高海拔单洞双向公路隧道横通道火灾烟气控制临界风速研究_袁松.pdf

第 40 卷第 5 期2023 年 5 月公路交通科技Journal of Highway and Transportation esearch and DevelopmentVol.40No.5May 2023收稿日期:20210415基金项目:国家自然科学基金项目(52078429，51678493);四川省科技计划项目(2020YFS0290);四川省交通运输科技项目(2019-ZL-12，2020-B-01，2021-B-01，2021-B-03);交通运输行业重点科技项目(2020-MS3-101)作者简介:袁松(1983)，男，四川峨眉人，高级工程师.(stevenyuan )*通讯作者:王峰(1982)，男，江西吉安人，副教授.(wf1982625 )doi:10.3969/j.issn.10020268.2023.05.018高海拔单洞双向公路隧道横通道火灾烟气控制临界风速研究袁松1，2，3，王峰*1，2，张路华1，2(1.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031;2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031;3.四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川成都610017)摘要:为了掌握高海拔单洞双向公路隧道横通道临界风速的变化规律，采用三维数值计算方法对不同海拔高度、不同火灾热释放率、不同火源位置工况下单洞双向公路隧道横通道临界风速进行了详细的计算。然后，采用量纲分析法，建立了高海拔单洞双向公路隧道横通道临界风速的计算模型，并对其影响因素进行了分析。采用无量纲分析方法，提出了高海拔单洞双向公路隧道横通道火灾烟气控制临界风速随海拔高度和热释放率变化的计算方法。结果表明:火源位于隧道主洞侧壁靠近横通道口处时，隧道横通道火灾烟气控制临界风速最大，该火源位置为隧道横通道火灾烟气控制的最不利位置;在同一火灾规模下，隧道横通道临界风速随着海拔高度的增加而明显增大;当火灾热释放率分别为 11.5 MW 和 32.3 MW 时，海拔 5 000 m 隧道横通道临界风速较海拔 0 m 时分别提高了 70%和 30%，说明火灾规模较小时，海拔高度对横通道临界风速的影响更为显著;当同时考虑海拔高度对隧道火灾热释放率和横通道临界风速的影响时，海拔 4 000 m 公路隧道横通道临界风速较海拔 0 m 时降低了 31.4%。该方法对高海拔单洞双向公路隧道火灾人员逃生疏散工程和防灾通风系统设计具有一定的参考价值。关键词:隧道工程;临界风速;数值分析;单洞双向公路隧道;横通道;高海拔中图分类号:U459.2文献标识码:A文章编号:10020268(2023)05013206Study on Critical Wind Velocity for Smoke Control in Cross-passage ofHigh-altitude Single-tube Two-way oad TunnelYUAN Song1，2，3，WANG Feng*1，2，ZHANG Lu-hua1，2(1 School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China;2 Key Laboratory of Transport Tunnel Engineering of Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China;3 Sichuan Communications Surveying Design Institute Co.，Ltd.，Chengdu Sichuan 610017，China)Abstract:In order to understand the changes of critical wind velocity in the cross-passage of high-altitudesingle-tube two-way road tunnels，the critical wind velocity in the cross-passages of tunnels at differentaltitudes with different altitudes，fire heat release rates and fire source locations are calculated in detail byusing 3D numerical calculation method.Then，the calculation model of the critical wind velocity in the cross-passage of high-altitude