一种隧道纵向大间距点式排烟的设计方法

1.本发明涉及隧道火灾烟气控制技术领域，具体涉及一种隧道纵向大间距点式排烟的设计方法。


背景技术：

2.隧道火灾严重威胁着隧道内司乘人员及消防救援者的生命安全，同时隧道火灾还会对隧道结构造成破坏引发二次事故，造成更大的生命财产损失。顶部重点排烟模式在公路隧道中广泛运用，但还是避免不了火灾的发生，严重影响人员疏散和有效救援。因此，如何更合理地优化设计隧道排烟模式显得极其重要。
3.点式排烟是一种新型的排烟形式，即在发生火灾后立即打开火源附近的排烟口进行排烟。点式排烟是利用隧道顶部排烟口排出隧道内的烟气，减少了排烟口开启数量，极大地提高了排烟系统的排烟效率。纵向通风是通过射流风机和隧道风机联合运行使得隧道中形成一定的纵向气流，烟气向通风下游侧流动，通风上游侧的环境参数能满足人员安全疏散要求。将单个大面积排烟口改为含多个排烟阀的排烟口，可防止排烟口易吸穿致排烟效率下降。
4.现阶段规范和实际隧道工程中，大多采用的是排烟口间距不超过60m、双向均衡排烟控制模式，存在间距小成本高、排烟口个数多漏风严重、控制模式复杂等不足。为了探讨排烟口间距突破60m时的必要性，亟待明确隧道纵向大间距点式排烟模式的烟气控制效果与合理性。


技术实现要素：

5.为了解决背景技术存在的问题，本发明的目的在于提供了一种隧道纵向大间距点式排烟的设计方法，对一些长度较长的隧道，可采取本发明新型纵向大间距点式排烟模式进行通风排烟，与传统模型比较，本发明所述的技术参数更优，能够降低隧道建设和运营成本，且可满足所述有效性评估模型。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种隧道纵向大间距点式排烟的设计方法，包括以下步骤：
7.步骤1、提出隧道纵向大间距点式排烟模式的概念，采用火源上游侧纵向通风 下游侧精准开启1处纵向间距超过60m排烟口的新型隧道纵向大间距点式排烟模式，排烟口含有多个排烟阀；
8.步骤2、基于人员疏散安全和排烟有效性，构建以烟气蔓延范围、清晰高度处温度、清晰高度下方烟气毒性、清晰高度以上热辐射强度、排烟效率五个指标约束的隧道纵向大间距点式排烟模式的有效性评估模型；
9.步骤3、利用有效性评估模型，基于消防性能化设计思路，确定隧道纵向大间距点式排烟模式优化技术参数，当所有技术参数满足设计要求时，得出最佳通风排烟方案。
10.可选地，所述步骤2中，有效性评估模型为：
[0011][0012]
式中，l
c60
表示烟气蔓延范围，l表示火源至开启排烟口距离，tz表示清晰高度处温度，c
co
表示清晰高度下方烟气毒性，ti表示清晰高度以上热辐射强度，η表示排烟效率。
[0013]
可选地，所述步骤3中技术参数包括：纵向通风风速、最小排烟量、排烟口面积、排烟阀个数、排烟口间距。
[0014]
进一步地，所述纵向通风风速vs的计算包括：
[0015]
为抑制烟气逆流发生，需满足火源处断面纵向通风风速vs≥临界风速vc；
[0016]
选择wu和bakar临界风速计算结果vc＝3.67m/s，故得纵向通风风速vs≥vc＝3.67m/s；
[0017]
wu和bakar提出的临界风速计算公式如下：
[0018][0019]
式中，vc表示临界风速，v
″
表示无量纲风速，q
″
表示无量纲火源释放速率，q表示火灾热释放功率，ρ0表示火场远区空气密度，c
p
表示空气定压比热，表示隧道水力直径，t0表示火场远区空气温度，g表示重力加速度。
[0020]
进一步地，所述最小排烟量v
emin
的估算包括：
[0021]
为将火灾烟气控制在火源与下游排烟口段内，下游重点排烟量ve需大于纵向排烟需风量q
req(f)
且不小于烟气生成量v
p
，则排烟系统计算排烟量v
计算
为两者较大值即能将烟气最多限度排出；
[0022]
即纵向大间距点式排烟模式最小排烟量v
emin
≥1.2v
计算
；
[0023]
(1)烟气生成量v
p
：
[0024]
重点排烟量采用轴对称型烟羽流的烟气生成量v
