某沉管隧道洞口減光建筑通風(fēng)特性分析

杜江梅

(云南省交通投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，昆明 650200)

由于沉管隧道具有不影響航運(yùn)、天氣適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，已逐步成為跨越大面積水域的首選方案。沉管隧道一般暗埋里程較長(zhǎng)，車輛通過隧道出入口時(shí)，駕駛?cè)藭?huì)經(jīng)歷明暗交替變化的視覺沖擊[1]，極易產(chǎn)生“眩暈”與“瞬盲”，行車安全隱患較大[2]。針對(duì)這一問題，國(guó)內(nèi)外較為普遍的做法是設(shè)置洞口減光建筑[3]。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)減光建筑的研究主要圍繞遮光棚亮度、材料折光率、駕駛?cè)诉m應(yīng)性等方面[4-6]。但隧道洞口減光建筑的設(shè)計(jì)除要滿足視覺適應(yīng)需求外，還應(yīng)兼顧隧道通風(fēng)效果。由于沉管隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不同行車方向的進(jìn)、出口間距很小，出口方向排出的氣體污染物極易被相鄰進(jìn)口吸入造成“二次污染”，因此，對(duì)其通風(fēng)特性的研究極為必要。而目前有關(guān)隧道洞口減光建筑通風(fēng)特性的研究多集中于通風(fēng)型式的定性分析，缺少對(duì)通風(fēng)特性及污染物竄流規(guī)律的定量計(jì)算。湯召志[7]采用數(shù)值模擬方法，分析了減光建筑隔墻長(zhǎng)度和頂棚鏤空面積對(duì)隧道進(jìn)、出口污染空氣竄流形式的影響。楊秀軍等[8]采用數(shù)值模擬手段對(duì)沉管隧道洞口減光建筑不同形式下的污染物竄流量進(jìn)行了計(jì)算。彭余華等[9]運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型，得到了毗鄰隧道洞口減光建筑污染物擴(kuò)散規(guī)律。傅向祥[10]采用CFD方法分析了不同通風(fēng)開口方案的隧間減光建筑通風(fēng)特性，得到了其通風(fēng)開口高度的最優(yōu)設(shè)計(jì)值。綜上所述，現(xiàn)有減光建筑通風(fēng)特性的研究對(duì)象主要是普通公路隧道，針對(duì)洞口相鄰、淺埋的沉管隧道，其洞口減光建筑通風(fēng)特性的適用性缺乏實(shí)驗(yàn)室相似模型對(duì)比驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果存在不確定性。

為此，本文針對(duì)沉管隧道出口特點(diǎn)，制定減光建筑設(shè)計(jì)方案，建立SST-組分運(yùn)輸模型，通過室內(nèi)相似試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，并以某海底沉管隧道為研究對(duì)象，定量分析了大斷面沉管隧道洞口減光建筑不同設(shè)計(jì)方案對(duì)其通風(fēng)效果的影響，得到減光建筑通風(fēng)特性及污染物竄流規(guī)律，以期供類似沉管隧道洞口減光建筑設(shè)計(jì)參考。

1 減光建筑設(shè)計(jì)

常用隧道洞口減光建筑形式主要有遮光棚和遮陽(yáng)棚2種[11]。其中遮陽(yáng)棚因其頂部封閉，遮陽(yáng)效果好、可適應(yīng)多種復(fù)雜天氣環(huán)境，非常適合沉管隧道。但由于全封閉的環(huán)境對(duì)隧道的通風(fēng)設(shè)計(jì)影響較大，因此在減光建筑設(shè)計(jì)過程中需考慮洞口通風(fēng)特性。

減光建筑結(jié)構(gòu)可分為鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)2種。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)減光建筑耐久性強(qiáng)、運(yùn)營(yíng)成本低，但對(duì)洞口亮度調(diào)節(jié)能力較差。鋼結(jié)構(gòu)減光建筑施工方便、通用性強(qiáng)，但運(yùn)營(yíng)期間維護(hù)成本高。結(jié)合沉管隧道出口暗埋的特點(diǎn)，其洞口減光建筑設(shè)計(jì)采用“鋼筋混凝土-鋼結(jié)構(gòu)”組合模式。底層采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與隧道洞口連成一體，便于維護(hù)；上層部分采用鋼結(jié)構(gòu)形式，充分發(fā)揮其鏤空特點(diǎn)，增強(qiáng)隧道的通風(fēng)性能，且在緊急情況方便逃生、救援。