single-tube two-way highway tunnel is established by using the dimensional analysismethod，and the influencing factors are analyzed.The calculation method of critical wind velocity for fire第 5 期袁松，等:高海拔单洞双向公路隧道横通道火灾烟气控制临界风速研究smoke control in this type of tunnel varying with altitude and heat release rate is proposed by usingdimensionless analysis method.The result shows that(1)when the fire source is located on the side wall ofthe main tunnel near the entrance of the cross-passage，the critical wind velocity for smoke control in thecross-passage of the tunnel is the highest，and this fire source position is the most unfavorable position forsmoke control in the cross-passage of the tunnel;(2)at the same fire scale，the critical wind velocity intunnel cross-passage increases significantly with the increase of altitude;(3)when the heat release rate is11.5 MW and 32.3 MW，the critical wind velocity in the cross-passage of the tunnel at altitude of 5000meters is increased by 70%and 30%respectively compared to altitude of 0 meters，indicating that when thefire scale is small，the impact of altitude on the critical wind velocity in the cross-passage is more significant;(4)when considering the influence of altitude on the heat release rate of tunnel fire and the critical windvelocity of the cross-passage，the critical wind velocity of the cross-passage in the highway tunnel at altitudeof 4 000 meters is decreased by 31.4%compared to that of the cross-passage at 0 meters above sea level.This method has certain reference value for the evacuation engineering of personnel and the design of disasterprevention and ventilation system in high-altitude single-tube two-way highway tunnels during fires.Key words:tunnel engineering;critical wind velocity;numerical analysis;single-tube two-way road tunnel;cross-passage;high altitude0引言随着西部山区公路隧道建设的发展，一些高海拔地区单洞双向交通公路隧道逐渐增多，表 1 给出了我国部分高海拔特长单洞双向公路隧道13。从表中看出，高海拔单洞双向公路隧道多采用主隧道+平行导坑的结构型式，通风方式以平导压入式纵向通风为主，主隧道与平行导坑之间的横通道作为主要的应急逃生救援通道。