彭 濤, 童 艷, *, 張廣麗, 龔延風(fēng), 陳 征, 郭屹忠, 茅 欽, 呂剛玉, 黃偉浩, 戴寶連

(1. 南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院, 江蘇 南京 211816; 2. 南京城建隧橋智慧管理有限公司, 江蘇 南京 210017)

0 引言

為了緩解交通擁堵、保護(hù)城市景觀、減少交通噪聲,我國(guó)近年來(lái)在地下道路規(guī)劃與建設(shè)方面取得了較大進(jìn)展[1]。城市公路隧道往往僅下穿路面或淺窄水體,埋深較淺,且雙向街道中間的綠化帶為在隧道頂部修建豎井組進(jìn)行自然通風(fēng)提供了便利。以南京為例,已建成運(yùn)行若干淺埋豎井型城市公路隧道(URTS, urban road tunnel with shafts),并通風(fēng)良好[2-4]。URTS火災(zāi)時(shí)煙氣依靠自身熱浮力就近從豎井排出,但現(xiàn)行的GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》缺乏相應(yīng)條文。

狹長(zhǎng)空間火災(zāi)煙氣主要沿一維水平縱向蔓延[5-7]。在煙氣溫度分布方面,文獻(xiàn)[8-10]指出煙氣在縱向蔓延過(guò)程中不斷與壁面發(fā)生熱傳遞,溫度分布受傳熱機(jī)制影響,(無(wú)豎井)隧道頂棚下方溫度符合冪指數(shù)衰減規(guī)律,見(jiàn)式(1):

(1)

式中:Tx為與火源距離x的煙層溫度, K;Ta為環(huán)境空氣溫度, K;Tref為參考位置xref處的煙層溫度,K;k1為溫度經(jīng)驗(yàn)系數(shù);k2為溫度衰減系數(shù),其值越大,溫度下降越快;L為特征長(zhǎng)度, m,可取隧道高度Htu。

在煙氣縱向蔓延速度方面,Kim等[11]通過(guò)通道試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蔓延速度隨火源強(qiáng)度與煙氣溫度的升高而增大,正比于兩者乘積的1/3次方。胡隆華等[7]指出在隧道縱向風(fēng)速較小的情況下,自然煙流驅(qū)動(dòng)力來(lái)自煙氣前鋒與環(huán)境空氣溫差導(dǎo)致的壓力差,擴(kuò)散速度呈冪指數(shù)衰減,見(jiàn)式(2)。

(2)

火災(zāi)發(fā)生后,豎井煙囪效應(yīng)作用明顯,但也受火源、豎井、周?chē)h(huán)境等因素影響。文獻(xiàn)[5-6]較為關(guān)注豎井底部煙層吸穿現(xiàn)象(即隨著豎井排煙速度加大,豎井下方出現(xiàn)凹陷區(qū),并逐漸進(jìn)入下端開(kāi)口,冷空氣被吸入豎井,排煙效率降低),提出采用弗勞德數(shù)Fr來(lái)判斷豎井底部煙層狀態(tài)。

在豎井排煙量方面,Guo等[12]考慮煙層是否吸穿,推導(dǎo)建立了式(3):

(3)

(4)

式中:a′為待定系數(shù),取0.755(完全吸穿)或1.0(不完全吸穿);Wtu為隧道寬度,m;Wsh為豎井寬度,m;Lsh為豎井長(zhǎng)度,m;h為豎井下方煙氣層厚度,m;Tmax為來(lái)流煙氣頂棚下方最大溫度,K。

Mao等[13]考慮煙氣溫度縱向衰減與一維流動(dòng)損失,推導(dǎo)建立了式(5):

(5)

