公路隧道通风程序化设计及应用

2019-07-02李靖

土木工程与管理学报 2019年3期

李靖

(武昌理工学院城市建设学院，湖北武汉 430223)

随着我国公路建设的飞速发展，公路隧道的建设数量不断增加，特长公路隧道不断涌现。特长隧道通风设计直接关系到隧道的运营环境和运营安全，通风设计的重要性不断加强[1～4]。公路隧道通风设计的参数繁多，计算复杂，方案比选次数多，过程烦琐，而目前通风计算手段落后，严重影响隧道通风设计的效率和质量。公路隧道通风设计流程如图1所示。

图1 隧道通风设计流程

目前影响公路隧道通风设计效率的主要问题是通风压力计算及需风量计算效率低下。特别是通风压力计算，随着隧道通风分段数的增加计算将变得越来越复杂，将耗费大量的人力及时间；同时由于手工计算容易出错，且不可能进行大量的比选，精细化设计显得较为困难。以上两个问题将严重影响公路隧道通风设计效率和质量，如能采用程序计算将极大地提高效率和准确度。相关学者也尝试采用不同的方式进行了隧道通风计算程序化的工作[5,6]。

1 软件功能

1.1 软件总体架构

软件分为需风量计算模块、通风压力计算模块及计算书生成模块。需风量计算程序可通过用户输入的隧道基本信息计算隧道需风量。风机配置程序在需风量计算基础上根据不同通风方式计算隧道内风压分布，进而进行风机配置计算及设计。软件模块如图2所示。

图2 隧道通风软件模块

软件所有参数的输入输出均采用可扩展表格形式，用户可方便地进行多种工况的通风计算，实现如下具体功能：

(1)隧道需风量计算。其中计算工况(特征年、车速)不限个数，交通量可实现自动分解计算。

(2)隧道风机配置计算。可实现分段纵向式(不限竖井个数)、集中送入式、集中排出式通风压力计算及风机配置，自动生成射流风机配置表。

(3)计算完成后可进行隧道内风速、浓度、压力曲线的绘制。

(4)可自动生成需风量计算及风机配置计算计算书(word格式)。

软件可采用菜单、工具条及向导栏进行计算操作。项目建立后按向导推荐顺序进行操作，可进行需风量及风机配置计算。计算前可双击向导栏任意项目进行相关基础信息的修改。通过菜单、工具条也可实现相应功能。程序主界面如图3所示。

图3 隧道通风软件主界面

1.2 需风量计算

根据对话框提示内容分别选择和填入隧道路线及其他基本信息。通行方式根据下拉框中的内容进行选择，可选择左线隧道、右线隧道或者单洞双向。变坡点个数可输入任意多个，程序可实现自动扩展，变坡点处应输入竖曲线半径。程序根据填入的路线数据自动计算隧道任意桩号的高程及纵坡，从而进行需风量计算。其中设计气压可以根据工程所在地气象调查资料输入，如果没有相应的气象资料，可根据程序提供的辅助计算功能进行计算。隧道基本信息输入界面如图4所示。

图4 隧道基本信息

计算工况可输入任意多个。当车队限制长度小于隧道长度时，将按输入的车队限制长度进行需风量计算，并计算车队位于最不利纵坡情况下的需风量。因此，对正常工况，一般情况下填入比隧道长度大的数值即可。隧道需风量计算标准输入界面如图5所示。

图5 隧道需风量计算标准

继续输入汽车尾气排放标准及交通量信息等参数，可进行需风量计算。

1.3 风机配置计算

本软件提供全纵向射流风机式、集中送入式、集中排出式、分段送排式通风方式的计算。其中分段送排式通风段数可实现任意段，可基本满足大部分公路隧道需求。隧道通风形式选择界面如图6所示。选择不同的通风方式后，程序菜单会发生相应的变化，以适应不同的通风方式。

图6 隧道通风方式

根据相关资料填写出入口的环境参数，如图7所示。洞内自然风速应根据实测资料进行计算，当无实测资料时，规范推荐采用2～3 m/s。此隧道内自然风速独立于隧道长度，如果对于所有的情况均按此式计算的话，特别是对于特长隧道，计算出的自然风阻明显偏大，造成了不必要的浪费[7]。程序提供如下两种方式解决这个问题。

图7 隧道通风参数

(1)可通过自然风计算系数进行调节。系数可填入0～1之间的数值，则可对自然风压力进行折减，计算系数为0表示不考虑自然风阻力。

(2)可将自然风计算系数填为0，直接在洞口自然风损失压力内填入压力损失数值。

进风口CO及烟雾初始含量用于计算洞口送入的新鲜风中含有一定污染物时的实际需风量。

根据提示填入风机参数，使程序可进行压力计算。其中射流风机可直接选择风机数据库中的风机型号。风机数据库菜单中可预输入各种不同型号的射流风机，以供选用。

各通风段的汽车通行方式可选择单向顺行、单向逆行、双向行车。各段内计算交通风力的方式可选择按阻力计、不计交通风力、按动力计，当隧道通行方式为双向行车或者通风风流与行车方向不一致时，交通风计算方式应选择按阻力计算。各段内射流风机计算方法可选择按阻力由程序计算、人工设定射流风机数量、按推动力由程序计算，射流风机可人为指定数量，若为人工设定射流风机数量，则<0为阻力，>0为动力。计算完成后可查看风机配置结果，如图8所示。

