防火分隔形式對電纜隧道火災(zāi)的影響規(guī)律研究

王 嬋,黃業(yè)勝,蔣亞強,謝 冬,朱占巍

(1.北京電力經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司,北京 100101;2.應(yīng)急管理部四川消防研究所,四川 成都 610036;3.國網(wǎng)北京市電力公司,北京 100031)

在電纜隧道中,大量電力電纜被集中敷設(shè)在隧道兩側(cè)的電纜支架上。雖然電纜的集中敷設(shè)便于檢修和更換等日常維護工作,但是電纜外護套、絕緣層中使用的聚乙烯和聚氯乙烯等可燃材料也給電纜隧道帶來了火災(zāi)隱患。如:2021年10月29日凌晨,株洲電纜廊道內(nèi)起火,消防員撲救3小時才控制火情;2022年6月2日,深圳市一橋底電纜著火,造成28條供電線路全部斷電;2023年3月30日,因電纜溝起火,山西太古高速中西山特長隧道被迫封閉。在電纜隧道中,一旦發(fā)生火災(zāi)則可能會造成巨大的經(jīng)濟財產(chǎn)損失,而且火災(zāi)引發(fā)的電力中斷也會影響社會正常的生產(chǎn)與生活。

由于電阻的存在,電纜在通電過程中不斷釋放熱量從而導(dǎo)致電纜廊道內(nèi)溫度較高。盡管電纜外護套在生產(chǎn)時添加了阻燃劑或使用交聯(lián)工藝等方法來提升其防火性能,但由于電纜的外護套和絕緣層長期處在高溫環(huán)境,因此會出現(xiàn)熱老化的情況。當(dāng)電纜老化之后,其在高溫環(huán)境下更容易燃燒。電纜自燃的原因主要有過載、絕緣層損壞、接頭故障和短路等[1]。方鴻強[2]對某城市電力電纜隧道火災(zāi)風(fēng)險進行了分析與計算,結(jié)果顯示電纜隧道的火災(zāi)風(fēng)險值為2.23×10-2根/年。法國核安全研究所(IRSN)研究發(fā)現(xiàn),在電纜廊道這種受限空間內(nèi)電纜的燃燒持續(xù)時間更長,并且電纜支架靠近墻壁時熱釋放速率的增長速度更快[3]。除此之外,電纜燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庋刂鹊理斉飻U展并加熱未燃區(qū)域的電纜,極易引發(fā)火焰的蔓延[4]。

針對電纜隧道火災(zāi)風(fēng)險,前人提出了很多提升電纜隧道火災(zāi)風(fēng)險防控能力的方法,主要開展了主動防火和被動防火兩方面的研究工作。主動防火技術(shù)主要是通過使用超細(xì)干粉滅火裝置、細(xì)水霧滅火系統(tǒng)和壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)等自動滅火設(shè)施來撲滅電纜火災(zāi)[5];而針對被動防火技術(shù),前人主要圍繞隧道斷面防火分隔與防火封堵開展了研究。我國現(xiàn)行規(guī)范《電力工程電纜設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 20217—2018)[6]7.0.2條規(guī)定“長距離電纜溝、隧道及架空橋架相隔100 m處,或隧道通風(fēng)區(qū)段處,廠、站外相隔約200 m處,宜設(shè)置防火墻或阻火段”;《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50838—2015)[7]5.1.4條規(guī)定“綜合管廊(包含電纜艙)內(nèi)每隔200 m應(yīng)設(shè)置防火墻、甲級防火門、阻火包等進行防火分隔”;《建筑防火通用規(guī)范》(GB 55037—2022)[8]10.2.3條中規(guī)定“室外電纜溝或電纜隧道在進入建筑、工程或變電站處應(yīng)采取防火分隔措施,防火分隔部位的耐火極限不應(yīng)低于2.00 h,門應(yīng)采用甲級防火門”。

