特長公路隧道全射流火災(zāi)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算研究*

李 杰，嚴(yán)曉楠，葉緒謙，曾艷華，付孝康

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,四川 成都 610031； 2.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實驗室，四川 成都 610031;3.山西靜興高速公路有限公司，山西 呂梁 033500)

0 引言

公路隧道發(fā)生火災(zāi)時煙氣對人員生命安全造成很大危害[1-2]，縱向通風(fēng)[3-4]是公路隧道常用且簡單高效的控制煙氣通風(fēng)方式。開啟聯(lián)絡(luò)通道的隧道通風(fēng)系統(tǒng)可形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)[5]，可采用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)理論進(jìn)行火災(zāi)通風(fēng)設(shè)計[6-8]。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)最早在礦井通風(fēng)中使用，是礦井生產(chǎn)管理工作的基礎(chǔ)要件[9-10]，經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算方法被成功地應(yīng)用到隧道通風(fēng)中。

曾艷華等[11]依托二郎山和中梁山隧道工程，運(yùn)用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算的斯考德-恒斯雷算法和風(fēng)量調(diào)節(jié)通路計算法，對隧道進(jìn)行按需分風(fēng)；胡金平等[12]討論公路隧道通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中交通風(fēng)的計算原理及處理方法，編制交通通風(fēng)力程序塊；仇玉良[13]建立公路隧道送排風(fēng)口的壓力計算網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型，主要對送風(fēng)口高速噴射氣流的升壓力網(wǎng)絡(luò)仿真問題進(jìn)行研究；寧軍[14]對海底隧道半橫向通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自然分風(fēng)解算和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)節(jié)分析，給出主隧道各支路的需風(fēng)量限值要求，該程序尚不能對隧道火災(zāi)時期通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行較好的解算。在隧道坡度對火災(zāi)影響的研究方面，文獻(xiàn)[6]采用模擬和實驗方法研究坡度對傾斜隧道臨界速度的影響，發(fā)現(xiàn)臨界風(fēng)速中坡度修正系數(shù)與坡度呈線性關(guān)系，而國內(nèi)大多數(shù)研究也集中于隧道坡度對臨界風(fēng)速的影響方面，并未研究隧道坡度對火風(fēng)壓的影響規(guī)律。在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)測試方面，Król等[15]對波蘭南部1條公路隧道進(jìn)行2個橫截面正向和反向氣流風(fēng)速測量，研究自然風(fēng)的方向?qū)λ淼琅R界風(fēng)速的影響；劉成偉等[16]對終南山公路隧道內(nèi)自然風(fēng)速、交通活塞風(fēng)速進(jìn)行測量收集，得出終南山隧道自然風(fēng)速出現(xiàn)的時間段以及交通量高峰時間段對隧道內(nèi)風(fēng)速值的影響規(guī)律。

通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的研究大多集中在運(yùn)營通風(fēng)中，考慮到火風(fēng)壓作用下隧道內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)的復(fù)雜性，火災(zāi)時的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)亟待研究。而在現(xiàn)場測試方面，鮮有風(fēng)機(jī)效率測試及通風(fēng)測試研究。綜上所述，本文以銅鑼山隧道為例進(jìn)行射流風(fēng)機(jī)效率測試和現(xiàn)場通風(fēng)測試，建立隧道火災(zāi)全射流通風(fēng)排煙網(wǎng)絡(luò)解算數(shù)學(xué)模型，展開基于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算模型的火災(zāi)風(fēng)流分配規(guī)律研究。

1 網(wǎng)絡(luò)解算模型

1.1 基本定律

煙氣在網(wǎng)絡(luò)中流動，滿足質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和阻力定律。

1)質(zhì)量守恒定律

在單位時間內(nèi)，任一節(jié)點(diǎn)流入和流出空氣質(zhì)量的代數(shù)和為零，如式(1)所示：

(1)

式中：Mij為第i個節(jié)點(diǎn)上的第j條風(fēng)路中的煙氣質(zhì)量流量，kg/s；m為通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)；n為通風(fēng)網(wǎng)中的邊數(shù)。

2)風(fēng)壓平衡定律

任何閉合回路上所發(fā)生的煙氣能量轉(zhuǎn)換的代數(shù)和為零，如式(2)所示：

(2)

式中：hij為各分支阻力，Pa；HFij為軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，Pa；pmi為自然通風(fēng)力，Pa；pJij為射流風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，Pa；pTij為交通通風(fēng)力，Pa；pFij為火災(zāi)通風(fēng)阻力，Pa。

