火源位置对城市地下综合管廊电力舱火灾蔓延的影响研究

杨永斌

(武警学院 消防工程系，河北 廊坊 065000)

城市地下综合管廊(以下简称“综合管廊”)也称“共同沟”“共同管道”，是指建于城市地下用于容纳两类及以上城市工程管线的构筑物及附属设施[1]。近年来，综合管廊的发展迅速，2014年财政部和住房城乡建设部发布《关于开展中央财政支持地下综合管廊试点工作的通知》[2]，随后组织了2015年综合管廊试点城市评审，共确定了10个试点城市[3]，2016年又有15个城市成为综合管廊试点城市[4]。

综合管廊的火灾危险性主要存在于电力舱，其火灾特点包括：(1)电力舱空间狭长，发生火灾后，电缆在长达200 m防火分隔[1]的狭长密闭空间内燃烧，热量不能及时传递出去，导致火场温度高，严重威胁管廊结构安全；(2)综合管廊属地下封闭式结构，通风换气受限，易形成不完全燃烧，产生大量氯化氢、一氧化碳等有毒烟气，对灭火救援人员造成极大威胁；(3)管廊起火后易形成回燃条件，处置过程中如通风不当，突然注入的空气与高温烟气混合，可能产生回燃造成二次破坏。

1 基于FDS的综合管廊电力舱火灾模型建立

1.1 基本假设

电缆基本结构包括导体、绝缘及护套，绝缘护套的材料多样化，使电缆在燃烧时，反应过程较为复杂。为实现数值模拟研究，对综合管廊电缆火灾进行如下假设：(1)假设电缆在燃烧过程中为均质，而且在整个燃烧过程中其各项性能(导热系数、比热容等)不发生变化。(2)电缆燃烧的主要成分为绝缘护套材料，绝缘护套组成成分复杂，假设电缆中只存在主要成分。综合管廊中电缆绝缘护套材料多为交联聚乙烯和聚氯乙烯，假设管廊中电缆材料全部为聚氯乙烯。(3)考虑最危险工况，使管廊内可燃物达到最大化。假设电力舱内电缆均为截面600 mm2的220 kV电缆。(4)综合管廊发生火灾会关闭防火门，形成密闭空间。假设整个空间是一个长200 m，被混凝土包裹的密闭空间，根据初步估算，此空间的氧气能够供给约40 m电缆燃烧。(5)忽略电缆桥架等装置在点燃过程中的吸热量。(6)采用绝缘护套材料为聚氯乙烯的电缆燃烧作为模拟火源。

1.2 可燃物基本参数设定

根据李文婷在《综合管沟电缆火灾数值模拟研究》中对聚氯乙烯为绝缘材质的电缆的热重分析结论[16]，得出聚氯乙烯在加热过程中温度、重量随时间变化规律：电缆在159 ℃析出少量气体；240 ℃有少量有机气体产生；288 ℃添加剂受热析出气体；328 ℃开始析出HCl气体；385 ℃反应变为放热反应，析出气体除HCl气体、增塑剂外还有碳氧化物。取反应转变为放热反应时的温度为电缆的引燃温度，将聚氯乙烯绝缘材料燃点设定为380 ℃。

1.3 管廊电力舱模型构建

通过对各地综合管廊工程设计参数进行调研，根据《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838—2015)相关要求，建立单侧布置电缆的综合管廊电力舱模型。模型长度200 m，即一个防火分隔间距的大小[1]，截面高2.8 m、宽1.6 m，右侧布置6排18根电缆，边界条件为混凝土，结合电缆直径和截面尺寸两方面因素划分网格。

2 综合管廊电力舱火灾模拟工况设置

2.1 模拟工况设计

火源位置考虑不同水平和竖直位置的情况，模拟工况的设置如表1所示。模拟共设计5种工况，水平坐标X=0.8表示火源位于管廊尽端，X=100表示火源设置于综合管廊一个防火分隔内正中位置。垂直坐标Z=0.4表示火源位于管廊电力舱地面，首先作用于最底层电缆；Z=1.2表示火源位于第2层电缆上方，首先作用于第3层电缆(由底层电缆向上数)；Z=2.0表示火源位于第4层电缆上，首先作用于第5层电缆。例如，尽头底部火，即火源位置4如图1所示。

