復(fù)雜地下空間交通體系連接匝道煙氣控制方案研究

姜學(xué)鵬,張鍵鴻,陳玉遠(yuǎn)

(1.武漢科技大學(xué)安全與應(yīng)急研究院,武漢,430081;2.武漢科技大學(xué)消防安全研究中心,武漢,430081;3.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢,430063)

0 引言

隨著城市的發(fā)展,出現(xiàn)了包含市政主隧道、環(huán)形通道和連接匝道的新型復(fù)雜地下交通體系。其復(fù)雜性表現(xiàn)在各個(gè)分區(qū)段的車速、車型、截面尺寸和功能等均有很大差異。當(dāng)它們組成一個(gè)交通體系時(shí),車流量大、分合流點(diǎn)多且氣流組織復(fù)雜,火災(zāi)時(shí)煙氣易竄流,人員、車輛疏散困難,救援難度大。

部分學(xué)者針對(duì)隧道交叉口位置火災(zāi)和匝道火災(zāi)進(jìn)行了相關(guān)研究。李俊梅等[1]采用 FDS 模擬研究了城市隧道匝道與主隧道不同結(jié)構(gòu)形式對(duì)煙氣運(yùn)動(dòng)的影響,提出了當(dāng)火源位于合流分岔段上游時(shí),采用主道與匝道聯(lián)合送風(fēng)的防煙策略,并分析了不同分岔角對(duì)煙氣分布規(guī)律的影響,以此優(yōu)化多匝道城市隧道排煙系統(tǒng)。李博[2]以杭州紫之隧道為研究背景,研究分析了火源位于主道、匝道不同位置時(shí)的氣流組織和人員疏散方案,同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)理論計(jì)算,確定了不同排煙區(qū)段的風(fēng)機(jī)配置方案。徐然等[3]采用數(shù)值模擬研究火災(zāi)時(shí)城市快速通道入口匝道反向通風(fēng)模式下人員疏散的安全性;結(jié)果表明,火源位置距離匝道入口處較近時(shí),直接采用反向通風(fēng)模式能夠保證人員安全疏散,反之則不然。劉琪等[4],夏之彬等[5]將排煙效率作為隧道集中排煙系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一,以此提高隧道集中系統(tǒng)排煙量設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

關(guān)于匝道火災(zāi)的研究少之又少,且主要針對(duì)與地面連接的匝道火災(zāi)煙氣對(duì)主道或人員疏散的影響,還沒(méi)有內(nèi)部連接匝道煙氣控制策略的相關(guān)研究。同時(shí)關(guān)于排煙效率的研究也多是針對(duì)長(zhǎng)直隧道重點(diǎn)排煙開(kāi)啟多個(gè)排煙口的情形下,將其作為其中一項(xiàng)控?zé)熆尚行耘卸ㄖ笜?biāo)。本文以杭州某復(fù)雜地下空間交通體系連接匝道為研究背景,提出匝道防災(zāi)排煙設(shè)計(jì)方法,再以其中二合一式連接匝道為例,采用FLUENT數(shù)值模擬其通風(fēng)排煙設(shè)計(jì)方案的有效性并推薦最佳設(shè)計(jì)方案,為同類型隧道結(jié)構(gòu)合理選擇通風(fēng)排煙方式提供依據(jù)。

1 匝道防災(zāi)排煙設(shè)計(jì)方法

1.1 分合流流速分配理論模型

1.1.1 分流(水平夾角0°≤α≤90°)

如圖1所示,由截面1-1,2-2,3-3,列出連續(xù)性方程、能量守恒方程和動(dòng)量方程如下：

圖1 分流交匯處局部示意圖Fig.1 Partial diagram of the diversion intersection

v3A3=v1A1+v2A2

(1)

(2)

P3A3cosα+R2S2sinα-R1S1sinα-R3S3sinα-

P2A2=ρA2v2(v2-v3cosα)

(3)

聯(lián)立式(1)、式(2)、式(3)解得：

(4)

由式(4)可知,當(dāng) Ⅰ送風(fēng)時(shí),夾角α越大,流入Ⅱ內(nèi)的風(fēng)速越小,若考慮煙氣的影響,則流入Ⅱ的煙氣量隨著水平夾角的增大而減少,此時(shí)控制煙氣侵入Ⅱ所需臨界風(fēng)速越小。