式中:λ為摩擦損失系數(shù);l為火源與豎井間距,m;D為隧道當(dāng)量直徑,m;∑ξ為局部損失系數(shù)。

火災(zāi)破壞性大,全尺寸試驗(yàn)難以實(shí)施,現(xiàn)有URTS實(shí)體試驗(yàn)未量化頂棚下方煙流擴(kuò)散規(guī)律,也缺少測(cè)試豎井煙流參數(shù)。2019年夏季,課題組采用柴油池火對(duì)南京2條URTS實(shí)施了3次現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)試驗(yàn),測(cè)試了頂棚下方和豎井開(kāi)口煙流參數(shù),進(jìn)一步擬合出頂棚下方煙氣的縱向擴(kuò)散規(guī)律,通過(guò)對(duì)比實(shí)測(cè)排煙量與已有排煙量模型,計(jì)算出多個(gè)豎井的Ri′數(shù)(頂棚下方煙氣豎向慣性力與水平慣性力之比),以期為建立URTS豎井排煙理論提供有力依據(jù),助力相關(guān)規(guī)范條文的修編。

1 試驗(yàn)隧道段簡(jiǎn)介

某豎井型自然通風(fēng)淺埋城市公路隧道實(shí)景見(jiàn)圖1。豎井均沿側(cè)壁修建,并被梁分隔成若干豎井單元。隧道下穿十字路口或淺窄水體時(shí),沒(méi)有條件設(shè)置豎井。相鄰豎井間距大,形成暗埋段,是煙氣難以排放的重點(diǎn)部位。有豎井的隧道段稱(chēng)為開(kāi)口段,煙氣排放快,人員安全容易保障。

(a) 隧道主體內(nèi)部場(chǎng)景

(b) 豎井外部場(chǎng)景圖1 某豎井型自然通風(fēng)淺埋城市公路隧道實(shí)景Fig. 1 Scenes of a shallow-buried urban road tunnel with natural ventilation shafts

南京水西門(mén)南線隧道尺寸為1 280 m(長(zhǎng))×11.5 m(寬)×5.5 m(高),共10組豎井,間距不一。最長(zhǎng)暗埋段長(zhǎng)為264 m,北側(cè)5#、6#豎井尺寸為18.6 m(長(zhǎng))×3.0 m(寬)×8.0 m(高),間距10 m,各被5根支撐梁均分成6個(gè)豎井單元; 南側(cè)7#、8#豎井尺寸為6.2 m(長(zhǎng))×3.0 m(寬)×11.0 m(高),間距5 m,各被1根支撐梁均分成2個(gè)豎井單元。

南京西安門(mén)北線隧道尺寸為1 410 m(長(zhǎng))×12.0 m(寬)×5.5 m(高),共24組豎井,間距不一。最長(zhǎng)暗埋段長(zhǎng)為240 m,北側(cè)12#、13#豎井尺寸為16.8 m(長(zhǎng))×2.6 m(寬)×7.7 m(高),間距10 m;南側(cè)10#、11#豎井尺寸為12.8 m(長(zhǎng))×2.6 m(寬)×6.0 m(高),間距10 m。10#—13#豎井各被3根支撐梁均分成4個(gè)豎井單元。

2條隧道最長(zhǎng)暗埋段及其兩側(cè)豎井布置如圖2所示,選為試驗(yàn)隧道段。

(b) 西安門(mén)隧道(俯視)

(c) 水西門(mén)隧道6#豎井測(cè)點(diǎn)布置(俯視)(d) 西安門(mén)隧道12#豎井測(cè)點(diǎn)布置(俯視)(e) 西安門(mén)隧道13#豎井測(cè)點(diǎn)布置(俯視)

(f) 熱電偶布置(側(cè)視)(g) 風(fēng)速儀布置(側(cè)視)(h) CO濃度儀布置(側(cè)視)

圖2 隧道試驗(yàn)段、火源及測(cè)試系統(tǒng)示意圖(單位: m)Fig. 2 Schematic of tunnel experimental section, fire source, and test system (unit: m)

