城市地下道路V形區(qū)段坡度構(gòu)成對煙氣擴(kuò)散和重點排煙效果的影響研究*

謝 飛，喬雅心，李俊梅，董啟偉，劉文博，畢 強,常默寧，齊 兆

(1.北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京 100082；2.北京工業(yè)大學(xué) 綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100124；3.北京工業(yè)大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124)

0 引言

近年來，修建更多的城市地下道路已成為我國部分大、中城市為緩解城市交通壓力所采取的主要措施之一[1]。城市地下道路一般處于中心城區(qū)，隨著城市地下空間的不斷開發(fā)，新修建的地下道路往往需要下穿或跨越已建成的地下管廊、地鐵等各種地下設(shè)施，豎向結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，不再是簡單的水平或者單坡隧道，而是呈現(xiàn)出不同形式的V形區(qū)段的組合。

V形區(qū)段根據(jù)變坡點兩側(cè)隧道不同的坡度構(gòu)成可分為對稱V形區(qū)段(變坡點兩側(cè)隧道坡度相同)和非對稱V形區(qū)段(變坡點兩側(cè)隧道存在坡度差)。火災(zāi)時，完全對稱的V形區(qū)段，其內(nèi)部煙氣擴(kuò)散基本以變坡點為中心向兩側(cè)對稱擴(kuò)散，但當(dāng)變坡點兩側(cè)存在坡度差時，變坡點兩側(cè)由于坡度的不同，形成的煙囪效應(yīng)大小也不一樣，這將對該區(qū)段內(nèi)的煙氣流動產(chǎn)生較大的影響。當(dāng)兩側(cè)坡度差較大時，煙氣可能會完全在大坡度側(cè)蔓延，使得在實施煙氣控制時，必須考慮V形區(qū)段兩側(cè)的坡度構(gòu)成對煙氣流動及煙氣控制效果的影響。

火災(zāi)時采用重點排煙是目前我國多數(shù)城市地下道路通常采用的通風(fēng)排煙方案。關(guān)于隧道內(nèi)重點排煙煙氣控制的研究，目前國內(nèi)外主要以水平和單坡隧道為主[2-8]。針對含有V形區(qū)段的隧道，當(dāng)前的研究主要集中于煙氣的自由擴(kuò)散和縱向通風(fēng)煙氣控制[9-11]，對于重點排煙的相關(guān)研究較為缺乏。隨著地下空間的持續(xù)開發(fā)，包含V形區(qū)段且坡度多變的城市地下道路的數(shù)量會越來越多。當(dāng)前的設(shè)計規(guī)范中針對火災(zāi)重點排煙特別是特殊結(jié)構(gòu)路段重點排煙的設(shè)計條款相對缺乏，對此類隧道內(nèi)煙氣如何實施有效控制急需必要的理論和技術(shù)支持?；诖?，本文將針對城市地下道路內(nèi)典型的V形區(qū)段不同的坡度構(gòu)成，通過數(shù)值模擬研究不同的坡度構(gòu)成對對稱V形區(qū)段和非對稱V形區(qū)段煙氣流動和控制的影響，以期為含有V形區(qū)段的坡度多變的城市地下道路重點排煙系統(tǒng)的設(shè)計和運行提供指導(dǎo)。

1 數(shù)值模擬研究

1.1 隧道模型的建立

本文采用美國NIST開發(fā)的火災(zāi)模擬專用軟件FDS(6.0版)進(jìn)行相關(guān)的模擬研究。鑒于當(dāng)前城市地下道路多為單向三車道結(jié)構(gòu)，因此，模擬隧道寬13 m，高6.5 m，組成排煙道的頂隔板厚0.2 m，排煙道為弧形，最高點與下部頂隔板的垂直距離為2 m。模擬隧道及隧道斷面示意圖分別如圖1和圖2所示，V型區(qū)段變坡點兩側(cè)隧道模擬長度各為400 m。為討論變坡點兩側(cè)不同的坡度構(gòu)成對煙氣擴(kuò)散和控制的影響，變坡點兩側(cè)的坡度取1%、3%和5%的任意坡度組合。本文以允許大型車輛通行的地下道路為研究對象，依據(jù)相關(guān)規(guī)范[12-13]，火源功率取50 MW?；鹪醇俣ㄎ挥谧兤曼c處，模擬火源為長5 m，寬3 m，離地1 m高的面火源。