直觀上來看,對電纜隧道每隔一定距離設(shè)置防火分隔,可阻止火災(zāi)規(guī)模的擴大。但由于設(shè)置防火分隔后,可能會對電纜隧道中的自動巡檢設(shè)備造成不便,因此在實際工程中對于防火分隔的具體形式存在較大的差異,甚至在部分地區(qū)未對隧道斷面采取任何防火分隔措施。前人對不同分隔形式下電纜隧道火災(zāi)的演變規(guī)律進行了相關(guān)研究。如:耿德望[9]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),兩端封閉的電纜艙中火災(zāi)的自熄滅時間隨著火源功率的增加而減小;吳照國等[10]開展了電纜隧道封堵形態(tài)對電纜隧道火災(zāi)蔓延影響的數(shù)值模擬研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在電纜隧道的端口封堵比例超過3/4時火源會熄滅;吳執(zhí)等[11]研究發(fā)現(xiàn)在一端封閉的電纜隧道中,火源越靠近封堵位置,煙氣填滿整個電纜隧道的速度越快。

雖然前人已針對電纜隧道防火分隔開展了部分研究,但針對火災(zāi)規(guī)模較大的電纜隧道極端火災(zāi)情況下分隔封堵效果尤其是實際工程中常見的電纜隧道斷面局部分隔形式的效果缺乏深入的對比分析研究。因此,本文采用數(shù)值模擬方法對無防火分隔時不同火源規(guī)模(通過調(diào)整電纜燃燒區(qū)長度來調(diào)節(jié))對電纜隧道內(nèi)火災(zāi)發(fā)展的影響規(guī)律以及不同分隔形式對電纜隧道火災(zāi)蔓延的影響規(guī)律進行研究,以為電纜隧道防火分隔的工程設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)值模擬方法

電纜廊道可以長達幾公里,甚至幾十公里。由于電纜廊道處于地下,其空間狹小,難以在電纜隧道內(nèi)開展大規(guī)模的全尺寸火災(zāi)試驗,因此數(shù)值模擬方法就成為了一種預(yù)測電纜火災(zāi)時隧道內(nèi)的溫度和煙氣濃度等特征場分布的重要手段。FDS(Fire Dynamics Simulator)軟件是美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院開發(fā)的火災(zāi)模擬軟件,可用于模擬低馬赫數(shù)時的燃燒過程[12]。FDS軟件將大渦模擬作為默認(rèn)的湍流模型,能夠區(qū)分大尺度湍渦和小尺度湍渦,其對湍流亞網(wǎng)格模型默認(rèn)采用了修正的Deardorff模型?；馂?zāi)中的高溫?zé)煔馀c壁面接觸時將會產(chǎn)生對流換熱,造成煙氣熱量損失,因此煙氣層接觸壁面區(qū)域的溫度相對較低。當(dāng)選用大渦模擬方法時,FDS軟件采用了經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀嬎惚诿鎿Q熱,并使用經(jīng)典的自然對流和強迫對流關(guān)聯(lián)式來確定壁面對流換熱系數(shù)。

FDS軟件在電纜火災(zāi)和電纜隧道火災(zāi)模擬中得到了廣泛的應(yīng)用。如:高琪等[13]使用FDS軟件對綜合管廊內(nèi)的電纜火災(zāi)進行了數(shù)值模擬,并闡述了火源功率和火源位置等因素對溫度分布等火災(zāi)特征參數(shù)的影響規(guī)律;黃萍等[14]使用FDS軟件對綜合管廊電纜火災(zāi)細(xì)水霧滅火效果進行了數(shù)值模擬;陳立清[15]使用FDS軟件對不同通風(fēng)和排煙方式對廊道內(nèi)煙氣的影響進行了數(shù)值模擬,結(jié)果發(fā)現(xiàn)火災(zāi)后采用機械進風(fēng)和機械排煙的方式有很好的排煙效果;Tilley等[16]使用FDS軟件對小尺寸隧道火災(zāi)進行了數(shù)值模擬,結(jié)果發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果非常符合;Roh等[17]利用FDS軟件預(yù)測得到的隧道火災(zāi)中煙氣回流情況與試驗測量值有很好的一致性。經(jīng)過很多學(xué)者和科研機構(gòu)的驗證,FDS軟件已在火災(zāi)科研領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用和認(rèn)可,因此本文使用FDS軟件對電纜隧道火災(zāi)進行數(shù)值模擬研究。

