特長公路隧道互補與豎井送排組合通風(fēng)污染物分布規(guī)律

張雙茁

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引 言

在修建特長雙洞單向隧道的過程中，由于線路規(guī)劃、排水等工程要求，須設(shè)計一定的坡度。因坡度的存在，當(dāng)隧道上、下行車輛類別、負(fù)載量及交通量相同時，上、下行隧道內(nèi)車輛污染物排放量將存在顯著差異。通常表現(xiàn)為上坡隧道內(nèi)污染物累積速率大于下坡隧道污染物累計速率[1]。

針對雙洞隧道污染物濃度分布規(guī)律和特點，瑞士學(xué)者Berner和Day于1991年提出了一種雙向換氣的新型隧道通風(fēng)方法，借助橫通道引入下行隧道中較新鮮的空氣稀釋上坡隧道中的污染空氣，可遏制上坡隧道中污染物快速累積。目前國內(nèi)已有多條隧道采用互補式通風(fēng)[2-5]，近年來學(xué)者們對該互補式通風(fēng)開展了大量的研究。夏豐勇等[6]依托大別山隧道通風(fēng)實際工程，建立了互補式網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)的計算模型，編制了相關(guān)的計算程序，研究了交通量不同的情況下隧道運營通風(fēng)的3種模式。張京龍等[7]研究了互補橫通道角度對隧道通風(fēng)效果的影響，發(fā)現(xiàn)雙洞隧道通風(fēng)效果的主要影響因素為橫通道位置系數(shù)。樓慧元[8]基于非對稱風(fēng)量互補式通風(fēng)系統(tǒng)，通過數(shù)值模擬驗證了中長隧道中互補式通風(fēng)方法的可行性。陳潔等[9]依托實際工程，采用ANSYS有限元軟件分析了橫通道的數(shù)量及位置對隧道風(fēng)速的影響。王亞瓊等[10]依托實際工程和模型試驗對雙洞互補式通風(fēng)隧道進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在縱坡較大的長隧道中互補式通風(fēng)有很大的應(yīng)用價值。夏豐勇等[11]以國內(nèi)某隧道互補式通風(fēng)實際工程為依托，詳細(xì)推導(dǎo)了該通風(fēng)方式下?lián)Q氣系統(tǒng)位置以及換氣風(fēng)量大小，驗證了該通風(fēng)方式的經(jīng)濟(jì)性。

互補式通風(fēng)方法在特長隧道中應(yīng)用的研究較少，其單獨在特長隧道中使用往往無法滿足通風(fēng)要求，需要與豎井送排等其他通風(fēng)方法結(jié)合應(yīng)用[12-13]，如互補式與豎井送排式組合通風(fēng)。本文依托云南省昆明至宜良高速公路陽宗隧道通風(fēng)工程，推導(dǎo)互補式與豎井送排式組合通風(fēng)隧道洞內(nèi)污染物分布規(guī)律，并用數(shù)值分析軟件Fluent進(jìn)行三維仿真，可為類似單坡雙洞特長隧道工程通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計提供技術(shù)參考。

1 工程概況

陽宗隧道長約8 000 m，是一條雙洞大斷面三車道隧道，位于云南省東南部，昆明至宜良高速公路中的1個特長隧道。隧道采用分離式結(jié)構(gòu)，近期下行隧道的設(shè)計需風(fēng)量最大值為663.83 m3·s-1，上行隧道為881.6 m3·s-1；遠(yuǎn)期下行隧道的設(shè)計需風(fēng)量最大值為1 005.9 m3·s-1，上行隧道為1 750.49 m3·s-1。

2 組合式通風(fēng)方法基本理論

2.1 組合式通風(fēng)方法簡介

考慮排放污染空氣的過程，普通豎井送排式隧道上行的最后一個區(qū)段污染物空氣與下行前半段的較新鮮空氣差距相當(dāng)大，滿足雙洞互補理念的應(yīng)用條件，因此可以在采用互補式通風(fēng)方法優(yōu)化豎井送排式通風(fēng)的工作效果。即應(yīng)用雙洞互補理念，與單豎井送排式縱向通風(fēng)隧道中某位置設(shè)置互補通道，調(diào)節(jié)上下行污染物濃度分布，從而構(gòu)建的新型通風(fēng)方案稱為“互補式與豎井送排式組合通風(fēng)方案”或簡稱為“組合式通風(fēng)方案”， 雙洞互補式與豎井送排式組合縱向通風(fēng)方案工作原理如圖1所示。

