城市地下淺埋管溝可燃?xì)怏w爆炸的災(zāi)害效應(yīng) （Ⅱ）：影響因素分析及后果評(píng)估*

楊石剛，蔡炯煒,2，楊 亞，孫文盛，門(mén)敬敏

（1.陸軍工程大學(xué)爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210007；2.73021 部隊(duì)，浙江 杭州 310012）

近年來(lái)，隨著產(chǎn)業(yè)升級(jí)的不斷深入，我國(guó)對(duì)天然氣的需求量在穩(wěn)步提高，天然氣在我國(guó)能源系統(tǒng)中的主體地位也得到了穩(wěn)固。然而天然氣作為一種可燃?xì)怏w，無(wú)論是工業(yè)生產(chǎn)還是日常使用極易發(fā)生泄漏，當(dāng)遇到合適的點(diǎn)火源時(shí)，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的爆炸事故。如2021 年6 月，湖北十堰的一條煤氣管道被腐蝕，導(dǎo)致煤氣泄漏發(fā)生爆炸，事故造成了25 人死亡，138 人受傷。2020 年6 月，浙江溫嶺的一輛油罐車閥門(mén)遭到嚴(yán)重的側(cè)撞，導(dǎo)致可燃?xì)怏w泄漏發(fā)生爆炸，事故造成了20 人死亡，172 人受傷。而當(dāng)泄漏的可燃?xì)怏w進(jìn)入到城市地下淺埋管溝中積聚爆炸時(shí)，會(huì)造成更嚴(yán)重的災(zāi)害后果，如2013 年11 月山東青島的排水暗渠可燃?xì)怏w爆炸，2014 年7 月臺(tái)灣高雄的地下管溝可燃?xì)怏w爆炸。由于爆炸事故會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損傷，也會(huì)給社會(huì)帶來(lái)極其惡劣的影響，因此對(duì)城市地下淺埋管溝可燃?xì)怏w爆炸災(zāi)害后果進(jìn)行分析和評(píng)估具有重要意義。

目前，對(duì)于爆炸災(zāi)害的后果評(píng)估，運(yùn)用最多的是超壓準(zhǔn)則，超壓準(zhǔn)則認(rèn)為超壓值的大小是評(píng)估人員和建筑物是否受到傷害和破壞的唯一評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)沖擊波超壓超過(guò)某一閾值時(shí)，會(huì)對(duì)目標(biāo)造成一定的傷害[1-4]。而在某些情況下，超壓峰值往往并不是很大，但是由于超壓作用時(shí)間較長(zhǎng)，也會(huì)造成較嚴(yán)重的影響，目前美國(guó)國(guó)防部在統(tǒng)一設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)[5]中根據(jù)沖量準(zhǔn)則給出了人員的傷害標(biāo)準(zhǔn)。超壓-沖量準(zhǔn)則綜合考慮了目標(biāo)性質(zhì)、破壞等級(jí)、沖擊波超壓和沖量這4 個(gè)參數(shù)作為參考值，認(rèn)為對(duì)目標(biāo)的災(zāi)害效應(yīng)評(píng)估應(yīng)該綜合考慮超壓和沖量，只有當(dāng)兩者的組合達(dá)到某一臨界值時(shí)才會(huì)對(duì)目標(biāo)造成相應(yīng)的傷害，不少學(xué)者也得到了一些研究成果[6-11]。此外，李峰[12]結(jié)合了超壓準(zhǔn)則和超壓-沖量準(zhǔn)則，首次提出了人體傷害當(dāng)量的概念，用于預(yù)測(cè)地下交通爆炸對(duì)人員的傷害，并針對(duì)隧道內(nèi)發(fā)生爆炸的場(chǎng)景給出了人員傷亡的分布區(qū)域。也有一些學(xué)者[13-15]利用概率方程，即根據(jù)不同的傷害類型，利用超壓和沖量的組合得到傷害百分比，實(shí)現(xiàn)了對(duì)沖擊波災(zāi)害效應(yīng)的定量評(píng)估，以此可以確定沖擊波對(duì)目標(biāo)的傷害等級(jí)及危險(xiǎn)距離。另外，Assael 等[2]列出了人員的鼓膜破裂、肺出血、頭部及全身撞擊死亡的概率方程，Aloson 等[16]則將概率方程應(yīng)用到特征曲線中。目前，關(guān)于城市地下淺埋管溝可燃?xì)怏w爆炸的災(zāi)害后果評(píng)估尚未見(jiàn)有公開(kāi)報(bào)道，現(xiàn)有的災(zāi)害后果評(píng)估研究成果主要是借鑒固體炸藥爆炸事故，對(duì)城市地下淺埋管溝可燃?xì)怏w爆炸的適用性不強(qiáng)，功能性也不完善，需要進(jìn)行更具體和深入地研究。