根據(jù)某實際工程的設(shè)計方案,電纜隧道內(nèi)使用交聯(lián)聚乙烯絕緣聚乙烯護套電纜,電纜的可燃物主要是聚乙烯(PE)。在數(shù)值模擬中,電纜隧道的尺寸與實際電纜隧道相同,凈寬2.0 m,起拱線高1.85 m,矢高0.45 m,凈高2.3 m;電纜隧道墻壁厚度為0.25 m,材質(zhì)為混凝土;隧道兩側(cè)電纜支架寬度為0.5 m;模擬計算的電纜隧道長度為250 m。電纜隧道結(jié)構(gòu)示意圖,如圖1所示。

圖1 電纜隧道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of cable tunnel

聚乙烯燃燒過程中的一氧化碳和碳煙的產(chǎn)率分別為0.024和0.06[18],其燃燒熱為43.6 kJ/g。在模擬設(shè)置中,燃燒反應(yīng)的方程式為

C2H4+2.86O2+2.86×3.76N2→0.13C+0.02CO+1.85CO2+2H2O+10.75N2

2012年,美國核管理委員會對多層電纜進行了火蔓延實驗研究,發(fā)現(xiàn)熱固性電纜每單位面積的熱釋放速率為100～200 kW/m2[19]。交聯(lián)聚乙烯屬于熱固性材料,所以本文中電纜每單位面積的熱釋放速率取200 kW/m2。為了探究不同火災(zāi)規(guī)模下電纜隧道火災(zāi)的發(fā)展規(guī)律,火源長度取值從5 m到30 m,無防火分隔時的模擬工況如表1所示。熱釋放速率的增長時間按照t2火進行計算,火源增長系數(shù)按照快速火取0.046 9,每一層電纜的熱釋放速率增加到600 kW時所需的時間為113 s。

表1 無防火分隔的模擬工況

本文在設(shè)計隧道斷面防火分隔形式時,考慮到運營人員與巡檢設(shè)備的通行需求,使得在局部分隔工況下確保電纜隧道中間預(yù)留有人員通行的空間,這種設(shè)計方案也與部分實際工程案例中的形式保持一致。本文采用防火分隔時的模擬工況,如表2所示。隧道縱向兩個防火分隔之間的間隔是200 m,電纜支架厚度5 cm,電纜支架之間的間距為37 cm。

表2 采用防火分隔的模擬工況

本次數(shù)值模擬在電纜支架中央設(shè)置溫度切片來監(jiān)測火災(zāi)過程中的溫度演化,在距離火源中心100 m處設(shè)置溫度和入射熱流測量點。在火災(zāi)過程中,煙氣與壁面接觸時將會產(chǎn)生對流換熱,造成煙氣熱量損失,因此接觸壁面區(qū)域的溫度相對較低。由于本文的研究沒有涉及到煙氣的定量計算,因此忽略了這部分的對流熱損失。在數(shù)值模擬中,網(wǎng)格尺寸的劃分和電纜廊道長度的選取會對最終的模擬結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。因此,為了消除網(wǎng)格尺寸和電纜廊道長度對電纜隧道火災(zāi)數(shù)值模擬結(jié)果的影響,本文開展了如下的敏感性分析。McGrattan等[12]提出了用于估算網(wǎng)格精度的方法,推薦D*/δx的值在4至16之間(其中D*為火源的特征長度;δx為網(wǎng)格尺寸)?；鹪吹奶卣鏖L度可以使用以下公式進行計算:

(1)