在全射流通風(fēng)隧道發(fā)生火災(zāi)時，由于無軸流風(fēng)機(jī)的作用，隧道內(nèi)車輛停止，交通通風(fēng)力消失，故根據(jù)隧道內(nèi)壓源的實際情況，風(fēng)壓平衡定律可簡化為式(3)：

(3)

3)通風(fēng)阻力定律

風(fēng)流任一分支流動遵循阻力定律，如式(4)所示：

(4)

式中：hi為分支阻力，Pa；Ri為風(fēng)阻，(N·s2)/m8；Qi為氣體體積流量，m3/s。

1.2 斯考德-恒斯雷算法模型

1)數(shù)學(xué)模型

對于有m個節(jié)點(diǎn)、n條邊的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算的數(shù)學(xué)模型如式(5)所示：

(5)

2)算法模型

斯考德-恒斯雷近似算法是當(dāng)方程中1個近似值已知時，用泰勒級數(shù)展開求得風(fēng)量校正值，忽略二階以上微分項的回路迭代修正風(fēng)量的解，迭代修正風(fēng)量計算公式如式(6)所示：

(6)

式中：ΔQi為修正風(fēng)量，m3/s。

預(yù)先設(shè)定1個精度，當(dāng)回路迭代修正風(fēng)量值滿足設(shè)定精度，停止計算，得到近似風(fēng)量值即自然分配風(fēng)量。

1.3 火災(zāi)通風(fēng)阻力

火災(zāi)通風(fēng)阻力除摩擦阻力外，還包括火區(qū)阻力Pf1和高溫?zé)煔饬鹘?jīng)有坡度隧道產(chǎn)生的火風(fēng)壓Pf2。

1)火區(qū)阻力

火災(zāi)阻力等于單位體積煙氣流經(jīng)火區(qū)所產(chǎn)生的機(jī)械能損失，其表達(dá)式如式(7)所示：

(7)

式中：R為火災(zāi)支路的風(fēng)阻，N·s2/m8；M為質(zhì)量流量，kg/s；Q為火災(zāi)功率，W；Cp為空氣比熱，J/(kg·K)；ρ0為環(huán)境空氣密度，kg/m3；T0為環(huán)境溫度，K；A為隧道截面面積，m2。

2)火風(fēng)壓

火災(zāi)浮力效應(yīng)的理論計算如式(8)所示：

(8)

式中：ρ為煙氣密度，kg/m3；sinθ為隧道的坡率；g為重力加速度，m/s2；L為下游煙氣長度，m。

火災(zāi)隧道內(nèi)煙氣密度計算如式(9)所示：

(9)

式中：TP為煙氣最高溫度，K；T為煙氣的溫度，K；ρP為煙氣最高溫度對應(yīng)密度，kg/m3。

隧道煙氣沿程溫度變化的計算如式(10)所示:

(10)

將式(9)及(10)式代入式(8)，在高溫區(qū)內(nèi)積分，推導(dǎo)出火災(zāi)后污染區(qū)內(nèi)煙流的浮力效應(yīng)阻力公式如式(11)所示：

(11)

2 現(xiàn)場通風(fēng)測試及模型驗證

2.1 隧道概況

銅鑼山隧道長度為5 032 m，隧道采用人字坡，坡度為1.5%和-0.6%。隧道采用全射流縱向通風(fēng)方式，射流風(fēng)機(jī)直徑1 120 mm，功率37 kW，左線設(shè)置13組風(fēng)機(jī)，右線設(shè)置12組風(fēng)機(jī)，每組2臺。2隧道間設(shè)置5個車行橫通道，火災(zāi)時2隧道互為救援通道，采用縱向排煙方式。隧道射流風(fēng)機(jī)及橫通道平面布置如圖1所示。

圖1 銅鑼山隧道通風(fēng)系統(tǒng)平面布置Fig.1 Plane layout of ventilation system in Tongluoshan tunnel

2.2 測試方案

為驗證通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)程序的正確性，展開銅鑼山隧道現(xiàn)場通風(fēng)測試。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)程序中風(fēng)機(jī)參數(shù)設(shè)置對結(jié)果的準(zhǔn)確性有較大影響，因此，先進(jìn)行銅鑼山隧道射流風(fēng)機(jī)效率的測試，為網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)中風(fēng)機(jī)參數(shù)設(shè)置提供依據(jù)。

