胡 楠,肖峻峰,代長(zhǎng)青,尹詩(shī)元,胡濤濤
(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)
地下綜合管廊中鋪設(shè)了水、電、氣、通信等各種管道和纜線,是城市公共服務(wù)的地下隧道,也是現(xiàn)代城市的生命通道。管廊內(nèi)電纜埋設(shè)數(shù)量多,極易發(fā)生過(guò)載、短路、老化、接觸不良等問(wèn)題,甚至使電纜艙室發(fā)生火災(zāi)[1-3]。電纜燃燒產(chǎn)生的大量煙氣加大了火災(zāi)救援和搶險(xiǎn)維修工作的難度[4]。因此,開展電纜艙室內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律的研究具有重要的意義。Li等[5]利用PyroSim軟件對(duì)電弧放電引發(fā)的電纜火災(zāi)進(jìn)行了三維模型計(jì)算。Martinka等[6]評(píng)估了電纜之間的間距和電纜下層材料的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的影響。Tewarson等[7]開創(chuàng)了一種新的電纜火災(zāi)傳播范圍測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),制訂了不可燃的工業(yè)和商業(yè)場(chǎng)所中組合電纜的防火指南。Huang等[8]在不同電纜布置方式下進(jìn)行了火災(zāi)實(shí)驗(yàn),提出了垂直電纜火災(zāi)射流溫度的預(yù)測(cè)模型。
以上研究大多側(cè)重于相對(duì)簡(jiǎn)單的常規(guī)綜合管廊,關(guān)于特殊結(jié)構(gòu)綜合管廊的研究較少。因此,本文利用PyroSim軟件建立T型綜合管廊模型,研究進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口及火源位置對(duì)管廊火災(zāi)前期能見度、溫度、CO濃度的影響,以期為優(yōu)化綜合管廊消防設(shè)計(jì)提供參考。
以合肥市高新區(qū)某地下T型綜合管廊電纜艙為例,利用PyroSim軟件建立全尺寸模型,X方向長(zhǎng)200 m,Y方向長(zhǎng)100 m,連接部位為90°,截面尺寸為3.2 m×3.6 m(寬×高)。電纜艙室采用雙側(cè)布置,左右兩側(cè)各布置6層10 kV電纜,電纜各層次的間距為0.4 m,底層電纜距地面凈距為0.18 m,共設(shè)有A,B,C三個(gè)端口。電纜艙模型如圖1所示。
圖1 電纜艙模型
網(wǎng)格尺寸是FDS需要設(shè)置的重要參數(shù),一般取特征火焰直徑的1/16~1/4較為合適。通過(guò)網(wǎng)格敏感性分析驗(yàn)證得出,本模型的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.2 m×0.2 m×0.2 m,沿X,Y方向劃分為2部分,網(wǎng)格總數(shù)為432 000。
火源尺寸設(shè)置為1m×1m,共4個(gè)位置,位置1處于Y方向中部中心處,位置2處于X方向靠近A端口50 m處,位置3處于橫縱交叉口處,位置4處于X方向靠近B端口50 m處(如圖1)。本文設(shè)置模擬時(shí)間為600 s,約在253 s時(shí)火源的熱釋放速率達(dá)到最大值。
綜合管廊電纜艙室采用自然進(jìn)風(fēng)與機(jī)械排風(fēng)相結(jié)合的通風(fēng)方式,管廊通風(fēng)口處的出風(fēng)風(fēng)速不宜大于5 m/s。在3個(gè)端口頂部中間處設(shè)置面積為1 m2的進(jìn)、排風(fēng)口,風(fēng)口中心點(diǎn)坐標(biāo)分別為(100,1.6,3.1)(-100,1.6,3.1)(0,103.2,3.1),風(fēng)速為3 m/s。