因此,本次數(shù)值模擬網(wǎng)格尺寸的取值范圍可在0.19～0.76 m之間,本次模擬網(wǎng)格設(shè)置為邊長0.2 m的立方體。

2 結(jié)果與討論

2.1 無防火分隔時電纜隧道火災(zāi)發(fā)展規(guī)律分析

電纜隧道結(jié)構(gòu)狹長、橫截面小,火災(zāi)發(fā)生后煙氣會沿著隧道拱頂向遠火端蔓延。圖2展示了無防火分隔條件下火源長度為5 m時,電纜隧道內(nèi)溫度分布隨時間的變化規(guī)律。溫度切片的位置為著火電纜支架的中心,電纜隧道長度為250 m。在圖2中,黑線代表100 ℃等溫線,被黑線包裹的中間區(qū)域溫度高于100 ℃,黑線之外區(qū)域的溫度低于100 ℃。隨著燃燒時間的增加,高溫區(qū)域的面積隨著煙氣的擴散逐漸增大,并在500 s左右達到峰值。由圖2可以看出,電纜燃燒長度在5m左右時,高溫區(qū)域的長度非常有限。因此,在實際工程中若能有效控制火災(zāi)規(guī)模,并結(jié)合采用阻火包帶等方式阻止火焰沿電纜蔓延的措施,即使不設(shè)置防火分隔也能確保遠火端的電纜不會被高溫?zé)煔庖肌?/p>

圖2 無防火分隔條件下火源長度為5 m時電纜隧道內(nèi) 溫度分布隨時間的變化規(guī)律Fig.2 Temperature distribution with time in the cable tunnel with 5 m fire source without fire partition

圖3是無防火分隔條件下火源長度為5 m時距離火源中心100 m處電纜支架上方的溫度和入射熱流隨時間的變化規(guī)律。

圖3 無防火分隔時距離火源100 m處電纜支架上方的溫 度和入射熱流隨時間的變化規(guī)律(火源長度為5 m)Fig.3 Temperature and incident heat flux with time above the cable support at a distance of 100 m from the fire source (fire source of 5 m) without fire partition

由圖3可知,在整個燃燒過程中,距離火源100 m處的溫度最高值為40 ℃,入射熱流最高值為0.47 kW/m2。通常情況下,電纜外護套材料交聯(lián)聚乙烯能夠耐受超過170 ℃的高溫[20]。電纜外護套材料交聯(lián)聚乙烯是熱塑性材料,至少需要6 kW/m2的熱流密度才能將其引燃[19]。溫度與入射熱流的峰值上升的幅度很小,再次表明如果能夠及時控制火災(zāi)規(guī)模,距離火源較遠區(qū)域的煙氣溫度遠遠低于電纜的臨界引燃條件。

電纜隧道內(nèi)的熱釋放速率隨著火源長度的增長而增大,電纜隧道內(nèi)的高溫區(qū)域長度也隨之呈現(xiàn)出逐漸增長的趨勢,頂棚射流的蔓延速度也隨之增快。無防火分隔時不同火源長度下煙氣到達距火源中心100 m處的時間,見圖4。

圖4 無防火分隔時不同火源長度下煙氣到達距火源 中心100 m處的時間Fig.4 Time for smoke to reach 100 m from the center of the fire for different fire source lengths (without fire partition)

由圖4可知,無防火分隔時煙氣到達距火源中心100 m處的時間隨著火源長度的增加而減小。

受電纜隧道空間形式的限制,當(dāng)火源長度較大時,電纜燃燒對氧氣的需求將無法得到充分滿足。這是因為熱釋放速率較大時可燃物對氧氣的需求量增加,且火源附近的高溫區(qū)域壓力較大地阻止了新鮮空氣向火源的流動。當(dāng)氧氣供應(yīng)無法滿足電纜的充分燃燒時,熱解產(chǎn)物會在隨高溫?zé)煔庀蛲鈹U散的過程中與下部新鮮空氣發(fā)生摻混,當(dāng)達到適當(dāng)條件時又會重新燃燒,導(dǎo)致火焰向遠離火源的區(qū)域游走。如圖5所示,無防火分隔條件下,火源長度為10 m時隧道中部的燃燒在780 s時開始衰弱,之后由于缺乏氧氣,火焰向隧道兩端游走。