2 火源信息介紹

淺埋城市公路隧道禁止重型車(chē)輛進(jìn)入,根據(jù)調(diào)查城市公路隧道的交通構(gòu)成[2, 14-15],發(fā)現(xiàn)小型私家車(chē)占90%以上,故小汽車(chē)起火的可能性最大?；馂?zāi)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)通常采用油池火,釋熱率受火源種類(lèi)、空間、通風(fēng)條件、油池面積和燃料深度等多種因素影響,且初期釋熱率往往隨時(shí)間增長(zhǎng),與時(shí)間平方成正比,達(dá)到峰值后,再逐漸減弱。文獻(xiàn)[16-21]采用式(6)計(jì)算油池火釋熱率

Q=Afm′ηΔHc=αt2。

(6)

式中:Af為水平燃燒面積,m2;m′為單位面積池火的質(zhì)量損失率,柴油取值為57 g/(s·m2);η為燃燒效率,考慮豎井型隧道通風(fēng)良好,取值為86.1%; ΔHc為燃燒熱,柴油取值為42 kJ/g;t為點(diǎn)火后時(shí)間,s;α為火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù),小汽車(chē)火災(zāi)往往是(超)快速火,α范圍在0.047～0.19 kW/s2[17],本文取0.094 kW/s2。

試驗(yàn)選用1.58 m×1.58 m方形油池,位于隧道地面中軸線,每次試驗(yàn)倒入柴油(加少量汽油,易于點(diǎn)燃),燃料深度為0.03 m?；鹪瘁専崧拾词?6)推算為5 MW;同時(shí),根據(jù)文獻(xiàn)[17]推薦柴油池火(油池直徑大于0.91 m)單位面積燃燒熱為1.985 MW/m2,則釋熱率為4.95 MW,上述兩者計(jì)算出的釋熱率十分接近。

水西門(mén)隧道實(shí)施了2次不同著火點(diǎn)的試驗(yàn)(簡(jiǎn)稱(chēng)試驗(yàn)1、試驗(yàn)2)。試驗(yàn)1的火源位于264 m暗埋段中部,距6-01#豎井單元南端132 m,通過(guò)調(diào)節(jié)蓋板實(shí)現(xiàn)不同燃燒面積,以此設(shè)置火源增長(zhǎng)類(lèi)型為快速火(t2)[4],圖3顯示了蓋板完全打開(kāi)后燃燒的油池。受環(huán)境風(fēng)影響,火焰始終往下風(fēng)向傾斜。試驗(yàn)2的火源位于264 m暗埋段北端,與6-01#豎井單元齊平。西安門(mén)隧道實(shí)施了1次點(diǎn)火試驗(yàn)(試驗(yàn)3),火源位于240 m暗埋段,距11-01#豎井單元北端40 m。

圖3 試驗(yàn)1中燃燒的油池Fig. 3 An oil pan in burning in Test 1

夏季試驗(yàn)均選在凌晨2:00—5:00隧道管養(yǎng)期間進(jìn)行。為縮短試驗(yàn)時(shí)間,試驗(yàn)2與試驗(yàn)3均設(shè)置為穩(wěn)態(tài)火,油池上方無(wú)蓋板。3次試驗(yàn)的火源信息見(jiàn)表1。

表1 火源信息Table 1 Information of fire sources

3 測(cè)試系統(tǒng)

試驗(yàn)1和試驗(yàn)2中,火源上下游沿地面中軸線間隔布置14根測(cè)桿。每根桿固定1臺(tái)單點(diǎn)HOBO溫度自記儀,測(cè)試頂棚下方5.0 m高度煙氣溫度。6-02#、6-04#、6-06#豎井頂部各布置3臺(tái)PROVA AVM-05風(fēng)速/溫度傳感器,分別記為A1—A3、B1—B3和C1—C3; 6-06#—6-02#豎井頂部中心各布置1臺(tái)RAE PGM-1600 CO濃度傳感器,分別記為a、b、c、d、e。

