于曉波

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600)

1 概述

隨著近些年來國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，我國的城市化進度進一步加快，交通壓力也持續(xù)增加，我國公路、水下隧道逐步向超長，多車道的趨勢發(fā)展。隨著隧道的數(shù)量以及長度的日益增加，車輛載重、交通密度也伴隨著與日俱增，隧道內(nèi)的火災(zāi)危險性也逐步呈現(xiàn)上升的趨勢[1-2]。而當(dāng)火災(zāi)發(fā)生的過程中，煙氣是非常重要的危害因素之一。鑒于隧道工程其結(jié)構(gòu)的特殊性，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生的時候，很難有條件進行自然排煙，因此將產(chǎn)生大量的高溫有毒煙氣，這將對隧道內(nèi)的人員、結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅，同時還會影響隧道內(nèi)部的氣流，造成氣流紊亂，煙氣還將降低隧道內(nèi)部的能見度，進而影響人員的撤離，且對救援工作產(chǎn)生極大的妨礙[3-5]。因此，如何有效地控制煙氣是隧道火災(zāi)防控的重要課題之一，也是隧道內(nèi)消防控制系統(tǒng)設(shè)計的重要工作環(huán)節(jié)[6-7]。

側(cè)向集中排煙系統(tǒng)采用了煙氣分離的排放原理，這種排煙方式近些年來被越來越多的科研、設(shè)計人員所關(guān)注[8-10]。例如：2012年，潘一平等通過采用數(shù)值模擬計算的方法，分析排煙閥的設(shè)置間距在集中排煙模式中對于排煙效率的影響。2016年，姜學(xué)鵬等[11]通過建立1∶20的縮比例模型，采用集中排煙系統(tǒng)設(shè)計方案進行試驗，分別對3 m和5 m兩種排煙口的設(shè)置間距進行試驗研究，該試驗結(jié)果表明，在此縮尺模型中，兩種排煙口設(shè)置間距均能滿足隧道火災(zāi)工況時的安全排煙需要，排煙效果的差異較小。

針對隧道側(cè)向集中排煙系統(tǒng)如何合理設(shè)計排煙閥設(shè)置間距的問題，本文以蘇震桃太湖隧道為例，分析其排煙系統(tǒng)工程實際，利用FDS模擬軟件建立排煙系統(tǒng)工況的隧道數(shù)值模型，并通過定量分析隧道內(nèi)2 m高度處50 MW火災(zāi)規(guī)模下的溫度場、能見度、CO濃度、煙氣蔓延范圍，以及排煙道內(nèi)的流速場，排煙閥的流速場、排煙閥的溫度場、排煙效率等排煙效果指標(biāo)，分析當(dāng)采用不同的排煙閥間距時，對于隧道內(nèi)排煙效果的影響規(guī)律，進而確定合理的排煙閥設(shè)置間距，為后續(xù)同類隧道采用集中排煙系統(tǒng)時的排煙閥間距的設(shè)計提供參考和理論依據(jù)[12-15]。

2 數(shù)值模型

2.1 模型設(shè)置及網(wǎng)格劃分

本文采用FDS數(shù)值模擬軟件進行分析模擬研究，F(xiàn)DS(Fire Dynamics Simulator)是由美國國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局(NIST)開發(fā)的一種基于場模擬的火災(zāi)模擬計算軟件[16]，目前在消防工程領(lǐng)域被廣泛使用。該軟件可用于模擬火災(zāi)工況時溫度場、流場變化、煙氣蔓延流動特性等的模擬分析研究[17-18]，F(xiàn)DS軟件利用大渦模擬(LES)來解決雷諾應(yīng)力方程[19]。