圖5 無防火分隔條件下火源長度為10 m時電纜隧道內(nèi) 溫度分布隨時間的變化規(guī)律Fig.5 Temperature distribution with time in the cable tunnel with 10 m fire source (without fire partition)

圖6展示了無防火分隔條件下隧道中央不同高度處以及與火源中心不同距離處的氧氣濃度演化規(guī)律。如圖6(a)所示,在火焰開始游走時,電纜隧道中央底部區(qū)域的氧氣濃度快速下降至7%左右,表明隧道中央?yún)^(qū)域已經(jīng)無法滿足電纜燃燒的需求。因此,如圖6(b)所示,隨著煙氣蔓延和火焰游走,與隧道中央較遠的區(qū)域氧氣濃度也開始迅速下降。由于隧道結(jié)構(gòu)的限制,電纜燃燒產(chǎn)生的煙氣無法快速排出,這將會加速廊道內(nèi)火災(zāi)蔓延的速度。電纜隧道的火災(zāi)蔓延通常認(rèn)為有兩種方式,一是火焰通過電纜自身沿水平方向自由蔓延;另一種方式是隧道頂部的高溫?zé)煔馔ㄟ^輻射和對流的方式傳遞熱量從而引燃電纜。但本節(jié)的研究發(fā)現(xiàn),要阻止火災(zāi)規(guī)模的擴大,不僅要抑制火焰沿電纜的蔓延,也要控制因隧道內(nèi)缺氧造成的火焰游走。

圖6 無防火分隔時隧道中央不同高度處以及與火源 中心不同距離處的氧氣濃度演化規(guī)律Fig.6 Evolution of oxygen concentration at different heights in the center of the tunnel and at different distances from the center of the fire source (without fire partition)

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),燃燒電纜越長,隧道內(nèi)會更快處于燃燒缺氧狀態(tài),因此就會越早出現(xiàn)游走燃燒。如圖7所示,無防火分隔條件下,火源長度為30 m時隧道中部的燃燒區(qū)域在139 s達到峰值狀態(tài),之后由于氧氣供應(yīng)不足,燃燒形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變,火焰于244 s時出現(xiàn)明顯的游走燃燒。

圖7 無防火分隔條件下火源長度為30 m時電纜隧道內(nèi) 溫度分布隨時間的變化規(guī)律Fig.7 Temperature distribution with time in the cable tunnel with 30 m fire source (without fire partition)

2.2 防火分隔條件下電纜隧道火災(zāi)發(fā)展規(guī)律分析

根據(jù)電纜隧道相關(guān)規(guī)范的規(guī)定,并結(jié)合實際工程案例中的常見做法,本文設(shè)置了三種防火分隔形式。同時,為了探究游走火在不同防火分隔條件下的蔓延情況,本文考慮極端條件下的電纜火災(zāi),以下三個模擬工況中電纜燃燒長度均設(shè)置為30 m。如2.1節(jié)所介紹的燃燒特性,在這種最不利工況下游走火極易產(chǎn)生。因此,本文通過設(shè)置不同的防火分隔形式,研究不同分隔形式對火焰沿電纜表面蔓延以及火焰游走行為的抑制效果。

只分隔電纜支架情況下的防火分隔示意圖,如圖8所示。這種防火分隔是為了阻止火焰沿著電纜表面發(fā)生縱向自由蔓延,防火分隔的寬度剛好為電纜支架的寬度,分隔區(qū)間的距離為200 m。

圖8 只分隔電纜支架情況下的防火分隔示意圖Fig.8 Schematic diagram of fire partition in the case of cable supports partitioned only

