李 靖

(武昌理工學(xué)院 城市建設(shè)學(xué)院， 湖北 武漢 430223)

隨著我國公路建設(shè)的飛速發(fā)展，公路隧道的建設(shè)數(shù)量不斷增加，特長公路隧道不斷涌現(xiàn)。特長隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到隧道的運(yùn)營環(huán)境和運(yùn)營安全，通風(fēng)設(shè)計(jì)的重要性不斷加強(qiáng)[1～4]。公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)的參數(shù)繁多，計(jì)算復(fù)雜，方案比選次數(shù)多，過程煩瑣，而目前通風(fēng)計(jì)算手段落后，嚴(yán)重影響隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)流程

目前影響公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)效率的主要問題是通風(fēng)壓力計(jì)算及需風(fēng)量計(jì)算效率低下。特別是通風(fēng)壓力計(jì)算，隨著隧道通風(fēng)分段數(shù)的增加計(jì)算將變得越來越復(fù)雜，將耗費(fèi)大量的人力及時(shí)間；同時(shí)由于手工計(jì)算容易出錯(cuò)，且不可能進(jìn)行大量的比選，精細(xì)化設(shè)計(jì)顯得較為困難。以上兩個(gè)問題將嚴(yán)重影響公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，如能采用程序計(jì)算將極大地提高效率和準(zhǔn)確度。相關(guān)學(xué)者也嘗試采用不同的方式進(jìn)行了隧道通風(fēng)計(jì)算程序化的工作[5,6]。

1 軟件功能

1.1 軟件總體架構(gòu)

軟件分為需風(fēng)量計(jì)算模塊、通風(fēng)壓力計(jì)算模塊及計(jì)算書生成模塊。需風(fēng)量計(jì)算程序可通過用戶輸入的隧道基本信息計(jì)算隧道需風(fēng)量。風(fēng)機(jī)配置程序在需風(fēng)量計(jì)算基礎(chǔ)上根據(jù)不同通風(fēng)方式計(jì)算隧道內(nèi)風(fēng)壓分布，進(jìn)而進(jìn)行風(fēng)機(jī)配置計(jì)算及設(shè)計(jì)。軟件模塊如圖2所示。

圖2 隧道通風(fēng)軟件模塊

軟件所有參數(shù)的輸入輸出均采用可擴(kuò)展表格形式，用戶可方便地進(jìn)行多種工況的通風(fēng)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)如下具體功能：

(1)隧道需風(fēng)量計(jì)算。其中計(jì)算工況(特征年、車速)不限個(gè)數(shù)，交通量可實(shí)現(xiàn)自動分解計(jì)算。

(2)隧道風(fēng)機(jī)配置計(jì)算?？蓪?shí)現(xiàn)分段縱向式(不限豎井個(gè)數(shù))、集中送入式、集中排出式通風(fēng)壓力計(jì)算及風(fēng)機(jī)配置，自動生成射流風(fēng)機(jī)配置表。

(3)計(jì)算完成后可進(jìn)行隧道內(nèi)風(fēng)速、濃度、壓力曲線的繪制。

(4)可自動生成需風(fēng)量計(jì)算及風(fēng)機(jī)配置計(jì)算計(jì)算書(word格式)。

軟件可采用菜單、工具條及向?qū)谶M(jìn)行計(jì)算操作。項(xiàng)目建立后按向?qū)扑]順序進(jìn)行操作，可進(jìn)行需風(fēng)量及風(fēng)機(jī)配置計(jì)算。計(jì)算前可雙擊向?qū)谌我忭?xiàng)目進(jìn)行相關(guān)基礎(chǔ)信息的修改。通過菜單、工具條也可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。程序主界面如圖3所示。

圖3 隧道通風(fēng)軟件主界面

1.2 需風(fēng)量計(jì)算

根據(jù)對話框提示內(nèi)容分別選擇和填入隧道路線及其他基本信息。通行方式根據(jù)下拉框中的內(nèi)容進(jìn)行選擇，可選擇左線隧道、右線隧道或者單洞雙向。變坡點(diǎn)個(gè)數(shù)可輸入任意多個(gè)，程序可實(shí)現(xiàn)自動擴(kuò)展，變坡點(diǎn)處應(yīng)輸入豎曲線半徑。程序根據(jù)填入的路線數(shù)據(jù)自動計(jì)算隧道任意樁號的高程及縱坡，從而進(jìn)行需風(fēng)量計(jì)算。其中設(shè)計(jì)氣壓可以根據(jù)工程所在地氣象調(diào)查資料輸入，如果沒有相應(yīng)的氣象資料，可根據(jù)程序提供的輔助計(jì)算功能進(jìn)行計(jì)算。隧道基本信息輸入界面如圖4所示。