本文中，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件FLACS，對(duì)城市地下淺埋管溝可燃?xì)怏w爆炸荷載進(jìn)行數(shù)值模擬，選用超壓準(zhǔn)則評(píng)估傳播到地面的爆炸沖擊波對(duì)建筑物破壞和人員傷害的危險(xiǎn)距離，并對(duì)影響荷載分布和危險(xiǎn)距離的因素進(jìn)行分析，以期為建筑物的安全設(shè)計(jì)以及爆炸事故的災(zāi)害預(yù)防提供一定參考。

1 管溝可燃?xì)怏w爆炸荷載數(shù)值模擬

1.1 模擬工況設(shè)置

管溝的數(shù)值模型如圖1 所示，其中L 為泄爆口之間的距離，l 為氣云的長(zhǎng)度，D 為正方形泄爆口的邊長(zhǎng)。分別考慮點(diǎn)火點(diǎn)位置、泄爆口大小、氣云長(zhǎng)度和管溝橫截面面積這4 個(gè)因素的影響，工況記錄如表1 所示。工況1～4 分別表示點(diǎn)火點(diǎn)位于管溝內(nèi)部(4/8)L、(5/8)L、(6/8)L、(7/8)L 處，用以研究點(diǎn)火位置對(duì)危險(xiǎn)距離的影響。在實(shí)際管溝中，雨水井是日常檢修預(yù)留的孔口，將工況1、5 和6 的泄爆口邊長(zhǎng)D 分別設(shè)置為 1.0、0.8 和0.6 m，研究泄爆口大小對(duì)危險(xiǎn)距離的影響。氣體爆炸的強(qiáng)度與氣體量的大小緊密相關(guān)，工況1、7～10 分別表示氣云長(zhǎng)度l 為90、60、40、20 和10 m 的可燃?xì)怏w爆炸，研究氣云長(zhǎng)度對(duì)危險(xiǎn)距離的影響。參照相關(guān)規(guī)范[17]，將工況1、11 和12 分別表示管溝橫截面面積為1、2 和3 m2的可燃?xì)怏w爆炸，研究管溝橫截面面積對(duì)危險(xiǎn)距離的影響。

圖1 管溝的數(shù)值模型Fig.1 The numerical model established for a pipe trench

表1 管溝可燃?xì)怏w爆炸數(shù)值模擬工況Table1 Numerical simulation conditions on combustible gas explosion in a pipe trench

1.2 影響因素分析

由已有研究結(jié)果可知，管溝內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸沖擊波通過(guò)泄爆口傳播到地面的過(guò)程可分為穩(wěn)定段、超壓峰值Δp1段、超壓峰值Δp2段[18]。由于超壓峰值Δp1較小，對(duì)地面的影響較有限，而超壓峰值Δp2大、危險(xiǎn)性高，因此本節(jié)僅選取超壓峰值Δp2作為研究?jī)?nèi)容，在空氣域中沿X、Y、Z 方向上布置的測(cè)點(diǎn)作為研究對(duì)象，用于記錄超壓峰值Δp2的變化，分析其影響因素。

