宝塔山特长公路隧道消防系统水力计算初探.doc

宝塔山特长公路隧道消防系统水力计算初探
杨 涛
（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）
摘要：以平榆线宝塔山隧道消防系统为例，通过分析各类洞内消防设施的用水量和压力要求，进而计算隧道管网压力分配，最终合理确定高位水池设计标高、减压阀设置位置和主干消防管道直径。
关键词：公路隧道；隧道消防；水力计算；减压计算
1 技术标准及工程概况
平遥至榆社高速公路是山西省高速公路网规划中第七横的重要组成部分，而宝塔山特长隧道做为本条高速公路的特大控制性工程，其隧道的运营安全至关重要。目前山西省在建高速公路中超过十公里的特长隧道共有四座，其中宝塔山隧道作为第一个完成施工图评审和消防专项评审的特长隧道，对指导随后的太原西山、虹梯关和中条山特长隧道消防系统设计具有重要的借鉴意义。
宝塔山隧道内轮廓建筑限界宽10.75m，高5.0m，净空面积为62.51m2，隧道最大埋深565米，平均设计标高1221m，为按上下行分离式设置的特长人字坡隧道。隧道右线长10480m，起迄桩号为K19+535～K30+015，采用1.8%（8195m）和-0.4%（2285m）的人字坡；隧道左线长10190m, 起迄桩号为ZK19+805～ZK29+995，采用1.8%(7915m)和-0.4%（2275m）的人字坡。
2 灭火设施组合方案
2.1 隧道消防采用以防为主，防消结合的设计原则，隧道一旦发生火灾，要尽可能把火灾限制在最小范围内，为此应迅速检出、报警，由控制中心确认并实施灭火行动。宝塔山整个灭火体系由洞内、外消火栓消防系统为主,灭火器、固定式水成膜泡沫灭火系统、排风口水喷雾降温系统、洞外值班摩托车、消防车辆相辅的综合灭火系统。
2.2 根据隧道主体纵断和当地地表、地下水情况，综合比选各种供水方案，最终采用在隧道右线出口侧设置高位水池，单侧常高压供水方案，隧道内左、右洞的外侧电缆沟内各敷设一路DN200内外涂塑高频直缝管做为主干消防管，并每隔1.5Km左右通过行人横洞横连管将左右洞主干消防管联通，使隧道内消防管道构成管网，当管道一点故障或检修时，水流可通过环网绕行。
2.3 隧道内消火栓箱每隔50米布置一处，如图1所示，每个消火栓箱内安装单管双头减压稳压消火栓1套，30米长水龙带2盘，19mm口径水枪2支，SPMZ30型水成膜泡沫灭火系统1套，MFZL6型干粉灭火器和MJPZ6型泡沫灭火器各2具。

图1 隧道内消火栓箱设计图
2.4 本隧道共有两座斜（竖）井地下风机房，排风机口距离隧道主洞仅25米，火灾工况下隧道内大量高温烟雾通过排风机排出，为给进入风机的高温烟雾进行冷却降温并为防止主洞火灾通过排风口窜入地下风机房，在排风口入口处设置干式水喷雾系统，如图2所示。

