以路面降雨为水源的公路隧道消防系统研究

刘 欢,赵守良

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵阳 550081)

0 引 言

近年来，国内外发生多起公路隧道火灾事故，造成较大的经济损失和社会影响，隧道火灾安全问题成为国内外专家共同关注的焦点[1]。水消防系统作为防止隧道火灾事故规模的扩大和次生灾害发生的有效方法之一，在贵州省公路隧道消防被广泛应用[2]。贵州省高速公路隧道一般多处在山区，隧道附近一般无自来水，但有常年性溪流等比较稳定的水源。结合贵州省的气候特点，贵州省位于副热带东亚大陆的季风区内，降雨充沛，在所调研的兰海高速崇溪至遵义段等4条高速公路52个隧道中，以雨水作为消防水源的隧道占到40%以上。因此，设计合理经济的雨水收集系统，是做好贵州省公路隧道消防工作的关键所在。

路面降雨可以借助路面边沟和排水沟来进行收集，具有收集容易、系统稳定可靠、施工方便、经济环保等特点，而且路面水相比较与其他降雨形式如坡面水等所含杂质较少，水质较好，是作为隧道消防水的最佳选择。本文主要介绍以路面降雨为水源的贵州省公路隧道消防系统。

1 隧道消防水量要求

根据《公路隧道交通工程设计规范》(JTG/T D71-2017)要求，隧道内消防用水量根据同一时间的火灾次数和一次灭火用水量确定[3]。

隧道内一次火灾的消防用水量可按下式计算：

V1=3.6×q1

(1)

式中：V1为隧道内消防用水量，m3；q1为隧道内消火栓一次灭火用水量，L/s；t为火灾延续时间，h。

隧道外一次火灾的消防用水量可按下式计算：

V1=3.6×q2×t

(2)

式中：V2为隧道外消防用水量，m3；q2为隧道外消火栓、水泵接合器流量，L/s；t为火灾延续时间，h。

一次火灾隧道消防用水总量为隧道室外和室内消防用水同时开启时，二者用水量之和。计算可得隧道消防用水总量见表1。

表1 隧道消防用水总量

2 贵州省降水量状况

分析贵州省2019和2020年月降水量状况，贵州省整体而言雨水资源丰富，降雨量较大。但是降水存在一定的时空不均匀性，降雨量夏秋季节多，冬季最少。2019和2020年全年月平均降水量分别为110和117 mm，均在100 mm以上。其中，各月的平均降水量除冬季月份以外，也均在100 mm左右。见表2和表3。

表2 贵州省2019年月平均降水量

表3 贵州省2020年月平均降水量

3 路面雨水收集长度计算

隧道火灾事故为小概率事件，根据目前的调查，贵州境内很少在一个月内同一隧道发生两起火灾事故，发生多起火灾事故的概率更是小得多[4-5]。因此在安全范围内，假定隧道火灾事故最大频率为1次/月是完全可以的，考虑到隧道消防水源的补水以及降雨的随机性以及施工经济等因素，因此路面雨水的收集时间周期设定为一个月。

为满足隧道消防水量的要求，收集路面降雨前，需要计算收集路面降雨的路面长度。目前高速公路路幅约为L=24 m，收集路面长度设为n，则其集水面积S=24nm2。按照上述结论，贵州省月平均降水量取100 mm，则月集水量A=2.4nm3。考虑到路面降雨收集存在的各方面损耗，收集率大约为70%。则实际可收集水量为1.92n。建立与隧道消防用水总量之间的关系：V=1.92nm3。

因此可以得到路面水收集长度计算公式：

n=V/1.92

其中：V为隧道消防所需水量，m3；1.92为系数。

依据上述隧道消防用水总量的计算结果，可以得到路面雨水收集应设计的最小路面长度(计算结果取整)。见表4。

表4 收集路面设计最小长度参考值

4 路面降雨收集系统

高速公路一般都设有中央排水沟和路面边沟来进行排水，这些设施可用来收集路面降雨。但是这样直接利用中央排水沟和路面边沟进行雨水收集时，由于公路周边环境较差，无法进行经常清理等，收集的雨水杂质较多，同时中央排水沟和路面边沟容易发生淤堵。因此，需要设计一种具有过滤功能的收集系统。

路面降雨收集系统见图1。路面降雨的收集主要包括两个部分：中央排水沟中的降雨通过在路面下埋设横向排水管进行收集，并且在纵向渗沟内设置初级过滤层和滤层，滤层为透水渗透材料充填，初级过滤层为非固定式的，可以拆卸清理或者更换，路面埋设的横向排水管直接连通路面边沟中埋设的纵向排水管。横向排水管间距设置为30～50 m。

图1 路面降雨收集系统

大部分路面降雨因路面设置一定的横向坡度，汇流到路面边沟，路面边沟中沿公路延伸方向埋设纵向排水沟，边沟中和中央排水沟一样同样设置雨水过滤装置。

纵向排水沟每隔50 m设置一个检修孔，见图2。其主要功能是当纵向排水管发生堵塞时，疏通纵向排水管。由于降雨在进入纵向排水管之前已经进行了过滤，一般不会有漂浮物等较大的杂质，但是可能会由于过滤不彻底而携带少量泥沙。检修孔相当于一个小的沉沙池，同时在出水方向加装滤网，对收集的路面雨水进行再次沉淀和过滤。以这种收集系统收集的路面降雨可直接引入蓄水池，不必再设置沉沙池和滤水池。

图2 纵向排水沟检修孔示意图

5 注意事项

1) 根据贵州省降水量状况分析，在降雨较少的冬季，参考气象资料。如果长时间无法收集足量降雨，应采用人工补水如运水车进行补水。

2) 整个系统中的过滤材料或装置，一旦发生损坏应及时修整或更换。

3) 因沥青路面杂质及机动车辆的行驶，收集的路面降雨可能会受到油污污染，在用于消防之前，应该定时取样检查，确定收集的路面降雨水质符合消防用水水质的要求。

4) 横向排水管的埋置深度应保证不被行驶车辆压裂，所有管道的埋置深度应该超过当地的冰冻深度。

5) 整个系统应加强巡查，及时清理淤堵，保证所有设施完善、可靠。

6 结 语

隧道火灾事故具有小概率、高风险、救援难度大等特征，安全可靠的隧道消防系统是防止隧道火灾事故规模扩大和次生灾害发生的有效方法。但是由于隧道所处位置及结构特点，往往给灭火救灾带来很多困难。因此，隧道火灾事故的预防是避免此类事故发生的关键。