1.2.1 點(diǎn)火位置的影響

圖2(a)和(b)分別為在不同的點(diǎn)火位置點(diǎn)火時(shí)，在X 和Y 方向上的超壓峰值分布，其中紅色虛線表示泄爆口所在位置。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)點(diǎn)火點(diǎn)位于(4/8)L 處時(shí)超壓峰值最大，而當(dāng)點(diǎn)火點(diǎn)位于(7/8)L 處時(shí)超壓峰值最??；在泄爆口兩側(cè)沿Y 方向上超壓峰值大致呈對(duì)稱衰減的趨勢(shì)，但是在泄爆口兩側(cè)X 方向上超壓峰值呈不對(duì)稱衰減的特征。

圖2 不同點(diǎn)火位置時(shí)的超壓峰值分布Fig.2 Peak overpressure distribution at different ignition positions

在Z 方向上，超壓峰值隨高度的上升而逐漸減?。ㄒ?jiàn)圖2(c)）。當(dāng)Z＜5 m 時(shí)，工況1 中超壓峰值最大；當(dāng)Z＞5 m 時(shí)，工況2 中超壓峰值最大，這是由于空氣流場(chǎng)的帶動(dòng)在泄爆口上方有大量的殘余燃料，當(dāng)火焰鋒面?zhèn)鞑サ叫贡谏戏綍r(shí)，殘余燃料與火焰波陣面接觸后會(huì)繼續(xù)燃燒，此時(shí)部分火焰已傳遞到泄爆口上方約5 m 處，導(dǎo)致此處的超壓峰值衰減較慢。而工況1 中，燃料受空氣流場(chǎng)的影響，被大量排到泄爆口上方區(qū)域，而此時(shí)火焰波陣面僅傳播到管溝內(nèi)部，因此泄爆口上方的殘余燃料并沒(méi)有參與燃燒而是僅被氣流推動(dòng)到空氣域中，在泄爆口上方測(cè)點(diǎn)的超壓峰值呈現(xiàn)快速衰減的趨勢(shì)。因此在Z=5 m 的分界點(diǎn)處，工況2 的超壓峰值出現(xiàn)反超的情況。而工況4 中，在Z 方向上超壓峰值始終最小，可能的原因是：當(dāng)處于該點(diǎn)火位置時(shí)，燃料參與燃燒反應(yīng)的量較小，導(dǎo)致火焰波傳播到泄爆口處的能量也較低，超壓峰值偏小。

1.2.2 泄爆口大小的影響

圖3 為在不同的泄爆口面積下，測(cè)點(diǎn)的超壓峰值分布情況。在X 負(fù)方向上，各工況之間的超壓峰值相差較小，不超過(guò)10%；而在X 正方向上，當(dāng)D=0.8 m 時(shí)，測(cè)點(diǎn)的超壓峰值最大。在Y 方向上，當(dāng)D=0.8 m 時(shí)，泄爆口處的超壓峰值達(dá)到7.8 kPa，分別比D=0.6 m 和D=1.0 m 時(shí)的大12.2%和29.3%。這是由于X、Y 方向的超壓峰值主要受內(nèi)部爆炸荷載大小、爆炸波從泄爆口傳出角度2 個(gè)因素的影響。隨著泄爆口尺寸的增大，在泄爆作用下，一方面內(nèi)部爆炸荷載隨之減小，兩者呈負(fù)反饋機(jī)制，另一方面爆炸波傳播方向更偏向地面，對(duì)于X、Y 方向的超壓是正反饋機(jī)制。所以在兩者的共同作用下，X、Y 方向的超壓峰值與泄爆口大小之間并不呈規(guī)律性變化。而在Z 方向上，D=0.6 m 時(shí)的超壓峰值最大，這是由于在Z 方向的超壓峰值主要受內(nèi)部爆炸荷載的影響，隨著泄爆口尺寸的減小，對(duì)應(yīng)的超壓峰值增大，同時(shí)受泄爆口的約束作用，其向空氣域傳播的方向也更偏向于沿Z 方向傳播。

圖3 不同泄爆口面積時(shí)的超壓峰值分布Fig.3 Peak overpressure distribution under different vent areas