1)射流風(fēng)機(jī)效率測試

隧道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)受安裝因素的影響，實際產(chǎn)生的升壓力應(yīng)小于理論升壓力值，射流風(fēng)機(jī)升壓效率等于各組風(fēng)機(jī)的實測升壓力ΔPC與理論計算升壓力ΔPJ的比值，如式(12)所示：

(12)

式中：φ為射流風(fēng)機(jī)升壓效率；n為測試風(fēng)機(jī)臺數(shù)；ΔPj為單臺射流風(fēng)機(jī)理論計算升壓力，Pa；ΔPC為測試風(fēng)機(jī)組間的實測升壓力，Pa。其中，各組風(fēng)機(jī)的實測升壓力ΔPC計算如式(13)所示：

(13)

式中：ΔPa-b為測試風(fēng)機(jī)組a-a和b-b2個斷面之間測試的靜壓差，Pa；va，vb分別為a-a，b-b2個斷面平均風(fēng)速，m/s。

測試過程中為使得測點(diǎn)風(fēng)速可以代表斷面風(fēng)速，在測試斷面布置k1～k1010個測點(diǎn)，取10個測點(diǎn)的平均值代替斷面平均風(fēng)速，采用BYWF-2001袖珍數(shù)字風(fēng)速儀同時測定兩斷面平均風(fēng)速，測點(diǎn)布置如圖2所示。

斷面兩端設(shè)皮托管，采用LTP101智能微差壓測試儀測試兩斷面的靜壓差，用溫度儀和FYP-1型數(shù)字式精密氣壓表分別測試溫度和大氣壓力，測試布置如圖3所示。

2)現(xiàn)場通風(fēng)測試

現(xiàn)場測試工況見表1。測試前先對銅鑼山隧道自然風(fēng)速進(jìn)行測試，得到自然風(fēng)大小為1.2～1.5 m/s，自然風(fēng)方向從南充端洞口吹向梁平端洞口。測試斷面布置如圖4所示。

圖2 隧道斷面風(fēng)速測點(diǎn)布置Fig.2 Layout of measurement points for wind speed on tunnel section

圖3 隧道風(fēng)機(jī)效率測試示意Fig.3 Schematic diagram for fan efficiency test of tunnel

表1 現(xiàn)場測試工況Table 1 Field test conditions

圖4 隧道測試截面布置示意Fig.4 Schematic diagram for layout of tunnel test sections

2.3 結(jié)果分析

1)風(fēng)機(jī)效率

銅鑼山隧道射流風(fēng)機(jī)效率測試結(jié)果如圖5所示。銅鑼山隧道射流風(fēng)機(jī)正向運(yùn)轉(zhuǎn)，每組風(fēng)機(jī)升壓效率為0.83～0.93，平均0.882；風(fēng)機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)，每組風(fēng)機(jī)升壓效率為0.65～0.68，平均效率為0.665。該值的測試為后續(xù)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖5 風(fēng)機(jī)效率測試結(jié)果Fig.5 Test results of fan efficiency

2)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)流測試

3種工況下各斷面測試風(fēng)量結(jié)果如圖6所示，以工況1為例進(jìn)行說明，圖6中節(jié)點(diǎn)①是右線隧道入口；節(jié)點(diǎn)②是1#橫通道與右線隧道連接處；節(jié)點(diǎn)③為右線隧道出口；節(jié)點(diǎn)④為左線隧道入口；節(jié)點(diǎn)⑤是1#橫通道與左線隧道連接處；節(jié)點(diǎn)⑥是左線隧道出口，圖6中箭頭表示風(fēng)流流動方向。

圖6 現(xiàn)場測試結(jié)果Fig.6 Field test results

由圖6(a)可知，當(dāng)開啟1#橫通道，左線隧道從南充端流入的風(fēng)流大部分通過1#橫通道匯入右線隧道。右線隧道在入口開啟第1，2組射流風(fēng)機(jī)，中部開啟第5～10組風(fēng)機(jī)正向運(yùn)轉(zhuǎn)后，從南充入口流入隧道的風(fēng)量為182.67 m3/s，經(jīng)1#橫通道處與左線隧道流入的風(fēng)量匯合，流向右線第2段隧道。