只分隔電纜支架情況下電纜隧道內(nèi)溫度分布隨時間的變化規(guī)律,如圖9所示。

圖9 只分隔電纜支架情況下電纜隧道內(nèi)溫度分布隨 時間的變化規(guī)律Fig.9 Change of temperature distribution with time in the cable tunnel with only cable supports partitioned

由圖9可以看出,即使防火分隔阻斷了火焰沿電纜表面發(fā)生縱向蔓延的路徑,但火焰也會在隧道中部缺氧的狀態(tài)下向防火分隔處游走,導(dǎo)致防火分隔之外的區(qū)域溫度顯著升高。這主要是因為,當(dāng)在電纜隧道的橫斷面增設(shè)局部防火分隔后,空氣向火源區(qū)域的流動進一步受到限制,火源區(qū)的可燃物也更難得到充足的氧氣供應(yīng),因此火焰逐漸向防火分隔部位游走,并在防火分隔區(qū)域之外形成了高溫燃燒區(qū)?？梢?對電纜支架進行局部防火分隔并不能阻止火災(zāi)規(guī)模的擴大。

分隔電纜支架和隧道拱頂情況下的防火分隔示意圖,如圖10所示。與只分隔電纜支架的防火分隔方式相比,分隔電纜支架和隧道拱頂情況下的分隔方式不僅可阻止火焰沿著電纜表面發(fā)生縱向自由蔓延,而且隧道頂部區(qū)域的分隔還可形成蓄煙空間,可延緩煙氣向其他區(qū)域擴散的速度。

圖10 分隔電纜支架和隧道拱頂情況下的防火分隔 示意圖Fig.10 Schematic diagram of fire separation in the case of cable supports and vaults partitioned

分隔電纜支架和隧道拱頂情況下電纜隧道內(nèi)溫度分布隨時間的變化規(guī)律,如圖11所示。

圖11 分隔電纜支架和隧道拱頂情況下電纜隧道內(nèi)溫度 分布隨時間的變化規(guī)律Fig.11 Temperature distribution with time in the cable tunnel with partitioned cable supports and vaults

由圖11可以看出,分隔電纜支架和隧道拱頂方式下的阻隔效果與只分隔電纜支架時類似,隧道中部的燃燒在持續(xù)一段時間后,火焰逐漸游走擴散到防火分隔區(qū)域外的部位。

由于防火分隔處在煙氣和火焰沿隧道表面縱向蔓延的路徑上,因此電纜支架和隧道拱頂區(qū)域的局部防火分隔都能對煙氣和火焰的蔓延形成阻礙(圖12)。但由于防火分隔限制了空氣向火源區(qū)域的流動,因此防火分隔的存在反而會增大火焰游走的速度,加速電纜隧道內(nèi)部的火災(zāi)發(fā)展(圖13)。由圖13可知,火焰從隧道中部初始位置游走至防火分隔(與火源中心相距100 m)處,在無防火分隔時需要645.4 s,但在分隔電纜支架和隧道拱頂區(qū)域后需606.8 s,而僅分隔電纜支架區(qū)域后需604.6 s。從火源端點到防火分隔處共85 m,通過計算可知無防火分隔時火焰游走的平均速度為0.13 m/s,只分隔電纜支架以及分隔電纜支架和隧道拱頂時火焰平均游走速度均約為0.14 m/s。這反映出局部防火分隔對煙氣和火焰的阻隔作用存在局限性,雖然在火災(zāi)初期對高溫?zé)煔獾穆悠鸬搅艘欢ǖ淖璧K作用,但同時又會阻礙隧道下部新鮮空氣的供應(yīng),在火災(zāi)中后期使得高溫未燃組分在遠離初始火源、氧氣更加充足的部位燃燒,直觀表現(xiàn)為火焰加速向其他區(qū)域游走。

圖12 防火分隔對煙氣和火焰的阻隔作用Fig.12 Effect of fire partition on the barrier of smoke and flame