本文以蘇震桃太湖隧道為模型，利用FDS建立數(shù)值模型，模型中的環(huán)境溫度設(shè)置為20 ℃，壓強設(shè)置為101 kPa，模擬時長按600 s執(zhí)行。模擬計算時選取隧道內(nèi)中部一段空間，該空間長1 000 m，寬17 m，高8 m；對應(yīng)的排煙道長1 000 m，寬5 m，高3 m；排煙閥長4 m、寬2 m(面積8 m2)，且排煙閥的長邊與隧道的縱向水平；火源點設(shè)置在所選隧道的中心位置，火源的面積按10 m2考慮，按50 MW/m2熱釋放速率考慮，火災(zāi)增長方式按1 s達到穩(wěn)定進行模擬。流速測點、熱電偶等設(shè)置在隧道頂棚下0.5 m的地方，并在隧道內(nèi)的縱向按間隔10 m進行設(shè)置；同理，在排煙道的中心位置設(shè)置流速測點及熱電偶，間隔同樣按沿排煙道縱向方向10 m設(shè)置。本文以火源點為中心，在距火源40 m處設(shè)置1列熱電偶樹。隧道剖面圖見圖1。

在FDS的數(shù)值模擬過程中，網(wǎng)格的分辨率越高，模擬精度也越高，對于火災(zāi)模擬，火源區(qū)域內(nèi)對網(wǎng)格密度最為敏感，因此提高火源區(qū)域的網(wǎng)格密度，可以有效保證計算結(jié)果的精確程度[20-21]，因此，本文采用局部加密火源區(qū)域網(wǎng)格的方式進行數(shù)值模擬研究，該方法可以有效控制計算時間，并能提高計算精度。本文重點研究火源2 m高度處，火源點前后150 m,180 m,210 m處的關(guān)鍵參數(shù)，因此在網(wǎng)格劃分時，對此區(qū)域進行網(wǎng)格加密以提高結(jié)果的精準(zhǔn)程度。

2.2 工程設(shè)置

本文模擬分析50 m,60 m,70 m三種不同排煙閥間距時的火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律及煙氣控制效果，以確定合理的排煙閥間距。具體模擬工況火災(zāi)荷載、排煙量、排煙閥間距、排煙閥面積、開啟組數(shù)、火源位置等詳如表1所示。

表1 排煙閥間距研究工況設(shè)置情況一覽表

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 隧道內(nèi)溫度分布規(guī)律

E01～E03工況溫度分布規(guī)律如圖2～圖4所示。

當(dāng)50 MW火源功率時，隧道內(nèi)2 m高度處的溫度變化曲線圖可以得出，側(cè)向排煙系統(tǒng)模式下，在距地面2 m高處的溫度分布規(guī)律相同。在所選三種工況情況下，最高溫度值均位于火源正上方的2 m高度處。

由以上各工況2 m高度處的溫度分布規(guī)律曲線圖可知，隧道內(nèi)縱向距地面2 m高度處的氣體高溫區(qū)域均緊靠火源處分布，且在沿縱向兩側(cè)距火源10 m范圍外迅速降低，表明側(cè)向排煙系統(tǒng)模式下，隧道空間的煙氣分層效果較好，且煙氣能夠在一定范圍內(nèi)通過排煙口進入排煙道。

對比E01，E02，E03三種工況可知，不同排煙閥間距下2 m高度處的溫度分布影響波動范圍均在100 ℃范圍內(nèi)，但均未超過800 ℃。

3.2 能見度分布規(guī)律

E01～E03三種工況能見度分布規(guī)律見圖5～圖7。

當(dāng)50 MW火源功率時，隧道2 m高度處的能見度變化曲線圖可以得出，側(cè)向排煙系統(tǒng)模式下，在距地面2 m高度處能見度分布規(guī)律相同。對比E01，E02，E03三種工況可知，火源附近5 m范圍內(nèi)的能見度較低，均低于10 m。

對比E01，E02，E03三種工況可知，2 m高度處的能見度分布規(guī)律曲線圖可知，隧道內(nèi)縱向距地面2 m高度處的能見度發(fā)生突變的區(qū)域位于排煙口開啟范圍內(nèi)，且在排煙口附近由于煙氣經(jīng)由排煙口進入排煙道內(nèi)，能見度有所提高，表明側(cè)向排煙系統(tǒng)模式下可有效的排除煙氣。