1.1.2 合流(水平夾角90°<α≤180°)

如圖2所示,由截面1-1,2-2,3-3,列出連續(xù)性方程、能量守恒方程和動(dòng)量方程如下：

圖2 合流交匯處局部示意圖Fig.2 Partial diagram of the confluence intersection

v1A1=v2A2+v3A3

(5)

(6)

P2A2+R1S1sinβ-R3S3sinβ-R2S2sinβ-

P1A1cosβ=ρA2v2(v1cosβ-v2)

(7)

聯(lián)立式(5)、式(6)、式(7)解得：

(8)

當(dāng)Ⅰ送風(fēng)、Ⅱ不送風(fēng)時(shí),在Ⅰ、Ⅱ 交匯處形成一定的負(fù)壓,從而導(dǎo)致Ⅱ內(nèi)形成自然風(fēng)速。若考慮煙氣的影響,由式(8)可知：流入Ⅱ的煙氣量隨著Ⅰ風(fēng)速的增大而減小,此時(shí)控制煙氣侵入Ⅱ所需臨界風(fēng)速變小。

1.2 匝道通風(fēng)排煙組織策略

根據(jù)匝道的位置關(guān)系可將其通風(fēng)排煙組織策略歸納為以下三類：

(1)上游區(qū)段聯(lián)合補(bǔ)風(fēng)+重點(diǎn)排煙,如圖3(a)所示：沿車行方向,匝道上下游分別連接兩個(gè)不同區(qū)段,火災(zāi)時(shí)開(kāi)啟下游與區(qū)段Ⅱ交接的排煙口和軸流風(fēng)機(jī)排煙,上游區(qū)段Ⅰ聯(lián)合送風(fēng)控制,開(kāi)啟射流風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)以保持風(fēng)力平衡,必要時(shí)區(qū)段Ⅱ射流風(fēng)機(jī)可反轉(zhuǎn)協(xié)同控制。

圖3 匝道火災(zāi)通風(fēng)排煙組織策略Fig.3 Ventilation and smoke exhaust organization strategy of fire of ramp

(2)補(bǔ)風(fēng)口補(bǔ)風(fēng)+重點(diǎn)排煙,如圖3(b)所示：沿車行方向,匝道上下游分別連接兩個(gè)不同區(qū)段,火災(zāi)時(shí)開(kāi)啟下游與區(qū)段Ⅱ交接的排煙口和軸流風(fēng)機(jī)排煙,開(kāi)啟上游與區(qū)段Ⅰ交接的補(bǔ)風(fēng)口軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行補(bǔ)風(fēng),同時(shí)射流風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)以保持風(fēng)力平衡,必要時(shí)區(qū)段Ⅱ射流風(fēng)機(jī)可反轉(zhuǎn)協(xié)同控制。

(3)縱向通風(fēng)+洞口排煙,匝道與地面連接,如圖3(c)所示：沿車行方向,無(wú)論是入口還是出口匝道,火災(zāi)時(shí)朝洞口方向開(kāi)啟射流風(fēng)機(jī),同時(shí)其他區(qū)段聯(lián)合送風(fēng)控制,煙氣通過(guò)洞口排出。

1.3 煙氣控制有效性判定準(zhǔn)則

匝道火災(zāi)通風(fēng)排煙有效性可總結(jié)為以下三個(gè)準(zhǔn)則：

(1)火源上游處抑制煙氣逆流,提供安全的疏散環(huán)境,即火源上游通風(fēng)風(fēng)速應(yīng)大于/等于臨界風(fēng)速;

(2)排煙口處限制煙氣外溢,將高溫?zé)煔饪刂圃诨鹪春团艧熆诜秶鷥?nèi),即煙氣蔓延距離LC60≤火源與排煙口距離L[6];

(3)系統(tǒng)排煙效率η應(yīng)不小于95%[4]。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型構(gòu)建

