基于区段的地下空间环路通风排烟设计方法

王 洁, 赵炳欣, 姜学鹏, *

(1. 武汉科技大学资源与环境工程学院, 湖北 武汉 430081; 2. 武汉科技大学消防安全研究中心,湖北 武汉 430081; 3. 武汉科技大学安全与应急研究院, 湖北 武汉 430081)

0 引言

地下空间环路既能缓解地面交通压力,又能将商务区各地块与地面主要道路相连,已成为解决城市商业中心区交通拥堵的重要方式。虽然地下交通环路与常规公路隧道形式相近,但其环形的本体形状和主线长、多匝道、多连接地块的结构特点,使其具有更高的火灾事故风险和更高的消防安全目标,也使其通风排烟设计比常规直线型公路隧道复杂得多。

康晓龙等[1]在2007年针对地下交通隧道提出性能化防火设计的概念,即应该根据隧道个体条件制定通风排烟方法。目前在地下空间环路主要采用纵向通风和横向通风排烟。许多学者从烟气控制、临界风速、温度预测等方面对纵向排烟进行了研究[2-7],也有学者对横向通风排烟模式进行了研究。如华高英等[8]针对北京某城市环隧,从烟气蔓延以及人员疏散的角度提出烟气控制方案; Yu等[9]提出横向通风系统在城市交通连接的热力和烟雾控制策略; 李彪等[10]运用FDS软件对地下交通主隧道发生火灾进行模拟,研究排烟阀面积、间距以及开启个数对排烟效果的影响。但相比纵向通风,横向通风排烟模式尤其是重点排烟模式在地下空间环路的研究较少。如许鹏等[11]对曲线隧道内烟气扩散特性的研究表明,隧道外侧烟气扩散明显快于内侧; Huang等[12]采用缩比例试验研究了隧道分岔结构对隧道最高温度的影响; Guo等[13]运用CFD软件研究了小曲率半径对最高温度的影响,并提出预测数学模型; Guo等[14]通过FDS软件研究了不同坡度下的火灾风险; Liu等[15]提出运用混合通风方式对复杂地下隧道进行通风排烟,但在火灾发生时运用此方法需要多种设备配合,这意味着系统故障率会升高,易造成严重事故。

由上述研究可知,部分学者通过对隧道分岔口、转弯时的曲率半径等进行研究,得出其对烟气温度都会产生影响,这些研究对地下环路通风排烟方案有一定的参考价值; 但目前对环路还没有行之有效的通风排烟方案,且现有法律法规也不能完全满足环路要求。因此,本文针对地下空间环路隧道长、匝道多、坡度变化多的特点,提出区段式排烟设计方法,并应用于滨江地下环路; 利用数值模拟软件对典型区段火灾进行验证,最终得到地下空间环路的排烟方案,以期为其他类似工程提供参考。

1 基于区段划分的排烟设计方法

地下空间环路通风排烟的核心目的是在保证人员安全和财产安全的同时,尽量减少对隧道使用功能的影响和施工难度。要达到这个目的,应根据工程实际、烟气流动特点和车流方向,确定排烟模和排烟策略。因此,以滨江地下空间环路为例进行分析,制定合理的通风排烟方案。

1.1 顶侧部重点排烟相结合

滨江地下空间环路工程主线全长3 km,共有13条进出地面的匝道,且主线隧道内又分为2个小环路,整个环线内部空间复杂多变。从整个隧道的烟气控制和人员安全的角度考虑,地下环路设置顶部排烟道,采用重点排烟模式,既可将烟气控制在一段区域内,又不影响其他区域的人员安全,对于多匝道的地下空间环路具有很好的适用性。但该地下空间环路要穿过三阳路过江隧道,建设空间受限,不能设置顶部排烟道,因此,对此区域应采用侧部重点排烟的方式,使地下环路满足排烟需求。顶部排烟道与侧部排烟道的转化设有过渡区域,地下空间环路的排烟道整体贯通。考虑隧道行车舒适性,也为了降低工程成本,将排烟道与风道合用,选择全联通风道半横向通风方式。

1.2 排烟组织策略

由于地下空间环路与15个地块连接,若将地块与地下空间环路视为整体进行火灾通风排烟设计,现有规范则不适用; 且该工程跨度大、多匝道、多弯道,通风排烟复杂。基于此,制定通风排烟策略如下:

