冬季管廊逃生口对廊内水管结冰的影响

赵光辉， 许淑惠*， 何振成， 刘斌， 李志霏， 徐荣吉

(1.北京建筑大学北京市建筑能源高效综合利用工程中心， 北京 102616； 2.北京市市政工程设计研究总院有限公司， 北京 100082)

随着中国城市化进程的不断加快，近几年地下综合管廊工程飞速发展[1]。据统计，2017年，共147市、28县已累计建设综合管廊5 780.15 km，全国综合管廊投资达到673.4 亿元，达到年度目标要求[2]。2018年年底，中国已建成管廊长度为3 244.36 km，截至2020年年末全国规划建设综合管廊长度约为8 000 km[3]。2015年，国家颁布了GB 50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》，规范中规定给排水管等城市工程管线能够纳入综合管廊[4]。给排水管一般布置在水舱(综合舱)中，水舱位于管廊的中间位置，空间狭长。为保证工作人员的安全，在水舱的顶部每隔200 m设置一个逃生竖井[5]。在寒冷的冬季，冷空气能够通过逃生井盖渗透到舱内，对水管造成一定的影响，存在结冰甚至爆管的风险。舱内的温度不仅受外界条件的影响，也与所在地区的冻土层深度[6]、地下温度[7-8]、逃生竖井的埋深及直径[9-10]有关。近几年，中外学者对管廊进入了大量的研究[11-13]，但大多集中在燃气舱[14]和电力舱方面[15]，只有少数学者对综合舱水管问题进行了研究。王长祥等[16]对综合管廊中供水管的布置原则进行了细述，提出了水管的适用条件与出舱的方式。张瑞峰[17]分析了水管纳入综合管廊的条件，并优化了技术方案。刘阳等[18]对管廊的排水系统进行了研究，并提出了相关经验公式。刘卓[19]研究了热力舱热相容性和温度场的分布。

上述的研究并未涉及冬季综合舱水管的结冰问题。因此，有必要对舱内的温度进行研究。现结合实测数据用计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)软件建立综合舱的模型，分析不同地域的外界环境、逃生口直径、逃生竖井的埋深对舱内水管结冰的影响，并提出相应的设计方面的改进建议。

1 实验测试

2021年冬季，北京迎来了近几年最冷天气，寒冷天气导致综合管廊内温度过低，尤其是逃生竖井区域，低温直接影响到综合舱内水管供给，关系到民生问题。故有必要研究综合舱逃生竖井下的廊内温度。

选取了北京某综合管廊2021年春节前夕的数据变化，现场测试如图1所示，实测数据中逃生竖井取距离管廊端头100、300、500、700、900、1 100 m的6个竖井。选取了北京地面温度从-5～-20 ℃的实测温度变化。监测点1的位置布置在距井盖下方2.3 m、井筒右壁0.2 m处，监测点2在井盖下方直径600 mm的水管壁面上。图2为500 m处监测点的实测温度数据图。

图1 现场测试Fig.1 Testing on the spot

图2 现场测试数据Fig.2 Field test data

图3 某管廊综合舱逃生竖井断面图Fig.3 Diagram of escape shaft for a comprehensive compartment of the utility tunnel

2 数值模拟

2.1 物理模型

以北京某实际管廊为例，如图3所示，建立了1∶1物理模型，综合舱管廊内部断面尺寸为3.4×3.2 m，廊内两根水管直径分别为500 mm和600 mm，逃生竖井(管廊顶面距地面)埋深2.6 m，逃生口直径为1 m。在逃生井筒和廊内对应实测数据位置各布置一个温度监测点1和监测点2。

2.2 数学模型

本研究对象为逃生竖井及其正下方的廊内空气温度问题，属于自然对流问题，自然对流以连续性方程、动量方程和能量守恒方程作为控制方程。考虑到本模型自然对流的流态为层流问题，采用层流模型求解。选用非等温流动作为多物理场，并添加重力进行计算。

(1)有限空间空气流动模型假设：①低速、不可压流体流动；②符合气体状态方程的等压流动；③符合Boussinesq假设；④自然对流、层流流动。

(2)控制方程。

连续方程：

(1)

动量方程：

ρβgi(Tref-T)

(2)

能量方程：

(3)

式中：Ui为xi方向的速度，m/s；xi为两个垂直坐标轴坐标；ρ为空气的密度，kg/m3；Uj为xj方向的速度，m/s；P为空气压力，Pa；μ为空气层流动力黏度，kg/(m·s)；β为空气热膨胀系数，1/K；Tref为参考温度，K；gi为i方向的重力加速度，m/s2；h为空气定压比焓，J/kg；SH为热源，W；λ为空气热导率，W/(m·K)；cp为空气比定压热容，J/(kg·K)。

2.3 网格划分及边界条件设置

为了保证网格的质量以及逃生口、逃生竖井井筒壁、廊内上顶面拐角处、水管附近的计算精度，选用非结构化网格，对上述区域的网格进行了局部的加密。选取北京工况，采用5种不同数量的网格进行独立性验证，最终确定网格数量为135 819。

