西藏林芝某特長公路隧道排煙安全方案研究

■ 翟軍校 應(yīng)急管理部北京消防救援局

近年來，由于交通規(guī)模的不斷擴(kuò)大，我國國民經(jīng)濟(jì)快速穩(wěn)定發(fā)展，我國的公路建設(shè)，特別是特長公路建設(shè)迅猛發(fā)展。特長公路隧道帶來了很大的交通便利，但是長大化的特性也導(dǎo)致了防排煙設(shè)計(jì)和施工技術(shù)等方面的問題，極易引發(fā)安全隱患。隧道防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分在于當(dāng)發(fā)生火災(zāi)事故，在最短的時段內(nèi)將煙氣排出隧道或控制蔓延范圍，以此來降低煙氣對事故人員造成的傷害，確保其人身安全。要想合理有效的控制隧道火災(zāi)煙霧，首先要研究獲得火災(zāi)中煙霧的蔓延特性及擴(kuò)散規(guī)律。并以此為根據(jù)，使預(yù)防工作的開展能夠更為有效的且有針對的進(jìn)行。但是在國內(nèi)外的研究中沒有針對高海拔大坡度隧道煙氣排放方面的研究，由于隧道傾斜造成的煙氣排放的不同對煙氣的排放會造成影響，煙氣上浮到隧道頂部時，具有一定坡度的隧道會影響煙氣的蔓延，上升的氣流遇到有坡度的隧道壁會沿壁面斜向上運(yùn)動，但不同外界情況會對這一現(xiàn)象產(chǎn)生的影響其具體規(guī)律需要進(jìn)行研究。結(jié)合高原公路隧道具有大坡度和高原缺氧等特點(diǎn)，來研究隧道火災(zāi)的煙氣蔓延規(guī)律，同時為隧道火災(zāi)的排煙設(shè)計(jì)與合理控制給出自己的見解與改進(jìn)建議。

一、不同火源位置對排煙效果的影響

西藏林芝某特長公路隧道，采用獨(dú)立排煙道系統(tǒng)，在隧道的兩端設(shè)置與排煙道相通的排煙豎井。由于公路隧道火災(zāi)發(fā)生的位置是隨機(jī)的，火災(zāi)位置的不同致使和風(fēng)機(jī)位置的距離也不大相同，所以為了更好的保護(hù)受災(zāi)群眾及救援群眾、更好的引導(dǎo)煙氣排離行車道，將對不同的火源位置進(jìn)行計(jì)算。

（一）模擬計(jì)算組別設(shè)計(jì)

當(dāng)隧道火災(zāi)發(fā)生之后，其排煙閥的開啟策略與隧道中的火源位置關(guān)系密切，所以把隧道分成5段，主要表示在如圖1中。主要包括排煙閥外區(qū)域下段與上段（K1、K5段）、排煙閥所在區(qū)域上段與下段（K2、K4段）以及排煙道中間段火災(zāi)（K3段）等5段。

圖1 隧道內(nèi)的不同火災(zāi)位置示意圖

圖1為火災(zāi)發(fā)生在K1-K5段的煙氣控制示意圖。如圖所示，兩側(cè)的排煙風(fēng)機(jī)保持開啟狀態(tài)，火災(zāi)發(fā)生的位置即排煙閥所處位置的中間部分。在誘導(dǎo)風(fēng)速、誘導(dǎo)風(fēng)風(fēng)向、排煙閥數(shù)量、排煙閥間距及風(fēng)機(jī)數(shù)量不變的情況下，分別對K 1-K 5不同火源位置對排煙效果產(chǎn)生的影響做模擬。在模擬過程中，需要建立一段300 m的模型隧道，該隧道的行車高度與寬度方面分別要求是6.9 m和8.6 m。該風(fēng)機(jī)的出口流量是24 m3/s，火源產(chǎn)生的熱釋放率是5 MW，時間是300 s。

