公路隧道防洞口竄流治理研究

徐 湃，蔣樹屏，邢榮軍，陳建忠

(1．重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074；2．招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 400067)

近年來，隨著公路隧道建設(shè)量的增加，受地形影響，近、短距離連續(xù)隧道的建設(shè)在所難免[1]。這種隧道型式帶來的竄流問題[2]亟待解決。竄流現(xiàn)象使下游隧道污染物含量增加，需要采取一定的工程措施降低污染物含量[3]。目前，國內(nèi)外對于隧道通風(fēng)竄流問題的研究甚少[4-5]，更無有關(guān)工程措施的定量比較分析。筆者在分析竄流現(xiàn)象及竄流比本質(zhì)的基礎(chǔ)上將防止竄流污染的工程措施分為上游隧道送新風(fēng)、上游隧道排污風(fēng)、下游隧道送新風(fēng)和下游隧道排污風(fēng)等4大類，并進(jìn)行定量分析，比較其有效程度。通過Fluent數(shù)值模擬驗證分析的正確性。筆者提出的分析方法為發(fā)生竄流時工程措施的選取及評價其有效程度提供了理論基礎(chǔ)及參考依據(jù)。

1 隧道竄流現(xiàn)象分析

1.1 竄流現(xiàn)象

在近距離或短距離連續(xù)隧道中，排風(fēng)隧道或上游隧道排出的隧道內(nèi)污染空氣通常會帶入進(jìn)風(fēng)隧道或下游隧道中，形成除隧道本身污染外的二次污染，這種現(xiàn)象稱之為“竄流現(xiàn)象”，簡稱“竄流”[2]。竄流現(xiàn)象通常發(fā)生在如圖1所示的隧道型式中。

圖1 隧道類型Fig.1 Tunnel types

假設(shè)排風(fēng)隧道排出的污染風(fēng)量為Q總，其中部分竄入進(jìn)風(fēng)隧道的污染風(fēng)量為Q1，則定義Q1/Q總為竄流比，用λ1表示，該式稱為竄流比定義式[2]。

1.2 竄流比分析

對于短距離連續(xù)隧道，有

(1)

式中：λ1為竄流比，%；D為連續(xù)的兩隧道間距，m；v進(jìn)為下游隧道入口進(jìn)風(fēng)速度，m/s；v排為上游隧道出口排風(fēng)速度，m/s。

由式(1)可以看出，當(dāng)進(jìn)風(fēng)速度和排風(fēng)速度相同時，隨隧道間距離的增大，竄流比降低，且隨風(fēng)速變化很小，即風(fēng)速變化并不直接引起竄流比的變化；當(dāng)排風(fēng)速度恒定時，竄流比隨進(jìn)風(fēng)風(fēng)速的增大而增大，竄流比在隨進(jìn)風(fēng)速度增大的同時，增大趨勢還隨恒定排風(fēng)速度的提高而減緩；當(dāng)進(jìn)風(fēng)速度恒定時，竄流比隨排風(fēng)風(fēng)速的增大而減小。

需要說明的是，在理想情況下，當(dāng)D≥249 m時，下游隧道將不受上游隧道竄流污染的影響。因此，筆者所研究的隧道上下游間距均小于此界限，以前后連續(xù)隧道為例，詳細(xì)分析防止隧道竄流的理論及措施，而對于左右相鄰隧道，分析方法相同。

2 防隧道洞口竄流工程措施分析

理論上，增加上游或下游隧道風(fēng)速即可解決竄流問題，但實際上增大風(fēng)速必然導(dǎo)致風(fēng)機(jī)增加，耗電量增大，浪費(fèi)能源，而且洞內(nèi)污染物始終在隧道內(nèi)，不能及時排除。更重要的是，洞內(nèi)風(fēng)速有一定限制，不能無限增加，因此，加大通風(fēng)量將導(dǎo)致隧道環(huán)境不舒適程度增加[6]。綜上所述，需采取工程措施解決竄流問題。

普遍使用的工程措施[6-8]是設(shè)置天窗或通風(fēng)導(dǎo)洞，但未對其進(jìn)行量化，筆者為了定量分析各種措施的有效性，現(xiàn)將其分為以下4大類：上游隧道送新風(fēng)、上游隧道排污風(fēng)、下游隧道送新風(fēng)、下游隧道排污風(fēng)，并以設(shè)置通風(fēng)導(dǎo)洞為例詳細(xì)分析這4種措施對隧道竄流產(chǎn)生的影響。