隧道洞口減光建筑設(shè)計(jì)長(zhǎng)度S可依據(jù)以下公式計(jì)算[12]：

(1)

式中：D為隧道進(jìn)出口照明過渡段長(zhǎng)度，m，可根據(jù)國(guó)內(nèi)公路隧道照明標(biāo)準(zhǔn)取值；V為隧道設(shè)計(jì)速度，km/h；T為視覺適應(yīng)時(shí)間，根據(jù)該海底隧道最不利情況洞內(nèi)外照度差69 000 lx，取值為17 s[13]。由此，計(jì)算可得不同設(shè)計(jì)速度時(shí)隧道洞口減光建筑設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，如表1所示。

表1 隧道洞口減光建筑長(zhǎng)度合理設(shè)計(jì)參數(shù)

本文以某海底沉管隧道洞口遮陽(yáng)棚減光建筑通風(fēng)設(shè)計(jì)為依托，該隧道洞口為雙向12車道，斷面為矩形，設(shè)計(jì)減光建筑凈高7.85 m～10.66 m，凈寬57 m，坡度2.3°。沉管隧道設(shè)計(jì)速度100 km/h，對(duì)照表1可知，其洞口減光建筑設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為56 m～84 m。減光建筑頂棚采用藍(lán)色有機(jī)玻璃遮陽(yáng)棚，以便隧道洞口亮度可控；中間設(shè)置隔墻；兩邊邊墻鏤空，由于下部邊墻與隧道相連，仍處于暗埋段，因此鏤空只能設(shè)計(jì)在邊墻上部。其三維設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 某海底沉管隧道洞口減光建筑三維設(shè)計(jì)

根據(jù)該海底沉管隧道工程實(shí)際情況，分析減光建筑3個(gè)主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其通風(fēng)特性及污染物竄流規(guī)律的影響。具體設(shè)計(jì)如下：1) 隔墻長(zhǎng)度分別為0 m、14 m、28 m、42 m、56 m；2) 減光建筑長(zhǎng)度分別為56 m、63 m、70 m、77 m、84 m；3) 邊墻鏤空面積分別為0 m2、30 m2、40 m2、50 m2、60 m2。共15種設(shè)計(jì)工況。

根據(jù)實(shí)測(cè)隧道洞內(nèi)車輛通行條件下全年風(fēng)速平均值，擬定右線進(jìn)口風(fēng)速為7.0 m/s，左線出口為4.7 m/s。隧道洞口污染物竄流的計(jì)算區(qū)域?yàn)闇p光建筑外30 m×139 m×80 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)初步勘測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算區(qū)域是大氣環(huán)境，靜壓力為101.325 kPa。全年大多數(shù)情況，洞外自然風(fēng)速為0.1 m/s～0.5 m/s。隧道內(nèi)全年平均溫度為27 ℃，空氣密度為1.165 kg/m3，動(dòng)力粘度為1.845×10-5Pa·s，重力加速度為9.8 m/s2，比熱容為1 005 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.025 6 W/(m·K)，壁面粗糙度為0.022。隧道出口污染物包括CO、氮氧化物、SO2及PM 2.5等。由于CO濃度的測(cè)量比其他污染物更準(zhǔn)確，且各污染物分布大致相同，因此CO的濃度分布即可代表污染氣流的分布，故本文選擇CO作為代表，對(duì)污染物分布特性進(jìn)行分析?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)定出口污風(fēng)中CO濃度為20 cm3/m3，進(jìn)口及大氣為新鮮風(fēng)。

2 風(fēng)流分析模型

由于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型計(jì)算量適中，且已有較多試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，其在通風(fēng)特性計(jì)算中應(yīng)用廣泛[14]。但標(biāo)準(zhǔn)k-ε有2個(gè)不足：1) 耗散低、特征長(zhǎng)度大，導(dǎo)致壓力梯度流中的剪切應(yīng)力計(jì)算偏大；2) 需要使用低雷諾數(shù)阻尼函數(shù)進(jìn)行近壁面修正。近年來，各種風(fēng)洞試驗(yàn)表明，與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型相比，SST模型更適于研究空氣邊界層中的流動(dòng)[15]。