表 1部分高海拔单洞双向公路隧道13 Tab.1Some single-tube two-way road tunnels at high-altitude隧道名称省份长度/m海拔/m通风方式横通道布置雀儿山隧道四川7 0794 380平导压入式纵向通风9 处车行横通道高尔寺隧道四川5 6823 950平导压入式纵向通风5 处车行横通道巴朗山隧道四川7 9543 850平导压入式纵向通风9 处车行横通道鹧鸪山隧道四川4 4233 350平导压入式纵向通风9 处车行横通道二郎山隧道四川4 1762 200平导压入式纵向通风14 处 车 行横通道当单洞双向隧道发生火灾，火源附近上下游被困车辆与人员均须通过横通道疏散至平导内。此时，如果火灾烟气经横通道进入平导，将给人员安全疏散带来极大危害45。如何保证横通道内无烟是防灾通风系统设计的重中之重。由于高海拔地区环境特征，隧道火灾燃烧及烟气扩散特性较平原地区均发生显著变化，使得高海拔单洞双向隧道防灾通风系统设计较平原隧道相比具有明显的不确定性6。因此，有必要针对高海拔公路隧道横通道火灾控制风速开展研究。目前，国内外学者对隧道横通道临界风速做了少量研究。Tarada78 基于临界 Froude 数提出了横通道临界风速计算思路，但其并未提出具体的临界风速计算方法;李颖臻等911 建立 1/20 的隧道火灾试验模型，研究横通道高度、火源热释放率、隧道风速等因素对横通道临界风速的影响，提出了隧道横通道临界风速计算方法;姜学鹏等12 依据 定理和相似理论，提出横通道临界风速的无量纲计算公式。严磊13 利用FDS 软件对影响双洞公路隧道间横通道临界风速的相关因素开展深入研究。Zhou14 建立了 1 20 缩尺模型，研究了火源位置、热释放热率、半横向排烟速度，防护门尺寸以及隧道堵塞率对横通道临界风速的影响，提出了半横向通风铁路隧道救援站横通道控制风速的计算结果。以上研究对于了解和掌握低海拔隧道横通道火灾烟气控制风速提供了重要的参考价值。但是，上述研究均以低海拔地区隧道人行横通道为研究对象，且多为铁路隧道，而对高海拔单洞双向公路隧道横通道临界风速的研究还相当匮乏。为了解和掌握高海拔单洞双向公路隧道横通道烟气控制方法，本研究采用数值计算方法和量纲分析对不同火源横向位置和不同海拔高度隧道横通道临界风速开展深入研究，提出了高海拔公路隧道横通道临界风速计算方法，为高原公路隧道防灾工程设计提供依据。331公路交通科技第 40 卷1数值模拟1.1模型及参数为研究高海拔单洞双向公路隧道火灾下横通道控制风速，本研究建立了主洞和车行横通道模型，主洞长 300 m，断面宽 9.6 m、高 7 m;车行横通道位于隧道模型中部，长 60 m，断面宽 5.3 m、高6.4 m，如图 1 所示。图 1隧道断面与计算模型(单位:mm)Fig.1Tunnel cross-section and simulation model(unit:mm)1.2网格尺寸分析为确定合理的网格尺寸，本研究首先对不同网格进行了计算分析。在隧道火灾计算中，通常采用火源特征直径对网格进行分析1516，如式(1)所示:D*=Q0cpT g()2/5，(1)式中，D*为火源特征直径;Q 为烦热释放率;0为空气密度;cp为空气比热容;T 为环境温度;g 为重力加速度。为确定合理的网格尺寸，本研究设计了 5 种不同网格尺寸工况，如表 2 所示。隧道与横通道网格模型如图 2 所示。不同网格尺度下隧道火源中心断面竖向温度计算结果如图 3 所示。由图 3 可见，当加密区网格尺寸为 0.111D*时，其温度的竖向分布与网格为 0.055D*时计算结果相差较小。随着网格的增大，其计算结果差别均显著增大。因此，本研究计算模型中采用加密区网格尺寸为 0.111D*，非加密区网格尺寸为 0.222D*。表 2不同网格尺寸计算工况Tab.2Calculation conditions for different grid dimensions工况火灾规模/MW加密区网格尺寸/m与 D*关系非加密区网格尺寸/m与 D*关系130.5000.333D*1.0000.666D*230.3330.222D*0.6670.444D*330.2500.167D*0.5000.333D*430.1670.111D*0.3330.222D*530.0830.055D*0.1670.111D*图 2隧道网格Fig.2Tunnel gridding图 3火源处竖向温度分布Fig.3distribution of vertical temperature at fire source1.3数值模型的验证本研究首先采用以上数值模型计算方法对文献中的缩尺模型试验工况进行了数值模拟10。试验及模拟结果如表 3 所示。由表可知数值计算结果与试验结果吻合较好，误差在 2.94%3.68%之间，说明本研究所采用的计算模型是合理的。表 3数值模拟结果与 Li 试验结果对比Tab.3Comparison of numerical simulation result with Li stest result火源热释放率/KW横通道尺寸/mm纵向隧道通风速度/(ms1)Li 试验结果/(ms1)数值模拟结果/(ms1)误差/%10.51000.50.1700.1652.9413.530.50.1900.1833.682计算结果与分析2.1断面横向火源位置对横通道烟气扩散规律的影响为分析隧道断面横向火源位置对横通道内烟气431第 5 期袁松，等:高海拔单洞双向公路隧道横通道火灾烟气控制临界风速研究扩散的影响，确定最不利火源位置。