以杭州某復(fù)雜地下空間交通體系二合一式雙連接匝道為研究對(duì)象,較為特殊的是兩個(gè)合流匝道都有曲率且其中一個(gè)匝道有坡度,氣流組織更為復(fù)雜,采用FLUENT18.0數(shù)值模擬驗(yàn)證分析,其示意圖與全尺寸模型如圖4。

圖4 復(fù)雜地下空間交通體系示意圖Fig.4 Schematic diagram of complex underground space traffic system

2.2 參數(shù)設(shè)置

模擬煙氣流動(dòng)采用帶浮力修正的k-ε雙方程湍流模型,輻射采用DO輻射模型,并采用分離式解法中的SIMPLE算法來(lái)求解離散方程?；鹪茨Ｐ统叽鐓⒄招∑嚦叽缭O(shè)置為4.6 m×1.7 m×1.5 m[7]。鑒于計(jì)算模型結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,可采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的方法對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格尺寸決定了模型網(wǎng)格數(shù)量,理論上網(wǎng)格尺寸越小,計(jì)算模擬結(jié)果越精確,網(wǎng)格尺寸太大容易造成計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。為排除網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,通過(guò)分析得出,當(dāng)網(wǎng)格尺寸小于0.5 m時(shí),對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較小,綜合考慮計(jì)算的準(zhǔn)確度和計(jì)算時(shí)間,對(duì)火源、軸流風(fēng)機(jī)及射流風(fēng)機(jī)等關(guān)鍵位置附近采用0.25 m的網(wǎng)格加密,其他區(qū)域采用0.5 m網(wǎng)格尺寸。

此區(qū)段匝道與環(huán)形通道連接,只允許轎車通行,參考PIARC[8],考慮2輛小汽車碰撞起火,設(shè)定其火災(zāi)熱釋放速率Q為8 MW,煙氣釋放速率[9]為42.2 kg/s?；馂?zāi)燃燒產(chǎn)物成分主要為CO2和CO,其分別占總質(zhì)量的95%和5%[10]。通常汽油等易燃液體的火災(zāi)選用超快速t2穩(wěn)態(tài)火,即Q=at2[11],a為火災(zāi)等級(jí)常數(shù),取值為0.187,則火源在206.8 s內(nèi)從0 MW增加到8 MW。

火災(zāi)煙氣生成量主要取決于火源上方煙氣羽流的質(zhì)量流量。通過(guò)《Handbook of Fire Protection Engineering》[12]推薦的軸對(duì)稱型羽流模型來(lái)計(jì)算獲得：

(9)

(10)

(11)

式中：Mp為羽流質(zhì)量流量,kg/s;火源的對(duì)流熱釋放速率Qc一般取0.7Q,kW;Z1為火焰極限高度,m;Z為燃料面到煙氣層底部的高度,m;Vp為煙氣生成量(m3/s);環(huán)境溫度下氣體的密度ρ0為1.2 kg/m3;T為羽流的平均溫度(K);環(huán)境溫度T0取293 K;空氣的定壓比熱容cp取1.012 kJ/(kg·K)。經(jīng)計(jì)算可得煙羽流的平均溫度T為485.85 K,羽流體積流量Vpmax為75 m3/s。

環(huán)境溫度設(shè)為293 K,空氣密度設(shè)為1.22 kg/m3。隧道壁的粗糙度設(shè)為0.025 m,壁面設(shè)為絕熱。排煙口軸流風(fēng)機(jī)排煙量設(shè)置應(yīng)不小于煙氣生成量,其邊界條件為velocity-inlet,速度方向取負(fù)。

根據(jù)Danziger和Kennedy[13]臨界風(fēng)速公式計(jì)算得匝道臨界風(fēng)速vc為1.73 m/s,由射流風(fēng)機(jī)提供,其截面設(shè)置為FLUENT自帶的模型Fan,并合理設(shè)置升壓值ΔP。其余隧道出入口設(shè)為壓力出口pressure-outlet邊界條件。