2)泥矿三段脱泥各作业给矿的矿浆体积量波动较大，砂泵选型难以兼顾，旋流器会出现跑粗的情况，各段脱泥旋流器开动台数要根据矿浆体积量进行调整，确保脱泥系统的体积量平衡较为重要。

表1 模拟工况设计

图1 火源位置4示意图

2.2 参数测点布置

本文重点采用火场温度参数来体现综合管廊电缆火灾发展蔓延规律，因此在模型中布置了多组温度测点。管廊电力舱水平200 m方向上，每隔10 m布置一个温度测点，在火源10 m范围内，加密为每隔5 m布置一个测点。横截面温度测点分别布置在管廊右侧和中间，位于右侧的温度测点共两组：T1组测点距离管廊右壁0.5 m，高1.0 m；T2组测点距管廊右壁0.5 m，高1.8 m。管廊中部测点位于正中间共三组：T3组测点高度0.2 m，T4组测点高度1.4 m；T5组测点高度2.7 m，温度测点横截面图如图2所示。

图2 横截面温度测点图

3 综合管廊电力舱火灾蔓延规律分析

3.1 中间底部火源

对于火源位置1，重点监测T1、T2和T5点温度变化，如图3所示。从图3可以看出，管廊内部的温度沿X轴方向呈对称方式分布。点火后188 s左右，火灾产生的烟气垂直向上蔓延至顶部，同时加热火源正上方的中层电缆和上层电缆，顶部温度最高。197 s时，3层电缆火灾都已开始蔓延。从230 s和244 s曲线可以看出，这段时间中层和上层电缆火灾蔓延速度要明显快于底部电缆，这是由于中、上层电缆处于来自下部火焰中温度较高的外焰部分，同时更接近热烟气层的结果。

(a)Z=1.0

(b)Z=1.8

(c)Z=2.7

3.2 中间中部火源

对于火源位置2，不同时刻温度变化曲线如图4所示。管廊内部的温度沿X轴方向依然呈对称方式分布，同等时间内，温度超过电缆燃点的区域明显小于中间底部火的情况，即蔓延速度相对较慢。相对于中、上层电缆，下层电缆最晚引燃，即电缆中层起火时，火势先垂直蔓延至上层电缆，然后由上层、中层依次向两端扩散，最终引燃底层电缆。

(a)Z=1.0

(b)Z=1.8

(c)Z=2.7

3.3 中间顶部火源

对于火源位置3，三个水平面上不同时刻温度变化曲线如图5所示。从图5中可以看出，上层电缆火灾蔓延较快，从280 s左右开始扩大，300 s顶层电缆开始大量燃烧，火灾烟气向管廊两端扩散。同时随着火灾烟气下降首先引燃中层电缆，最后引燃底层电缆。

(a)Z=1.0

(b)Z=1.8

(c)Z=2.7

3.4 尽头底部火源

对于火源位置4，同样取T1、T2和T5点温度数据，不同时刻温度曲线如图6所示。从图6中可以看出，温度呈现从火源点沿X方向逐渐递减的趋势。电缆火势于162 s左右开始扩大，174 s火源正上方的底层、中层和上层电缆均已开始燃烧，蔓延速度和温度分布比较接近。相对于中间点火的方式，火源上方空间的温度明显升高。此现象与火源和管廊维护结构的相对距离有关，火灾初期受周围防火门及墙体的影响，产生的热量和烟气只能向一端扩散，热扩散条件劣于火源位于中间位置，在着火侧尽头积聚，局部温度升高较快。

(a)Z=1.0

(b)Z=1.8

(c)Z=2.7

3.5 尽头中部火源

对于火源位置5，三个水平面上不同时刻温度变化曲线如图7所示。从图7中可以看出，温度曲线的趋势与尽头底部火相似，但火势的蔓延速度明显较慢。火灾首先由中层电缆垂直蔓延至上层电缆，然后由上层、中层依次向两端扩散，当高温烟气层达到底端时，引燃底层电缆。