試驗(yàn)3中,僅在火源下游布置6根測(cè)桿,其中4根沿地面中軸線布置,每根測(cè)桿上固定1臺(tái)單點(diǎn)HOBO溫度自記儀,測(cè)試頂棚下方5.0 m高度的煙氣溫度; 另2根分別位于12-02#、13-02#豎井底部,各固定1臺(tái)多點(diǎn)HOBO溫度自記儀,測(cè)試頂棚下方2.0、3.5、5.0、6.5 m高度的煙氣溫度。12-01#、13-04#豎井頂部各布置2臺(tái)PROVA AVM-05風(fēng)速/溫度傳感器,分別記為A1、A2和B1、B2; 12-01#、13-04#豎井頂部各布置1臺(tái)RAE PGM-1600 CO濃度傳感器,分別記為a、b。

測(cè)試系統(tǒng)布置如圖2所示。測(cè)量?jī)x器信息見(jiàn)表2。試驗(yàn)期間,隧道內(nèi)始終存在縱向自然風(fēng),風(fēng)速穩(wěn)定在1 m/s 左右且風(fēng)向不變;水西門(mén)隧道內(nèi)外初始環(huán)境溫度分別為28 ℃和26 ℃,西安門(mén)隧道內(nèi)外初始環(huán)境溫度分別為33.5 ℃和32 ℃,溫差均不超過(guò)2 ℃。

表2 測(cè)量?jī)x器信息Table 2 Information of measurement instruments

4 結(jié)果和討論

4.1 行車(chē)區(qū)域頂棚下方煙氣縱向溫度分布

圖4示出了3次試驗(yàn)中距離火源不同位置頂棚下方煙氣溫度隨時(shí)間變化曲線。其中,“+”表示火源下游,“-”表示火源上游。由于+10 m處熱電偶記錄數(shù)據(jù)不全,故未列入?？梢钥闯? 溫度升高到峰值,維持了一段時(shí)間,再逐漸下降。由于試驗(yàn)1的火源增長(zhǎng)類(lèi)型為t2火,初期升溫慢于其他試驗(yàn);離火源越近,升溫越早,峰值溫度越高;距火源相同距離,下游煙氣溫度高于上游。試驗(yàn)2中,0 m處溫度劇烈波動(dòng),分析原因在于火源緊靠6#豎井,顯著的煙囪效應(yīng)增強(qiáng)了湍流擾動(dòng)。

(a) 試驗(yàn)1

(b) 試驗(yàn)2

(c) 試驗(yàn)3圖4 距離火源不同位置頂棚下方5 m高度煙氣溫度隨時(shí)間變化曲線Fig. 4 Temperature curves of smoke with time at 5 m below ceiling at different positions from fire source

進(jìn)一步計(jì)算無(wú)量綱距離(x-xref)/Htu和穩(wěn)定階段無(wú)量綱煙氣溫度ΔTx/ΔTref,并按式(1)擬合; 同時(shí),為了對(duì)比,繪出2008年冬季西安門(mén)隧道上、下游(簡(jiǎn)稱(chēng)試驗(yàn)4,火源位于240 m暗埋段,距離12-01#豎井120 m,自然風(fēng)向同本次西安門(mén)隧道試驗(yàn))煙氣溫度數(shù)據(jù)與擬合曲線[4],如圖5所示。擬合曲線參數(shù)及相關(guān)系數(shù)R2見(jiàn)表3。

圖5 4次試驗(yàn)頂棚下方5 m高度無(wú)量綱煙氣峰值溫度-距離關(guān)系曲線Fig. 5 Dimensionless peak temperature-distance relation curves of smoke at 5 m below ceiling in four tests

表3 溫度擬合公式參數(shù)及相關(guān)系數(shù)R2Table 3 Parameters of fitting equations of temperature and its correlation coefficients R2

由圖5和表3可見(jiàn): 無(wú)量綱煙氣溫度隨著遠(yuǎn)離火源逐漸下降,較符合冪指數(shù)衰減規(guī)律,相關(guān)系數(shù)R2不低于95%(試驗(yàn)2(上游)除外,因?yàn)闊煔庠谏嫌蝺H擴(kuò)散了20 m,測(cè)點(diǎn)數(shù)少); 溫度衰減系數(shù)k2在0.042～0.138,顯著受季節(jié)、著火點(diǎn)、上下游影響; 同一試驗(yàn),受環(huán)境風(fēng)阻滯,上游溫度衰減系數(shù)k2均大于下游,衰減更快; 同一隧道,同一著火點(diǎn),冬季衰減快于夏季; 同一隧道,不同著火點(diǎn),火源越靠近豎井,衰減越快。

