高海拔隧道中考慮CO 和煙霧的海拔高度系數(shù)

嚴濤，王明年，郭春，晁峰，陳漢波

(1. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都，610031；2. 西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)土木系，四川 峨眉，614202)

目前，西部公路隧道建設(shè)有向特高和特長發(fā)展的趨勢，海拔高度超過3.8 km 的已建或在建有代表性的隧道有花巖子隧道、日爾郎山隧道、列衣隧道、雀兒山隧道等；長度超過7.0 km 的已建或在建有代表性的隧道有巴朗山隧道、雪山梁隧道、雀兒山隧道、泥巴山隧道、秦嶺終南山隧道等[1-3]。高海拔隧道后期運營通風(fēng)費用較高, 正確計算需風(fēng)量對成本控制顯得尤為重要。通風(fēng)排出及稀釋的有害氣體主要是汽油車產(chǎn)生的CO 及柴油車產(chǎn)生的煙霧，與之對應(yīng)的計算指標(biāo)就是考慮CO 和煙霧的海拔高度系數(shù)。2000 年發(fā)布的《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》[4]中考慮CO 和考慮煙霧的海拔高度系數(shù)fh和fh(VI)的海拔最大限值僅為2.2 km和2.4 km，當(dāng)取值超過限值時，規(guī)范規(guī)定作直線延伸。關(guān)于考慮CO 的海拔高度系數(shù)fh和考慮煙霧的海拔高度系數(shù)fh(VI)的研究是隨著高海拔隧道的不斷修建出現(xiàn)的，之前相關(guān)的研究較少。西南交通大學(xué)在二郎山隧道中對以汽油車為主的考慮CO 海拔高度系數(shù)fh進行了研究[5]。海拔2.0 km 處實測值比規(guī)范值降低12%～28%；最高海拔5.0 km 處實測值比規(guī)范值降低33%～39%。韓直[6]研究了通風(fēng)設(shè)計中主要參數(shù)CO 排放量、隧道內(nèi)車輛的排隊長度及停滯時間與交通運營的關(guān)系，建立了通風(fēng)模糊控制模型，達到環(huán)保、節(jié)能的目的。鄭金龍等[7]在雀兒山隧道中對以柴油車為主的考慮煙霧的海拔高度系數(shù)fh(VI)進行了研究。在海拔4.38 km 雀兒山隧道洞口處，實測值比規(guī)范值增加21.0%。涂耘[8]重點對煙霧的折減率進行了深入研究，認為煙霧的年折減率為1%～2%。另外，王賀武等[9-11]分別就通風(fēng)設(shè)計中一些關(guān)鍵參數(shù)進行了研究，取到了一定成果。隨著西部高海拔隧道的大量修建，CO 海拔高度系數(shù)fh和考慮煙霧的海拔高度系數(shù)fh(VI)的正確取值對通風(fēng)計算影響顯著。而且，隧道需風(fēng)量計算與各種車型有關(guān)。但是，目前對于汽油車和柴油車的研究車型過于單一，車型較少且重復(fù)性較強。為此，本文作者在已取得的實測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，補充測試以前未測試車型，研究考慮各車型的CO 和煙霧的海拔高度系數(shù)，探索在公路隧道營運通風(fēng)設(shè)計中考慮CO 和煙霧的海拔高度系數(shù)的合理取值。

1 考慮CO 的海拔高度系數(shù)

1.1 考慮CO 的海拔高度系數(shù)的定義及表達式

CO 排放量計算公式[4]為：

其中：QCO為整條隧道的CO 總排放量，m3/s；qCO為基準排放量，m3/(km·輛)；fa為車況系數(shù)；fd為車密度系數(shù)；fhi為海拔高度系數(shù)；fiv為縱坡-車速系數(shù)；L 為隧道長度，m；Nm為各車型的設(shè)計值，輛/h；fm為車型系數(shù)；n 為車型類別數(shù)。

根據(jù)式(1)可計算出海拔400 m 的CO 排放量Q(400)，將其定為基準排放值，再計算任意超過400 m的海拔高度i 的CO 排放量Q(i)，將Q(i)與Q(400)相比，得到任意海拔高度i 的考慮CO 的海拔高度系數(shù)：