2.1 措施1——上游隧道送新風(fēng)

通風(fēng)導(dǎo)洞設(shè)于上游隧道，導(dǎo)洞內(nèi)設(shè)有小型風(fēng)機(jī)，將外部新鮮空氣送入隧道中，如圖2。導(dǎo)洞上游風(fēng)速不變，加入新鮮空氣后，上游隧道出口排風(fēng)速度增加，導(dǎo)致竄流比減小。設(shè)λ1為未采取措施時下游隧道的竄流比；λ2為采取措施后，下游隧道口處竄流比；λ3為采取措施后，下游隧道的竄流比。

圖2 上游隧道送新風(fēng)示意Fig.2 Fresh air supply in upstream tunnel

由竄流比定義式分析λ3，有

(2)

由式(2)可知，未在下游隧道采取措施時，λ2=λ3，此時：

(3)

(4)

式中：Q1為竄流現(xiàn)象發(fā)生后，上游隧道污染物竄入到下游隧道的量，m3/s；Q總為上游隧道排出的總的污染物含量，m3/s；v進(jìn)為未發(fā)生竄流現(xiàn)象時，根據(jù)通風(fēng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)計算的下游隧道風(fēng)速，m/s；v排為未發(fā)生竄流現(xiàn)象時，根據(jù)通風(fēng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)計算的上游隧道風(fēng)速，m/s；v排后為竄流現(xiàn)象發(fā)生后，上游隧道出口排風(fēng)風(fēng)速，v排后=(v0A0+v排A)/A，m/s；v0為通風(fēng)導(dǎo)洞送風(fēng)風(fēng)速，m/s；A0為送風(fēng)導(dǎo)洞風(fēng)口面積，m2；A為上游隧道面積，m2。

由式(4)可以看出，采取措施后的竄流比與隧道間距、上下游隧道風(fēng)速、送風(fēng)口流量等很多因素有關(guān)，很難看出其規(guī)律也很難與其他措施比較。因此，筆者提出竄流措施有效率的概念，即采取措施后的竄流比比未采取措施的竄流比減少的百分?jǐn)?shù)，用η表示：

(5)

上游隧道送新風(fēng)的有效率為：

(6)

此時，竄流措施有效率只與上游隧道風(fēng)量和送新風(fēng)量有關(guān)，使問題得到簡化。

2.2 措施2——上游隧道排污風(fēng)

上游隧道設(shè)置通風(fēng)導(dǎo)洞將上游隧道污染物排出一部分，此時上游隧道風(fēng)速不變，又排出部分風(fēng)量，如圖3。因此，上游隧道出口處排風(fēng)速度減小，導(dǎo)致竄流比增加，但污染物量已被排出部分，所以無法直接判斷措施的有效情況，需進(jìn)行理論分析。

圖3 上游隧道排污風(fēng)示意Fig.3 Air exhaust in upstream tunnel

(7)

因此，

(8)

式中：Q0為排風(fēng)口排出的污染物含量，m3/s。

同理，竄流措施有效率為：

(9)

2.3 措施3——下游隧道送新風(fēng)

下游隧道設(shè)置通風(fēng)導(dǎo)洞，將新風(fēng)送入下游隧道，稀釋竄到下游隧道的污風(fēng)，如圖4。下游隧道風(fēng)速不變，加入新鮮空氣后下游隧道進(jìn)口處風(fēng)速降低，導(dǎo)致竄流比減小。

圖4 下游隧道送新風(fēng)示意Fig.4 Fresh air supply in downstream tunnel

分析如下：

因此，

(10)

同理，竄流措施有效率為：

(11)

2.4 措施4——下游隧道排污風(fēng)

下游隧道設(shè)置通風(fēng)導(dǎo)洞，將上游隧道竄入下游的污染空氣排出，如圖5。下游隧道風(fēng)速不變，則下游隧道進(jìn)風(fēng)口處進(jìn)風(fēng)風(fēng)速增加，導(dǎo)致竄流比增加，但污染物量已被部分排出，所以無法直接判斷措施的有效情況，需進(jìn)行定量分析。

圖5 下游隧道排污風(fēng)示意Fig.5 Air exhaust in downstream tunnel

(12)