4.2 行車(chē)區(qū)域頂棚下方煙氣擴(kuò)散速度

點(diǎn)火后,煙氣快速上升,撞擊頂棚后向兩側(cè)水平縱向擴(kuò)散。圖6顯示了2次水西門(mén)隧道試驗(yàn)(試驗(yàn)1和試驗(yàn)2)觀測(cè)到的火源上下游煙氣前鋒到達(dá)時(shí)間,同時(shí)提供了2008年冬季西安門(mén)隧道試驗(yàn)(試驗(yàn)4)煙氣前鋒到達(dá)時(shí)間[4]作為對(duì)比。由圖可知: 在環(huán)境風(fēng)的驅(qū)動(dòng)下,下游煙氣到達(dá)同一距離比上游時(shí)間短,且最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離也比上游長(zhǎng),尤其水西門(mén)試驗(yàn)2中煙氣在上游僅擴(kuò)散了20 m。

圖6 3次試驗(yàn)火源上下游煙氣前鋒到達(dá)時(shí)間Fig. 6 Arrival times of smoke front in downstream and upstream in three tests

根據(jù)圖6,取相鄰兩測(cè)點(diǎn)間距,計(jì)算煙氣前鋒先后到達(dá)的時(shí)間差,兩者相除,得到煙氣在前方測(cè)點(diǎn)的蔓延速度ux[8]。計(jì)算無(wú)量綱距離(x-xref)/Htu和無(wú)量綱煙氣流速u(mài)x/uref,并按式(2)擬合,結(jié)果見(jiàn)圖7(試驗(yàn)2上游未擬合)。擬合曲線參數(shù)及相關(guān)系數(shù)R2見(jiàn)表4。

圖7 3次試驗(yàn)頂棚下方無(wú)量綱煙氣速度-距離關(guān)系曲線Fig. 7 Relation curves between dimensionless spreading velocity and distance in three fire tests

表4 速度擬合公式參數(shù)及相關(guān)系數(shù)R2Table 4 Parameters of fitting equations of velocity and its correlation coefficients R2

由圖6可見(jiàn): 無(wú)量綱煙氣速度隨著遠(yuǎn)離火源逐漸下降,總體按冪指數(shù)規(guī)律衰減,部分試驗(yàn)相關(guān)系數(shù)R2低于90%,原因在于煙氣前鋒由人員觀測(cè)得到,存在較大誤差; 速度衰減系數(shù)k2′在0.016～0.113,且受環(huán)境風(fēng)阻滯,同一試驗(yàn)上游衰減系數(shù)k2′均大于下游,衰減更快;將冬季進(jìn)行的試驗(yàn)4[4]與夏季進(jìn)行的試驗(yàn)1、試驗(yàn)2對(duì)比,冬季試驗(yàn)煙氣速度衰減快于夏季試驗(yàn),這是因?yàn)槎緱l件下,煙氣向隧道壁面更多散熱,煙氣前鋒與環(huán)境空氣溫差減小得更快,進(jìn)而速度衰減更快。

4.3 豎井頂部開(kāi)口煙氣參數(shù)分布

點(diǎn)火后,煙氣快速到達(dá)豎井,近火源豎井顯著排煙。圖8顯示了試驗(yàn)2中的6#豎井外部排煙場(chǎng)景。圖9匯總了3次試驗(yàn)測(cè)試豎井單元頂部所有測(cè)點(diǎn)溫度、速度和CO體積分?jǐn)?shù)的最大值。

圖8 試驗(yàn)2中的6#豎井外部排煙場(chǎng)景Fig. 8 Exterior scene of smoke exhaust out of shaft #6 in Test 2