以2020年北京冬季最冷月外界环境温度-20 ℃为例。初始条件：逃生口井盖设置为铸铁，温度设置为外界环境温度-20 ℃；冻土层深度设置为0.85 m，最冷月地面下3.2 m深处历年最低两个月平均地温为9.4 ℃，故水舱初始温度设置为9.4 ℃。壁面条件：管廊内四周设置为无滑移壁面,温度设置为9.4 ℃；水管表面设置为绝热壁面。

2.4 逃生竖井井筒壁设置

综合管廊的覆土深度应根据地下设施竖向规划、行车载荷、绿化种植及设计冻深等因素综合确定。为了增加计算的精度，综合考虑冻土层深度的影响，设置了竖井相邻土壤的温度梯度。以北京为例，如图3所示，从地面向下，随着深度的增加温度逐渐升高，把逃生竖井井筒分成两段，一段为冻土层段，一段为非冻土层段，冻土层段为外界环境温度升高至0 ℃的分段，非冻土层段为0 ℃升高至廊内壁面温度9.4 ℃的分段，通过计算，分别拟合了两段函数，冻土层函数和非冻土层段函数，将此函数定义到模拟软件中，用函数的形式表达这种温度梯度的变化来增加结果的准确性。

冻土层段温度：

t=-0.023 53y-20

(4)

非冻土层段温度：

t=-0.005 37y-4.564 5

(5)

式中：t为冻土层温度， ℃；y为从地面算起的地下深度，mm。

3 建立工况与模拟结果分析

以5个典型城市(北京、银川、乌鲁木齐、包头、哈尔滨)为代表，其冻土层深度依次增加,考虑到寒冷地区和严寒地区气候条件的差异，选取合适的工况对不同的外界温度所引起的结冰规律进行研究。表1为5个城市在逃生口直径1 m、逃生竖井埋深2.6 m的情况下不同外界环境温度的工况。表2为北京、银川、乌鲁木齐、包头、哈尔滨5个城市在外界环境温度分别对应为-20、-20、-25、-25、-30 ℃的情况下不同逃生口直径、逃生竖井埋深的工况。

表1 不同城市外界环境温度工况Table 1 Conditions of ambient temperature in different cities

表2 不同城市逃生口直径及逃生竖井埋深工况Table 2 Conditions of diameter of escape outlet and burial depth of escape shaftin different cities

3.1 不同地域结冰规律分析

如图4为外界环境温度-20 ℃时，不同城市廊内的速度和温度分布图。通过图4可知，随着寒冷地区北京到严寒地区哈尔滨的逐渐过渡，廊内的温度明显降低。

如图5(a)所示，5个城市随着外界环境温度的降低，管廊内监测点2温度都呈现出下降的趋势。监测点2的位置在逃生竖井下方的水管壁面上。由于北京和银川处在寒冷地区，在最恶劣的工况(外界环境温度-25 ℃)下均未出现零下现象。乌鲁木齐、包头、哈尔滨地处严寒地区，在外界环境温度降低的过程中，就出现了低于0 ℃现象。受地域的影响，哈尔滨降温更加明显，在外界环境温度为-5 ℃时，廊内监测点2的温度就达到了0.7 ℃，在最恶劣环境温度-35 ℃下，廊内监测点2甚至达到了-5.5 ℃。外界环境温度每降低5 ℃，监测点2温度最大降低1.7 ℃。

图4 不同城市廊内速度和温度图Fig.4 Speed and temperature diagram in different urban utility tunnel

图5 监测点2随各城市温度图Fig.5 Monitoring point 2 with the temperature of each city

如图5(b)所示，冻土层深度和地下土壤温度对管廊内部温度影响较大，地下土壤温度为地面下3.2 m深处历年最低两个月平均地温。外界环境温度统一选取-20 ℃，随着北京到哈尔滨冻土层深度的依次增加和地下土壤温度的降低，监测点2的温度逐渐下降。北京、银川和乌鲁木齐均未出现零下的情况，最低点乌鲁木齐为1.2 ℃。包头和哈尔滨地处严寒地区，廊内监测点2温度都达到0 ℃以下。

3.2 逃生竖井直径和埋深对结冰的影响

图6 各城市监测点2温度图Fig.6 Temperature of monitoring point 2 in each city

选取北京、银川、乌鲁木齐、包头和哈尔滨的外界环境温度分别对应为-20、-20、-25、-25、-30 ℃来研究逃生竖井直径和埋深对廊内的温度的影响。逃生口直径的增加会直接导致井盖与廊内的空气接触面积增大，进而井盖下部的低温区域也会相应地变大，冷量增多。选取5个城市在其逃生竖井固定埋深2.6 m的情况下来研究不同逃生口直径(0.8、1、1.2、1.4 m)下廊内的温度变化规律，其中逃生口直径1 m为北京某综合管廊的实际逃生竖井直径。如图6(a)所示，管廊内监测点2温度随着逃生口直径增加而几乎呈线性降低。在逃生口直径从0.8 m增加到1.4 m的过程中，5个城市廊内监测点2的温度最大降低1.4 ℃。逃生口直径每增加0.2 m，温度最多降低0.6 ℃。由此可知，在允许的范围内，适当地减小逃生口直径能降低廊内结冰的风险。