本研究考虑了 3种工况，分别为火源位于隧道中心、火源位于行车道中心、以及火源紧邻隧道侧壁横通道口处，如图 4所示。图 4横向火灾位置Fig.4Lateral fire positions图 5 为不同横向位置公路隧道火灾火源处横断面温度分布云图。由图 5 可知，当火源位于隧道断面中心时，火灾烟气未进入横通道;当火源位于道路中心时，横通道入口处温度略微增高，说明部分烟气已进入横通道;当火源紧邻隧道横通道口处时，横通道内温度显著升高，说明隧道内烟气已大量扩散至横通道，此位置即为隧道横通道附近火源最不利位横向位置。2.2高海拔公路隧道横通道临界风速本研究进一步考虑了海拔高度和火灾热释放率的影响，并对不同工况下隧道横通道火灾临界风速进行了计算分析。计算模型中火源均位于隧道侧壁横通道口处，火源设置在路面上，具体工况设置如表 4 所示。图 6 给出了横通道临界风速与不同火灾热释放率和不同海拔高度的变化结果。从图 6 可知，横通道图 5火源位于不同横向位置时火源所在横断面温度分布(单位:)Fig.5Distribution of temperatures at cross-section of firesource in different transverse positions(unit:)临界风速随海拔高度的增加而增加。其主要原因是表 4数值计算工况Tab.4Numerical calculation conditions工况序号海拔高度/m 大气压强/Pa环境温度/火源位置火灾规模/MW140101 325582 00079 832.89123 00070 566.413164 00062 190.817205 00054 63920隧道侧壁横通道口处11.5，20.5，32.3，46.3图 6横通道临界风速与海拔高度的关系Fig.6elationship between critical velocity speed in cross-passage and altitude随着海拔高度的增加火灾高温烟气的热浮升力效应显著增强，横通道内的临界风速也相应提高。为了解横通道火灾临界风速随海拔升高的变化速率，本研究提出了高海拔隧道横通道与海拔为 0 m时隧道横通道临界风速比值，该比值随海拔高度的变化结果如图 7 所示。从图 7 中可知，海拔 2 000 m以下，横通道临界风速比值随海拔高度增加的增长趋势基本一致;当海拔大于 2 000 m 时，针对较小的531公路交通科技第 40 卷图 7横通道临界风速比值随海拔高度的变化关系Fig.7elationship between critical wind velocity ratio incross-passage and altitude火灾热释放率，横通道临界风速比值的增长速率迅速增 大。当 火 灾 热 释 放 率 分 别 为 11.5 MW 和32.3 MW时，海拔 5 000 m 隧道横通道临界风速较海拔 0 m 时分别提高了 70%和 30%。3讨论与分析3.1量纲分析与横通道内火灾临界风速计算方法的建立本节主要采用量纲分析方法对高海拔隧道横通道临界风速进行无量纲分析并建立相应的计算方法。影响高海拔隧道横通道临界风速的主要因素包括隧道纵向风速、火灾热释放率、大气压强、空气比热容、空气温度、重力加速度、隧道水利直径、横通道高度等912。因此，高海拔隧道横通道火灾临界风速如式(2)所示:VC=f(QH，cP，P，Vt，T，g，Ht，Hc)，(2)式中，VC为隧道横通道内火灾临界风速;QH为高海拔火灾热释放率，Vt为隧道主洞纵向风速;P 为大气压强;Ht隧道水利直径;Hc为横通道高度;Ht，Vt，P，T 为基本量。对式(2)进行无量纲处理得:VcVt=fQHPVtH2t，cpTV2t，gHtV2t，HcHt()。(3)简化可得:VcgHc=fQHPcpTg1/2H3/2t，VfgHt，HcHt()。(4)最终，无量纲横通道临界风速如式(5)所示:V*c=f(Q*H)。(5)其中:V*c=VcgHc，Q*H=QHPcpTg1/2H3/2t，(6)式中，V*c为无量纲隧道横通道内火灾临界风速;Q*H为无量纲火灾热释放速率。图 8 给出了隧道横通道火灾临界风速随火灾热释放率的变化规律。从图 8 中可知，当热释放率较小时，临界风速随火灾热释放率呈线性增长;当 Q*H大于 0.3 时，临界风速基本不变。图 8横通道内无量纲临界风速与无量纲火灾热释放率的关系Fig.8elationship between dimensionless critical windvelocity in cross-passage and dimensionless fire heat release rate进一步对横通道内临界风速进行分段拟合，得到不同海拔高度隧道横通道内火灾临界风速的计算方法如式(7)所示:V*c=2.03Q*H，Q*H 0.30.61，Q*H 0.3，(7)其中:V*c=VcgHc，Q*H=QHPcpTg1/2H3/2t。