圖1 雙洞互補式與豎井送排式組合縱向通風(fēng)方案工作原理

其風(fēng)流組織原理為：上行隧道中設(shè)立于豎井之后的互補通道污染空氣分流并稀釋，一部分高污染空氣流入下行隧道中與較新鮮空氣混合、逆向流動，在此過程中污染物再次積累到接近濃度上限，然后借助中央豎井送排風(fēng)稀釋，流向下行隧道出口；上行隧道中的另一部分高污染空氣則被從下行隧道引入的較新鮮空氣稀釋，繼續(xù)沿隧道向上行隧道的出口流動。借由下行隧道空氣稀釋上行隧道空氣的這一過程，采用中央豎井送排通風(fēng)的上行隧道中呈現(xiàn)“雙峰”式分布的污染物濃度曲線變?yōu)榭v向均勻化的“三峰”式分布(類似雙豎井送排式通風(fēng)隧道)，如圖2所示。

圖2 互補式與豎井送排式組合式通風(fēng)方案的理想污染物濃度曲線

2.2 計算模型與基本假設(shè)

在組合式通風(fēng)隧道中，上下行隧道于互補通道處相互連接。通風(fēng)系統(tǒng)的各個工作部分將隧道分為10個通風(fēng)區(qū)段，包括隧道出入口、豎井送排風(fēng)區(qū)域、互補式換氣區(qū)域三者之間的6個主要通風(fēng)區(qū)段，和豎井送風(fēng)排風(fēng)口之間與互補式互補通道之間的4個次要通風(fēng)區(qū)段。對于如此復(fù)雜的流體力學(xué)問題，直接進(jìn)行理論推導(dǎo)分析其一般規(guī)律較為困難，所以一定程度的簡化是十分必要的。考慮到隧道工程的一些基本特性，除去CFD軟件一般采用的基本假定外，為簡化計算做以下假設(shè)：

(1)污染物沿隧道長度方向線性積累。

(2)隧道縱向風(fēng)速相等，豎井送排風(fēng)量相等。

(3)忽略短道中的污染物積累速率增加。

(4)上下行隧道出入口斷面共面。

簡化后的風(fēng)流網(wǎng)絡(luò)模型如圖3所示。

圖3 組合式通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型

2.3 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)估算

設(shè)隧道長度為L，豎井的縱向位置為Lsh(Shaft)，互補通道的縱向位置為Lex(Exchange Passage)。右線上行隧道需風(fēng)量為Qreq-R，左線下行隧道需風(fēng)量為Qreq-L，上下行隧道的通風(fēng)負(fù)荷比為γ。互補通道的換氣風(fēng)量大小為Qex，豎井送風(fēng)、排風(fēng)的風(fēng)量大小為Qsh，隧道通風(fēng)量為Q。設(shè)上下行隧道在設(shè)計風(fēng)速下污染物的積累速率(濃度分布曲線的斜率)分別為KR、KL。記豎井送排新鮮空氣流量與隧道內(nèi)空氣流量的比為α，流經(jīng)互補通道的空氣流量與隧道內(nèi)空氣流量的比為β?；?.2小節(jié)中的基本假設(shè)的數(shù)學(xué)模型與圖2中的污染物分布規(guī)律，分析通風(fēng)系統(tǒng)最優(yōu)工況的設(shè)計參數(shù)。

當(dāng)上行隧道中豎井與互補通道的參數(shù)搭配效果較好時，上行隧道中污染物經(jīng)2次降低得到的3個峰值濃度接近相等，通風(fēng)系統(tǒng)在上行隧道中的效果最優(yōu)。計算3處峰值的表達(dá)式，令其兩兩相等，則有：

LshkL=(Lex-αLsh)kL

(1)

LshkL=[(L-αLsh)-β(Lex-αLsh)]kL+

β(L-Lex)kR

(2)