由式(2)可知，在海拔高度400 m 處，考慮CO 的海拔高度系數(shù)為1，該值為考慮CO 的起點海拔高度系數(shù)。

1.2 汽油車CO 排放測試試驗

在各個高程點，將汽油車發(fā)動機由怠速加速到中等轉(zhuǎn)速，維持5 s 以上，再降到怠速狀態(tài)，通過廢氣分析儀讀取CO 排放量的最大值。

主要的測試儀器為NHA-503 廢氣分析儀、空盒氣壓計、秒表、海拔高度計、精密機械秒表、溫濕度計、交流發(fā)電機。

重點對規(guī)范限值2 200 m 以上的高度進行研究，同時要以海拔高度400 m 的CO 排放量作為基準排放點，因此，海拔高度選擇的范圍為400～4 500 m。

作為前期測試的補充，選擇在山區(qū)旅游線路上有代表性的三菱越野車進行現(xiàn)場測試。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 測試數(shù)據(jù)

三菱越野車各海拔的測試數(shù)據(jù)見表1，實測各海拔高度CO 排放量、實測考慮CO 的海拔高度系數(shù)分別如圖1 和圖2 所示。

圖1 實測各海拔高度CO 排放量Fig.1 CO emissions at each height of field test

圖2 考慮CO 的海拔高度系數(shù)實測值與規(guī)范值Fig.2 Measured values and criterion of altitude coefficient considering CO emission

表1 汽油車CO 排放試驗測試結(jié)果Table 1 CO emission test results of gasoline car

1.3.2 一元線性回歸分析

汽油車(三菱車)的考慮CO 海拔高度系數(shù)隨海拔高度的變化關(guān)系式用一元線性回歸分析得出如下：

其中：x 為實測的海拔標(biāo)高值；y 為實測的考慮CO 的海拔高度系數(shù)。實測線性回歸擬合值、2002 年實測回歸擬合值及現(xiàn)有規(guī)范海拔高度系數(shù)如圖3 所示。

1.3.3 考慮各車型的CO 海拔高度系數(shù)公式推導(dǎo)

將式(1)簡寫為

圖3 考慮CO 的海拔高度系數(shù)實測值與規(guī)范值Fig.3 Measured values and criterion of altitude coefficient considering CO emission from different models

旅行車、輕型貨車(小客車)和大型客車、拖掛車(大客車)考慮CO 的車型系數(shù)fm分別為2.5 和7.0。

分別由三菱越野車及切諾基大型客車代表小客車及大客車，通過一元線性回歸得到各車型考慮CO 的海拔高度系數(shù)如下。

1) 對于三菱旅行車(代表小客車)，

2) 對于切諾基大型客車(代表大客車)，

y0和y1分別對應(yīng)已測車型考慮CO 的海拔高度系數(shù)，代入式(4)，兩邊同除以本隧道總的設(shè)計交通量，可得考慮各車型的CO 海拔高度系數(shù)：

式中：nm為某車型占總車型的比例。

1.3.4 考慮各車型的計算值與規(guī)范值的比較分析

在海拔4.5 km 巴朗山埡口處，通過規(guī)范直線延伸可得考慮CO 海拔高度系數(shù)為2.23。通過式(7)計算得到考慮各車型CO 海拔高度系數(shù)為3.306，比規(guī)范值減少32.55%。

在海拔3.8 km 巴朗山隧道洞口處，通過規(guī)范直線延伸可得考慮CO 海拔高度系數(shù)為2.913。通過式(7)計算得到考慮各車型CO 海拔高度系數(shù)為1.93，比規(guī)范值減少33.75%。

2 煙霧海拔高度系數(shù)

2.1 考慮煙霧海拔高度系數(shù)的定義及表達式

煙霧排放量計算公式[4]為

式中：QVI為煙霧總排放量；qVI為基準排放量； fa(VI)為車況系數(shù)； fh(VI)為海拔高度系數(shù)；fiv(VI)為縱坡-車速系數(shù)；fm(VI)為車型系數(shù)；nD為車型類別數(shù)。

根據(jù)式(8)，可計算出海拔400 m 的煙霧排放量QVI(400)，將其定為基準排放量，再計算任意超過400 m的海拔高度i 的煙霧排放量QVI(i)，將QVI(i)與QVI(400)相比，得到任意海拔高度i 的考慮煙霧的海拔高度系數(shù)：