設(shè)置環(huán)境溫度為20 ℃,相對(duì)濕度為40%,環(huán)境壓力為101.325 kPa,最大能見度為30 m,邊界條件為混凝土。
在管廊寬度中心線上高度為0.6 m處至頂棚布置溫度、CO濃度和能見度監(jiān)測(cè)點(diǎn),并沿管廊長(zhǎng)度方向每隔10 m展開布置。研究火源位置和通風(fēng)方式對(duì)T型管廊電纜艙火災(zāi)的影響,工況明細(xì)見表1。
表1 工況明細(xì)
t=300 s,沿管廊X方向1.8 m高度處,分別對(duì)4種通風(fēng)方案下管廊內(nèi)的溫度變化進(jìn)行模擬分析。不同火源位置下管廊內(nèi)的溫度變化如圖2所示。從圖2可以看出,在a通風(fēng)方案下,3種工況管廊內(nèi)的溫度變化趨勢(shì)較為相似。工況1下的最高溫度出現(xiàn)在管廊交叉口處,達(dá)到60 ℃,是由于交叉口處溫度聚集造成的。但是,其左右溫度下降都很快,原因是C排風(fēng)口起到了及時(shí)降溫的作用。工況2下的最高溫度出現(xiàn)在沿管廊縱向長(zhǎng)度A到B 50 m處,達(dá)到200 ℃以上,靠近A端口溫度雖有所下降,但火災(zāi)危險(xiǎn)性仍較大,B端口相較于A端口火災(zāi)危險(xiǎn)性較小。對(duì)比工況1和3可以看出,火源位置距離交叉口處越近,火災(zāi)危險(xiǎn)性越大,交叉口處溫度高達(dá)176 ℃。
(a) a通風(fēng)方案 (b) b通風(fēng)方案 (c) c通風(fēng)方案 (d) d通風(fēng)方案圖2 不同火源位置下管廊內(nèi)的溫度變化
在b通風(fēng)方案下, 4種工況沿管廊X方向的溫度變化形態(tài)較為相似,均在火源位置處達(dá)到最高溫度。工況6的最高溫度高于工況4,低于工況5和7,主要原因是C進(jìn)風(fēng)口補(bǔ)入了新鮮空氣使溫度下降;而工況5的最高溫度達(dá)到194 ℃,高于工況7,是因?yàn)锽排風(fēng)口的排風(fēng)使溫度下降。從這3種工況下的溫度下降速率可以看出,離排風(fēng)口越近,溫度下降越快。
在c通風(fēng)方案下,3種工況沿管廊X方向的溫度變化趨勢(shì)相似?;鹪刺幱谖恢?時(shí)達(dá)到的溫度最高?;鹪刺幱谖恢?時(shí)的最高溫度是在縱橫向交叉口處,約50 ℃左右,左右兩邊急速下降。這是由于C進(jìn)風(fēng)口及時(shí)補(bǔ)入新鮮空氣,經(jīng)過(guò)空氣融合快速降溫。對(duì)比工況8和10可以發(fā)現(xiàn),在c通風(fēng)方案下,火源位置距離橫縱交叉口處越近,火災(zāi)危險(xiǎn)性越大。
在d通風(fēng)方案下,4種工況沿管廊X方向的溫度變化趨勢(shì)較為一致,火源處于位置2時(shí)的溫度最高。對(duì)比工況12,13,14可以看出,工況13的最高溫度要低于另外2種工況。這是由于C排風(fēng)口及時(shí)排風(fēng)起到降溫的作用。工況13與工況14的溫度差并不大(不超過(guò)20 ℃),是因?yàn)锽進(jìn)風(fēng)口補(bǔ)入新鮮空氣,降低了溫度差。對(duì)比工況11和工況13可知,火源位置離橫縱交叉口越近,越易造成溫度集中,火災(zāi)危險(xiǎn)性越大。