1)防火分隔。在结构设计阶段,地块与环路通过防火墙、防火门/防火卷帘分隔,防止火源在2个区域相互蔓延。火灾时地下空间环路作为独立区域考虑排烟方案。

2)区段划分。沿交通流方向进行区段划分,为人员疏散提供便利。将烟气控制在可接受的范围内,不同控烟区段之间不设置固定分隔措施,在隧道主线上均匀布置6个排烟风机房,并以排烟风机房为标志点,沿车行方向将整个环路分隔为8个排烟控制区段,如图1所示。无论在哪个区段内发生火灾,均可开启区段两端的风机排风。相较于区段单侧排烟,区段两侧排烟效果稳定性更高[16],从“短板效应”角度看更安全。当火源位于排烟分区交界面附近时,除了开启附近的排烟风机外,还可启动相邻分区的排烟风机。

图1 区段划分图

为保障排烟可靠性,设置备用风机。由于本工程风道整体贯通,各个风机房里的风机可互相作为备用风机,降低成本。一旦烟气没有被控制住或者风机出现故障,便可开启邻近风机房的风机进行烟气控制。

3)人员疏散。发生火灾后,关闭排烟控制区段内车行通道与地块连通处的防火门。火源上游区段(以火源位置为节点,以交通流向为参照,将驶向火源的部分划分为火源上游,驶离火源的部分划分为火源下游)车辆停止前进,乘客下车经疏散楼梯至地面逃生; 火源下游区段车辆继续行驶并通过隧道出口驶离环路。

2 数值模拟

2.1 地下空间环路概况

以武汉某地下空间环路为研究对象,对其进行火灾场景模拟。该环路主线为单向3车道(宽10.9 m,高4.2 m),其中均匀布置6处排烟风机房(每个排烟风机房设有火灾专用轴流排烟风机1台)。排烟道每隔30 m设置1处非多叶高密闭型电动排烟口(顶部风道每处1个风阀,尺寸为2 m×2 m; 侧部风道每处2个风阀,尺寸为2 m×1 m)。排烟道连为一体,整体贯通,并与6处排烟机房相连。

2.2 模型构建及参数设定

以武汉某地下空间环路为研究对象,采用Fluent软件建立模型,进行火灾场景数值模拟研究。根据火源功率以及《Handbook of Fire Protection Engineering》推荐的轴对称型羽流模型计算烟气生成量为58.47 m3/s,考虑到存在的漏风以及实际火灾中排烟过程中要卷入大量的空气等因素,将排烟量设置为90 m3/s,排烟口间距为30 m,排烟口面积为2 m×2 m,火灾发生时开启火源前后若干个排烟口。在2 m高度处每隔1 m布置1个温度测点(如图2所示),在每个排烟口处设置CO2质量流量切片。

2.2.1 边界条件设置

隧道出入口设为压力出口pressure-outlet,模拟无机械送风情况下烟气的蔓延情况,温度定义为295 K,隧道墙壁设为绝热,火源规模设置为15 MW,质量流量设置为34.7 kg/s。根据丙烷的反应式计算得15 MW火灾单位时间CO2的质量流量为0.940 5 kg/s。火源设置为Mass Flow Rate,湍流模型选择标准k-ε模型,辐射模拟选用标准DO模型。

图2 测点布置示意图(单位: m)

2.2.2 网格划分

鉴于地下空间环网结构复杂,可采用非结构网格的方法对计算模型进行网格划分。选取需要着重研究的部分进行局部加密处理,保证模拟的准确性; 即在采用ICEM划分网格时,对火源及风机附近采用0.5 m的网格,其他部分采用1 m的网格,各种火灾区域的划分及防排烟组织方式均严格按照实际情况设置。

2.3 工况设置

基于区段式通风排烟方法,设置4组工况确定通风排烟的排烟口间距和个数,见表1。

表1 工况设置

基于确定的排烟参数,对隧道的直线段、岔道、匝道、联络道以及排烟口转换位置进行火灾场景模拟,见表2。

表2 火灾场景工况设置

2.4 模拟计算分析

2.4.1 排烟口设置模拟结果分析

2.4.1.1 人员疏散环境

排烟口间距为30 m时,排烟口数量从6个增加到10个。烟气蔓延长度见表3。由表可知,烟气蔓延长度逐渐增加,排烟口间距为60 m时,烟气蔓延长度相较排烟口间距30 m的工况更长。