圖13 防火分隔對火焰游走速度的影響Fig.13 Effect of fire partition on flame travelling speed

針對隧道斷面局部分隔的不足,本文使用不燃材料對電纜隧道的橫斷面進行全部分隔,其示意圖如圖14所示。

圖14 電纜隧道全斷面分隔的防火分隔示意圖Fig.14 Schematic diagram of the entire cable tunnel section completely partitioned

對整個電纜隧道的橫斷面進行全部分隔之后,隧道內(nèi)溫度分布隨時間的變化規(guī)律如圖15所示。由于整段電纜隧道被封閉,在整個隧道空間內(nèi)的氧氣質(zhì)量固定,因此燃燒在達到峰值之后逐漸衰減,電纜隧道內(nèi)的高溫區(qū)域也隨之逐漸縮減,直至電纜隧道內(nèi)的氧氣被完全消耗,火源熄滅,電纜隧道內(nèi)的溫度也逐漸降至常溫。

圖15 電纜隧道全斷面分隔時溫度分布隨時間的變化 規(guī)律Fig.15 Evolution of the temperature with time when the entire cable tunnel section is completely partitioned

從以上對三種防火分隔形式的分析結(jié)果可以看出,在分隔電纜支架和隧道拱頂?shù)那闆r下,雖然形成了阻斷火焰沿電纜表面蔓延的縱向物理空間,但由于大量高溫未燃熱解組分向遠離火源的區(qū)域遷移,火焰會沿著電纜隧道向防火分隔之外的區(qū)域游走,并在防火分隔之外形成高溫區(qū)域,造成火勢的蔓延,而只有在電纜隧道全斷面分隔的情況下才能使火焰自熄滅。

2.3 電纜隧道內(nèi)關(guān)鍵部位特征溫度對比分析與工程設(shè)計建議

通過上述對整個隧道空間內(nèi)的溫度場分析可知,不同的防火分隔形式對抑制電纜隧道火災(zāi)的效果不同。本節(jié)將進一步選取電纜隧道內(nèi)關(guān)鍵部位的特征溫度開展進一步的對比分析。圖16展示了在電纜初始燃燒長度為30 m時,不同分隔形式下隧道中央距地面2.1 m處的溫度隨時間的變化曲線。

圖16 電纜初始燃燒長度為30 m時不同分隔形式下隧道 中央距地面2.1 m處溫度隨時間的變化曲線Fig.16 Temperature variation curves with time at the center of the tunnel 2.1 m above the ground under different partition layout with an initial burning length of 30 m

由圖16可以看出:受電纜支架和隧道拱頂區(qū)域防火分隔的限制影響,煙氣流出量減小導(dǎo)致電纜隧道內(nèi)部對流熱損失減少,因此該條件下的溫度峰值最高,但實施局部分隔后,火焰向初始燃燒區(qū)外游走的時間較早,因此隧道中部的溫度比無分隔時下降更早;在隧道全斷面分隔的情況下,由于沒有煙氣流出和空氣流入,分隔區(qū)間內(nèi)的對流熱損失進一步降低,因此在隧道全斷面分隔情況下燃燒區(qū)頂部的溫度下降最晚。

對于不同的分隔形式,穩(wěn)定燃燒情況下(150 s之前)隧道頂棚最高溫度隨離火源中心距離的演化規(guī)律,如圖17所示。在分隔電纜支架和隧道拱頂區(qū)域以及隧道全斷面分隔的工況中,距離火源中心100 m以外的區(qū)域被隔墻阻擋,因此沒有納入頂棚溫度分析。

圖17 不同分隔形式下隧道頂棚最高溫度隨距離火 源中心距離的演化規(guī)律Fig.17 Evolution of the maximum tunnel ceiling temperature with distance from the center of fire source under different partition layout