在橫縱交叉口1.8 m高度處,分別對(duì)4種通風(fēng)方案下管廊內(nèi)的CO濃度變化進(jìn)行模擬分析。不同火源位置下管廊內(nèi)的CO濃度變化如圖3所示。從圖3可以看出,a通風(fēng)方案下,工況1管廊內(nèi)的CO濃度增長(zhǎng)趨勢(shì)較為緩慢,從150 s開始增長(zhǎng),600 s時(shí)達(dá)到最大值390 mg/L。這是由于火源位置靠近C排風(fēng)口,能排出一定量的CO,而A,B進(jìn)風(fēng)口補(bǔ)入的空氣又起到一定的助燃作用。工況2的CO濃度增長(zhǎng)速度比工況1要快得多,開始增長(zhǎng)的時(shí)間也有所提前。這是因?yàn)榛鹪次恢镁郃進(jìn)風(fēng)口較近,A進(jìn)風(fēng)口的補(bǔ)風(fēng)使CO隨空氣向前流動(dòng)聚集在交叉口處。工況3的CO濃度增長(zhǎng)速率最快,是因?yàn)榛鹪次恢锰幱诮徊婵谔?,離進(jìn)、排風(fēng)口都有一定的距離,故前期CO濃度增長(zhǎng)迅速。對(duì)比工況1和3可知,火源距離交叉口越近,火災(zāi)救援工作越不易展開。對(duì)比工況2和3可知,火源距離A進(jìn)風(fēng)口越遠(yuǎn),越有利于開展前期救援工作。
在b通風(fēng)方案下,當(dāng)火源處于交叉口處時(shí),CO濃度增長(zhǎng)開始的最早,且增長(zhǎng)速率最大;火源處于位置1和位置2時(shí),CO濃度開始增長(zhǎng)的時(shí)間和增長(zhǎng)速率接近;當(dāng)火源處于位置4時(shí),CO濃度增長(zhǎng)時(shí)間和增長(zhǎng)速率變化最為緩慢。分析原因可知,火源處于交叉口時(shí),物質(zhì)燃燒使CO持續(xù)增長(zhǎng),且交叉口處煙氣容易聚集;火源處于位置1和3時(shí),離交叉口的距離是一樣的,且A,C端設(shè)有進(jìn)風(fēng)口,所以增長(zhǎng)速率接近;當(dāng)火源處于位置4時(shí),雖然B端口能排出煙氣,但煙氣碰到障礙物有回流現(xiàn)象,所以在交叉口處CO緩慢增加。
在c通風(fēng)方案下,3種工況CO濃度變化趨勢(shì)較為一致。其中,工況9開始增長(zhǎng)的時(shí)間最為緩慢,是因?yàn)榇藭r(shí)火源距離A排風(fēng)口位置最近。對(duì)比工況9和10可以發(fā)現(xiàn),距離排風(fēng)口越遠(yuǎn)CO濃度越大,并在交叉口處易產(chǎn)生聚集。對(duì)比工況8和10,工況8的增長(zhǎng)速率比工況10快,是因?yàn)镃進(jìn)風(fēng)口補(bǔ)入空氣使得CO隨空氣向交叉口處蔓延。因此,在c通風(fēng)方案下,火源處于交叉口處是非常危險(xiǎn)的。
在d通風(fēng)方案下,4種工況的CO濃度變化趨勢(shì)較為相似,都是前期增長(zhǎng)、后期緩慢降低。當(dāng)火源處于交叉口處時(shí),CO濃度增長(zhǎng)趨勢(shì)最大;當(dāng)火源處于位置4時(shí),距離B進(jìn)風(fēng)口較近,CO逐步蔓延至管廊交叉口處;當(dāng)火源處于位置1和2時(shí),CO濃度增長(zhǎng)趨勢(shì)相當(dāng),開始增長(zhǎng)的時(shí)間也比其他2種工況遲,是因?yàn)榛鹪次恢?和2與A和C端排風(fēng)口的距離是一樣的,排風(fēng)口及時(shí)排風(fēng)稀釋了CO濃度。
t=300 s,X=0 m,Y=1.6 m時(shí),分別對(duì)a和b通風(fēng)方案下管廊內(nèi)能見度的變化進(jìn)行模擬分析。不同火源位置下管廊內(nèi)能見度切片如圖4所示。從圖4可以看出,a通風(fēng)方案下3種工況的能見度都出現(xiàn)明顯的分層,火源上方能見度最早開始下降。工況1下的煙氣涌向排風(fēng)口,致使排風(fēng)口附近能見度在6 m左右,其余工況中層能見度約為21 m,下層能見度保持在30 m范圍內(nèi)。其中,管廊交叉口處能見度最小(<3 m),是因?yàn)闊煔庠诮徊婵谔幮纬闪司奂?duì)比3種工況可以看出,當(dāng)火源處于交叉口處時(shí),工況3下的整體能見度都出現(xiàn)了分層。