表3 烟气蔓延长度

2 m高度处温度曲线如图3所示。由图可知: 2 m高度处烟气温度在火源附近最高; 当排烟口间距为30 m、排烟口数量为6个时,排烟口区段外的清晰高度处烟气温度高于60 ℃; 当排烟口间距为30 m、排烟口数量为8个或10个以及排烟口间距为60 m、排烟口数量为6个时,排烟口区段外的清晰高度处烟气温度均低于60 ℃。

L1、L2、L3为火源上游排烟口; R1、R2、R3为火源下游排烟口。

2.4.1.2 排烟效率η分析

排烟效率见表4。由表可知,随着排烟口数量增多,排烟效率呈现先增大后减小的趋势。排烟口数量为8(工况2)时,排烟效率最高。排烟效率η≥90%。

表4 排烟效率

综上,考虑烟气蔓延、人员疏散环境、排烟效率等因素,选择排烟口间距为30 m、排烟口数量为8个的排烟方案。

2.4.2 火灾场景模拟结果分析

2.4.2.1 人员疏散环境

1)火灾场景1: 火源处于主线直线段中。火灾场景1烟气蔓延示意如图4所示。由图可知,火源趋于稳定状态时,上游60 ℃烟气蔓延前锋超过了最外侧排烟口,但未继续向前蔓延;下游60 ℃烟气蔓延前锋稍过R3。从火源上下游分别以0.15、0.8 m/s的速度进行自然补风。烟气因抽吸作用从排烟口排出,导致隧道内气压失衡,新鲜空气从匝道7、8、9/10、11/12、13分别以1.12、0.04、0.76、0.09、0.87 m/s进入隧道,达到新的气压平衡。

图4 火灾场景1烟气蔓延示意图

2)火灾场景2: 火源处于岔道处。火灾场景2烟气蔓延示意如图5所示。由图可知,火源趋于稳定状态时,上游60 ℃烟气蔓延前锋超过了最外侧排烟口,但未继续向前蔓延。烟气侵入匝道1,但匝道1属于出口匝道,车辆可直接驶离地下空间环路,保证人员安全。从火源上下游分别以0.4、0.7 m/s的速度进行自然补风。烟气因抽吸作用从排烟口排出,导致隧道内气压失衡,新鲜空气从匝道3、4/5分别以0.28、2.83 m/s的速度进入隧道达到新的气压平衡。

图5 火灾场景2烟气蔓延示意图

3)火灾场景3: 火源处于匝道处。火灾场景3烟气蔓延示意如图6所示。由图可知,火源趋于稳定状态时,上游60 ℃烟气蔓延前锋超过了最外侧排烟口,但未继续向前蔓延。火源下游烟气被上游排烟口牵制,导致下游烟气较少,此火源距匝道口较近,且受火源卷吸作用的影响,导致从匝道1口卷吸的空气较多。因此,匝道1口的补风风速为0.78 m/s,大于主线补风风速0.35 m/s。

图6 火灾场景3烟气蔓延示意图

4)火灾场景4: 火源在联络道处。火灾场景4烟气蔓延示意如图7所示。由图可知,火源趋于稳定状态时,上下游60 ℃烟气蔓延前锋超过了排烟口L4/R4,但未继续向前蔓延。由于烟气在隧道顶部被吸走,导致隧道整体气压平衡被打破,空气从B、C、F、E以及匝道6共5个方向分别以0.56、0.37、0.45、0.39、0.24 m/s的速度向火源方向流动,将烟气控制在联络道内。

图7 火灾场景4烟气蔓延示意图

5)火灾场景5: 火源处于顶侧部交界处。火灾场景5烟气蔓延示意如图8所示。由图可知,火源趋于稳定状态时,上游60 ℃烟气蔓延前锋超过了最外侧排烟口,但未继续向前蔓延。烟气从排烟口排出,从火源上下游分别以0.3、1.18 m/s的速度补风,联络道的断面风速为0,说明没有从联络道进行自然补风。