2.3 設(shè)計(jì)方案與工況設(shè)置

當(dāng)連接匝道A或B發(fā)生火災(zāi)時(shí),其中一種方案是在合流點(diǎn)左側(cè)各設(shè)置一個(gè)排煙口,如圖5(a)所示?？紤]到此方案需開(kāi)啟兩個(gè)排煙口,會(huì)增加施工成本,根據(jù)分合流流速分配理論,當(dāng)其中一個(gè)匝道縱向通風(fēng)時(shí),交匯處形成一定的負(fù)壓,另一個(gè)匝道會(huì)形成自然防煙風(fēng)速,其次,隨著縱向風(fēng)速增大,煙氣侵入非事故匝道所需臨界風(fēng)速變小,因此提出合流點(diǎn)開(kāi)啟一個(gè)排煙口的優(yōu)化方案,如圖5(b)所示,探究此方案可行性。

圖5 連接匝道A/B設(shè)計(jì)方案構(gòu)造形式Fig.5 Design scheme structural form of ramp A/B

上游縱向通風(fēng)將煙氣全部吹向火源下游,將火災(zāi)煙氣控制在火源與下游排煙口打開(kāi)段內(nèi),下游重點(diǎn)排煙量設(shè)定需大于限制煙氣逆流通風(fēng)量且不小于煙氣生成量,如式(12);由此可確定最小排煙量為130 m3/s。具體工況設(shè)置如表1所示。

表1 工況設(shè)置表Table 1 Working condition setting

Ve≥A×vcr且Ve≥Vp

(12)

式中,Ve為重點(diǎn)排煙量(m3/s),Vp為火災(zāi)煙氣生成量(m3/s),vc為臨界風(fēng)速(m/s),A為隧道橫斷面積(m2)。

3 結(jié)果與討論

3.1 斷面風(fēng)速分析

截取穩(wěn)定時(shí)刻連接匝道A/B火源前后斷面風(fēng)速圖,如圖6、圖7所示。

圖6 連接匝道A火源前后斷面風(fēng)速圖Fig.6 Wind speed diagram of front and back sections of fire location of ramp A

圖7 連接匝道B火源前后斷面風(fēng)速圖Fig.7 Wind speed diagram of front and back sections of fire location of ramp B

由圖6、圖7可知,通過(guò)設(shè)置射流風(fēng)機(jī)參數(shù),截取穩(wěn)定時(shí)刻火源前后斷面風(fēng)速圖,結(jié)果表明斷面平均送風(fēng)風(fēng)速vs≥臨界風(fēng)速vc=1.73 m/s,能有效限制火源處煙氣逆流,保證火源上游人員安全的疏散環(huán)境。

3.2 火災(zāi)煙氣蔓延分析

穩(wěn)定時(shí)刻各工況煙氣蔓延情況如圖8、圖9所示。

圖8 T1/T3工況穩(wěn)定時(shí)刻煙氣蔓延圖Fig.8 Smoke spread at stable time of T1/T3 conditions

圖9 T2/T4工況穩(wěn)定時(shí)刻煙氣蔓延圖Fig.9 Smoke spread at stable time of T2/T4 conditions

由圖8、圖9可知：① T1/T2工況煙氣明顯未越過(guò)排煙口,煙氣很好地控制在排煙區(qū)段內(nèi),表明匝道末端各設(shè)置一個(gè)排煙口的方案是合理的;② T3/T4有部分排煙量工況煙氣侵入到非事故匝道,但隨著排煙量增大,侵入非事故匝道的煙氣量減少。是因?yàn)槭鹿试训啦捎蒙淞黠L(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)+排煙口排煙模式,當(dāng)排煙口達(dá)到一定排煙量時(shí),交匯處風(fēng)速較大,根據(jù)分合流流速分配理論模型,煙氣侵入非事故匝道臨界風(fēng)速較小,加上自然防煙風(fēng)速,煙氣才不會(huì)侵入非事故匝道。③ T3/T4不同排煙量工況均有部分煙氣越過(guò)排煙口,甚至竄流至非事故區(qū)段,這是因?yàn)楹狭魈幵O(shè)置一個(gè)排煙口時(shí),在隧道橫向范圍內(nèi)排煙口的占比較小,煙氣經(jīng)過(guò)射流風(fēng)機(jī)的縱向作用以及匝道曲率的影響,高速煙氣的頂部不能正對(duì)著排煙口,煙氣熱浮力不僅沒(méi)能促進(jìn)排煙,且排煙口抽吸力難以抵消煙氣的慣性力。隨著排煙量增大,排煙口抽吸力對(duì)煙氣的控制逐步加強(qiáng),竄流煙氣量逐漸減少。