SST模型是一個(gè)兩方程模型，結(jié)合了內(nèi)邊界層模型和邊界層外區(qū)域模型。在邊界層內(nèi)部通過公式使模型適用范圍從粘性層擴(kuò)展到近壁面，因此SST模型可精確計(jì)算遠(yuǎn)離壁面充分發(fā)展的低雷諾數(shù)湍流，如隧道通風(fēng)。SST模型通過聯(lián)合近壁區(qū)域k-ω模型和自由剪切層的改進(jìn)k-ε模型進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)步驟為：1) 將原始k-ω模型乘以混合函數(shù)F1；2) 轉(zhuǎn)換后的k-ε模型乘以(1-F1)；3) 將兩者相加。模型之間的切換調(diào)用由混合函數(shù)F1控制，其在近壁區(qū)為1(k-ω模型)，在自由剪切層則向0趨近(k-ε模型)，從而實(shí)現(xiàn)近壁區(qū)域k-ω模型到自由剪切層k-ε模型之間的過渡。此外，考慮到湍流剪應(yīng)力傳輸效應(yīng)在逆壓流動(dòng)計(jì)算中的重要性，引入了渦粘性修正。SST模型表達(dá)形式如下：

(2)

(3)

φ=F1φ1+(1-F1)φ2

(4)

本例混合氣體中的各組分之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此可采用多組分運(yùn)輸模型，其組分輸運(yùn)方程為：

(5)

式中：mj為第j種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，所有廢氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和為1；Smj是單位容積內(nèi)組分j的生成率，假設(shè)無(wú)其他新污染源，則其值為0。本文以CO氣體代表污染物，與空氣混合進(jìn)行計(jì)算，隧道內(nèi)各氣體組分的基本參數(shù)如表2所示。

表2 減光建筑內(nèi)各氣體參數(shù)

此外，隧道洞口減光建筑內(nèi)的氣流流通和污染物擴(kuò)散還受質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程的控制。本文采用有限體積法對(duì)上述方程組聯(lián)立求解。

3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證SST模型的可靠性，進(jìn)行了不同工況下隧道污染物竄流規(guī)律相似模擬試驗(yàn)研究，試驗(yàn)裝置如圖2所示。以Froude準(zhǔn)則為依據(jù)，參考國(guó)內(nèi)外學(xué)者建立的相似模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，以前述某海底隧道工程實(shí)例為原型，在室內(nèi)搭建了1/20 減光建筑模型，進(jìn)行通風(fēng)特性試驗(yàn)分析。減光建筑模型高0.39 m～0.53 m，寬2.85 m，長(zhǎng)3.5 m，坡度2.3°。單個(gè)隧道模型的寬度為1.4 m，遠(yuǎn)大于美國(guó)消防協(xié)會(huì)得到的模型試驗(yàn)最小尺度0.3 m[16]，氣流可充分發(fā)展，保證了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)共設(shè)置不同進(jìn)口風(fēng)速、洞外風(fēng)速、隔墻長(zhǎng)度的12組工況，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。模型選用材質(zhì)與實(shí)際設(shè)計(jì)相同，通過風(fēng)機(jī)將按比例混合好的風(fēng)流從隧道出口送出，同時(shí)在隧道進(jìn)口勻速吸入。利用傳感器實(shí)時(shí)采集風(fēng)速及CO濃度。待風(fēng)速及濃度穩(wěn)定后，記錄風(fēng)速及CO濃度值，并計(jì)算出CO竄流率λ，計(jì)算公式如下：

(6)

式中：Qin為進(jìn)口竄入的CO量；Qout為出口排出的CO量。

圖2 試驗(yàn)裝置

采用SST-組分運(yùn)輸模型對(duì)各試驗(yàn)工況進(jìn)行計(jì)算，同樣得到CO竄流率λ的值。模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如表3所示。從表3數(shù)據(jù)可以看出，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值的最大偏差為5.2%，屬于±6%的允許誤差范圍，表明本文采用的數(shù)學(xué)模型合理，使用該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí)際工況隧道通風(fēng)特性分析準(zhǔn)確、可靠。