圖1 V型隧道排煙示意Fig.1 Schematic diagram of smoke exhaust in V-shaped tunnel

圖2 模擬隧道斷面示意Fig.2 Schematic diagram of simulated tunnel section

根據(jù)隧道相關(guān)設(shè)計規(guī)范并參考已有工程，火源功率為50 MW時，隧道重點排煙的設(shè)計排煙量取200 m3/s，單個排煙口尺寸為3 m(橫向)×2.5 m(縱向)，排煙口間距為60 m，排煙口的布置如圖3所示?；馂?zāi)時排煙口的設(shè)定開啟策略為：起火時，火源上下游各開啟3個排煙口進(jìn)行排煙。

圖3 排煙口布置示意(俯視圖)Fig.3 Schematic diagram of smoke exhaust vents layout (top view)

1.2 計算網(wǎng)格設(shè)定

FDS用戶手冊中把火源特征直徑D*與計算網(wǎng)格大小δx的比值作為選取網(wǎng)格尺寸大小的標(biāo)準(zhǔn)，即D*/δx。當(dāng)這個比值的范圍在4～16時，模擬計算效果比較好[14]。D*可依據(jù)式(1)進(jìn)行計算：

(1)

式中：Q為火源熱釋放率，kW；ρ∞為環(huán)境空氣的密度，kg/m3；CP為定壓比熱，J/(kg·K)；T∞為環(huán)境空氣溫度，K；g為重力加速度，m/s2。依據(jù)上述原則，得50 MW火源功率時的網(wǎng)格尺寸取值范圍為 0.28～1.15 m。本文模擬中網(wǎng)格尺寸設(shè)定為0.5 m×0.5 m×0.5 m，火源上下游100 m范圍采用局部加密，網(wǎng)格尺寸為0.25 m×0.25 m×0.25 m。

1.3 模擬場景設(shè)定

為對排煙效果進(jìn)行對比分析，模擬場景分為自由擴(kuò)散模擬及重點排煙效果模擬。編號KS01～KS06為煙氣自由擴(kuò)散場景，模擬中排煙閥關(guān)閉。隧道兩端出口采用開口邊界，環(huán)境溫度設(shè)為20 ℃。編號PY01～PY11為重點排煙場景模擬。對于非對稱V形區(qū)段，由于煙氣擴(kuò)散的不對稱性，火源上、下游不同的排煙口開啟方式可能會對最終的排煙效果產(chǎn)生影響。因此，本文對非對稱V形區(qū)段，設(shè)定了火源上、下游不同的排煙口開啟個數(shù)的排煙模擬場景。模擬場景的詳細(xì)設(shè)定見表1。

表1 模擬場景設(shè)定Table 1 Setting of simulation scenes

2 模擬結(jié)果分析

2.1 對稱V形區(qū)段煙氣自由擴(kuò)散及重點排煙的模擬結(jié)果分析

圖4給出了對稱V形區(qū)段不同的坡度組合、煙氣自由擴(kuò)散和采用重點排煙后，煙氣沿隧道縱向擴(kuò)散距離L隨時間的變化。由于煙氣在變坡點兩側(cè)對稱擴(kuò)散，圖中只選取了單側(cè)的煙氣蔓延結(jié)果。從圖4可以看出，采用重點排煙后，對稱V形區(qū)段內(nèi)煙氣的縱向蔓延可以很明顯地得到控制，煙氣的單側(cè)蔓延范圍可控制在220 m范圍內(nèi)。坡度對對稱V形區(qū)段煙氣擴(kuò)散的影響較小。自由擴(kuò)散和重點排煙工況中煙氣在隧道內(nèi)隨時間的擴(kuò)散情況也可以從圖5中看出。從圖5中可以看出，火源位于變坡點時，煙氣在變坡點兩側(cè)對稱擴(kuò)散，排煙可以有效地控制煙氣的擴(kuò)散范圍。

圖4 對稱V形區(qū)段單側(cè)煙氣蔓延距離隨時間的變化Fig.4 Variation of smoke spreading distance along one side of symmetrical V-shaped section with time

圖5 不同工況中煙氣的擴(kuò)散情況(坡度組成5%-5%)Fig.5 Smoke diffusion in different conditions (slope composition 5%-5%)

為討論排煙系統(tǒng)的排煙效果，本文定義排煙口的排煙效率η1為單位時間內(nèi)某排煙口的排煙量占煙氣生成總量的比，一般選取燃燒的主要產(chǎn)物CO2的排放量占總生成量的比為代表，其計算如式(2)：

(2)

表2給出了對稱V形區(qū)段重點排煙系統(tǒng)開啟后，變坡點右側(cè)各排煙口的排煙效率。從表2可以看出，各排煙口的排煙效率并不相等，距離火源最近的排煙口，其排煙效率最高；隨著離火源距離的增大，排煙效率逐漸降低。變坡點兩側(cè)的坡度越大，排煙口的排煙效率越低。這是因為，隨著坡度的增大，煙囪效應(yīng)增大，煙氣沿隧道上坡方向的流速加快，導(dǎo)致排煙口的排煙效率降低。