則：

(13)

(14)

3 工程措施有效性分析

竄流措施有效率的提出，量化了每種措施的有效程度。它與隧道間距無關(guān)，當(dāng)隧道確定，其上下游風(fēng)速和斷面面積恒定時，措施1與措施2只與上游隧道風(fēng)速和通風(fēng)導(dǎo)洞風(fēng)量有關(guān)；措施3與措施4只與下游隧道風(fēng)速和通風(fēng)導(dǎo)洞風(fēng)量有關(guān)。

隧道間距46 m，下游隧道計算風(fēng)速3 m/s，上游隧道計算風(fēng)速5.35 m/s[8]，隧道面積101.3 m2，采取一定措施后，送風(fēng)量或排風(fēng)量由10 m3/s變化到300 m3/s(圖6)，從這個過程可以看出，措施3的有效程度最高，其次是措施1；措施2和措施4幾乎重合，有效率都較低。4種措施均隨送排風(fēng)量的增加而增大。此時，當(dāng)下游送新風(fēng)的風(fēng)量為300 m3/s時，竄流措施有效率幾乎達(dá)到100%，因此采用措施3最為有利。

圖6 竄流措施有效率與通風(fēng)導(dǎo)洞風(fēng)量的關(guān)系Fig.6 Relationship between crossflow measures efficiency and

當(dāng)上游隧道風(fēng)速恒定為7m/s，送排風(fēng)量恒定為100 m3/s時，措施1和措施2不隨下游隧道風(fēng)速變化，措施3和措施4隨下游隧道風(fēng)速的增大而減小，說明措施1和措施2與下游隧道風(fēng)速無關(guān)，如圖7。

圖7 上游風(fēng)速恒定，有效率與下游風(fēng)速的關(guān)系Fig.7 Relationship of measures efficiency and upstream wind speed under constant downstream wind speed

從圖8可以看出，當(dāng)下游隧道風(fēng)速恒定為4 m/s，送風(fēng)量或排風(fēng)量恒定為100 m3/s時，措施3和措施4不隨上游隧道風(fēng)速變化，措施1和措施2隨上游隧道風(fēng)速的增大而減小，說明措施3和措施4與上游隧道風(fēng)速無關(guān)，當(dāng)上游隧道風(fēng)速小于3 m/s時，措施1、措施2比措施3有效。

圖8 下游風(fēng)速恒定，有效率與上游風(fēng)速的關(guān)系Fig.8 Relationship of measures efficiency and upstream wind speed under constant upstream wind speed

綜上所述，竄流情況發(fā)生后，采取哪種類型工程措施，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行竄流措施有效率的計算，不是任一種措施都可以達(dá)到最佳效果。

4 數(shù)值模擬驗證

隧道中氣流運(yùn)動十分復(fù)雜，為了解決主要問題，筆者在隧道通風(fēng)模擬時作如下假設(shè)：①流體是不可壓縮的；②風(fēng)流類型屬于穩(wěn)定流；③流體按連續(xù)介質(zhì)處理；④遵循能量守恒原理；⑤不考慮自然風(fēng)影響。

采用Fluent對隧道間竄流場污染進(jìn)行數(shù)值模擬?？諝庥蛏?、左、右3個面定義為壓力出口；空氣域前、后兩個面為山體面，定義為壁面，粗糙度為0 mm；隧道內(nèi)壁面定義為壁面邊界，粗糙度為7 mm；隧道兩端均為速度入口，根據(jù)不同計算需求設(shè)置速度值。計算環(huán)境選取分離穩(wěn)態(tài)求解器，SIMPLE算法，紊流模型為k-模型，壓力采用PRESTO離散。

在對4種工程措施進(jìn)行數(shù)學(xué)定量分析后，利用Fluent軟件驗證分析結(jié)果。以某兩相鄰隧道為例，隧道間距為46 m，假設(shè)上游隧道排風(fēng)速度為5.35 m/s，下游隧道排風(fēng)速度為3 m/s，設(shè)置通風(fēng)橫洞面積為40 m2，導(dǎo)洞內(nèi)風(fēng)速為6 m/s。分別模擬4種工程措施對污染物竄流的影響程度并驗證數(shù)學(xué)分析結(jié)果。