這是因?yàn)榛鹪刺幱诮徊婵冢c進(jìn)、排風(fēng)口有一定的距離,空氣流動(dòng)較快。b通風(fēng)方案下管廊內(nèi)能見度出現(xiàn)明顯的分層。對(duì)比工況4和6,可以發(fā)現(xiàn)煙氣產(chǎn)生了回流。分析原因可知,火源處于位置1時(shí)高溫?zé)煔馀c空氣混合作用強(qiáng)烈,靠近C進(jìn)風(fēng)口上層能見度為7 m左右;火源處于位置3時(shí)距離進(jìn)風(fēng)口較遠(yuǎn),煙氣與空氣混合作用沒有工況4強(qiáng)烈,因而能見度較工況4要高。對(duì)比工況5,6,7可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)火源處于位置4時(shí),能見度維持在30 m范圍的區(qū)間最大,是因?yàn)榛鹪纯拷麭排風(fēng)口煙氣被及時(shí)排走,而火源處于交叉口時(shí),煙氣逸散的路徑寬廣使得整體能見度最低。
(a) a方案,X=0 m (b) a方案,Y=1.6 m (c) b方案,X=0 m (d) b方案,Y=1.6 m圖4 不同火源位置下管廊內(nèi)能見度切片
t=300 s,分別對(duì)c和d通風(fēng)方案下管廊內(nèi)的煙氣分布進(jìn)行模擬分析。不同火源位置下管廊內(nèi)的煙氣分布如圖5和圖6所示。從圖5和圖6可以看出,c通風(fēng)方案下煙氣最早出現(xiàn)在火源附近,煙氣向上運(yùn)動(dòng)觸碰到頂棚后開始擴(kuò)散與空氣混合,一部分向前運(yùn)動(dòng),一部分形成回流。隨著上層煙氣層厚度加大,煙氣層出現(xiàn)沉降。d通風(fēng)方案下管廊內(nèi)一部分煙氣受到火風(fēng)壓的作用出現(xiàn)了向火源上游逆流的現(xiàn)象,另一部分朝著排風(fēng)口的方向蔓延并出現(xiàn)分層。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),在c通風(fēng)方案下,火源處于位置2時(shí),管廊內(nèi)相對(duì)安全的區(qū)域最大;在d通風(fēng)方案下,火源處于位置1時(shí),煙氣蔓延的速度較慢,相對(duì)安全的區(qū)域最大。
(a) 工況8 (b) 工況9 (c) 工況10圖5 c通風(fēng)方案下不同火源位置管廊內(nèi)煙氣分布
(a) 工況11 (b) 工況12 (c) 工況13 (d) 工況14圖6 d通風(fēng)方案下不同火源位置管廊內(nèi)煙氣分布
1)當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在位置1時(shí),宜采用a通風(fēng)方案。此方案在火災(zāi)初期的溫度和CO濃度變化趨勢(shì)都較緩慢,Y方向能見度維持在30 m范圍的區(qū)間也是最大的。
2)當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在位置2時(shí),宜采用d通風(fēng)方案。此方案下CO濃度增長(zhǎng)最為緩慢,最大值不超過(guò)200 mg/L,人體在2 h內(nèi)可以忍受。
3)當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在位置3時(shí),宜采用c通風(fēng)方案。此方案X方向溫度變化不大,前300 s內(nèi)CO濃度增長(zhǎng)也十分緩慢,最大值不超過(guò)200 mg/L,煙氣還未蔓延至整個(gè)Y方向。
4)當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在位置4時(shí),宜采用b通風(fēng)方案。此方案下整體能見度范圍最廣,且隨著時(shí)間的推進(jìn)CO濃度的增加逐漸放緩。