p
；
[0025]
[0026][0027][0028]
式中，m
p
表示羽流质量流量，v
p
表示火灾烟气生成量，qc表示火源对流热释放速率，z1表示火焰限制高度，z表示燃料面到烟气层底部的高度，ρ0表示环境温度下气体密度，t0表示环境温度，c
p
表示空气的定压比热，t表示烟气平均温度；
[0029]
(2)纵向排烟需风量q
req(f)
：
[0030]
纵向排烟的排烟需风量可按下式计算：
[0031]qreq(f)
＝ar·vcr
[0032]
式中，q
req(f)
表示纵向排烟需风量，ar表示隧道净空断面积，vc表示临界风速；
[0033]
根据公式计算得到轴对称羽流生成量v
p
＝184.2m3/s，纵向排烟需风量q
req(f)
＝238.6m3/s，即得到计算排烟量v
计算
＝q
req(f)
＝238.6m3/s，故最小设计排烟量v
emin
≥1.2v
计算
＝286.3m3/s，考虑排烟风机转化率影响，取设计排烟量为ve＝300m3/s。
[0034]
进一步地，所述排烟口面积s
总
的估算包括：
[0035]
排烟道内的设计风速不宜大于15m/s，排烟口的设计风速不宜大于10m/s，即排烟道内流速ud≤15m/s，排烟口流速ue≤10m/s；
[0036]
可得s
总
≥ve/ue＝30m2。
[0037]
进一步地，所述排烟阀个数的确定包括：
[0038]
为防止单个排烟口易吸穿致排烟效率下降，将单个大面积排烟口改为含多个排烟阀的排烟口；
[0039]
取排烟阀横向长度2.5m、纵向长度1.6m，则其面积s
阀
为4m2，排烟口面积不变，排烟阀个数a＝s
总
/s
阀
≥ve/(ues
阀
)＝7.5，即a≥8，a取整数。
[0040]
进一步地，所述排烟口大间距的确定包括：
[0041]
排烟口间距设置需对人行横通道起保护作用，故排烟口最小间距为250m；
[0042]
每个排烟分区的长度不应大于1000m；
[0043]
因此，排烟口大间距设置范围为250m～1000m。
[0044]
进一步地，还包括对所述设计方法的验证优化，具体为：
[0045]
(1)fds数值模拟部分：建立水下公路隧道模型，排烟口位于隧道顶板，火源设置在两排烟口纵向之间，选择公路隧道火灾最不利情况，设置不同工况来验证隧道纵向大间距点式排烟模式的合理性、隧道纵向大间距点式排烟模式(含多个排烟阀的排烟口)与传统模式(单处排烟口)比较，突出隧道纵向大间距点式排烟模式优势以及优化研究证隧道纵向大间距点式排烟模式的关键技术参数(纵向通风风速、排烟阀个数、排烟口间距)，提取模型数据得到各工况参数的趋势和现象；
[0046]
(2)根据所述有效性评估模型，对步骤(1)中提取到的各工况参数的趋势和现象进
行分析对比，探讨不同参数变化对烟气控制和排烟有效的影响，从而验证隧道纵向大间距点式排烟模式的合理性、隧道纵向大间距点式排烟模式(含多个排烟阀的排烟口)与传统模式(单处排烟口)比较，突出隧道纵向大间距点式排烟模式优势以及得到最佳纵向通风风速、排烟阀个数和排烟口间距。
[0047]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设计方法简单，评判指标新颖有效，验证优化合理，可根据隧道实际工程情况设置参数，适用于采用顶部点式重点排烟方式的不同尺寸隧道。本方法基于通风排烟策略有效性评估模型，验证隧道纵向大间距点式排烟模式的合理性、隧道纵向大间距点式排烟模式(含多个排烟阀的排烟口)与传统模式(单处排烟口)比较，突出隧道纵向大间距点式排烟模式优势以及优化研究新模式的关键技术参数(纵向通风风速、排烟阀个数、排烟口间距)，得到的结果具创新性和实际工程意义。隧道纵向大间距点式排烟模式具有更高的火灾安全性，代表了未来隧道火灾烟控的新方向。
附图说明
[0048]
此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
[0049]
图1为本发明隧道纵向大间距点式排烟模式示意图；