4 結(jié)果分析

以該海底沉管隧道為例，為定量分析減光建筑設(shè)計(jì)形式對(duì)其通風(fēng)特性及污染物竄流規(guī)律的影響，采用SST-組分運(yùn)輸模型對(duì)隧道出口減光建筑風(fēng)流情況進(jìn)行計(jì)算，并導(dǎo)出各計(jì)算工況中距該海底沉管隧道洞口35 m(縱向Z=-35 m)截面處，離地高度分別為1.5 m、4.5 m、7.5 m處的CO濃度值。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 中間隔墻對(duì)風(fēng)流的影響

不同隔墻長(zhǎng)度減光建筑距該海底沉管隧道洞口35 m(縱向Z=-35 m)截面不同高度處的CO濃度如圖3所示。隧道洞口橫向距離0 m～30 m為隧道出口側(cè)，風(fēng)流中CO濃度為20×10-6cm3/m3，隧道洞口橫向距離0 m～-30 m為隧道進(jìn)口側(cè)。由圖3可以看出，隧道出口的污染物會(huì)對(duì)進(jìn)口的洞內(nèi)環(huán)境造成污染。提取隧道進(jìn)口側(cè)不同位置的CO濃度，如表4所示。設(shè)置隔墻后，隧道進(jìn)口中部及頂部的CO濃度顯著降低，分布范圍也明顯減小，中間幾乎沒有污染物。這主要是由于減光建筑無(wú)中間隔墻時(shí)，負(fù)壓區(qū)僅集中在隧道出口附近，導(dǎo)致減光建筑外的新鮮空氣無(wú)法吸入。設(shè)有中間隔墻時(shí)，隔墻兩側(cè)形成了均勻的負(fù)壓帶，可保證進(jìn)口有效吸入減光建筑外的新鮮空氣，從而減少對(duì)出口污風(fēng)的吸入。

(a) 底部Y=1.5 m

(b) 中部Y=4.5 m

(c) 頂部Y=7.5 m

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)隧道洞口減光建筑污染物擴(kuò)散特征，以該海底沉管隧道為例，采用竄流率對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行定量分析，如圖4所示。結(jié)果表明，中間隔墻設(shè)計(jì)長(zhǎng)度低于28 m時(shí)，污染物竄流率保持在66.5%以上。當(dāng)隔墻設(shè)計(jì)長(zhǎng)度分別為42 m、56 m時(shí)，污染物竄流率分別降低至43.1%、17.7%。由圖4可見，設(shè)置隔墻對(duì)于改善隧道進(jìn)口側(cè)的空氣環(huán)境有很大幫助，且長(zhǎng)度應(yīng)盡可能長(zhǎng)。

4.2 減光建筑長(zhǎng)度對(duì)風(fēng)流的影響

不同長(zhǎng)度減光建筑距該海底沉管隧道洞口35 m

圖4 不同隔墻長(zhǎng)度減光建筑污染物竄流率

(縱向Z=-35 m)截面不同高度處的CO濃度如圖5所示。在減光建筑底部水平截面上，隧道進(jìn)口CO濃度在左側(cè)、中間、右側(cè)達(dá)到峰值，而在中部、頂部水平截面上則呈兩側(cè)高、中間低的分布特征。隧道進(jìn)口不同位置的CO分布情況如表4所示。從表4可知，減光建筑長(zhǎng)度變化對(duì)隧道進(jìn)口污染物分布影響不大。