(a) 溫度

(b) 速度

(c) CO體積分?jǐn)?shù)圖9 3次試驗(yàn)豎井頂部開(kāi)口煙氣參數(shù)最大值Fig. 9 Maximum smoke parameters at top openings of shafts in three fire tests

可以看出: 同一試驗(yàn),不同豎井單元煙流參數(shù)存在差異?？傮w上,離火源越近,溫度/速度值越大。比如試驗(yàn)2中的C1點(diǎn)達(dá)到47 ℃和4.8 m/s;同一試驗(yàn),同一豎井單元參數(shù)亦不同,越靠近火源下游側(cè)壁(試驗(yàn)1和試驗(yàn)2),值越大,證實(shí)了貼附羽流的存在[5],橫向差距則不明顯(試驗(yàn)3);整體上,豎井出口CO體積分?jǐn)?shù)從高到低依次為: 試驗(yàn)3>試驗(yàn)1>試驗(yàn)2。比如試驗(yàn)3中的b點(diǎn)CO體積分?jǐn)?shù)高達(dá)1.8×10-4,原因在于煙氣在暗埋段擴(kuò)散距離越長(zhǎng),不完全燃燒產(chǎn)物的堆積越嚴(yán)重,是煙氣防控的重點(diǎn)部位。

根據(jù)實(shí)測(cè)穩(wěn)定階段豎井單元出口流速,乘以截面積,計(jì)算得到水西門(mén)隧道6-02#、6-04#、6-06#豎井以及西安門(mén)隧道12-01#、13-04#豎井的平均單位面積排煙量,同時(shí)給出6#豎井的平均單位面積排煙量; 作為對(duì)比,分別按式(3)、式(4)計(jì)算Guo等[12]模型的排煙量,按式(5)計(jì)算Mao等[13]模型的排煙量,結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 豎井單位面積實(shí)測(cè)排煙量與預(yù)測(cè)排煙量的對(duì)比Table 5 Comparisons between measured and predicted smoke exhaust volume per unit area in shaft

由表5可知: 任一試驗(yàn),各豎井單元實(shí)測(cè)排煙量存在差異,范圍在0.31～1.76 kg/(s·m2),越是靠近火源,排煙量越大; Guo模型僅對(duì)近火源豎井(試驗(yàn)1中的6-02#、6-04#,試驗(yàn)2中的6-02#,試驗(yàn)3中的12-01#)的排煙量預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確,與實(shí)測(cè)值偏差小于25 %,表明模型適用于豎井的穩(wěn)定排煙,但缺乏考慮遠(yuǎn)火源豎井倒灌現(xiàn)象;Mao等[13]的模型對(duì)整體豎井(試驗(yàn)1、試驗(yàn)2中的6#)排煙量預(yù)測(cè)較準(zhǔn)確,與實(shí)測(cè)值偏差不超過(guò)13%,顯示了一維網(wǎng)絡(luò)模型的優(yōu)勢(shì),但缺乏考慮豎井單元煙氣參數(shù)的不均勻性,預(yù)測(cè)能力弱。

4.4 豎井底部煙氣倒灌現(xiàn)象

3次試驗(yàn)觀察到: 點(diǎn)火后,煙氣快速?gòu)慕鹪簇Q井排放,各豎井均無(wú)明顯吸穿,但遠(yuǎn)火源豎井出現(xiàn)明顯倒灌,即煙氣到達(dá)后首先上升一個(gè)高度,轉(zhuǎn)而向下流動(dòng)至底部,破壞了下方的煙氣分層。圖10示出了試驗(yàn)3火源下游214 s煙氣蔓延實(shí)景,顯示了13#豎井下方煙氣回流破壞底部分層的現(xiàn)象。圖11示出了試驗(yàn)3中12#和13#豎井下方實(shí)測(cè)煙氣溫度隨時(shí)間變化曲線。

圖10 試驗(yàn)3火源下游214 s煙氣蔓延實(shí)景Fig. 10 Scene of smoke spreading in downstream at 214 s in Test 3