逃生竖井的埋深直接影响到廊内的温度。如图6(b)所示，管廊内监测点2温度与逃生竖井的埋深呈正相关。5个城市廊内监测点2温度最大升高1 ℃。逃生竖井每增加0.5 m的埋深，温度最多升高0.4 ℃。由此得出，适当增加逃生竖井的埋深会减少舱内水管结冰的风险。

3.3 防结冰措施

(1)以包头(外界环境温度为-20 ℃)为例，建立模型如图7所示。

保温井盖是在原有井盖的下方加一层厚度为5 cm的泡沫，双层井盖是在原有井盖下一定间距处添加井盖，材料同样设置为泡沫，在廊内发生危险情况时，泡沫井盖更利于廊内人员的逃生。分别计算了在距原有井盖下500、1 000、1 750、2 600 mm的工况，其中间距1 750 mm处为包头逃生竖井的冻土层深度处，间距2 600 mm处为综合舱顶部。

图7 保温井盖及双层井盖示意图Fig.7 Schematic diagram of insulated well cover and double layer well cover

图8 单双层井盖舱内温度图Fig.8 Temperature chart of single and double-layerwell cover compartment

结果如图8所示，保温井盖和双层井盖的设置阻止了冷空气的下沉，对管廊内起到了很好的保温作用。由图9知，随着双层井盖间距的增加，保温效果先增强后减弱，在双层井盖间距1 750 mm的工况时(第二层井盖设置在冻土层深度处)，保温效果最佳。在外界环境温度为-30 ℃时，双层井盖间距1 750 mm的工况和单层井盖的工况监测点2的温差达到最大为4.9 ℃。由此可知，对于以上严寒地区结冰的情况，在逃生竖井内设置保温井盖或者添加双层井盖对管廊内部水管起到了很好的保温效果，并且第二层井盖采用泡沫材质，设置在冻土层深度处时保温效果最好，能有效防止舱内水管的结冰。

(2)以包头为例(外界环境温度为-20 ℃)研究水管在廊内的摆放位置。如图10(a)所示，将综合舱断面划分为16(A～P)个区域，在每个区域中心位置设置一个温度监测点。

由图10(b)可知，温度最高点为E、H两点，最低温度点为N、O两点，最大温差为1.64 ℃(E点和O点)。廊内水管的摆放位置对结冰有较大的影响。冷空气从井盖渗入，沿管廊中部逐渐下沉，最终会到达管廊的底部，并在此聚集。图10中A、D、E、H、I、L 6个点相较其余各点不易结冰，上述6个点分布在综合舱两边靠上的区域。故综合舱内的水管应放在舱内两边靠上的位置。

4 结果验证

图9 监测点2随室外环境温度变化Fig.9 Monitoring point 2 changes with outdoor ambient temperature

图10 水管位置摆放参考图Fig.10 Reference diagram for placing water pipes

图11 实测与模拟数据对比Fig.11 Comparison of measured and simulated data

由图11可知，随着外界地面温度的降低实测和模拟的温度均体现出下降的趋势。在地面温度为-20 ℃时，监测点1的实测温度和模拟温度最大误差为5.98%；在地面温度为-15 ℃时，监测点2的实测温度和模拟温度最小误差为3.31%；各点温度变化较为吻合，验证了CFD软件对逃生竖井附近的温度变化模拟的准确性。

5 结论

通过对冬季管廊逃生竖井附近及下方廊内温度的研究，得到以下结论。

(1)综合管廊综合舱内的温度受地域(冻土层深度和地下土壤温度)影响较大，寒冷地区和严寒地区廊内温度差异明显，并且与外界环境有着密切的关系，外界环境温度每降低5 ℃，温度最大降低1.7 ℃。

(2)随着综合舱逃生口直径(0.8、1.0、1.2、1.4 m)的增加，其正下方廊内的温度几乎呈线性降低。直径每增加0.2 m，温度最多降低0.6 ℃；逃生口下方廊内的温度与竖井埋深呈正相关。埋深每增加0.5 m,温度最多升高0.4 ℃。在规定允许范围内，适当的减小逃生口直径、增加逃生竖井的埋深能降低水管结冰风险。

(3)保温井盖和双层井盖的设置阻止了冷空气的下沉，显著改善了廊内的温度，对综合舱内的水管起到了很好的保温效果。设置双层井盖时，建议第二层井盖采用易碎泡沫材质，更有利于廊内人员的逃生，位置设置在冻土层深度处，与单层井盖相比，温度最大相差4.9 ℃，能有效防止舱内水管的结冰。

(4)综合舱两边靠上的区域相较于其他位置温度较高，最大温差可达1.64 ℃。故廊内水管应放在舱内两边靠上的位置。