本文以允許大型車輛通行的地下道路為研究對象，依據相關規范[12-13]，火源功率取50 MW。火源假定位于變坡點處，模擬火源為長5 m，寬3 m，離地1 m高的面火源。

圖1 V型隧道排煙示意Fig.1 Schematic diagram of smoke exhaust in V-shaped tunnel

圖2 模擬隧道斷面示意Fig.2 Schematic diagram of simulated tunnel section

根據隧道相關設計規范并參考已有工程，火源功率為50 MW時，隧道重點排煙的設計排煙量取200 m3/s，單個排煙口尺寸為3 m(橫向)×2.5 m(縱向)，排煙口間距為60 m，排煙口的布置如圖3所示。火災時排煙口的設定開啟策略為：起火時，火源上下游各開啟3個排煙口進行排煙。

圖3 排煙口布置示意(俯視圖)Fig.3 Schematic diagram of smoke exhaust vents layout (top view)

1.2 計算網格設定

FDS用戶手冊中把火源特征直徑D*與計算網格大小δx的比值作為選取網格尺寸大小的標準，即D*/δx。當這個比值的范圍在4～16時，模擬計算效果比較好[14]。D*可依據式(1)進行計算：

(1)

式中：Q為火源熱釋放率，kW；ρ∞為環境空氣的密度，kg/m3；CP為定壓比熱，J/(kg·K)；T∞為環境空氣溫度，K；g為重力加速度，m/s2。依據上述原則，得50 MW火源功率時的網格尺寸取值范圍為 0.28～1.15 m。本文模擬中網格尺寸設定為0.5 m×0.5 m×0.5 m，火源上下游100 m范圍采用局部加密，網格尺寸為0.25 m×0.25 m×0.25 m。

1.3 模擬場景設定

為對排煙效果進行對比分析，模擬場景分為自由擴散模擬及重點排煙效果模擬。編號KS01～KS06為煙氣自由擴散場景，模擬中排煙閥關閉。隧道兩端出口采用開口邊界，環境溫度設為20 ℃。編號PY01～PY11為重點排煙場景模擬。對于非對稱V形區段，由于煙氣擴散的不對稱性，火源上、下游不同的排煙口開啟方式可能會對最終的排煙效果產生影響。因此，本文對非對稱V形區段，設定了火源上、下游不同的排煙口開啟個數的排煙模擬場景。模擬場景的詳細設定見表1。

表1 模擬場景設定Table 1 Setting of simulation scenes

2 模擬結果分析

2.1 對稱V形區段煙氣自由擴散及重點排煙的模擬結果分析

圖4給出了對稱V形區段不同的坡度組合、煙氣自由擴散和采用重點排煙后，煙氣沿隧道縱向擴散距離L隨時間的變化。由于煙氣在變坡點兩側對稱擴散，圖中只選取了單側的煙氣蔓延結果。從圖4可以看出，采用重點排煙后，對稱V形區段內煙氣的縱向蔓延可以很明顯地得到控制，煙氣的單側蔓延范圍可控制在220 m范圍內。坡度對對稱V形區段煙氣擴散的影響較小。自由擴散和重點排煙工況中煙氣在隧道內隨時間的擴散情況也可以從圖5中看出。從圖5中可以看出，火源位于變坡點時，煙氣在變坡點兩側對稱擴散，排煙可以有效地控制煙氣的擴散范圍。

圖4 對稱V形區段單側煙氣蔓延距離隨時間的變化Fig.4 Variation of smoke spreading distance along one side of symmetrical V-shaped section with time

圖5 不同工況中煙氣的擴散情況(坡度組成5%-5%)Fig.5 Smoke diffusion in different conditions (slope composition 5%-5%)

為討論排煙系統的排煙效果，本文定義排煙口的排煙效率η1為單位時間內某排煙口的排煙量占煙氣生成總量的比，一般選取燃燒的主要產物CO2的排放量占總生成量的比為代表，其計算如式(2)：