1.2.3 氣云長(zhǎng)度的影響

由圖4 可知，測(cè)點(diǎn)的超壓峰值受管溝內(nèi)氣云長(zhǎng)度l 的影響。當(dāng)氣云的長(zhǎng)度為90 m 時(shí)超壓峰值最大，而氣云長(zhǎng)度為10 m 時(shí)超壓峰值最小。但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣云長(zhǎng)度為60 和40 m 時(shí)，超壓峰值與氣云長(zhǎng)度為90 m 時(shí)的相差不大。這說(shuō)明，當(dāng)氣云達(dá)到一定長(zhǎng)度后，繼續(xù)增大氣云長(zhǎng)度對(duì)超壓的影響不大?？赡艿脑蚴?，管溝內(nèi)參與燃燒反應(yīng)的氣云量有限，未能參與反應(yīng)的氣云只能通過(guò)泄爆口被排放到空氣域中稀釋，而并未參與到燃燒反應(yīng)中，因此對(duì)超壓峰值的影響有限。

圖4 不同氣云長(zhǎng)度下的超壓峰值分布Fig.4 Peak overpressure distribution under different gas cloud lengths

1.2.4 截面面積的影響

由圖5 可知，當(dāng)管溝橫截面面積S 增大2 倍時(shí)，X、Y、Z 方向上的最大超壓峰值分別增大到3.3、4.6 和4.8倍；而當(dāng)管溝橫截面面積增大3 倍時(shí)，X、Y、Z 方向上的最大超壓峰值分別增大到4.8、7.7 和6.9 倍。這是由于當(dāng)管溝橫截面面積增大時(shí)，管溝內(nèi)參與燃燒反應(yīng)的氣云量也增加，加劇了燃?xì)獗ǖ姆磻?yīng)程度，使得測(cè)點(diǎn)處的超壓峰值也變大。管溝橫截面面積變化時(shí)，Y、Z 方向的超壓峰值變化更為敏感，這是由于沖擊波在管溝內(nèi)沿X 方向有限距離傳播，而傳播到泄爆口后進(jìn)入到無(wú)限空氣域中，管溝橫截面積的影響會(huì)相對(duì)弱化。

圖5 不同橫截面面積的管溝內(nèi)燃?xì)獗ǔ瑝悍逯捣植糉ig.5 Peak distribution of gas explosion overpressure in trenches with different cross-sectional areas

2 管溝可燃?xì)怏w爆炸災(zāi)害效應(yīng)評(píng)估

選用超壓準(zhǔn)則，來(lái)評(píng)估管溝內(nèi)的爆炸沖擊波傳播到地面后對(duì)人員傷害和建筑物破壞的危險(xiǎn)距離。沖擊波超壓對(duì)建筑物的影響可以參照化工安全的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[19]，如表2 所示。本文中分別以2.07、6.90、34.50 kPa 作為爆炸沖擊波超壓造成建筑物輕度破壞、中度破壞和重度破壞的臨界值。

表2 沖擊波超壓對(duì)建筑物的影響[19]Table2 Impact of shock wave overpressure on buildings[19]

根據(jù)爆炸造成人員傷亡的不同概率，可以將爆炸危險(xiǎn)源的中心從內(nèi)向外依次可劃分為死亡區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)、安全區(qū)[8]，表3 為沖擊波超壓對(duì)人員傷害的區(qū)域劃分[3]。本文中分別以10、45、75 kPa 作為爆炸沖擊波超壓造成人員輕傷、重傷和死亡的臨界值。

表3 沖擊波超壓對(duì)人員的影響[3]Table3 Impact of shock wave overpressure on personnel[3]

2.1 沖擊波對(duì)建筑物破壞的危險(xiǎn)距離

圖6 為當(dāng)Y=0 時(shí)，沿XOZ 面爆炸沖擊波對(duì)建筑物破壞區(qū)域的剖面圖，藍(lán)色表示輕度破壞區(qū)域，紅色表示中度破壞區(qū)域，綠色表示重度破壞區(qū)域，但由于爆炸沖擊波的能量有限，在地面上并沒(méi)有出現(xiàn)重度破壞的區(qū)域。由圖可知，輕度、中度破壞區(qū)域的空間形狀并不規(guī)則，且輕度破壞區(qū)域比中度破壞區(qū)域要大得多。