圖11 12#和13#豎井下方實(shí)測(cè)煙氣溫度隨時(shí)間變化曲線(試驗(yàn)3)Fig. 11 Variation curves of tested temperatures at bottoms of shaft #12 and #13 with time in Test 3

由圖11可見(jiàn): 對(duì)于12#豎井,高度越高,煙氣溫度越高,表現(xiàn)出穩(wěn)定的煙囪效應(yīng),但在5.0 m和6.5 m高度,熱煙羽與豎井補(bǔ)風(fēng)氣流交鋒,溫度振蕩激烈;對(duì)于13#豎井,6.5 m高度處溫度明顯低于5.0 m高度,煙囪效應(yīng)沒(méi)有體現(xiàn),與觀測(cè)結(jié)果相符。

表6統(tǒng)計(jì)了3次試驗(yàn)的豎井倒灌現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)無(wú)論火源上下游,最靠近火源的豎井單元均有顯著排煙,而其余豎井單元煙氣倒灌,分析原因在于火源燃燒耗氧,產(chǎn)生補(bǔ)風(fēng)氣流,遠(yuǎn)火源豎井煙囪效應(yīng)弱,抵抗不了補(bǔ)風(fēng)慣性力,從而產(chǎn)生煙氣反向流動(dòng)。

表6 3次試驗(yàn)豎井底部煙氣倒灌現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)Table 6 Statistics of backward flow at bottom of shafts in three fire tests

紀(jì)杰等[5]提出采用Ri′來(lái)評(píng)價(jià)豎井底部煙流狀態(tài)。

(7)

式中:Fv為豎井煙氣豎向慣性力,Pa;Fh為頂棚下方煙氣水平慣性力,Pa; Δρ為無(wú)排煙時(shí)煙氣與環(huán)境空氣的密度差,kg/m3;ρs0為無(wú)排煙時(shí)煙氣密度,kg/m3;v為無(wú)排煙時(shí)排煙口下方煙氣運(yùn)動(dòng)速度,m/s;h為煙層厚度,試驗(yàn)觀察為1.2 m。

本文根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合式(1)、(2)、(7),計(jì)算出試驗(yàn)1、試驗(yàn)2中的6#豎井各單元慣性力及Ri′,見(jiàn)圖12。

圖12 試驗(yàn)1、試驗(yàn)2中6#豎井各單元井慣性力與Ri′Fig. 12 Inertial forces and Ri′ of shaft #6 in Test 1 and Test 2

5 結(jié)論與討論

2019年夏季采用1.58 m×1.58 m柴油池火,對(duì)2條URTS隧道實(shí)施3次不同著火點(diǎn)試驗(yàn),觀測(cè)到火源近端豎井大量排煙,遠(yuǎn)端豎井底部煙氣倒灌,同時(shí)測(cè)試了行車(chē)道區(qū)域頂棚下方與豎井出口的煙流參數(shù)。分析結(jié)果表明:

2)豎井單元實(shí)測(cè)排煙量為0.31～1.76 kg/(s·m2),對(duì)比已有排煙量預(yù)測(cè)模型,發(fā)現(xiàn)Guo等[12]的模型適用于近火源無(wú)倒灌豎井,Mao等[13]的模型適用于單一豎井(不考慮出口參數(shù)不均勻)。

3)采用煙流參數(shù)冪指數(shù)衰減公式,計(jì)算出試驗(yàn)1、試驗(yàn)2中6#豎井Ri′分別為10.8和1.5,且各豎井單元較為一致,驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)已有臨界Ri′數(shù)模型不適于預(yù)測(cè)倒灌豎井底部煙層狀態(tài)。

URTS發(fā)生火災(zāi)時(shí),近火源豎井大量排煙,但遠(yuǎn)處豎井有著明顯倒灌現(xiàn)象,不利于隧道內(nèi)人員疏散,因而URTS倒灌規(guī)律值得進(jìn)行更深入研究。本文積累了URTS夏季火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù),豐富了隧道火災(zāi)自然排煙理論,有助于推動(dòng)URTS消防驗(yàn)收,并擴(kuò)展應(yīng)用場(chǎng)景。