(2)

表2給出了對稱V形區段重點排煙系統開啟后，變坡點右側各排煙口的排煙效率。從表2可以看出，各排煙口的排煙效率并不相等，距離火源最近的排煙口，其排煙效率最高；隨著離火源距離的增大，排煙效率逐漸降低。變坡點兩側的坡度越大，排煙口的排煙效率越低。這是因為，隨著坡度的增大，煙囪效應增大，煙氣沿隧道上坡方向的流速加快，導致排煙口的排煙效率降低。

表2 對稱V形區段右側各排煙口及系統的排煙效率Table 2 Smoke exhaust efficiencies of each exhaust vent on right side of symmetric V-shaped section and system %

表3給出了對稱V形區段內自由擴散和排煙系統開啟后，排煙道下方頂棚的最高溫度值。隧道的頂棚最高溫度隨兩側坡度的增大而降低，這可能是因為隨著兩側隧道坡度的增大，煙囪效應逐漸增加，煙氣可以更多更快地向兩側蔓延，使得頂棚最高溫度降低。另外，重點排煙系統的開啟對頂隔板下方最高溫度的降低作用有限。因此，采用重點排煙系統時需關注頂隔板的耐火及耐高溫性能。

表3 對稱V形區段排煙道下方頂棚的最高溫度Table 3 Maximum ceiling temperature under smoke exhaust duct in symmetric V-shaped section ℃

圖6給出了排煙道下方頂棚溫度沿隧道的縱向分布情況，圖中x為距離火源中心的距離，m；H為隧道高度，m；Tx為x處的頂棚溫度，K；T0為周圍環境溫度，K。

圖6 排煙道下方頂棚溫度沿隧道的縱向分布Fig.6 Longitudinal distribution of ceiling temperature under smoke exhaust duct along tunnel

從圖6中可以看出，頂棚溫度沿隧道縱向呈指數規律衰減。經分析擬合，得x處頂棚溫度Tx沿隧道長度方向的變化規律為式(3)：

ΔTx/T0=-7.2+57.13Q*0.6(x/H)(-0.56+20.14i1.93)

(3)

式中：i為坡度，%；Q*為無量綱熱釋放率，其定義式如式(4)所示：

Q*=Q/(ρ0CpT0g1/2H5/2)

(4)

式中：ρ0為周圍環境空氣的密度，kg/m3；Cp為空氣的比熱，kJ/(kg·K)；g為重力加速度，m/s2。

2.2 非對稱V形區段煙氣自由擴散及重點排煙的模擬結果分析

圖7給出了變坡點兩側坡度組成為1%-3%、1%-5%時，不同時間煙氣在隧道內自由蔓延的情況。從圖7中可以看出，火災起初，煙氣在變坡點兩側幾乎對稱蔓延，隨著火災的持續，煙氣逐漸向大坡度側移動，當變坡點兩側坡度差較大，火災持續一定時間后，下坡度側基本無煙。隧道內煙氣如此蔓延特征，在制定人員疏散策略和排煙系統的開啟策略時需重點關注。

圖7 變坡點兩側不同的坡度組成煙氣的擴散情況Fig.7 Smoke diffusion beside slope change point with different slope composition

圖8給出了非對稱V形區段自由擴散和火源兩側不同排煙口開啟方式作用下煙氣的蔓延距離L隨時間的變化。圖7所顯示的煙氣擴散情況，在圖8中從煙氣的擴散距離隨時間的變化可以更直觀地看出。自由擴散時，火災初期，煙氣在變坡點兩側對稱蔓延，隨著火災的持續，大坡度側煙囪效應逐漸增大，小坡度側煙氣在擴散到一定距離后，將會向火源側回流。當大坡度側坡度較大時，如坡度為5%時，火災持續400 s后，小坡度側完全無煙，此時煙氣在V形區段的擴散可看作煙氣在單坡度隧道內的流動。