圖6 可燃?xì)怏w爆炸對(duì)建筑物破壞區(qū)域的剖面圖Fig.6 Sectional view of the damage area of the building caused by the explosion of combustible gas

為了能定量分析爆炸沖擊波對(duì)建筑物造成破壞的最大危險(xiǎn)距離，匯總了不同高度處建筑物破壞區(qū)域的二維分布圖（見(jiàn)圖7）并得到最大的危險(xiǎn)距離，圖中藍(lán)色為輕度破壞區(qū)域，紅色為中度破壞區(qū)域。中度及輕度破壞區(qū)域與高度Z 有關(guān)，當(dāng)Z＞7 m 時(shí)，隨著爆炸沖擊波的衰減，并沒(méi)有出現(xiàn)中度破壞（見(jiàn)圖7(a)），隨后將其各自的等值線投影到XOY 平面（見(jiàn)圖7(b)）。

圖7 可燃?xì)怏w爆炸對(duì)建筑物破壞區(qū)域的二維分布圖Fig.7 Two-dimensional distribution of the damage area of the building caused by the explosion of combustible gas

當(dāng)Z=3 m 時(shí)，中度破壞區(qū)域的范圍最大，因此為了得到該最大危險(xiǎn)距離，畫(huà)出該高度下中度破壞的等壓力傷害線（見(jiàn)圖8)。可以得到等壓力傷害線上的點(diǎn)離泄爆口的距離互不相等，由于其沿Y 軸對(duì)稱分布，因此當(dāng)Y=0 時(shí)，等壓力傷害線與X 軸正方向的交點(diǎn)的距離為3.4 m，為中度破壞的危險(xiǎn)距離。由于在確定安全范圍時(shí)，需把不確定因素考慮在內(nèi)，因此危險(xiǎn)范圍可以擴(kuò)大為以泄爆口為圓心、半徑為3.4 m 的圓形區(qū)域。同理，當(dāng)Z=3.5 m 時(shí)，輕度破壞區(qū)域的范圍達(dá)到最大，該危險(xiǎn)距離為7.5 m。

圖8 中度破壞危險(xiǎn)范圍Fig.8 Dangerous range of moderate damage

圖9(a)為點(diǎn)火位置與危險(xiǎn)距離的關(guān)系，橙色部分為輕度破壞區(qū)域，綠色部分為中度破壞區(qū)域，紅色部分為重度破壞區(qū)域，其余部分為安全區(qū)域。由圖可知，對(duì)于任一點(diǎn)火位置，輕度破壞的危險(xiǎn)距離比中度和重度破壞要大。當(dāng)點(diǎn)火點(diǎn)位于管溝(4/8)L 處時(shí)，中度破壞和輕度破壞的危險(xiǎn)距離最大，分別為7.0 和2.8 m。而當(dāng)點(diǎn)火點(diǎn)位置位于管溝(7/8)L 處時(shí)，中度破壞和輕度破壞的危險(xiǎn)距離為零。

圖9(b)為管溝泄爆口大小與危險(xiǎn)距離的關(guān)系。當(dāng)泄爆口邊長(zhǎng)在0.6～1.0 m 的范圍時(shí)，中度破壞和輕度破壞的危險(xiǎn)距離分別在3～4、5～9 m 的范圍之間，幅度波動(dòng)不大。其中當(dāng)泄爆口的邊長(zhǎng)為0.8 m 時(shí)，中度破壞及輕度破壞的危險(xiǎn)距離最大，分別為8.6 和3.9 m；而當(dāng)泄爆口邊長(zhǎng)為0.6 m 時(shí)，中度破壞及輕度破壞的危險(xiǎn)距離最小，分別為5.2 和3.1 m。

圖9(c)為氣云長(zhǎng)度對(duì)危險(xiǎn)距離的影響。由圖可知，氣云的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，危險(xiǎn)距離就越大；但當(dāng)氣云達(dá)到一定的長(zhǎng)度后，危險(xiǎn)距離基本保持不變。