(8)需要注意的是，式(8)中隧道火灾热释放率QH为高海拔地区隧道火灾热释放率。而目前规范对于隧道火灾热释放率的说明仅针对平原地区17。由于海拔高度的升高，隧道火灾热释放率随之降低。因此，为方便高海拔公路隧道横通道火灾临界风速的预测，根据前期对高海拔隧道火灾热释放率的研究成果，高海拔隧道火灾热释放率与海拔高度满足如式(9)所示的关系18:QHQ0=0.009H2 0.125H+1.065(H 3)，(9)式中，Q0为成都平原火灾热释放率;H 为海拔高度。将式(9)代入式(7)，可得到不同海拔高度下隧道横通道内火灾临界风速计算方法如式(10)所示:V*c=2.13QH，QH 0.30.61，QH 0.3(H 3)，(10)631第 5 期袁松，等:高海拔单洞双向公路隧道横通道火灾烟气控制临界风速研究式中，V*c=VcgHc;QH=Q0(0.009H20.125H+1.065)PcpTg1/2H3/2t。3.2高海拔隧道横通道火灾临界风速计算方法的应用以一座海拔高度为 4 000 m 的典型单洞双向公路隧道发生火灾为例进行计算分析。根据规范说明平原地区双向交通隧道火灾最大热释放率 Q0为 20 MW17。因此，将海拔高度和平原地区隧道火灾热释放率代入式(10)，可得 QH和V*c分别为 0.076 和 0.154，进一步计算可得海拔4 000 m 公路隧道横通道临界风速为 1.08 m/s。此时，根据式(10)平原地区双向交通隧道横通道临界风速为1.57 m/s，海拔4 000 m 公路隧道横通道临界风速较平原降低了 31.4%。4结论本研究通过采用三维数值模拟和量纲分析对高海拔单洞双向公路隧道横通道内火灾临界风速开展深入研究，得到如下结论:(1)当火源位于隧道侧壁靠近横通道口处时，对于隧道横通道火灾烟气控制最不利，因以此工况确定横通道内火灾临界风速。(2)隧道横通道内火灾临界风速随着海拔高度的升高显著增大，火灾规模较小时增长更为显著。火灾热释放率为 11.5 MW 时，海拔 5 000 m 隧道横通道临界风速较海拔 0 m 时提高了 70%。(3)基于无量纲分析，本研究提出了高海拔单洞双向公路隧道横通道火灾临界风速计算方法。考虑海拔高度对隧道火灾热释放率和横通道临界风速的综合影响，海拔 4 000 m 公路隧道横通道临界风速较平原降低了 31.4%。参考文献:eferences:1蒋琪 单洞双向公路隧道火灾通风排烟控制研究 D 成都:西南交通大学，2017JIANG Qiesearch on Fire Ventilation and SmokeExhaust Control of Single-hole Two-way Highway Tunnels D Chengdu:Southwest Jiaotong University，2017 2陈诗明 导洞模式下单洞双向公路隧道人员疏散救援研究 D 成都:西南交通大学，2017CHEN Shi-ming esearch on Evacuation and escue ofSingle-tube and Two-way Highway Tunnels under GuideTunnelMode D Chengdu:SouthwestJiaotongUniversity，2017 3严涛 高海拔单洞双向特长公路隧道通风关键技术研究 D 成都:西南交通大学，2016YAN Tao esearch on Key Technology of Ventilation forHigh AltitudeSingle-holeTwo-wayExtra-longHighwayTunnel D Chengdu:Southwest Jiaotong University，2016 4宋国森，胡斌 特长公路隧道平导通风方案研究及优化 J 公路交通科技，2011，28(4):8490，95SONG Guo-sen，HU Bin esearch and Optimization ofParallelHeadingVentilationSchemeforSuper-longHighwayTunnel J JournalofHighwayandTransportation esearchandDevelopment，2011，28(4):8490，95 5王赤心 多车道高速公路隧道人行横洞疏散安全分析 J 公路交通科技，2015，32(11):100106WANG Chi-xin Analysis of Multi-lane Expressway TunnelTransverse-holeEvacuationSafety J 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