[0050]
图2为本发明隧道纵向大间距点式排烟的设计方法流程图；
[0051]
图3为本发明建立的隧道模型示意图；
[0052]
图4为本发明上下游烟气蔓延范围图；
[0053]
图5为本发明隧道纵断面温度分布图；
[0054]
图6为本发明排烟效率结果图。
具体实施方式
[0055]
以下结合附图及具体实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0056]
一种隧道纵向大间距点式排烟的设计方法，参看图1、图2，包括以下步骤：
[0057]
步骤1、提出隧道纵向大间距点式排烟模式(图1)的概念：采用火源上游侧纵向通风 下游侧精准开启1处纵向间距超过60m排烟口(含多个排烟阀)的新型隧道纵向大间距点式排烟模式；突破了隧道顶部点式重点排烟口纵向间距通常不超过60m、常采用开启火源两侧6个排烟口的控制模式；
[0058]
新型模式与传统模式的区别和优势在于：隧道纵向大间距点式排烟模式克服了隧道纵向排烟和常规重点排烟的缺陷，使上游无烟气且烟气控制在火源下游侧较短范围，可最大限度保障火源两侧人员的安全。该新型排烟模式将纵向排烟、重点排烟两种优势合二为一：可将烟气就近排出，减小了纵向通风排烟模式下高温烟气对隧道内设备大范围的破坏；开启排烟口数量少，漏风量少，控制简便，烟控范围小，提高了应急灾害排烟的时效性；并且含多个排烟阀的排烟口较单处大面积排烟口的优势是：有效防止单处大面积排烟口易吸穿致排烟效率下降。
[0059]
步骤2、基于人员疏散安全和排烟有效性，构建以烟气蔓延范围l
c60
、清晰高度处温度tz、清晰高度下方烟气毒性c
co
、清晰高度以上热辐射强度ti、排烟效率η五个指标约束的
隧道纵向大间距点式排烟模式的有效性评估模型；具体为：
[0060]
(1)烟气蔓延范围l
c60
[0061]
在纵向通风风速vs≥临界风速vc时，烟气吹向下风侧，但同时火源下游侧的烟气不能越过开启排烟口，以实现“纵向通风能够有效抑制烟气逆流，使火源上游烟气在可控范围内；下游开启排烟口处限制烟气外溢”的控制原则。以烟道板下方处60℃烟气前锋达到位置为烟气蔓延至此判据，设其蔓延范围为l
c60
。则烟气蔓延范围l
c60
应小于等于火源至开启排烟口距离l，即l
c60
≤l
[0062]
(2)清晰高度处温度tz[0063]
隧道烟气控制系统能否满足人员安全疏散的需要是检验烟气控制系统是否达到设计要求的重要判定条件。故为保证人员逆风疏散环境安全，火源清晰高度2m处温度应满足tz≤60℃；
[0064]
(3)清晰高度下方烟气毒性c
co
[0065]
火灾对人员的危害主要来源于火灾产生的烟气，主要表现为烟气热辐射和毒性。清晰高度下方烟气毒性主要是通过co浓度来体现。co是一种造成火灾中人员死亡的剧毒气体，在火灾事故中通常有50％受害者死于co的毒性作用。则清晰高度下方烟气毒性c
co
≤2500ppm(0.25％)。
[0066]
(4)清晰高度以上热辐射强度ti[0067]
清晰高度以上的烟气层的热辐射强度不得对人体构成威胁，一般取辐射强度达到2.5kw/m2，采用烟气温度180℃为标准来判断。则清晰高度以上热辐射强度ti≤180℃。
[0068]
(5)排烟效率η
[0069]
用排烟效率来表征火灾烟气有多少被排出，排烟效率越高则表示有更多的火灾烟气被排出，能更好的减小烟气对人员疏散影响。故设定一个优良排烟系统的排烟效率应满足η≥95％；
[0070]
综合上述分析，得到的有效性评估模型为：
[0071][0072]
式中，l
c60
表示烟气蔓延范围，l表示火源至开启排烟口距离，tz表示清晰高度处温度，c
co
表示清晰高度下方烟气毒性，ti表示清晰高度以上热辐射强度，η表示排烟效率。
[0073]
步骤3、利用有效性评估模型，基于消防性能化设计思路，确定隧道纵向大间距点式排烟模式优；化技术参数，当所有技术参数满足设计要求时，得出最佳通风排烟方案；
[0074]