圖8 非對稱V形區段，不同排煙口開啟方式作用下煙氣蔓延距離隨時間的變化Fig.8 Variation of smoke spreading distance under different opening modes of smoke exhaust vents in asymmetric V-shaped section with time

當排煙系統開啟后，在大坡度側，重點排煙對煙氣的控制有一定的作用，減緩了煙氣的蔓延速度和蔓延距離，但并不能很好地將煙氣控制在相對小的范圍內，特別是坡度差較大的工況。

排煙口開啟方式相同時，變坡點兩側坡度差越大，小坡度側煙氣控制的效果較好，大坡度側煙氣的控制效果較差，如火災持續300 s時，火源左側開2個排煙口，右側開4個排煙口，1%-3%坡度組合大坡度側的煙氣擴散距離為296 m，3%-5%坡度組合大坡度測煙氣擴散距離為335 m，而1%-5%坡度組合煙氣的蔓延范圍已經超過400 m。此時，要將煙氣控制在較小的范圍，需重點關注大坡度側煙氣的擴散特征。

表4給出了非對稱V形區段變坡點兩側不同坡度組成時排煙道下方拱頂的最高溫度值。與對稱V形區段相比，由于坡度差的存在，煙氣向大坡度側移動，使得非對稱V形區段排煙道下方拱頂的最高溫度大為降低。

表4 非對稱V形區段排煙道下方頂棚最高溫度Table 4 Maximum ceiling temperature under smoke exhaust duct in asymmetric V-shaped section

非對稱V形區段，火源兩側不同排煙口的開啟方式作用下，各排煙口的排煙效率如表5所示。從表5中可以看出，針對非對稱V形區段不同的坡度組成的煙氣擴散特征，如果仍采用火源兩側對稱開啟相同數量的排煙的運行模式，則系統的排煙效率較低。大坡度側開啟較多的排煙口，有利于系統排煙效率的提高。

表5 非對稱V形區段不同排煙口開啟方式作用下的排煙效率Table 5 Smoke exhaust efficiencies in asymmetric V-shaped section under different opening modes of smoke exhaust vents

3 結論

1)在給定火源功率及火源位置的前提下，隧道V形區段變坡點兩側的坡度構成對煙氣的自由擴散和重點排煙的控制效果有較大的影響。

2)對于對稱V形區段，火源位于變坡點時，煙氣沿變坡點兩側隧道對稱擴散，排煙道下方頂棚溫度沿縱向依指數規律衰減。重點排煙系統的開啟可以減緩煙氣的擴散速度，縮短煙氣的蔓延長度，但排煙系統的開啟對降低排煙道下方頂棚最高溫度的作用有限，此時應注意對排煙道結構的防護。

3)對于非對稱V形區段，火源位于變坡點時，火源兩側的坡度構成和排煙口的開啟方式對煙氣的擴散和控制有較大的影響。自由擴散時，隨著火災的持續，小坡度側煙氣出現回流，煙氣向大坡度側蔓延。當變坡點兩側坡度差較大，火災持續一定時間后，小坡度側基本無煙，V形區段內煙氣蔓延可視為單坡度隧道內的煙氣蔓延。重點排煙時，火源兩側排煙口數量對稱開啟，系統排煙效率較低；增加大坡度側的排煙口數量可以提高系統的總的排煙效率，但坡度差較大時，要將煙氣有效地控制在較小的范圍內相對困難。實際運行中，應結合V形區段隧道的坡度實際構成和煙氣控制的總目標，制定相應的排煙口開啟策略，特別是V形區段兩側坡度差較大的工況，沿火源兩側對稱的排煙口開啟方式會將部分煙氣引向小坡度側，對降低隧道頂棚最高溫度不利。

4)由于影響非對稱V形區段煙氣擴散和控制的因素眾多，本文只討論了火源位于變坡點處，坡度構成和排煙口開啟方式的影響，更多因素的影響將在未來的研究中進一步分析研究。