采用竄流率針對(duì)不同長(zhǎng)度減光建筑對(duì)進(jìn)出口污染物的影響結(jié)果進(jìn)行定量分析，如圖6所示。結(jié)果表明，減光建筑長(zhǎng)度為56 m、63 m、70 m、77 m、84 m時(shí)，污染物竄流率分別為17.7%、17.9%、18.2%、18.3%、18.5%。由此可進(jìn)一步驗(yàn)證上述結(jié)論，即設(shè)計(jì)速度100 km/h的矩形大斷面隧道洞口減光建筑長(zhǎng)度變化對(duì)隧道相鄰進(jìn)口污染物竄流影響不大；對(duì)隧道整體通風(fēng)效果進(jìn)行分析，減光建筑長(zhǎng)度較小時(shí)，進(jìn)口風(fēng)速較快，形成明顯的剪切效應(yīng)，出口風(fēng)流更容易進(jìn)入進(jìn)口，對(duì)其造成污染。而減光建筑長(zhǎng)度較大時(shí)，風(fēng)流沿程損失增加，須在進(jìn)口增加通風(fēng)設(shè)備以保證風(fēng)量，導(dǎo)致通風(fēng)效率低。為了減少污染物竄流產(chǎn)生的二次污染，同時(shí)減少不必要的壓力損失，實(shí)際工況下隧道洞口減光建筑長(zhǎng)度最優(yōu)值建議取長(zhǎng)度設(shè)計(jì)值范圍的中值。

表4 右線進(jìn)口污染物分布情況

(a) 底部Y=1.5 m

(b) 中部Y=4.5 m

(c) 頂部Y=7.5 m

圖6 不同長(zhǎng)度減光建筑污染物竄流率

4.3 邊墻鏤空對(duì)風(fēng)流的影響

不同邊墻鏤空面積減光建筑距該海底沉管隧道洞口35 m(縱向Z=-35 m)截面不同高度處的CO濃度如圖7所示。隧道進(jìn)口不同位置的CO分布情況如表4所示。由圖7可見，減光建筑邊墻鏤空可顯著降低隧道進(jìn)口底部、中部及頂部左側(cè)的CO濃度，從而有效改善進(jìn)口污染情況。這主要是由于減光建筑進(jìn)口側(cè)邊墻鏤空后，外部新鮮風(fēng)流大量流入進(jìn)口，從而減少了對(duì)相鄰出口污風(fēng)的吸入。此外，減光建筑邊墻鏤空后，出口、進(jìn)口風(fēng)流通道增加，風(fēng)流易于流通，隧道洞口負(fù)壓較小，整個(gè)減光建筑的壓損較小，通風(fēng)效率高。

(a) 底部Y=1.5 m

(b) 中部Y=4.5 m

(c) 頂部Y=7.5 m

采用竄流率針對(duì)不同邊墻鏤空面積減光建筑對(duì)污染物的影響結(jié)果進(jìn)行定量分析，如圖8所示。結(jié)果表明，相較于70 m長(zhǎng)度減光建筑邊墻不鏤空時(shí)，邊墻鏤空可將污染物竄流率從18.2%降至12.5%，且隨著邊墻鏤空面積增加，污染物竄流率線性降低。對(duì)于其他長(zhǎng)度減光建筑的計(jì)算結(jié)果也與此相同。綜上所述，在減光建筑兩側(cè)邊墻進(jìn)行鏤空，可有效減少污染物竄流產(chǎn)生的二次污染，同時(shí)降低風(fēng)流壓損，提高通風(fēng)效率。

圖8 不同邊墻鏤空面積減光建筑污染物竄流率

5 結(jié)論

1) 在減光建筑中間設(shè)置隔墻，可在其兩側(cè)形成均勻負(fù)壓帶，保證其進(jìn)口側(cè)有效吸入減光建筑外的新鮮空氣，從而有效降低污染物竄流率。

2) 減光建筑長(zhǎng)度較小時(shí)，出口風(fēng)流更易進(jìn)入進(jìn)口，對(duì)其造成污染。而減光建筑長(zhǎng)度較大時(shí)，風(fēng)流沿程損失增加，導(dǎo)致通風(fēng)效率低。綜合考慮，減光建筑長(zhǎng)度最優(yōu)值建議取長(zhǎng)度設(shè)計(jì)值范圍的中值。

3) 隨著邊墻鏤空面積增加，污染物竄流率線性降低。減光建筑兩側(cè)邊墻鏤空可有效減少污染物竄流產(chǎn)生的二次污染，同時(shí)降低風(fēng)流壓損，提高通風(fēng)效率。