(a)Z=1.0

(b)Z=1.8

(c)Z=2.7

4 结论

本文利用数值模拟手段，分析了5种典型点火位置情况下，综合管廊电力舱底层、中层和上层的温度分布规律，进而得到电缆火灾的蔓延顺序和火势发展的剧烈程度，得到以下结论：(1)火源位置不仅影响综合管廊电力舱内部火场温度分布和火势发展的剧烈程度，还会影响火灾蔓延到未燃电缆层的时间。(2)相对于火源处于综合管廊电力舱中间位置的情况，尽头火源引发的电缆火灾在局部形成的温度更高，在同等时间内，火灾蔓延的范围比较接近。(3)火源位于综合管廊电力舱中间和尽头两种情况下，底部点燃相对于中、上部点燃的方式，火灾形成的温度分布整体更高，火势蔓延速度和蔓延范围更大。(4)火源位于综合管廊电力舱中间和尽头两种情况下，底部火源情况下，中层和上层电缆引燃的时间比较接近；中部火源情况下，火灾首先蔓延到上层电缆，最终引燃底层电缆；顶部火源情况下，火灾首先蔓延到上层电缆，最终引燃底层电缆。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.城市综合管廊工程技术规范:GB 50838—2015[S].北京:中国计划出版社,2015.

[2] 中华人民共和国财政部.关于开展中央财政支持地下综合管廊试点工作的通知:财建〔2014〕839号[EB/OL].(2014-12-26)[2017-11-12].http://jjs.mof.gov.cn/zhengwuxinxi/tongzhigonggao/201501/t20150113_1179393.html.

[3] 中华人民共和国财政部经济建设司,中华人民共和国住房城乡建设部城市建设司.2015年地下综合管廊试点城市名单公示[EB/OL].(2015-04-10)[2017-11-12].http://jjs.mof.gov.cn/zhengwuxinxi/tongzhigonggao/201504/t20150409_1214636.html.

[4] 中华人民共和国财政部经济建设司,中华人民共和国住房城乡建设部城市建设司.2016年中央财政支持地下综合管廊试点城市名单公示[EB/OL].(2016-04-25)[2017-11-12].http://jjs.mof.gov.cn/zxzyzf/csgwzxzj/201604/t20160425_1964180.html.

[5] NOWLEN S P,WYANT F J.2007 CAROLFIRE test report volume 2:cable fire response data for fire model improvement[R].NUREG/CR-6931/V2,US Nuclear Regulatory Commission,Washington,DC,2007.

[6] MCGRATTAN K,LOCK A,MARSH N,et al.2010 cable heat release,ignition and spread in tray installations during fire(CHRISTIFIRE)[R].NUREG/CR-7010,National Institute of Standards and Technology,Gaithersburg,Maryland,2010.

[7] 吴春荣,黄鑫,李海峰.细水雾灭火系统在电缆隧道中的应用研究[J].灭火系统设计,2008,27(9):662-665.

[8] 刘衍,吴建星.电缆隧道火灾有效灭火技术试验研究[J].中国安全科学学报,2008,18(9):88-92.

[9] 丁宏军.电缆隧道火灾分析建模与线型感温火灾探测器研究[D].武汉:武汉理工大学,2013.

[10] 周彪,徐幼平,张腾.FDS在电缆隧道火灾中的应用[J].河南理工大学学报(自然科学版),2008,27(2):148-152.

[11] 吴天琦.基于实验与区域模型的受限空间多层电缆桥架火灾研究[D].合肥:中国科学技术大学,2016.

[12] 孙磊,刘澄波.综合管廊的消防灭火系统比较与分析[J].地下空间与工程学报,2009,5(3):616-620.

[13] 赵伟.城市共同沟火灾危险分析及预防[J].消防技术与产品信息,2012(7):3-6.

[14] 陈明辉.城市综合管沟设计的相关问题研究[D].西安:西安建筑科技大学,2013.

[15] 陈只兵.综合管沟消防设计分析[D].广州:华南理工大学,2013.

[16] 李文婷.综合管沟电缆火灾数值模拟研究[D].北京:首都经济贸易大学,2012.