由圖17可以看出:在相同的燃燒長度下,局部防火分隔的存在會使隧道頂棚溫度明顯升高,尤其在隧道中心處,分隔電纜支架和隧道拱頂區(qū)域后,隧道頂棚最高溫度比無防火分隔時高94 ℃,這可能是由于該工況下隧道頂部具有一定的蓄煙蓄熱能力所致;隨著與初始燃燒火源的距離增大,各工況下隧道頂棚最高溫度趨于一致。

通過上述分析并結(jié)合2.2節(jié)可以看出,在電纜隧道極端火災(zāi)條件下(電纜初始燃燒長度大于30 m),對隧道斷面的局部防火分隔方式一方面可導(dǎo)致分隔區(qū)域內(nèi)的最高溫度升高,但另一方面也會導(dǎo)致分隔區(qū)域內(nèi)的高溫持續(xù)時間縮短,總體上對分隔區(qū)域內(nèi)的熱危害影響不大,但此類分隔方式更大的潛在危害在于可加速火焰向分隔區(qū)域外游走,進而可能快速引燃距初始燃燒部位較遠處的電纜。因此,在實際電纜隧道工程中,首先應(yīng)考慮采取配置自動滅火設(shè)施等措施來控制火災(zāi)規(guī)模,避免出現(xiàn)大范圍極端火蔓延情況;然后還應(yīng)考慮自動滅火失效后,通過合理設(shè)置防火分隔來形成第二道防線,防止電纜火災(zāi)沿隧道縱向出現(xiàn)大范圍蔓延,在本文考慮的電纜極端火條件下,對隧道斷面的局部防火分隔不能阻斷火焰游走,因此在電纜隧道的消防設(shè)計中,建議盡量采用隧道全斷面分隔的方式來實現(xiàn)有效的防火分隔;若需考慮人員或設(shè)備的通行需要,可在防火隔墻上開設(shè)具有相應(yīng)耐火極限的防火門。

3 結(jié) 論

本文通過數(shù)值模擬方法研究了不同火源長度下的電纜隧道火災(zāi)發(fā)展規(guī)律,分析了三種防火分隔形式對抑制電纜隧道火災(zāi)發(fā)展的影響規(guī)律。得到主要研究結(jié)論如下:

1) 在電纜隧道火災(zāi)中,電纜燃燒長度越大,高溫?zé)煔夂突鹧娴穆铀俣仍娇?也越容易出現(xiàn)游走燃燒。電纜燃燒長度為5m時,火災(zāi)一直處于局部燃燒,未發(fā)生大范圍蔓延;但當(dāng)電纜燃燒長度增加到10 m以上時,隧道中部的燃燒區(qū)由于不能獲得充足的氧氣供應(yīng),會使得火焰向隧道兩端快速游走,導(dǎo)致電纜隧道內(nèi)部更多的區(qū)域處于高溫環(huán)境。

2) 對隧道橫斷面采取局部防火分隔可對煙氣的擴散起到一定的限制作用,但同時防火分隔也進一步限制了空氣向火源區(qū)域的流動,反而會促使火焰更早開始向外游走。只分隔電纜支架區(qū)域以及分隔電纜支架和隧道拱頂區(qū)域時,火焰游走的平均速度約為0.14 m/s,在相同情況下無防火分隔時火焰游走的平均速度約為0.13 m/s。

3) 對于較大規(guī)模的極端電纜火災(zāi),對隧道橫斷面的局部分隔雖然能在一定程度上抑制火災(zāi)初期煙氣的蔓延,但由于存在游走火機制,在火災(zāi)中后期無法阻止火災(zāi)的快速蔓延,只有隧道全斷面完全分隔才能使火焰自熄滅。

4) 若實際工程中無法對電纜隧道實施全斷面分隔封堵,則應(yīng)采用自動滅火設(shè)施等消防技術(shù)措施來控制電纜火災(zāi)熱釋放速率,防止火焰游走導(dǎo)致的大規(guī)模極端火災(zāi)出現(xiàn),盡量避免出現(xiàn)電纜隧道極端火情況,從而最大程度地降低火災(zāi)造成的危害。