其中，技术参数包括：与新型排烟模式相关的技术参数，包括纵向通风风速、最小排烟量、排烟口面积、排烟阀个数、排烟口间距；各技术参数确定具体为：
[0075]
(1)纵向通风风速vs计算
[0076]
为抑制烟气逆流发生，需满足火源处断面纵向通风风速vs≥临界风速vc。
[0077]
1)下式为danziger和kennedy临界风速计算公式，该公式被美国piarc、ashrae、mfpa502以及国内《道路隧道设计规范》(dg/tj 08-2033-2017)等推荐使用。
[0078][0079]
2)另外，经典的wu和bakar提出的临界风速计算公式如下：
[0080][0081]
式中，vc表示临界风速，v
″
表示无量纲风速，q
″
表示无量纲火源释放速率，tf表示平均热空气温度，q表示火灾热释放功率，ρ0表示环境温度下空气密度(取ρ0＝1.2kg/m3)，c
p
表示空气定压比热，a表示隧道横断面积，h表示隧道最大净高度，表示隧道水力直径，t0表示环境温度(取t0＝293k)，k1表示无量纲系数(k1取0.61)，g表示重力加速度，kg表示坡度修正系数(火灾发生在隧道平坡/正坡时，kg取1.0，火灾发生在隧道负坡时，取下坡段坡度的绝对值，以百分比数值表示)。
[0082]
根据现有试验研究对比分析结果，得到wu和bakar临界风速计算结果较danziger和kennedy的更接近实际工程设定值。则选择wu和bakar临界风速计算结果vc＝3.67m/s，故得纵向通风风速vs≥vc＝3.67m/s。
[0083]
(2)最小排烟量v
emin
估算
[0084]
为将火灾烟气控制在火源与下游排烟口段内，下游重点排烟量ve需大于纵向排烟需风量q
req(f)
且不小于烟气生成量v
p
，则排烟系统计算排烟量v
计算
为两者较大值即能将烟气最多限度排出。
[0085]
《建筑防烟排烟系统技术标准》(gb51251-2017)第4.6.1条规定：排烟系统设计风量不应小于该系统计算风量的1.2倍。即纵向大间距点式排烟系统最小排烟量v
emin
≥1.2v
计算
。
[0086]
1)烟气生成量v
p
[0087]
重点排烟量可采用轴对称型烟羽流的烟气生成量v
p
。
[0088][0089][0090][0091]
式中，m
p
表示羽流质量流量，v
p
表示火灾烟气生成量，qc表示火源对流热释放速率(取0.7q)，z1表示火焰限制高度，z表示燃料面到烟气层底部的高度，ρ0表示环境温度下空气密度(取ρ0＝1.2kg/m3)，t0表示环境温度(取t0＝293k)，c
p
表示空气的定压比热(取c
p
＝1.02kj/kg
·
k)，t表示烟气平均温度。
[0092]
2)纵向排烟需风量q
req(f)
[0093]
纵向排烟的排烟需风量可按下式计算：
[0094]qreq(f)
＝ar·
vc[0095]
式中，q
req(f)
表示纵向排烟需风量，ar表示隧道净空断面积，vc表示临界风速。
[0096]
根据公式计算得到轴对称羽流生成量v
p
＝184.2m3/s，纵向排烟需风量q
req(f)
＝238.6m3/s，即得到计算排烟量v
计算
＝q
req(f)
＝238.6m3/s，故最小设计排烟量v
emin
≥1.2v
计算
＝286.3m3/s，考虑排烟风机转化率等影响，取设计排烟量为ve＝300m3/s；
[0097]
(3)排烟口面积s
总
估算
[0098]
《公路隧道通风设计细则》(jtgt d702-02-2014)第10.2.9条规定：排烟道内的设计风速不宜大于15m/s，排烟口的设计风速不宜大于10m/s。即排烟道内流速ud≤15m/s，排烟口流速ue≤10m/s。
[0099]
进而得到s
总
≥ve/ue＝30m2。
[0100]
(4)排烟阀个数确定
[0101]
为防止单个排烟口易吸穿致排烟效率下降，可将单个大面积排烟口改为含多个排烟阀的排烟口。
[0102]
取排烟阀横向长度2.5m、纵向长度1.6m，则其面积s
阀
为4m2。排烟口面积不变，排烟阀个数a＝s
总