圖4 隧道基本信息

計(jì)算工況可輸入任意多個(gè)。當(dāng)車隊(duì)限制長度小于隧道長度時(shí)，將按輸入的車隊(duì)限制長度進(jìn)行需風(fēng)量計(jì)算，并計(jì)算車隊(duì)位于最不利縱坡情況下的需風(fēng)量。因此，對正常工況，一般情況下填入比隧道長度大的數(shù)值即可。隧道需風(fēng)量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)輸入界面如圖5所示。

圖5 隧道需風(fēng)量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

繼續(xù)輸入汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)及交通量信息等參數(shù)，可進(jìn)行需風(fēng)量計(jì)算。

1.3 風(fēng)機(jī)配置計(jì)算

本軟件提供全縱向射流風(fēng)機(jī)式、集中送入式、集中排出式、分段送排式通風(fēng)方式的計(jì)算。其中分段送排式通風(fēng)段數(shù)可實(shí)現(xiàn)任意段，可基本滿足大部分公路隧道需求。隧道通風(fēng)形式選擇界面如圖6所示。選擇不同的通風(fēng)方式后，程序菜單會發(fā)生相應(yīng)的變化，以適應(yīng)不同的通風(fēng)方式。

圖6 隧道通風(fēng)方式

根據(jù)相關(guān)資料填寫出入口的環(huán)境參數(shù)，如圖7所示。洞內(nèi)自然風(fēng)速應(yīng)根據(jù)實(shí)測資料進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)無實(shí)測資料時(shí)，規(guī)范推薦采用2～3 m/s。此隧道內(nèi)自然風(fēng)速獨(dú)立于隧道長度，如果對于所有的情況均按此式計(jì)算的話，特別是對于特長隧道，計(jì)算出的自然風(fēng)阻明顯偏大，造成了不必要的浪費(fèi)[7]。程序提供如下兩種方式解決這個(gè)問題。

圖7 隧道通風(fēng)參數(shù)

(1)可通過自然風(fēng)計(jì)算系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。系數(shù)可填入0～1之間的數(shù)值，則可對自然風(fēng)壓力進(jìn)行折減，計(jì)算系數(shù)為0表示不考慮自然風(fēng)阻力。

(2)可將自然風(fēng)計(jì)算系數(shù)填為0，直接在洞口自然風(fēng)損失壓力內(nèi)填入壓力損失數(shù)值。

進(jìn)風(fēng)口CO及煙霧初始含量用于計(jì)算洞口送入的新鮮風(fēng)中含有一定污染物時(shí)的實(shí)際需風(fēng)量。

根據(jù)提示填入風(fēng)機(jī)參數(shù)，使程序可進(jìn)行壓力計(jì)算。其中射流風(fēng)機(jī)可直接選擇風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)庫中的風(fēng)機(jī)型號。風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)庫菜單中可預(yù)輸入各種不同型號的射流風(fēng)機(jī)，以供選用。

各通風(fēng)段的汽車通行方式可選擇單向順行、單向逆行、雙向行車。各段內(nèi)計(jì)算交通風(fēng)力的方式可選擇按阻力計(jì)、不計(jì)交通風(fēng)力、按動力計(jì)，當(dāng)隧道通行方式為雙向行車或者通風(fēng)風(fēng)流與行車方向不一致時(shí)，交通風(fēng)計(jì)算方式應(yīng)選擇按阻力計(jì)算。各段內(nèi)射流風(fēng)機(jī)計(jì)算方法可選擇按阻力由程序計(jì)算、人工設(shè)定射流風(fēng)機(jī)數(shù)量、按推動力由程序計(jì)算，射流風(fēng)機(jī)可人為指定數(shù)量，若為人工設(shè)定射流風(fēng)機(jī)數(shù)量，則<0為阻力，>0為動力。計(jì)算完成后可查看風(fēng)機(jī)配置結(jié)果，如圖8所示。

圖8 隧道風(fēng)機(jī)配置計(jì)算結(jié)果

計(jì)算完成后，如需配置射流風(fēng)機(jī)，則需要完成風(fēng)機(jī)配置任務(wù)。程序會根據(jù)風(fēng)機(jī)組數(shù)自動生成射流風(fēng)機(jī)位置，默認(rèn)間距為200 m，默認(rèn)起始位置距隧道進(jìn)口250 m，風(fēng)機(jī)型號及相關(guān)信息為用戶在風(fēng)機(jī)參數(shù)中選擇的參數(shù)。

1.4 生成曲線及計(jì)算書

計(jì)算完成后，可生成CO濃度曲線、煙霧濃度曲線及風(fēng)速、靜壓力曲線，某分段式通風(fēng)壓力曲線如圖9所示。所有計(jì)算成果可直接生成word格式計(jì)算書文件，其中計(jì)算結(jié)果均以表格的形式生成，方便使用。

圖9 隧道通風(fēng)壓力曲線

2 排風(fēng)口升壓系數(shù)及阻力系數(shù)

2.1 排風(fēng)口升壓系數(shù)