圖9(d)為管溝截面面積對(duì)危險(xiǎn)距離的影響。從圖中可得，當(dāng)管溝的截面面積越大時(shí)，輕度破壞和中度破壞的危險(xiǎn)距離也越大。當(dāng)截面面積為2 m2時(shí)，建筑物出現(xiàn)了重度破壞，其危險(xiǎn)距離為1.5 m，而當(dāng)管溝截面面積為3 m2時(shí)，重度破壞危險(xiǎn)距離達(dá)到2.4 m。

圖9 不同因素對(duì)建筑物破壞危險(xiǎn)距離的影響Fig.9 Effects of different factors on the dangerous distance for building damage

2.2 沖擊波對(duì)人員傷害的危險(xiǎn)距離

匯總不同高度處人員危險(xiǎn)距離的二維剖面圖并得到最大危險(xiǎn)距離，如圖10 所示，圖中紅色為人員輕傷區(qū)域?？梢缘玫皆诘孛嫔喜](méi)有出現(xiàn)人員的重傷區(qū)和死亡區(qū)。

圖10 人員輕傷區(qū)的二維剖面圖Fig.10 Two-dimensional section view of lightly-injured area

由于在不同高度下的人員輕傷區(qū)具有不同的危險(xiǎn)區(qū)域，因此可以得到其所對(duì)應(yīng)的等壓力傷害線，如圖11 所示。當(dāng)Z=2.9 m 時(shí)，危險(xiǎn)距離達(dá)到最大值3.2 m。

圖11 人員輕傷區(qū)危險(xiǎn)距離Fig.11 Dangerous range of minor injury zone

圖12 為點(diǎn)火位置、泄爆口大小、氣云長(zhǎng)度和管溝截面面積與人員危險(xiǎn)距離的關(guān)系，橙色部分為輕傷區(qū)，紅色部分為重傷區(qū)，其余為安全區(qū)。由圖可知，當(dāng)點(diǎn)火點(diǎn)位置位于管溝(4/8)L 時(shí)，人員受輕傷的危險(xiǎn)距離最大；而當(dāng)點(diǎn)火點(diǎn)位置位于管溝(6/8)L 和(7/8)L 處時(shí)，危險(xiǎn)距離為零。當(dāng)泄爆口大小變化時(shí)，人員輕傷的危險(xiǎn)距離基本始終在3 m 左右小幅度波動(dòng)。而當(dāng)氣云的長(zhǎng)度越長(zhǎng)時(shí)，人員輕傷的危險(xiǎn)距離增加的幅值也越小，直至危險(xiǎn)距離達(dá)到最大值。而當(dāng)管溝的截面面積越大時(shí)，人員受傷的危險(xiǎn)距離也越大。

圖12 不同因素對(duì)人員傷害危險(xiǎn)距離的影響Fig.12 Effects of different factors on dangerous distance of personal injury

3 結(jié) 論

基于FLACS 軟件對(duì)城市地下淺埋管溝可燃?xì)怏w爆炸荷載進(jìn)行了數(shù)值模擬，用超壓準(zhǔn)則評(píng)估了可燃?xì)怏w爆炸產(chǎn)生的沖擊波對(duì)建筑物破壞和人員傷害的危險(xiǎn)距離，并分析了影響因素，具體結(jié)論如下。

(1)當(dāng)點(diǎn)火點(diǎn)位置位于管溝(4/8)L 和(5/8)L 時(shí)，超壓峰值和危險(xiǎn)距離較大。

(2)當(dāng)正方形泄爆口邊長(zhǎng)為0.6～1.0 m 時(shí)，危險(xiǎn)距離的波動(dòng)范圍不大，而對(duì)離泄爆口較近處的超壓峰值影響較大。

(3)氣云的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，超壓峰值和危險(xiǎn)距離也越大，但當(dāng)長(zhǎng)度達(dá)到一定距離后，其增幅受限。

(4)管溝的截面面積越大，超壓峰值和危險(xiǎn)距離也越大。

(5)為避免管溝可燃?xì)怏w爆炸造成嚴(yán)重的后果，高聳的建筑物和聚集的人群應(yīng)遠(yuǎn)離泄爆口。