/s
阀
≥ve/(ues
阀
)＝7.5，即a≥8(取整)。
[0103]
(5)排烟口大间距确定
[0104]
《建筑设计防火规范》(gb 50016-2014 2018版)第12.1.7条规定：人行横通道间隔和隧道通向人行疏散通道入口间隔，宜为250～300m。排烟口间距设置需对人行横通道起保护作用，故排烟口最小间距为250m。
[0105]
《公路隧道通风设计细则》(jtgt d702-02-2014)第10.2.8条规定：每个排烟分区的长度不应大于1000m。故排烟口大间距设置范围为250m～1000m。
[0106]
通过此方法，可以快速得到隧道纵向大间距点式排烟模式的最佳通风排烟方案。
[0107]
更进一步地，本发明还包括对前述设计方法的验证优化，具体为：
[0108]
(1)fds数值模拟部分：构建长度为1000m，宽为15m，高为8.5m的水下公路隧道模型，如图3所示。排烟口位于隧道顶板，排烟阀横向长度2.5m、纵向长度1.6m，其相互间距2.5m。设定火源位于两排烟口中间；取公路隧道火灾最不利情况，即重型车发生火灾，其火源功率为50mw，火源尺寸为长12m
×
宽2.55m
×
高1.2m。隧道环境温度及压强分别为20℃和101kpa，模拟计算时间为600s。设置如表1所示不同排烟阀个数、纵向通风风速、排烟口间距的各组工况来验证隧道纵向大间距点式排烟模式的合理性、隧道纵向大间距点式排烟模式(含多个排烟阀的排烟口)与传统模式(单处大排烟口)比较，突出隧道纵向大间距点式排烟模式优势以及优化研究隧道纵向大间距点式排烟模式的关键技术参数(纵向通风风速、排烟阀个数、排烟口间距)，提取计算模拟数据得到各工况参数的趋势和现象。
[0109]
表1通风排烟工况表
[0110][0111]
(2)根据所述有效性评估模型，对步骤(1)所述中提取到的各工况参数的趋势和现象(图4-6)进行分析对比：
[0112]
对比工况a1(单处大排烟口)与其他工况对比发现，下游烟气蔓延距离与其他的差别不大，均在可控范围内；仅在火源～排烟口组小部分区域内2m清晰高度温度高于60℃，而其余区域温度低于60℃，且清晰高度以上热辐射强度ti也不超过180℃(图5)；清晰高度下烟气毒性c
co
不超过2500ppm；工况a1的排烟效率明显略低于其他工况。
[0113]
对工况b1-b5和c1-c5分析，均无烟气逆流，下游烟气蔓延距离均在开启排烟口范围内(图4)；均仅在火源～排烟口组小部分区域内2m清晰高度温度高于60℃，而其余区域温度均低于60℃，且清晰高度以上热辐射强度ti也均不超过180℃(图5)；清晰高度下烟气毒性c
co
均不超过2500ppm；随着排烟阀个数增加，排烟效率先增大后减小；随着纵向通风风速增加，排烟效率降低(图6)。得到推荐排烟阀个数和纵向通风风速(表2)。推荐1处排烟口(含12个排烟阀)、纵向通风风速为3.67m/s。
[0114]
对工况d1-d5分析，均无烟气逆流，下游烟气蔓延距离均在开启排烟口范围内(图4)。均仅在火源～排烟口组小部分区域内2m清晰高度温度高于60℃，而其余区域温度均低于60℃，且清晰高度以上热辐射强度ti也均不超过180℃(图5)；清晰高度下烟气毒性c
co
均不超过2500ppm；随排烟口间距增加，排烟效率先增大后减小。得到排烟口间距推荐值(表2)，推荐排烟口间距为300m。
[0115]
通过对各工况参数的趋势和现象分析得到：证明所述隧道纵向大间距点式排烟模式是合理有效的、与传统模式比较，隧道纵向大间距点式排烟模式的排烟效率更优，降低了
隧道建设和运营成本、推荐纵向通风风速3.67m/s、1处排烟口(含12个排烟阀)、排烟口间距300m的所述隧道纵向大间距点式排烟模式排烟方案，是可满足所述有效性评估模型，所述隧道纵向大间距点式排烟的设计方法是可行的。
[0116]
表2不同指标判据下参数推荐值
[0117][0118]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。