為避免換入下行隧道過多的污染空氣使其濃度反超上行，取上行隧道排入下行中的污染風(fēng)量小于繼續(xù)流向上行隧道出口的風(fēng)量，且污染空氣在下行隧道中繼續(xù)流經(jīng)的距離不超過上行，即：

顯然，當(dāng)以上兩式取等號時，互補通道的調(diào)節(jié)效果較好，即：β= 0.5、Lex= 0.5(L-Lsh)。此時互補通道位于豎井與隧道出口的中間，且正好將一半污染空氣分流，可以保證上行隧道出口處的濃度高于下行隧道豎井前的污染物濃度。

則式(1)、(2)可化簡為：

整理得到互補與豎井送排組合通風(fēng)隧道中，豎井送排風(fēng)量Qsh、換氣風(fēng)量Qex、豎井位置Lsh、互補通道位置Lex的估算公式：

(9)

式中：L為隧道長度(m)；V為隧道設(shè)計風(fēng)速(m·s-1)；S為隧道凈空面積大小(m2)；γ為上下行隧道通風(fēng)負(fù)荷的比。

將依托工程的具體工況：隧道長度8 000 m，上下行需風(fēng)量分別為1 750.49 m3·s-1、1 005.9 m3·s-1(γ= 1.740 2)；設(shè)計凈空面積為100.13 m2，風(fēng)速為7.8 m·s-1(即隧道風(fēng)量為781.014 m3·s-1時)代入上述公式中求解，計算得：

經(jīng)上述理論推導(dǎo)得到，對于陽宗隧道，當(dāng)隧道設(shè)計風(fēng)速為7.8 m·s-1時，組合式通風(fēng)系統(tǒng)在一定的參數(shù)組合下可使上行隧道污染物濃度峰值相等，且高于下行隧道中的污染物濃度峰值，通風(fēng)系統(tǒng)的工作效果能夠達(dá)到理想化。

3 組合式通風(fēng)方法數(shù)值分析

為分析組合式通風(fēng)方法的效果，采用計算流體力學(xué)軟件Fluent建立隧道空氣流體模型，利用UDS模擬隧道中污染物的積累與排放過程。計算湍流模型，輸出特征斷面的污染物濃度值，并據(jù)其驗證前文中的計算分析結(jié)果。

3.1 模型概況

如圖4所示，數(shù)值分析采用的縮尺模型全長為900 m，設(shè)置有豎井送排風(fēng)口、互補式互補通道送排風(fēng)口。其中設(shè)置包含阻力格柵的縮尺區(qū)段以模擬原長度為8 km的隧道。

圖4 Fluent模型幾何參數(shù)

3.2 邊界條件設(shè)置

Fluent模型中，主要使用的邊界條件包括：壁面邊界、壓力入口邊界、壓力出口邊界、流速入口邊界、壓力階躍內(nèi)部邊界、多孔介質(zhì)區(qū)域內(nèi)部邊界(多孔格柵)和內(nèi)部連接面邊界等。各種邊界條件于隧道模型中的主要設(shè)置位置如圖5所示，圖中虛線標(biāo)識了不同類型的邊界條件。

圖5 Fluent模型邊界條件設(shè)置

考慮工程縱斷面高程限制以及火災(zāi)工況排風(fēng)等因素的影響，將豎井的位置固定設(shè)置于隧道的正中央4 000 m處。為了分析通風(fēng)風(fēng)量、風(fēng)速相同而互補通道位置不同對污染物濃度分布特性的影響，將其設(shè)置于1 000 m、2 000 m、3 000 m 、5 000 m、5 500 m、6 000 m、6 500 m、7 000 m等8個不同位置組合，隧道工況的6個縮尺區(qū)段的長度見表1。

表1 Fluent模型縮尺區(qū)段長度

如圖5所示，采用阻力格柵面替代主要隧道區(qū)段中的沿程阻力損失，來模擬不同長度的隧道區(qū)段。阻力格柵的參數(shù)由試算獲得，對應(yīng)表1中的不同隧道長度，采用試算法得到的格柵參數(shù)見2。

表2 阻力格柵邊界條件阻力參數(shù)