图8 火灾场景5烟气蔓延示意图

火灾产生的烟气在火源上方形成顶棚射流,而后烟气在隧道内蔓延,形成稳定烟气层; 随着烟气向外蔓延,温度也逐渐降低,最终在排烟口的抽吸作用与烟气热浮力相互制约下停止蔓延,将烟气控制在一定范围内; 排烟口附近由于大量烟气被吸入排烟道,烟气层厚度减小,从图4—8中也可以看到烟气在排烟道内的蔓延情况。由于排烟道连通,在火源发生时,除火源附近外,其他区域排烟口均要关闭,防止烟气从其他排烟口再次进入环路。坡度对烟气蔓延也产生影响,烟气在上坡段的蔓延速度比下坡段快。

2.4.2.2 排烟效率η分析

依据排烟效率计算模型[17-20],对排烟口的排烟效率进行计算,得到不同火灾场景下各排烟口的排烟效率如图9所示。距离火源越近的排烟口排烟效率越高,反之则排烟效率越低。烟气层厚度随着烟气蔓延逐渐减少、抽吸力增大,导致远离火源(且靠近排烟风机)的排烟口会吸穿、排烟效率降低。坡度也是影响排烟效率的因素之一,在上坡段排烟口的排烟效率会增加; 反之,在下坡段排烟口的排烟效率会降低,这是因为坡度产生的烟囱效应导致烟气更多地向上坡段蔓延。

图9 不同火灾场景下的排烟效率

从人员疏散环境、排烟效率2个方面分析,将烟气控制在一定的范围内,确保人员疏散环境安全,排烟效率应达到90%。因此可以证明在发生火灾时,设置排烟量为90 m3/s、排烟口间距为30 m、排烟口数量为8个是可行的。

2.4.2.3 各排烟口的排烟效能

排烟效能是指风机所提供的抽吸力在经过弯道等结构到达各排烟口附近对烟气做的有用功。不同场景下各排烟口的排烟效能见表5。

表5 不同场景下各排烟口的排烟效能

火灾场景1: 排烟口越靠近风机排烟效能越高,此场景(见图4)排烟风机D、E分别在火源的两侧,因此排烟效能呈现“两边高、中间低”的态势,且各排烟口造成的局部损失都在20%左右。

火灾场景2: 风机A在排烟口R2和R3之间,风机B在L4的右边(见图5),因此排烟口L4、R2、R3附近的排烟效能最好,而后依次降低; 排烟口L1附近正处在侧部排烟道转顶部排烟道,导致部分效能流失。

火灾场景3: 由2个风机共同作用且都从匝道1与主线连接的排烟道作用(见图6),因此排烟效能从排烟口L4到R4逐渐降低; 排烟口L1与R2之间经过一个弯道的连接,导致效能损失增大。

火灾场景4: 排烟风机在火源两侧(见图7),因此排烟效能呈现“两边高、中间低”的态势。

火灾场景5: 排烟风机在火源两侧(见图8),因此排烟效能呈现“两边高、中间低”的态势。对比排烟口R4、R3的排烟效能,可以看出风机的抽吸力在排烟口R4处仅损失了5%左右,反映出此处烟气含量少。

从这5个场景中可以看出,排烟效能在经过弯道后损失会增多,因此在条件允许的情况下,排烟道尽量减少弯转,减少风机抽吸力做的无用功。

3 结论与讨论

1)地下空间环路有隧道长、多匝道、多地块连接等特点,使得烟气控制更加困难。基于人员疏散安全的前提,提出将地下空间隧道作为独立的构筑物,以排烟风机房为节点,将隧道划分为多个区段,进行分区段控制烟气的通风排烟设计方法。

2)将提出的通风排烟设计方法应用到某地下空间环路工程,并将其划分为8个区段,分区段进行烟气控制。采用顶侧部结合的重点排烟方式,排烟量为90 m3/s、排烟口间距30 m、开启8个排烟口进行排烟。

3)利用Fflent软件对典型火灾场景进行数值模拟,讨论方案对人员疏散环境、排烟效率、排烟口排烟效能的影响。对典型区段火灾进行验证,在隧道内发生火灾,烟气控制在一定的范围内,人员疏散环境安全,排烟效率达到90%,证实结论2)中所提方案可行。

本文虽然提出地下环路通风排烟的设计方法,但由于试验条件以及时间问题,缺少现场试验验证,以后可进行现场试验对设计方法进行优化。