表1 不同火源位置數(shù)值仿真條件設(shè)定表

在實(shí)驗(yàn)?zāi)M的開展進(jìn)程中，先假設(shè)火源參數(shù)保持不變，將隧道中煙氣層的高度、溫度場分布以及能見度等相關(guān)參數(shù)指標(biāo)做詳細(xì)的對比分析，得到其在排煙閥數(shù)量、排煙閥間距、誘導(dǎo)風(fēng)速及風(fēng)向相同情況下不同的煙氣蔓延規(guī)律。

（二）火源位置對煙氣分布的影響

收集整理分析上述數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果。例如K 3，可用來對煙氣的擴(kuò)散與排煙等過程做相應(yīng)的描述。如下圖3所示，主要體現(xiàn)的內(nèi)容是火源位置處于K 3位置時部分時刻的煙氣模擬圖。如圖3（a）所示，觀察圖像可以看出，在縱向誘導(dǎo)風(fēng)的作用下，煙氣大多蔓延在火源的下風(fēng)向隧道內(nèi)，直至火災(zāi)發(fā)生30 s之后煙氣將充滿整個隧道，此時，其排煙管道中所含煙氣較少，可以看出排煙功能沒有發(fā)揮其作用。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生60 s時煙氣蔓延更加廣泛，但從圖3（b）中可以觀察到排煙管道內(nèi)有大量煙氣存在，說明排煙系統(tǒng)正在產(chǎn)生作用。比較圖3（c）和圖3（d）其煙氣分布并未有明顯變化，煙氣分布達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 火源位置在K 3位置時不同時刻煙氣分布圖

通過圖3的比較得出120 s后煙氣分布達(dá)到較為穩(wěn)定的狀態(tài)，因此選擇時刻30 s、60 s和120 s三個不同時刻，針對不同火源位置中煙氣的分布情況做分析對比。如圖4所示為30 s時不同火源位置煙氣分布圖的對比，由圖中可以看出火源發(fā)生位置的不同導(dǎo)致煙氣范圍的不同，其共同點(diǎn)是火源上風(fēng)向的范圍內(nèi)并無煙氣分布。該現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是其縱向通風(fēng)的風(fēng)速達(dá)到了2.0 m/s，由于受到縱向誘導(dǎo)風(fēng)的作用，煙氣的流動空間主要分布在火源的下風(fēng)向。

圖3 不同火源位置火災(zāi)發(fā)生30 s時煙氣分布圖

（三）火源位置對煙氣高度的影響

本節(jié)中，在不同火源位置情況下，對不同火源位置的煙氣高度進(jìn)行了數(shù)值模擬并進(jìn)行對比分析，通過5種不同火源位置火源上風(fēng)向50 m、下風(fēng)向50 m處及下風(fēng)向100 m處部分煙氣高度隨時間的變化曲線，可以得出，火源上風(fēng)向50 m處沒有煙氣存在，人員及車輛在這一位置非常安全。而在火源位置下風(fēng)向的50 m～100 m處時煙氣較為嚴(yán)重，其煙氣層高度在2 m高度附近。與下風(fēng)向50 m處相比，100 m處的煙氣高度略有下降，且擾動較小，煙氣層相對平穩(wěn)。

（四）火源位置對能見度的影響

火災(zāi)發(fā)生附近區(qū)域的能見度，對人員的疏散及救援人員的工作尤為重要。能見度過低會導(dǎo)致人員流動的混亂，在慌亂的過程中容易發(fā)生踩踏等二次傷害，混亂的人流也會對救援人員的救援效率造成影響。通過不同火源位置火災(zāi)發(fā)生30 s時可視距離分布可以看出，火災(zāi)的發(fā)生能夠?qū)梢暰嚯x產(chǎn)生的影響的范圍主要是在火源前后的10 m內(nèi)。距離火源超過10 m其可視距離基本不受火災(zāi)影響。

二、西藏林芝某特長公路隧道煙控方案優(yōu)化

（一）排煙閥間距離設(shè)計(jì)優(yōu)化

從行車道內(nèi)煙霧高度和其內(nèi)溫度兩個方面對不同閥間距離進(jìn)行效果的對比分析。在表2中列出了不同排煙閥距離下煙氣高度的平均值，可以看到當(dāng)排煙閥間距為25 m時，其在50 m和100 m處的平均高度相對較高。