图2 排风口水喷雾系统透视图
3 消防系统用水量的确定
根据《公路隧道交通工程设计规范》（JTG/TD 71-2004）要求，隧道内消防用水量宜按同一时间内发生火灾次数为一次计算，并且长度超过3公里的隧道，火灾延续时间按照6小时计算，若隧道附近缺水，可适当增加水池储数量。
3.1 宝塔山隧道内最大灭火用水量为消防队进行正式灭火作业时的供水量, 特长隧道1处着火由4 支水枪同时扑救，即启用着火点两侧各一处消火栓箱,因每个消火栓流量为5 L/s,4支消火栓合计20 L/ s；同时，假定两处消火栓箱内的泡沫枪均加入战斗,每处给水秒流量为0.5L/s，合计1 L/ s。
3.2 火灾工况下开启斜（竖）井排风口水喷雾冷却系统1处，因无相关隧道喷雾系统的规范约束，在设计时参照《水喷雾灭火系统设计规范》GB50219—95中第3.1.2条以防护冷却为目的设计喷雾强度，取6L/min·m2，排风口可用作用面积约72 m2，因此水喷雾系统给水秒流量为7.2L/s。
3.3 综上所述，最终确定隧道内最大灭火用水量合计为28.2L/s，一次消防灭火用水量约600m3。因宝塔山隧道地处山西中部，常年干旱少雨，因此计算消防水池储水量时适当增大。宝塔山隧道设计采用1000m³矩形高位水池，采用独立两格结构，每格500m³，便于日常轮换检修。设置500m³低位水池，做为高位水池的后备水源，当深井故障无法保证在48小时补满600 m3时，将低位水池储水经水泵房直接送至高位水池即可完成规范[1]要求的补水作业；同时，低位水池可作为消防车取水池，直接为消防车补水而不必经由室外消火栓，另当隧道内消防管网压力不足时，可由消防车直接将消防水由低位水池泵入室外水泵接合器，实现为消防管网加压。
4 消防系统压力要求
4.1 根据建规[2]要求，消防水枪充实水柱应不小于10m,按公式[4]计算消火栓口处所需水压，式中：Hxh—消火栓口处所需水压（kPa）；Ad—水龙带比阻，取0.0043；Ld—水龙带长度,取30m；qxh—消火栓设计流量，取5L/s；β—水流特性系数，取1.577，Hq—水枪充实水柱所需压力,取166 kPa（查直流水枪充实水柱技术数据表[4]），计算可知Hxh=186 kPa。再综合考虑消火栓、消防支管和三通等的局部阻力约73 kPa，最后计算出消火栓处主干消防管位置的最小动压力应不低于0.25MPa；同时，建规[2]要求栓口静水压力不应大于1.0 MPa，若栓口动压大于0.5MPa则需采用减压稳压消火栓或者减压孔板。
4.2 隧道内的水成膜泡沫灭火系统采用25m长软管，发泡倍数≥5倍，混合液流量30L/min，有效射程≥6m。当系统以0.35～0.8MPa的压力水经过比例混合器时，可使水与泡沫液按规定比例自动混合，经发泡枪产生泡沫，并喷射泡沫液。
4.3 排烟通道水喷雾冷却系统按规范[3]中水雾喷头流量计算公式、喷头计算数量公式进行试算，合理选择喷头的流量系数、工作压力和布置方式，使隧道排烟通道的设计喷雾强度达到6L/min·m2，经计算选用流量系数为33.7，喷射角为90。，实际调定工作压力为0.3 MPa的中速开式水雾喷头为火灾下隧道内高温烟雾进行降温冷却，喷淋进水管处动压压力约需要0.35MPa，若高于此压力需在喷淋进水管前设置减压孔板。
4.4 综合以上各种设施压力要求，确定整个管网供水压力应维持在0.35～0.8MPa之间。
5 管网压力计算分析
5.1 首先对隧道的最高点(A点)、最远点(C点)和最近点(B点)的静压和动压进行计算，后逐一分析计算管网上其它位置的压力最后综合调整系统压力。为简化隧道管网压力计算，假定系统单管供水，即不考虑左右洞横连管道的并联供水作用。
5.2 通常隧道的最高点为最不利点，系统压力应首先满足，对于宝塔山隧道，人字坡顶点（A点）即为系统最不利点，设其动压最小应为0.35 MPa，则A点静压值应为动压与水力损失之和。
高位水池至A点的水力损失包括沿程阻力和局部水头损失。其中沿程阻力hy=iL，式中i—单位长度水头损失(kPa/m)，L—计算管段长度(m)。对于消
防钢管，i可按下列方法计算：当v＜1.2m/s时，，当v≥1.2 m/s时，，式中v—管道内平均水流速度(m/s),d—管道计算内径(m)。局部水头损失，式中ξ—局部阻力系数，v—沿水流方向局部阻力下游的流速 (m/s)，g—重力加速度(m/s2)。
为了简化计算，通常i值可查水力计算手册求得，消防管网局部水力损失之和，一般可根据经验，按沿程阻力的10%进行估算，公路隧道消防管道上的管路设施较多，因此这里按沿程阻力的30%进行估算。宝塔山隧道设计采用DN200的主干消防管，在28.2L/s流量下主干消防管道平均流速为0.92m/s，每公里管道水力损失合计约0.1MPa。
由高位水池至A点的水力损失约0.25MPa（高位水池至隧道口管道长度按200m计，），A点的静压力最小应为0.6MPa，要求高位水池池底标高应为1361m（计算时按照0.01MPa约等于1米水柱换算）。
5.3 管网静止时，高位水池至B点的静压为0.5MPa,开启消火栓时高位水池至B点水力总损失约0.03MPa，计算出B点动压为0.47 MPa。由A点至B点间任意一点的静压均在0.5MPa～0.6MPa之间，动压均在0.47MPa～0.35MPa之间，符合压力要求。
5.4 由A点至C点，隧道自身为1.8%的下坡，水流由坡顶至坡低每公里产生约0.18 MPa的静压力，在同时满足A点至B点管网压力时，C点静压可达2.08MPa，因此需在A点至C点之间增设减压阀，减小管道静压。所选减压阀需既能减小出口静压又能保证出口动压维持不变，笔者在本隧道的设计中综合比选多种减压阀，认为先导式可调节减压阀的控制主阀能够固定出水口静水压力和动水压力,不因主阀上游进口压力变化而改变,亦不因主阀下游出口用水量变化而改变其出口压力，满足隧道减压要求。由管网系统最大可达0.8MPa静压值反算出A点至C点之间的D点高程，并在纵断上查出其桩号。在D点设置减压阀，要求减压阀后系统静压、动压值均为0.35MPa，此时减压阀前动压值0.44MPa。由A点至D点间任意一点的静压均在0.6MPa～0.8MPa之间，动压均在0.35MPa～0.44MPa之间，符合压力要求。