由圖6(b)可知,當(dāng)開啟1#，2#橫通道時，左線隧道部分風(fēng)流通過1#，2#橫通道流入右線主隧道，盡管風(fēng)機(jī)開啟與工況1相同，但通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生改變。右線隧道入口段測試截面a-a處和1#橫通道內(nèi)風(fēng)速減??；在2#橫通道處，風(fēng)流方向從左線流入右線隧道。

由圖6(c)可知,當(dāng)開啟1#～3#橫通道時，隧道內(nèi)風(fēng)流分配與前2種工況有較大變化。左線隧道受第5，6組風(fēng)機(jī)及右線隧道入口第1，2組風(fēng)機(jī)開啟的影響，1#橫通道右線隧道處的壓力高于左線隧道，1#橫通道有47.16 m3/s的風(fēng)流從右線隧道流入左線隧道；其他2#，3#橫通道的風(fēng)流仍然是由左線隧道流入右線隧道。

2.4 模型驗證

1)隧道分風(fēng)驗證

采用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計算模型計算出相同工況下隧道網(wǎng)絡(luò)中風(fēng)流分配情況，對比現(xiàn)場測試風(fēng)流分布結(jié)果，印證通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計算模型的正確性?，F(xiàn)場測試與計算結(jié)果對比如圖7所示。由圖7可知，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計算的隧道及橫通道中風(fēng)流流動方向與圖6中現(xiàn)場測試風(fēng)流流動方向完全一致，僅在量值上有差異。

現(xiàn)場測試不穩(wěn)定因素較多(如風(fēng)流流動的不穩(wěn)定性等)，因此可能導(dǎo)致結(jié)果誤差，但是計算結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果誤差均在15%以下，說明通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計算結(jié)果可靠，可以通過計算指導(dǎo)實際工程設(shè)計。

2)隧道內(nèi)相對壓力分布

通過通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計算，根據(jù)各段隧道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)升壓力以及隧道通風(fēng)阻力，得到左線隧道和右線隧道內(nèi)相對壓力分布，如圖8所示。

由圖8可知，工況1中左線隧道出口段風(fēng)流經(jīng)第1～3組射流風(fēng)機(jī)升壓后相對壓力升高，在1#車行橫通道處相對壓力為71.08 Pa。右線隧道入口段風(fēng)流經(jīng)1，2組射流風(fēng)機(jī)后相對壓力提升，到達(dá)1#車行橫通道處的相對壓力為41.59 Pa。由于1#橫通道左線隧道相對壓力高于右線隧道，致使風(fēng)流由左線隧道流向右線隧道。

圖7 現(xiàn)場測試與計算結(jié)果對比Fig.7 Comparison of field tests and calculation results

圖8 隧道內(nèi)壓力分布Fig.8 Pressure distribution in tunnel

由圖7(b)和圖8(b)可知，盡管工況2與工況1開啟風(fēng)機(jī)相同，但由于橫通道開啟不同，2隧道內(nèi)各段風(fēng)量不同，相對壓力分布也不同。在1#和2#橫通道兩側(cè)，左線隧道風(fēng)流的相對壓力分別為72.13 Pa和58.45 Pa，高于右線2橫道處的相對壓力58.23 Pa和34.30 Pa，引起2橫通道內(nèi)風(fēng)流從左線隧道流入右線隧道。其他左右線隧道內(nèi)風(fēng)流的相對壓力與工況1相同。

由圖8(c)可知，在1#橫通道處左線風(fēng)流的相對壓力為46.79 Pa，低于右線隧道1#橫通道處的50.27 Pa，致使1#橫通道處風(fēng)流由右線隧道流向左線隧道。在左線隧道1#橫通道與2#橫通道間增開第5，6組射流風(fēng)機(jī)后，2#，3#橫通道處的左線隧道的相對壓力均高于右線隧道，從而使得2#，3#橫通道的風(fēng)流由左線隧道流入右線隧道。

從通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計算得到的各工況左右線隧道內(nèi)相對壓力分布可得，由左、右線隧道內(nèi)相對壓力差而引起的橫通道內(nèi)煙氣流動方向與測試結(jié)果一致，說明通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計算結(jié)果可信。

3 考慮火區(qū)阻力的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)

在構(gòu)建的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算模型基礎(chǔ)上，將火災(zāi)通風(fēng)阻力計算公式(7)、式(11)引入通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型中，建立全射流火災(zāi)排煙通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計算模型，在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算程序中，完善火災(zāi)平均最高溫度計算、隧道沿程溫度分布計算、考慮火風(fēng)壓的回路風(fēng)量修正值計算，可分析得出流向火源點(diǎn)風(fēng)量及不同坡率工況下火風(fēng)壓對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中風(fēng)流流動的影響。