表2 對稱V形區(qū)段右側(cè)各排煙口及系統(tǒng)的排煙效率Table 2 Smoke exhaust efficiencies of each exhaust vent on right side of symmetric V-shaped section and system %

表3給出了對稱V形區(qū)段內(nèi)自由擴(kuò)散和排煙系統(tǒng)開啟后，排煙道下方頂棚的最高溫度值。隧道的頂棚最高溫度隨兩側(cè)坡度的增大而降低，這可能是因為隨著兩側(cè)隧道坡度的增大，煙囪效應(yīng)逐漸增加，煙氣可以更多更快地向兩側(cè)蔓延，使得頂棚最高溫度降低。另外，重點排煙系統(tǒng)的開啟對頂隔板下方最高溫度的降低作用有限。因此，采用重點排煙系統(tǒng)時需關(guān)注頂隔板的耐火及耐高溫性能。

表3 對稱V形區(qū)段排煙道下方頂棚的最高溫度Table 3 Maximum ceiling temperature under smoke exhaust duct in symmetric V-shaped section ℃

圖6給出了排煙道下方頂棚溫度沿隧道的縱向分布情況，圖中x為距離火源中心的距離，m；H為隧道高度，m；Tx為x處的頂棚溫度，K；T0為周圍環(huán)境溫度，K。

圖6 排煙道下方頂棚溫度沿隧道的縱向分布Fig.6 Longitudinal distribution of ceiling temperature under smoke exhaust duct along tunnel

從圖6中可以看出，頂棚溫度沿隧道縱向呈指數(shù)規(guī)律衰減。經(jīng)分析擬合，得x處頂棚溫度Tx沿隧道長度方向的變化規(guī)律為式(3)：

ΔTx/T0=-7.2+57.13Q*0.6(x/H)(-0.56+20.14i1.93)

(3)

式中：i為坡度，%；Q*為無量綱熱釋放率，其定義式如式(4)所示：

Q*=Q/(ρ0CpT0g1/2H5/2)

(4)

式中：ρ0為周圍環(huán)境空氣的密度，kg/m3；Cp為空氣的比熱，kJ/(kg·K)；g為重力加速度，m/s2。

2.2 非對稱V形區(qū)段煙氣自由擴(kuò)散及重點排煙的模擬結(jié)果分析

圖7給出了變坡點兩側(cè)坡度組成為1%-3%、1%-5%時，不同時間煙氣在隧道內(nèi)自由蔓延的情況。從圖7中可以看出，火災(zāi)起初，煙氣在變坡點兩側(cè)幾乎對稱蔓延，隨著火災(zāi)的持續(xù)，煙氣逐漸向大坡度側(cè)移動，當(dāng)變坡點兩側(cè)坡度差較大，火災(zāi)持續(xù)一定時間后，下坡度側(cè)基本無煙。隧道內(nèi)煙氣如此蔓延特征，在制定人員疏散策略和排煙系統(tǒng)的開啟策略時需重點關(guān)注。

圖7 變坡點兩側(cè)不同的坡度組成煙氣的擴(kuò)散情況Fig.7 Smoke diffusion beside slope change point with different slope composition

圖8給出了非對稱V形區(qū)段自由擴(kuò)散和火源兩側(cè)不同排煙口開啟方式作用下煙氣的蔓延距離L隨時間的變化。圖7所顯示的煙氣擴(kuò)散情況，在圖8中從煙氣的擴(kuò)散距離隨時間的變化可以更直觀地看出。自由擴(kuò)散時，火災(zāi)初期，煙氣在變坡點兩側(cè)對稱蔓延，隨著火災(zāi)的持續(xù)，大坡度側(cè)煙囪效應(yīng)逐漸增大，小坡度側(cè)煙氣在擴(kuò)散到一定距離后，將會向火源側(cè)回流。當(dāng)大坡度側(cè)坡度較大時，如坡度為5%時，火災(zāi)持續(xù)400 s后，小坡度側(cè)完全無煙，此時煙氣在V形區(qū)段的擴(kuò)散可看作煙氣在單坡度隧道內(nèi)的流動。

圖8 非對稱V形區(qū)段，不同排煙口開啟方式作用下煙氣蔓延距離隨時間的變化Fig.8 Variation of smoke spreading distance under different opening modes of smoke exhaust vents in asymmetric V-shaped section with time

