城市综合管廊电缆火灾数值模拟及影响因素分析*

王明年,田 源,于 丽,闫自海,金 威

(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. 中国电建集团华东勘察设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引言

综合管廊在改善城市环境、有效利用地下空间等方面具有显著作用，现已被越来越多的城市所规划建设，但由于综合管廊建设于城市地下，结构狭长且封闭，一旦发生火灾，火势蔓延较快，极易造成严重后果[1]。因此，综合管廊的火灾发展规律及其防治技术成为目前消防安全工作的重点研究对象，其中电缆舱室内发生火灾的概率与危险性较高[2]，故国内外学者通过实验和数值模拟等方式对电缆火灾进行研究，Zavaleta等[3]通过室内实验研究了密闭和通风条件对阻燃电缆火灾的影响，研究表明密闭条件会导致火灾增长速率、热释放率峰值降低；Matala等[4]利用FDS模拟了电缆隧道在有无水喷雾系统2种工况下的火灾场景，并得出了电缆火灾的蔓延特性；李文婷[5]通过实验得出电缆材料的热释放速率和质量损失速率等参数，并利用FDS建立模型分析了综合管廊电缆火灾下烟气蔓延和热量传递过程；赵永昌等[6]通过建立缩尺综合管廊模型对电缆舱室进行油池火火灾实验，得到在不同火源功率下烟气温度呈幂指数衰减等成果；王方舜[7]通过CFD对综合管廊内电缆火灾发展过程进行数值模拟，得到不同防火分区间距下火灾的热释放速率、温度分布及烟气扩散等情况；郝冠宇[8]利用FDS建立管廊火灾模型进行分析，得到了电缆火灾期间的火势发展、烟气扩散和温度变化等规律，且建议采用一进一排不设诱导风机的通风排烟方式；杨永斌[9]通过FDS建立综合管廊电力舱火灾模型，研究了点火源位于不同水平和垂直位置情况下舱室内部火灾蔓延及温度变化规律。

综上所述，目前针对综合管廊电缆火灾的相关研究主要集中于火灾各特征参数发展规律、防治措施技术等内容，未考虑舱室截面尺寸等结构参数对电缆火灾发展过程的影响。基于此，本文建立简化电缆模型，采用三维火灾动力学模拟软件FDS对综合管廊内电缆火灾进行进一步研究，确定了依托工程电缆火灾发生时的热释放速率变化规律及其烟气温度分布特征，重点研究了舱室净高和净宽等结构基本参数对电缆火灾发展过程的影响，为综合管廊电缆舱室的火灾防治和结构设计提供基础依据。

1 工程概况

义乌市商城大道城市地下综合管廊西起国贸大道，东与望道变已建电力管廊接顺，全长4.4 km。综合管廊采用两舱形式，如图1所示，其中高压电力舱室入廊管线为6回220 kV+6回110 kV电缆，水信电综合舱室入廊管线为36孔10 kV+10孔通讯管+DN 1 000 mm给水管，燃气管线不纳入管廊。110～220 kV电缆桥架层间距为500 mm，10 kV电缆桥架层间距为300 mm，通信线缆的桥架层间距为250 mm，且10 kV电缆及通信支架宽度为600 mm，110～220 kV电缆支架宽度为700 mm。此外，高压电力舱左右桥架间为检修通道，宽度为1.2 m，最上层电缆距舱室顶板距离为600 mm，且管廊各舱室防火分隔间距为200 m，均采用自然进风、机械排风方式并设置高压细水雾自动灭火系统。发生火灾时，联动关闭发生火灾的防火分区及相邻分区的通风设备及常开式防火门，并启动自动灭火系统。

图1 商城大道城市综合管廊示意(单位：mm)Fig.1 Shangcheng Avenue urban utility tunnel(unit：mm)

2 综合管廊电缆火灾数值模拟

2.1 FDS原理

本文采用三维火灾动态模拟软件FDS对综合管廊电缆火灾进行研究，其基于火源驱动流体的CFD模型能够有效描述低马赫数气体流动问题，可以很好地解决火场中的温度、热释放速率、能见度以及燃烧产物浓度等随火灾发展的变化问题。

FDS的基本思想是根据质量(组分)守恒、动量守恒和能量守恒定律建立相应的基本方程，其方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

在FDS火灾模拟过程中，网格尺寸的大小决定着模拟结果的精确程度，网格数量越多，计算越精确，但会增加计算求解时间。因此，一般通过火源特征直径D*来确定网格尺寸的大小，研究表明，当网格尺寸取为火源特征直径的1/10时，模拟结果较为精确[10]。火源特征直径计算公式如下：

(5)