图3消防管网减压分区划分详图

同理，可计算分析出E点、F点及其之间的动静压，使全线管网压力均保持在规定压力范围内，如图3所示。
5.5 若隧道内主干消防管采用DN150管道，则每公里管道水力损失约0.46MPa，由高位水池至A点的总损失约1.15MPa，A点的静压力最小应为1.5MPa，超过管道压力要求，因此B点至A点管道必须选择DN200管径。由A点至C点水流由坡顶至坡低每公里获得约0.18 MPa的静压，但每公里损失压力约0.46MPa，因此管道无法维持28.2L/s的流量，所以全线管道均需采用DN200管径。
5 结论
由于公路消防系统具有隧道坡度平缓而管道线路长的特点，既不能像建筑消防管道一样“直上直下”为系统提供充裕的高度势能，又不能因管道线路长、沿程总阻力大而无度扩大消防管道的直径，对于特长隧道，这一点表现的尤为明显。因此，合理选择管道直径，按隧道消防系统压力、流量和流速要求计算管网压力，校核其是否满足设计初衷就显得十分必要。
目前，公路隧道消防系统水力计算在现行国家工程建设标准中还没有相应的强制性规范条文和设计细则作为计算依据，这成为公路隧道消防设计中一个亟待解决的课题。本文以宝塔山隧道为例，根据各类消防设施的用水量和压力要求，进行了隧道管网压力计算的初步的探讨，给广大公路隧道消防设计者提供一种公路隧道水力计算方法，为上述问题的解决提供一点工程实际经验。
参考文献：
[1]重庆交通科学研究院，JTJ/T D71—2004，公路隧道交通工程设计规范[S]，北京，人民交通出版社，2005
[2]GB50016-2006，建筑设计防火规范[S]，北京，中国计划出版社，2006
[3] GB50219—95，水喷雾灭火系统设计规范 [S]，北京，中国计划出版社，2006
[4]陈方肃，高层建筑给水排水设计手册[M]，2版，湖南；湖南科学技术出版社；2001
[5]机械工业部设计研究院，01SS105,常用小型仪表及特种阀门选用安装,北京，中国建筑标准设计研究所出版，2001
[6]康华刚，西康高速公路秦岭终南山特长隧道消防系统设计总体构思[J]，建筑给排水，2007，33（4）；66-71

Baota Hill super long highway tunnel fire system hydraulic calculation of preliminary study
(Shanxi Provincial Design Institute of Communications，Taiyuan，Shanxi 030012，China)
Abstract: With Yu-Ping line of Baota Hill tunnel fire protection system as an example,By analyzing the pressure and water requirements of different fire fighting facilities inside the tunnel, the author calculated the pressure distribution of the tunnel pipe network, and finally determined a reasonable design height of high position cistern, the setting position of relief valves and the diameter of the main pipeline.
Key words: Highway tunnel；Tunnel fire；Hydraulic calculation；Decompression calculation

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