图8 隧道风机配置计算结果

计算完成后，如需配置射流风机，则需要完成风机配置任务。程序会根据风机组数自动生成射流风机位置，默认间距为200 m，默认起始位置距隧道进口250 m，风机型号及相关信息为用户在风机参数中选择的参数。

1.4 生成曲线及计算书

计算完成后，可生成CO浓度曲线、烟雾浓度曲线及风速、静压力曲线，某分段式通风压力曲线如图9所示。所有计算成果可直接生成word格式计算书文件，其中计算结果均以表格的形式生成，方便使用。

图9 隧道通风压力曲线

2 排风口升压系数及阻力系数

2.1 排风口升压系数

沿隧道纵向，由于排风的影响，气体经过排风口后速度降低，根据能量守恒定律，气体的动压降低，静压升高，如图10所示(图中：Qr1，Qr2，Qr3，Qr4分别表示排风口前后和送风口前后的风量；Qe，Qb分别表示排风井和送风井的风量；υr1，υr2，υr3，υr4分别表示排风口前后和送风口前后的风速；υe，υb分别表示排风井和送风井的风速)。

图10 竖井送排式通风方式模式

以下将利用Bassett[8]等人推导的分流三通阻力系数解析式对排风口升压公式进行推导。

通过排风口前后的风量及排风井的风量分别为Qr1，Qr2，Qe，风速分别为υr1，υr2，υe，气体经过排风口前相应位置处的面积为Ar，排风口沿隧道的局部阻力系数为ξ1。如图11所示。

图11 分流三通通风方式模式

令：

(1)

根据流体连续性方程可得：

Qr1=Qr2+Qe

(2)

对图2虚线所示的控制体，沿隧道纵向运用动量方程可得：

pr1qAr-pr2Ar+p*(1-q)Ar=ρQr2υr2-qρQr1υr1

(3)

式中：p*表示图11所示C和C0两点间流线的平均压力；ρ为空气密度。假设C0点的压力等于管道C的全压，则：

(4)

联立式(1)～(4)可得：

(5)

因此有：

(6)

式(6)即为根据动量定理推导出的排风口升压力计算公式。此式独立于排风口的面积和角度，这是因为已人为确定了排风量的大小。

同时，由能量方程可得：

(7)

综合以上各式，可得排风口沿隧道的局部阻力系数ξ1为：

(8)

上式即为气体沿隧道纵向通过排风口时的局部阻力系数计算公式。

2.2 排风口局部阻力系数

隧道排风口会造成压力损失，下面将求解气流流向排风口的局部阻力系数。

求解阻力系数ξ2需要考虑两个不同的控制体，如图12所示，第一个区域为C—C0—R—R，第二个区域为R—R—B—B，假设流体从主管分离进入支管时，与壁面分离，即速度不沿壁面方向。正是由于进入支管时速度不沿壁面，造成了后面提到的支管中流体控制限制。虚线R—R所在位置就是这种限制的最大点，此处自由流体面积等于ζAe，这里ζ表示自由流体面积与管道面积的比值，Ae表示气体经过排风口后相应位置处的面积。假设分离区的压力相等且等于沿R—R的压力值为pR。

图12 排风口局部阻力示意

除了上述假设外，求解ξ2的主要假设为进入支管流体的速度大小和方向(与C—C0相交处)。通过主支管面积相等的三通试验，Hagar建议进入支管的流体速度等于υr1，速度方向与水平线交角为θ/4[9]。这里我们假设无论主支管面积是否相等，这个假设都将适用。Hagar认为，当流体在区域C—C0—R—R汇聚时，流体全压不变，且压力损失仅仅发生流体在区域R—R—B—B开始分离时，因此流体在C—C0和R—R之间的全压为定值。

令：

(9)

(10)

由连续性方程可得：

υe=qψυr1

(11)

(12)

对于控制体C—C0—R—R，由动量方程得：

(13)

假设C—C0和R—R之间流体没有压力损失，那么伯努利方程可写为：

(14)

现在考虑R—R—B—B之间的第二控制体，由伯努利方程得：

(15)

式中：Δp为控制体的压力损失；PB为B—B处压力值。

对控制体运用动量方程：

pRAe-pBAe=ρqQr1υB-ρqQr1υR

(16)

由以上各式可得：

(17)

因此：

(18)

由式(18)可知，当排风量及排风口面积一定的情况下，阻力系数与排风口角度相关，当排风角θ在0～90°之间变化时，排风角越小，主力系数越小，90°时阻力系数最大。

以上结论在多个试验中得到了证实，如秦岭终南山隧道就进行了专门的排风口角度试验，得出了与以上推导类似的结论，并最终将排风口的角度取为30°[10]。随着隧道土建施工技术的不断进步，隧道排风口与主洞小角度斜交的施工安全及结构安全也能够找到很好的解决办法，因此为了优化隧道通风方案，减少通风阻力，特别是在围岩条件较好的情况下，应尽量减小排风口角度。