式中：Q为火灾热释放速率，kW；ρ∞为空气密度，kg/m3，c∞为空气比热容，kJ/(kg·K)；T∞为环境温度，K；g∞为重力加速度，m/s2。

2.2 电缆模型简化

电缆的结构较为复杂，主要由护套层、绝缘层和金属导体等组成，由于其自身短路、过载或接触不良等可能导致电缆局部急剧升温，引起电缆可燃材料热解，进而发生火灾，一般护套层和绝缘层在电缆燃烧过程中对热释放的贡献最大，约占90%以上[11]。考虑舱室内电缆由金属桥架支撑，且电缆内部导体也为金属，不易燃烧，故其对点火源所引起的电缆火灾影响极小。因此，为简化分析过程，仅考虑电缆护套绝缘层材料发生燃烧，在FDS火灾模拟中将其简化为等厚度薄板进行研究，如图2所示。由于聚氯乙烯材料的经济性和阻燃性，使得其在电缆中被广泛使用，其燃烧性能参数如表1所示。

图2 电缆模型简化Fig.2 Simplified cable model

表1 聚氯乙烯燃烧性能参数Table 1 Combustion performance parameters of PVC

2.3 电缆火灾模型建立

由于依托工程中高压电力舱空间较综合舱小，内部高压电缆数量较多且敷设密集，在正常运营过程中发热量较大。同时，高压电力舱与综合舱之间由混凝土墙相互分隔，均有独立的通风排烟系统，因此仅考虑高压电力舱发生火灾时进行研究。为探明舱室内电缆火灾的发展过程及温度分布规律，将点火源设置在高压电力舱室底部电缆中间位置处，进行最不利情况下FDS火灾模拟分析。

高压电力舱全尺寸模型尺寸为200 m×3.35 m×4.8 m(长×宽×高)，其中电缆沿舱室纵向均匀布置在两侧，点火源设置于舱室一侧底部中心位置，为超快速t2火，其热释放速率为2 MW/m2，火源面积为0.2 m2，不计舱室内风速的影响，模拟计算电缆火灾热释放速率及其烟气温度场变化规律。综合考虑网格精度与计算时间成本，经式(5)计算将模型网格尺寸统一划分为0.2 m×0.2 m×0.1 m，火灾模拟时间为3 600 s。高压电力舱电缆火灾计算模型如图3所示。

图3 电缆火灾计算模型Fig.3 Calculation model of cable fire

2.4 模拟结果及分析

2.4.1 电缆火灾发展过程分析

FDS火灾模拟较为全面地反映了电缆火灾的发展过程，如图4所示，也可得出电缆舱室着火分区内热释放速率随时间的变化规律，如图5所示。一个防火分区内的电缆火灾发展通常经历4个阶段，即初起阶段、发展阶段、充分燃烧阶段和衰减熄灭阶段。t=10 s时，舱室点火源附近电缆的护套绝缘层材料逐渐受热并发生高温热解，进入阴燃阶段；t=1 000 s时，底部电缆被引燃，火势逐渐增大并开始向火源两侧电缆蔓延，火灾热释放速率逐渐增大；t=2 100 s时，随着电缆持续燃烧，释放大量热量，点火源同侧电缆从下至上逐渐被引燃，热释放速率持续上升；t=2 400 s时，由于电缆火灾的火势进一步扩大，另一侧电缆达到燃点后发生燃烧，使得舱室内火势达到最大，进入充分燃烧阶段，热释放速率呈现波动状态，最大热释放速率峰值达11.2 MW，由于密闭电缆舱室内氧气含量有限，电缆不能持续进行大规模燃烧，故火灾持续一段时间后火势逐渐衰减，热释放速率也随之下降，属通风控制型火灾。从图4中可以看出，在火灾充分燃烧阶段，顶部电缆火灾蔓延范围远大于其他部位电缆，考虑是由于顶部电缆在受到其下部电缆火势的影响之外，还受到舱室顶部高温烟气的对流和辐射影响的结果。

图4 电缆火灾发展过程示意Fig4. Development process of cable fire

图5 电缆火灾热释放速率-时间曲线Fig.5 Heat release rate-time curve of cable fire

2.4.2 电缆火灾烟气温度分布规律分析

通过FDS火灾模拟分析得到电缆舱室着火分区内烟气温度分布规律，如图6～ 8所示。t=10 s时，点火源附近电缆护套绝缘层表面逐渐受热发生高温热解，舱室内温度开始发生变化；t=1 000 s时，底部电缆被引燃，火势逐渐向两侧蔓延，并形成了温度较高、不断上升的火羽流；t=2 100 s时，点火源同侧电缆均先后发生燃烧，舱室内温度不断升高，同时由于顶棚射流，高温烟气在舱室顶部积聚并沿舱室纵向蔓延，另一侧上层电缆也开始燃烧；t=2 400 s时，电缆火灾进入充分燃烧阶段，舱室内火势达到最大，火灾最高温度可达970℃。此外，通过FDS火灾模拟可知，在3 600 s火灾模拟时间内，着火分区内电缆燃烧范围较小，火灾蔓延长度约为25 m，远小于1个防火分区长度。