4 計算結(jié)果分析

依據(jù)理論分析的估算結(jié)果，采用試算的方式確定通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)流參數(shù)。經(jīng)試算，互補換氣風(fēng)量Qsh=Qex= 400 m3·s-1、射流風(fēng)機(jī)縱向增壓量為375 Pa時的隧道風(fēng)速分布規(guī)律如圖6所示。此時的模型中隧道內(nèi)的縱向風(fēng)速為7.81 m·s-1，接近設(shè)計風(fēng)速。因此，后續(xù)計算中取豎井送排風(fēng)量為400 m3·s-1、換氣風(fēng)量為400 m3·s-1、射流風(fēng)機(jī)縱向增壓為375 Pa。

圖6 隧道z向速度分布云圖

為確定污染物濃度分布曲線與互補通道位置之間的關(guān)系，建立互補通道位置不同，而其余參數(shù)相同的數(shù)值分析模型，分析互補通道位置與污染物濃度分布特性之間的關(guān)系。當(dāng)豎井位置為4 000 m、豎井風(fēng)量為400 m3·s-1、換氣風(fēng)量為400 m3·s-1、射流風(fēng)機(jī)縱向增壓為375 Pa(每個壓力階躍面增壓為125 Pa)時，互補通道分別在1 000、2 000、3 000、5 000、5 500、6 000、6 500、7 000 m處時的組合式通風(fēng)系統(tǒng)污染物分布模型，計算并提取結(jié)果，其污染物濃度曲線見圖7～9。

顯然，前3種工況中，互補通道未起到均衡兩洞污染物濃度的效果。即互補通道設(shè)置于豎井之后的通風(fēng)效果更好，且當(dāng)互補通道設(shè)置于6 000 m、6 500 m時，隧道污染物濃度接近規(guī)范要求，上下行濃度峰值接近相等，與前文中理論分析結(jié)果具有很好的一致性。

提取互補通道位置為6 000 m處模型近壁單元的污染物濃度云圖，并放大其豎井和互補通道部分如圖10所示，上下行隧道各個內(nèi)部連接面處的污染物濃度如圖11所示。

由圖11可見，該工況下互補通道處對上行隧道中高污染空氣的分流、稀釋效果明顯。隧道兩側(cè)入口和豎井送風(fēng)口處送入的是污染物濃度為0的新鮮風(fēng)；污染物濃度沿隧道長度方向逐漸積累增加，最終成為高污染空氣，高污染空氣出現(xiàn)在下行隧道的出口和上行隧道3個通風(fēng)區(qū)段的最后這4處位置。隧道中的最大濃度值為0.006 3 m-1，出現(xiàn)在上行隧道出口處，滿足規(guī)范要求(不超過0.006 5 m-1)。

圖7 互補通道位于豎井前工況污染物濃度曲線

圖8 互補通道位于豎井后工況污染物濃度曲線

圖9 上下行隧道污染物濃度極值與互補通道位置關(guān)系

圖10 隧道污染物濃度分布云圖

圖11 上下行隧道污染物濃度分布曲線對比

5 結(jié) 語

(1)組合式通風(fēng)方案具有良好的通風(fēng)效果，能顯著降低以往控制著整條隧道通風(fēng)設(shè)計的上行出口污染物峰值，且能夠優(yōu)化2條隧道的污染物分布，上行隧道中的污染物濃度值呈“三峰”形分布，下行隧道則大約呈“幾”字形分布。

(2)組合式通風(fēng)方案具有良好的經(jīng)濟(jì)效果，改善了以往單豎井通風(fēng)方案上下行隧道之間污染物積累相互獨立、一側(cè)不足而另一側(cè)冗余的狀況，最大限度地發(fā)揮利用了下行隧道通風(fēng)能力，相比雙豎井通風(fēng)方案將顯著降低初期建設(shè)投資和后期運營成本。

(3)組合式通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)中，互補通道位置對隧道污染物濃度極值影響極大；對于陽宗隧道，組合式通風(fēng)系統(tǒng)豎井風(fēng)量為400 m3·s-1、換氣風(fēng)量大于400 m3·s-1、射流風(fēng)機(jī)增壓為375 Pa時，互補通道位置在6 000 ～6 500 m之間的通風(fēng)效果較為理想。