3.3 煙氣蔓延范圍分析

通過對50 MW火源功率時的工況進行數(shù)值模擬，可得各工況條件下煙氣穩(wěn)定后，隧道內(nèi)的火災(zāi)煙氣向火源兩側(cè)蔓延距離(以某處溫度達到60 ℃為判據(jù))，見表2。

表2 不同工況煙氣蔓延數(shù)值

根據(jù)表2可知，在50 MW火源功率時，側(cè)向排煙系統(tǒng)模式下頂板下方溫度分布規(guī)律相同，且最高溫度均小于900 ℃，滿足設(shè)計要求，因此不會對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，在所有工況中，煙氣蔓延范圍均超過排煙口的開啟范圍(240 m,300 m,420 m)；同時可知，在50 MW火源功率時，側(cè)向排煙系統(tǒng)模式下，火源下游的煙氣蔓延范圍基本等于上游，這是由于隧道內(nèi)沒有設(shè)置縱向通風(fēng)系統(tǒng)導(dǎo)致的。同時，在相同排煙口設(shè)置條件下，隨著排煙口開啟間距的變化，E01工況的煙氣蔓延范圍最小。排煙口流速及溫度分布見圖8，圖9。

3.4 排煙閥流速分布規(guī)律

根據(jù)圖8可知，當(dāng)50 MW火源功率時，側(cè)向排煙系統(tǒng)模式下，排煙口的流速主要由排煙口對稱開啟時排煙口的流速基本成對稱分布，靠近火源處的排煙口處會由于熱浮力的效應(yīng)比較明顯，造成煙氣流動劇烈，浮力效應(yīng)會隨著離火源的距離增大而有所減弱，流動會減慢，進而使得火源附近的排煙口流速比周邊的流速值要大。同時當(dāng)50 MW火源功率時，由于測點均布置在排煙口的中心處，因此最大流速均略大于標(biāo)準(zhǔn)值，綜合考慮所有影響因素，在所有工況下的排煙口內(nèi)氣體流速均值小于10 m/s，符合規(guī)范要求。

3.5 排煙閥溫度分布規(guī)律

根據(jù)圖9可知，當(dāng)50 MW火源功率時，側(cè)向排煙系統(tǒng)模式下，火源附近的排煙口受煙流的影響較大，溫度較高，向兩側(cè)排煙口處的溫度逐漸降低。同時，由圖可知，各排煙口處的溫度均在200 ℃以下，符合排煙口設(shè)計的耐溫范圍，因此排煙口在這樣的溫度范圍內(nèi)可連續(xù)正常工作。

3.6 排煙效率分析

排煙閥排煙效率分析見表3。

表3 排煙閥排煙效率分析

從表3中可以得出，對比三種工況可知，在側(cè)向排煙模式下，隨著開啟的排煙閥間距變化，E02工況的排煙效率最低，E01工況的排煙效率最高，可達76.66%。

3.7 經(jīng)濟性分析

不同排煙閥間距經(jīng)濟性分析見表4。

表4 不同排煙閥間距經(jīng)濟性分析

從表4中可以得出，對比三種工況可知，在側(cè)向排煙模式，隧道長度2 km情況下，隨著排煙閥間距變化，距離越小時，風(fēng)閥數(shù)量越多，投資越高，與60 m間距工況對比，每千米風(fēng)閥投資差值約10萬元，與隧道整體投資數(shù)億元每公里相比，風(fēng)閥數(shù)量增減對于整體經(jīng)濟性影響極小。

4 結(jié)語

通過上述模擬分析可知，由于綜合煙氣控制效果與經(jīng)濟效益等方面進行綜合考慮，在50 MW火災(zāi)工可條件下，建議選擇50 m的排煙口設(shè)置間距，可達到很好的煙氣控制效果以及排煙效率，且此時溫度、能見度均未達到臨界危險值，利于人員疏散安全。