三維模型如圖9，左側(cè)為上游隧道，右側(cè)為下游隧道，分叉處為設(shè)置的通風(fēng)橫洞。模擬結(jié)果如圖10，容易看出4種措施對下游隧道空氣質(zhì)量的改善程度。

圖9 連續(xù)隧道三維模型Fig.9 3D calculation model of continuous tunnels ventilation

圖10 模擬結(jié)果云圖Fig.10 Cloud images of simulation conclusion

根據(jù)式(4)、式(8)、式(10)和式(13)分別計算出4種措施的串流比，并與數(shù)值模擬值進(jìn)行對比，其誤差如表1。

表1 模擬驗證誤差分析Table 1 Analysis of simulation verification error

模擬值與理論計算值誤差均在±3%以內(nèi)，說明定量分析方法的有效性。本例中措施2和措施4對竄流基本無影響，措施3最為有效，可使竄流比降低74%。

5 結(jié) 論

通過對短距離連續(xù)公路隧道防洞口竄流治理措施的分析，得出以下結(jié)論：

1)竄流比只與隧道間距和兩隧道內(nèi)風(fēng)速有關(guān)。

2)上游隧道送新風(fēng)、上游隧道排污風(fēng)、下游隧道送新風(fēng)和下游隧道排污風(fēng)這4種措施竄流比分別為33.77%，46.82%，12.23%和44.32%，表明下游隧道送新風(fēng)的效果最好。

3)提出以“竄流措施有效率”概念來評價竄流措施有效程度。一般情況下，下游隧道送新風(fēng)的有效程度高于其他幾種措施，上游隧道送新風(fēng)其次，另外兩種措施無明顯效果。并通過Fluent進(jìn)行數(shù)值驗證，證明了理論計算的準(zhǔn)確性。

[1] Se Camby M K,Lee Eric W M,Lai Alvin C K.Impact of location of jet fan on airflow structure in tunnel fire[J].Tunneling and Underground Space Technology,2012,27 (1):30-40.

[2] 徐湃,蔣樹屏,張連賀,等.短距離連續(xù)公路隧道竄流污染研究[J].公路,2014,59(1):223-227.

Xu Pai,Jiang Shuping,Zhang Lianhe,et al.Research on crossflow field pollution in short distance and continuous road tunnels[J].Highway,2014,59(1):223-227.

[3] 余快,劉宏,王曉雯,等.中梁山隧道洞口串流二次污染數(shù)值分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2011,30(2):225-228.

Yu Kuai,Liu Hong,Wang Xiaowen,et al.Secondary pollution numerical analysis of the flow channeling in the extrance of zhongliangshan tunnel[J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2011,30(2):225-228.

[4] 楊玉蓉,何川,曾艷華,等.公路隧道洞口結(jié)構(gòu)因素對廢氣竄流的影響[J].中國公路學(xué)報,2012,25 (4):107-112.

Yang Yurong,He Chuan,Zeng Yanhua,et al.Effect of structural factors on waste gas cross flowing around portal of highway tunnels [J].China Journal of Highway and Transport,2012,25 (4):107-112.

[5] 鄧順熙,張廣,李喜,等.特長公路隧道洞口污染物擴(kuò)散的有限元法模擬[J].中國公路學(xué)報,2006,19(3):59-64.

Deng Shunxi,Zhang Guang,Li Xi,et al.Simulation of pollutant diffusion near extra long highway tunnel portal with finite element method[J].China Journal of Highway and Transport,2006,19(3):59-64.

[6] 李飛.近距離公路隧道送排風(fēng)相互影響機(jī)理及其對策研究[D].武漢:中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所,2005.

Li Fei.Research on Mixture Mechanism of Exhaust Air with Inlet Air in Small Space Road Tunnels and Inscouter Measures[D].Wuhan:Institute of Rock & Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,2005.

[7] Li Y Z,Ingason H.The maximum ceiling gas temperature in a large tunnel fire[J].Fire Safety Journal,2012,48 (2):38-48.

[8] 閆治國,楊其新,王明年,等.火災(zāi)工況下公路隧道豎井通風(fēng)模式試驗研究[J].土木工程學(xué)報,2006,39(11):101-106.

Yan Zhiguo,Yang Qixin,Wang Mingnian,et al.Experimental study of shaft ventilation modes for road tunnels in case of fire[J].China Civil Engineering Journal,2006,39(11):101-106.