當(dāng)排煙系統(tǒng)開啟后，在大坡度側(cè)，重點排煙對煙氣的控制有一定的作用，減緩了煙氣的蔓延速度和蔓延距離，但并不能很好地將煙氣控制在相對小的范圍內(nèi)，特別是坡度差較大的工況。

排煙口開啟方式相同時，變坡點兩側(cè)坡度差越大，小坡度側(cè)煙氣控制的效果較好，大坡度側(cè)煙氣的控制效果較差，如火災(zāi)持續(xù)300 s時，火源左側(cè)開2個排煙口，右側(cè)開4個排煙口，1%-3%坡度組合大坡度側(cè)的煙氣擴(kuò)散距離為296 m，3%-5%坡度組合大坡度測煙氣擴(kuò)散距離為335 m，而1%-5%坡度組合煙氣的蔓延范圍已經(jīng)超過400 m。此時，要將煙氣控制在較小的范圍，需重點關(guān)注大坡度側(cè)煙氣的擴(kuò)散特征。

表4給出了非對稱V形區(qū)段變坡點兩側(cè)不同坡度組成時排煙道下方拱頂?shù)淖罡邷囟戎?。與對稱V形區(qū)段相比，由于坡度差的存在，煙氣向大坡度側(cè)移動，使得非對稱V形區(qū)段排煙道下方拱頂?shù)淖罡邷囟却鬄榻档汀?/p>

表4 非對稱V形區(qū)段排煙道下方頂棚最高溫度Table 4 Maximum ceiling temperature under smoke exhaust duct in asymmetric V-shaped section

非對稱V形區(qū)段，火源兩側(cè)不同排煙口的開啟方式作用下，各排煙口的排煙效率如表5所示。從表5中可以看出，針對非對稱V形區(qū)段不同的坡度組成的煙氣擴(kuò)散特征，如果仍采用火源兩側(cè)對稱開啟相同數(shù)量的排煙的運行模式，則系統(tǒng)的排煙效率較低。大坡度側(cè)開啟較多的排煙口，有利于系統(tǒng)排煙效率的提高。

表5 非對稱V形區(qū)段不同排煙口開啟方式作用下的排煙效率Table 5 Smoke exhaust efficiencies in asymmetric V-shaped section under different opening modes of smoke exhaust vents

3 結(jié)論

1)在給定火源功率及火源位置的前提下，隧道V形區(qū)段變坡點兩側(cè)的坡度構(gòu)成對煙氣的自由擴(kuò)散和重點排煙的控制效果有較大的影響。

2)對于對稱V形區(qū)段，火源位于變坡點時，煙氣沿變坡點兩側(cè)隧道對稱擴(kuò)散，排煙道下方頂棚溫度沿縱向依指數(shù)規(guī)律衰減。重點排煙系統(tǒng)的開啟可以減緩煙氣的擴(kuò)散速度，縮短煙氣的蔓延長度，但排煙系統(tǒng)的開啟對降低排煙道下方頂棚最高溫度的作用有限，此時應(yīng)注意對排煙道結(jié)構(gòu)的防護(hù)。

3)對于非對稱V形區(qū)段，火源位于變坡點時，火源兩側(cè)的坡度構(gòu)成和排煙口的開啟方式對煙氣的擴(kuò)散和控制有較大的影響。自由擴(kuò)散時，隨著火災(zāi)的持續(xù)，小坡度側(cè)煙氣出現(xiàn)回流，煙氣向大坡度側(cè)蔓延。當(dāng)變坡點兩側(cè)坡度差較大，火災(zāi)持續(xù)一定時間后，小坡度側(cè)基本無煙，V形區(qū)段內(nèi)煙氣蔓延可視為單坡度隧道內(nèi)的煙氣蔓延。重點排煙時，火源兩側(cè)排煙口數(shù)量對稱開啟，系統(tǒng)排煙效率較低；增加大坡度側(cè)的排煙口數(shù)量可以提高系統(tǒng)的總的排煙效率，但坡度差較大時，要將煙氣有效地控制在較小的范圍內(nèi)相對困難。實際運行中，應(yīng)結(jié)合V形區(qū)段隧道的坡度實際構(gòu)成和煙氣控制的總目標(biāo)，制定相應(yīng)的排煙口開啟策略，特別是V形區(qū)段兩側(cè)坡度差較大的工況，沿火源兩側(cè)對稱的排煙口開啟方式會將部分煙氣引向小坡度側(cè)，對降低隧道頂棚最高溫度不利。

4)由于影響非對稱V形區(qū)段煙氣擴(kuò)散和控制的因素眾多，本文只討論了火源位于變坡點處，坡度構(gòu)成和排煙口開啟方式的影響，更多因素的影響將在未來的研究中進(jìn)一步分析研究。