表2 不同排煙閥間距煙氣平均高度表

表3中展示的是在距離火源50 m和100 m時在高度2 m高度時的平均溫度，根據(jù)整理的數(shù)據(jù)得知，間距在25 m時，平均溫度相對較高。

表3 不同排煙閥間距煙氣平均溫度表

平均溫度與煙氣高度二者的規(guī)律相同，通過這兩個參數(shù)的對比可以得出：排煙閥間距離為25 m時，排煙效果最佳。因此在建設(shè)成本相同的情況下，排煙閥間最佳距離為25 m時，其排煙效果較好，有利于受災(zāi)人員的疏散和救援人員的撲救工作。

（二）風(fēng)機(jī)數(shù)量設(shè)計(jì)優(yōu)化

將風(fēng)機(jī)數(shù)量設(shè)置為0個、1個、2個，對這三種不同的情況下的煙氣高度和平均溫度進(jìn)行記錄對比。在表4中可以看出無排煙風(fēng)機(jī)情況下50 m和100 m處煙氣的平均高度均比有風(fēng)機(jī)時小，這個現(xiàn)象說明排煙風(fēng)機(jī)與排煙系統(tǒng)的排煙效果密切相關(guān)。

表4 不同排煙風(fēng)機(jī)數(shù)量平均高度表

表5列出了不同排煙風(fēng)機(jī)數(shù)量平均溫度表，對比同距離下的溫度其規(guī)律與煙氣高度的規(guī)律一樣，可見風(fēng)機(jī)在排煙系統(tǒng)中有著重要作用。為了防止縱向誘導(dǎo)風(fēng)向的變化，在排煙閥所在區(qū)域兩端加裝排煙風(fēng)機(jī)，以達(dá)到無論風(fēng)向怎樣變化都可以對隧道內(nèi)的煙氣順利排出的作用。

表5 不同風(fēng)機(jī)數(shù)量平均溫度表

（三）排煙閥尺寸的設(shè)計(jì)優(yōu)化

本節(jié)討論排煙閥尺寸對排煙效果的影響，對不同排煙閥尺寸下進(jìn)行模擬計(jì)算。排煙閥的形狀為矩形，其尺寸分別設(shè)置為3 m2、6 m2、10 m2，對這三種不同的情況下的煙氣高度和平均溫度進(jìn)行記錄對比。在表6中可以看出排煙閥尺寸為6 m2時，煙氣層高度相對于排煙閥尺寸為3 m2、10 m2時，煙氣層的高度更高，更加有利于人員的安全疏散，對煙氣控制的效果明顯更好。

表6 不同排煙閥尺寸下的煙氣平均高度表

表7列出了不同排煙閥大小尺寸下的平均溫度表，對比同距離下的2 m高度處溫度，其規(guī)律與煙氣高度的規(guī)律一樣，可見排煙閥的大小尺寸對排煙效果有著較為重要的影響，排煙閥尺寸為6 m2時，隧道內(nèi)能見度相對于排煙閥尺寸為3 m2、10 m2時，能見度更高，對煙氣控制的效果明顯更好，更加有利于人員的安全疏散。

表7 不同排煙閥尺寸的平均溫度表

三、結(jié)語

以西藏林芝某特長公路隧道為原型自主建立坡度隧道煙氣計(jì)算模型，并對火源位置、誘導(dǎo)風(fēng)、排煙閥個數(shù)及間距、風(fēng)機(jī)數(shù)量、隧道坡度等對排煙效果的影響因素進(jìn)行模擬分析。通過對煙氣分布、煙氣層高度、特定點(diǎn)溫度、能見度等參數(shù)的監(jiān)測記錄，研究不同因素對公路隧道排煙效果的影響，從而增強(qiáng)對高海拔大坡度公路隧道的煙氣蔓延規(guī)律的認(rèn)識，進(jìn)而為西藏林芝某特長公路隧道防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供實(shí)際價值的改進(jìn)建議。