图6 火灾下舱室横断面(x=100 m)温度分布云图Fig.6 Temperature distribution of the cabin cross section under fire(x=100 m)

图7 火灾下舱室纵断面(y=1.7 m)温度分布云图Fig.7 Temperature distribution of the cabin longitudinal section under fire(y=1.7 m)

图8 火灾下舱室顶部(z=4.2m)温度分布云图Fig.8 Temperature distribution at the top of the 9cabin under fire(z=4.2m)

3 综合管廊电缆火灾影响因素分析

依据《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838-2015)和《电力工程电缆设计规范》(GB 50217-2007)等相关规范对综合管廊电力舱室设计参数的基本规定[12-13]，综合管廊内部净高不宜小于2.4 m，且当其两侧布置管线时，中间通道净宽不宜小于1.0 m，故选择较为合理的舱室截面尺寸参数对综合管廊电缆火灾的发展过程进行模拟分析，为综合管廊火灾防治和结构设计提供参考。在电缆层竖向间距、简化电缆模型宽度及最下层电缆距舱室底部距离一定的情况下，舱室净高H主要表征为舱室内最上层电缆距其顶板的净距h，舱室净宽W则主要表征为舱室内通道净宽w，因此，考虑舱室不同截面尺寸共设计6种工况，采用FDS进行火灾模拟研究，如表2所示。

表2 设计工况Table 2 Simulation working conditions mm

3.1 电缆舱室净高

图9所示为舱室净高H对综合管廊电缆火灾的发展速率和热释放速率的影响规律。随着舱室净高H的增大，其最上层电缆距顶板的净距h随之增大，电缆火灾的发展速率和热释放速率峰值逐渐降低，且影响程度逐渐减小。最上层距顶板净距h为400，600，800，1 000 mm时分别对应的电缆火灾热释放速率峰值为12.5，11.2，10.8，10.6 MW。考虑在电缆火灾过程中，由于火羽流和顶棚射流作用，舱室顶部积聚大量高温烟气，舱室高度越小，高温烟气对顶部电缆层的辐射和对流强度越大，有助于电缆火灾的进一步发展，表现为火灾发展速率和热释放速率峰值的增大。

图9 舱室净高对电缆火灾的影响Fig.9 The influence of cabin height on cable fire

因此，舱室净高是影响电缆火灾的发展速率及热释放速率峰值的重要影响参数，综合考虑电缆火灾的危险性和隧道结构的合理性，建议电缆布置时最上层电缆距舱室顶板净距取为600 mm。

3.2 电缆舱室净宽

图10 舱室净宽对电缆火灾的影响Fig.10 The influence of cabin width on cable fire

图10为舱室内通道宽度w对电缆火灾的影响规律。可见，通道宽度对电缆火灾的发展速率和热释放速率影响较小。考虑当通道宽度为1 000 mm时，点火源一侧的电缆发生燃烧后，由于通道宽度较小，另一侧电缆所受火源辐射热通量较大，使得舱室另一侧电缆随即被引燃，两侧电缆同时燃烧，导致火灾热释放速率急剧增大，最大热释放速率达到14.6 MW。而通道宽度为1 400 mm时电缆火灾的发展过程与通道宽度为1 200 mm时相似，均为点火源一侧的电缆从下至上发生燃烧，随后引燃另一侧电缆，而通道宽度为1 400 mm时电缆火灾发展速率和热释放速率峰值相对较大是由于其舱室横截面积较大导致燃烧时氧气相对较为充足。

因此，通道宽度w较大时(w>1 200 mm)对电缆火灾的发展速率和热释放速率影响不大，综合考虑电缆火灾的危险性和隧道结构的合理性，建议电缆舱室通道宽度取为1 200 mm。

4 结论

1)综合管廊电缆舱室发生火灾时，点火源同侧电缆和另一侧电缆先后发生燃烧，释放大量热量，火场温度较高，最大火灾热释放速率达11.2 MW。

2)综合管廊电缆舱室发生火灾时，着火分区内电缆燃烧范围相对较小，火灾蔓延长度约为25 m，属于通风控制型火灾，建议采用密闭自熄辅以自动灭火系统的消防措施。

3)舱室净高是影响电缆火灾的发展速率及热释放速率峰值的重要影响参数，而通道宽度对电缆火灾的影响较小，综合考虑电缆火灾的危险性和隧道结构的合理性，建议电缆舱室通道宽度取为1 200 mm，最上层电缆距其顶板净距取为600 mm。