煙霧排放量采用波許煙度Rb表示，式(9)又可表示為

由式(10)可知，在海拔高度400 m 處，考慮煙霧的海拔高度系數(shù)為1，即為考慮煙霧的起點海拔高度系數(shù)。

2.2 柴油車煙霧測試試驗

在不同的海拔高度處，采用柴油車自由加速煙度的測量濾紙煙度法，等間隔時間對柴油車輛進行重復(fù)采樣。

主要測試儀器為GZFULI 型透射式煙度計、空盒氣壓計、海拔高度計、機械秒表、溫濕度計、交流發(fā)電機。

試驗重點對規(guī)范限值2.4 km 以上的高度進行研究，同時要以海拔高度400 m 煙霧排放量作為基準排放點，因此海拔高度選擇的范圍為400～4 500 m。

選擇在山區(qū)旅游線路上有代表性的皮卡柴油車進行現(xiàn)場測試。

2.3 數(shù)據(jù)分析

2.3.1 原始測試數(shù)據(jù)

皮卡柴油車各海拔高度測試數(shù)據(jù)見表2，實測各海拔高度煙霧排放量、實測考慮煙霧海拔高度系數(shù)分別如圖4 和圖5 所示。

2.3.2 一元線性回歸分析

皮卡柴油車的煙霧海拔高度系數(shù)隨海拔高度的變化關(guān)系式用一元線性回歸分析得出如下：

其中：x 為實測的海拔標(biāo)高值；y 為實測的考慮煙霧海拔高度系數(shù)。實測線性回歸擬合值、2005 年實測回歸擬合值及現(xiàn)有規(guī)范海拔高度系數(shù)如圖6 所示。

表2 柴油車煙霧測試結(jié)果Table 2 Test results of diesel vehicle considering smoke

圖4 實測各海拔高度煙霧排放量Fig.4 Smoke emission at each height

圖5 考慮煙霧海拔高度系數(shù)實測值與規(guī)范值Fig.5 Measured values and criterion of altitude coefficient considering smoke for different models

圖6 不同車型考慮煙霧海拔高度系數(shù)實測值與規(guī)范值Fig.6 Measured values and criterion of altitude coefficient considering smoke for different models

2.3.3 考慮各車型的煙霧海拔高度系數(shù)公式推導(dǎo)

將式(8)簡寫為

小貨車、中貨車和大貨車的考慮煙霧的車型系數(shù)fm(VI)分別為0.4，1.0 和1.5。

分別由皮卡、金杯柴油貨車、全順柴油貨車代表小貨車、中貨車及大貨車，通過一元線性回歸得到各車型考慮煙霧的海拔高度系數(shù)如下。

1) 對于皮卡(代表小貨車)，

2) 對于金杯柴油貨車(代表中貨車)，

3) 對于全順柴油貨車(代表大貨車)，

y0，y1及y2分別對應(yīng)已測車型考慮煙霧的海拔高度系數(shù)，帶入式(12)并除以總的設(shè)計交通量可得：

式中：nm為某車型占總車型的比例。

2.3.4 考慮各車型的計算值與規(guī)范值的比較分析

在海拔4.5 km 埡口處，從規(guī)范圖中直線延伸可得考慮煙霧海拔高度系數(shù)為2.23。通過式(16)計算得到考慮各車型煙霧海拔高度系數(shù)為2.389，比規(guī)范值增加7.13%。

在海拔3.8 km 巴朗山隧道洞口處，從規(guī)范圖中直線延伸可得考慮煙霧海拔高度系數(shù)為2.02。通過式(16)計算得到考慮各車型煙霧海拔高度系數(shù)為2.153，比規(guī)范值增加6.58%。

3 結(jié)論

1) 通過現(xiàn)場實測推導(dǎo)了考慮各種車型的考慮CO及煙霧的海拔高度系數(shù)計算公式，能較為準確地計算隧道需風(fēng)量。

2) 運用推導(dǎo)的各車型且符合當(dāng)前車輛技術(shù)水平的考慮CO 及煙霧的海拔高度系數(shù)計算公式，在海拔3.8 km 巴朗山隧道洞口處，考慮CO 的海拔高度系數(shù)計算值比規(guī)范值減少33.75%; 考慮煙霧的海拔高度系數(shù)計算值比規(guī)范值增加6.58%。

3) 通過對海拔高度系數(shù)進行修正，可以較為準確的計算運營階段隧道需風(fēng)量，避免出現(xiàn)風(fēng)量不足或風(fēng)量浪費，保證營運安全。隨著西部高海拔特長隧道的大量修建，研究具有應(yīng)用推廣的實用價值。下一步可展開對隧道實際需風(fēng)量，風(fēng)機型號、數(shù)量、布置方式的研究。

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