3.1 火風(fēng)壓對隧道各支路風(fēng)流分配的影響

將銅鑼山隧道3種火災(zāi)工況下的通風(fēng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成圖9所示的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖由節(jié)點(diǎn)和支路組成，其中，虛線邊表示自然風(fēng)虛擬支路，實線邊表示主隧道和支路隧道，實線、虛線上的數(shù)字為對應(yīng)的支路序號。計算火災(zāi)功率為30 MW，坡率為-0.6%。

計算火災(zāi)時的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)采用質(zhì)量流量，將計算結(jié)果與非火災(zāi)時的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計算結(jié)果進(jìn)行對比，如圖10所示。由圖10可知，火災(zāi)支路在未考慮火風(fēng)壓時的計算風(fēng)量大于考慮火風(fēng)壓情況下的，由于火災(zāi)支路所在的隧道為負(fù)坡，隧道內(nèi)火災(zāi)通風(fēng)阻力作用方向與煙氣方向相反，對該支路通風(fēng)起阻力作用，因此該支路風(fēng)速會減小。圖10的結(jié)果也表明，火災(zāi)通風(fēng)阻力對隧道內(nèi)不同區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)支路風(fēng)量分布影響程度不同，火災(zāi)通風(fēng)阻力對事故隧道網(wǎng)絡(luò)支路的煙氣分布影響最大，對橫通道支路的煙氣分布影響次之，對非事故隧道支路的煙氣分布影響最小。

圖9 火災(zāi)工況通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)Fig.9 Ventilation network under fire situation

圖10 考慮火風(fēng)壓計算結(jié)果對比Fig.10 Comparison of calculation results considering fire pressure

3.2 坡率對風(fēng)流分配的影響

以工況3為例探究坡率對火災(zāi)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)煙氣分配的影響。將4號支路的坡率分別設(shè)置為-2.6%，-1.6%，-0.6%，0.6%，1.6%，2.6%，通過通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算得到不同坡率時4號支路的火風(fēng)壓、風(fēng)量和風(fēng)速，見表2。

表2 坡率對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)煙氣的影響Table 2 Influence of slope ratio on smoke in ventilation network

由表2可知，隨著火災(zāi)支路坡率的變化，該支路的火風(fēng)壓、風(fēng)量和風(fēng)速將會發(fā)生變化。當(dāng)火災(zāi)隧道為下坡時(坡率為負(fù)值)時，火風(fēng)壓對于該支路煙氣流動起阻礙作用；當(dāng)坡率從-0.6%增大到-2.6%時，火風(fēng)壓阻力從14.88 Pa增大到70.12 Pa，說明隨著下坡隧道坡度增大，火風(fēng)壓阻力作用變大。當(dāng)火災(zāi)隧道為上坡時(坡率為正值)時，火風(fēng)壓與該支路煙氣方向流動一致，起動力作用；當(dāng)坡率從0.6%增大到2.6%，火風(fēng)壓動力從14.37 Pa增大到59.61 Pa，說明隨著上坡隧道坡度增大，火風(fēng)壓動力作用變大。

4 結(jié)論

1)銅鑼山隧道射流風(fēng)機(jī)正向運(yùn)轉(zhuǎn)效率遠(yuǎn)大于反向運(yùn)轉(zhuǎn)效率，正向運(yùn)轉(zhuǎn)平均效率為0.882，反向運(yùn)轉(zhuǎn)平均效率為0.665。

2)現(xiàn)場通風(fēng)測試結(jié)果與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計算吻合較好，結(jié)果量值誤差在15%以內(nèi)，可通過通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算程序?qū)嶋H隧道工程防災(zāi)通風(fēng)提供參考。

3)火災(zāi)通風(fēng)阻力不同程度地引起隧道支路和橫通道內(nèi)風(fēng)量的變化，其中對事故隧道支路影響最大，橫通道支路次之，對非事故隧道支路道影響最小。

4)隧道坡率對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)煙氣分配影響較大。下坡隧道火風(fēng)壓對該支路煙氣流動起阻礙作用，上坡隧道火風(fēng)壓對該支路煙氣流動起動力作用；火風(fēng)壓動力(或阻力)與坡率成正相關(guān)，火災(zāi)支路對坡率敏感性較高。