為了判斷非事故區(qū)段人員臨界安全是否滿足要求,在越過(guò)排煙口的區(qū)域設(shè)置距隧道地面不同高度的溫度測(cè)點(diǎn),對(duì)比T3/T4不同排煙量工況排煙口附近溫度場(chǎng),結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 T1/T3工況穩(wěn)定時(shí)刻煙氣溫度圖Fig.10 Smoke temperature at stable time of T1/T3 conditions

圖11 T2/T4工況穩(wěn)定時(shí)刻煙氣溫度圖Fig.11 Smoke temperature at stable time of T2/T4 conditions

由圖10、圖11可知：① 隨排煙量增大,不同高度越過(guò)排煙口煙氣溫度呈下降趨勢(shì);② 除了排煙量130 m3/s,超過(guò)60 ℃的高溫?zé)煔獯蠖嗥≡谒淼理敳?2 m清晰高度處溫度均低于60 ℃,火災(zāi)下游段的車輛在發(fā)生火災(zāi)時(shí)繼續(xù)向前行駛進(jìn)行逃生,越過(guò)排煙口即可到達(dá)安全區(qū)域,結(jié)果表明非事故區(qū)段人員臨界安全可滿足要求,即排煙量大于160 m3/s時(shí),可認(rèn)為煙氣蔓延距離LC60≤火源與排煙口距離L。

3.3 排煙效率

通過(guò)生成的CO2量和排出的CO2量表征火源的煙氣生成量和煙氣的排出量,將排煙口的排煙效率η定義為單位時(shí)間內(nèi)該排煙口排出的CO2量占CO2生成總量的百分?jǐn)?shù)[5]。如下式(13)所示。

(13)

式中me為排煙口單位時(shí)間排出的CO2量,kg/s;mp為單位時(shí)間內(nèi)CO2生成總量,kg/s。各工況排煙量與排煙效率關(guān)系如圖12所示。

圖12 T1～T4工況排煙量與排煙效率關(guān)系圖Fig.12 The relationship of smoke exhaust and smoke exhaust efficiency of T1～T4 working conditions

由圖12可知：① T1/T3工況排煙效率分別為99.1%和98.9%,遠(yuǎn)大于95%的判定標(biāo)準(zhǔn);② 根據(jù)不同排煙量擬合出T2/T4工況排煙量與排煙效率的關(guān)系曲線,由此可知當(dāng)T2工況排煙量大于146 m3/s、T4工況排煙量大于166 m3/s時(shí),排煙效率即可滿足95%的判定標(biāo)準(zhǔn),考慮工程實(shí)際,排煙量不應(yīng)小于170 m3/s。

4 結(jié)論

復(fù)雜地下交通體系由多個(gè)部分區(qū)段組成,通過(guò)連接匝道相互連接,內(nèi)部存在多個(gè)分合流點(diǎn),氣流組織復(fù)雜。為防止火災(zāi)時(shí)煙氣在各部分間竄流,連接匝道煙氣控制方案的有效性起關(guān)鍵作用。

(1)根據(jù)連接匝道的構(gòu)造形式,提出匝道火災(zāi)通風(fēng)排煙設(shè)計(jì)方法,并應(yīng)用于工程實(shí)例;以抑制煙氣逆流臨界風(fēng)速、煙氣蔓延范圍和排煙口排煙效率作為控?zé)熡行耘卸?zhǔn)則,得到匝道末端各設(shè)置一個(gè)排煙口或合流處僅設(shè)置一個(gè)排煙口的方案均可有效保證火源下游車輛和火源上游人員的逃生安全;

(2)相比于匝道末端各設(shè)置一個(gè)排煙口的方案,合流處設(shè)置單個(gè)排煙口僅需要提高少許排煙量即可同樣滿足防災(zāi)要求,從土建成本考慮,推薦單個(gè)排煙口方案;

(3)本文提出的匝道火災(zāi)通風(fēng)排煙設(shè)計(jì)方法可推廣至同類型隧道合流結(jié)構(gòu),同時(shí)可為其排煙口布置提供借鑒。