沿隧道縱向，由于排風(fēng)的影響，氣體經(jīng)過排風(fēng)口后速度降低，根據(jù)能量守恒定律，氣體的動壓降低，靜壓升高，如圖10所示(圖中：Qr1，Qr2，Qr3，Qr4分別表示排風(fēng)口前后和送風(fēng)口前后的風(fēng)量；Qe，Qb分別表示排風(fēng)井和送風(fēng)井的風(fēng)量；υr1，υr2，υr3，υr4分別表示排風(fēng)口前后和送風(fēng)口前后的風(fēng)速；υe，υb分別表示排風(fēng)井和送風(fēng)井的風(fēng)速)。

圖10 豎井送排式通風(fēng)方式模式

以下將利用Bassett[8]等人推導(dǎo)的分流三通阻力系數(shù)解析式對排風(fēng)口升壓公式進(jìn)行推導(dǎo)。

通過排風(fēng)口前后的風(fēng)量及排風(fēng)井的風(fēng)量分別為Qr1，Qr2，Qe，風(fēng)速分別為υr1，υr2，υe，氣體經(jīng)過排風(fēng)口前相應(yīng)位置處的面積為Ar，排風(fēng)口沿隧道的局部阻力系數(shù)為ξ1。如圖11所示。

圖11 分流三通通風(fēng)方式模式

令：

(1)

根據(jù)流體連續(xù)性方程可得：

Qr1=Qr2+Qe

(2)

對圖2虛線所示的控制體，沿隧道縱向運(yùn)用動量方程可得：

pr1qAr-pr2Ar+p*(1-q)Ar=ρQr2υr2-qρQr1υr1

(3)

式中：p*表示圖11所示C和C0兩點(diǎn)間流線的平均壓力；ρ為空氣密度。假設(shè)C0點(diǎn)的壓力等于管道C的全壓，則：

(4)

聯(lián)立式(1)～(4)可得：

(5)

因此有：

(6)

式(6)即為根據(jù)動量定理推導(dǎo)出的排風(fēng)口升壓力計(jì)算公式。此式獨(dú)立于排風(fēng)口的面積和角度，這是因?yàn)橐讶藶榇_定了排風(fēng)量的大小。

同時(shí)，由能量方程可得：

(7)

綜合以上各式，可得排風(fēng)口沿隧道的局部阻力系數(shù)ξ1為：

(8)

上式即為氣體沿隧道縱向通過排風(fēng)口時(shí)的局部阻力系數(shù)計(jì)算公式。

2.2 排風(fēng)口局部阻力系數(shù)

隧道排風(fēng)口會造成壓力損失，下面將求解氣流流向排風(fēng)口的局部阻力系數(shù)。

求解阻力系數(shù)ξ2需要考慮兩個(gè)不同的控制體，如圖12所示，第一個(gè)區(qū)域?yàn)镃—C0—R—R，第二個(gè)區(qū)域?yàn)镽—R—B—B，假設(shè)流體從主管分離進(jìn)入支管時(shí)，與壁面分離，即速度不沿壁面方向。正是由于進(jìn)入支管時(shí)速度不沿壁面，造成了后面提到的支管中流體控制限制。虛線R—R所在位置就是這種限制的最大點(diǎn)，此處自由流體面積等于ζAe，這里ζ表示自由流體面積與管道面積的比值，Ae表示氣體經(jīng)過排風(fēng)口后相應(yīng)位置處的面積。假設(shè)分離區(qū)的壓力相等且等于沿R—R的壓力值為pR。

圖12 排風(fēng)口局部阻力示意

除了上述假設(shè)外，求解ξ2的主要假設(shè)為進(jìn)入支管流體的速度大小和方向(與C—C0相交處)。通過主支管面積相等的三通試驗(yàn)，Hagar建議進(jìn)入支管的流體速度等于υr1，速度方向與水平線交角為θ/4[9]。這里我們假設(shè)無論主支管面積是否相等，這個(gè)假設(shè)都將適用。Hagar認(rèn)為，當(dāng)流體在區(qū)域C—C0—R—R匯聚時(shí)，流體全壓不變，且壓力損失僅僅發(fā)生流體在區(qū)域R—R—B—B開始分離時(shí)，因此流體在C—C0和R—R之間的全壓為定值。

令：

(9)

(10)

由連續(xù)性方程可得：

υe=qψυr1

(11)

(12)

對于控制體C—C0—R—R，由動量方程得：

(13)

假設(shè)C—C0和R—R之間流體沒有壓力損失，那么伯努利方程可寫為：

(14)

現(xiàn)在考慮R—R—B—B之間的第二控制體，由伯努利方程得：

(15)

式中：Δp為控制體的壓力損失；PB為B—B處壓力值。

對控制體運(yùn)用動量方程：

pRAe-pBAe=ρqQr1υB-ρqQr1υR

(16)

由以上各式可得：

(17)

因此：

(18)

由式(18)可知，當(dāng)排風(fēng)量及排風(fēng)口面積一定的情況下，阻力系數(shù)與排風(fēng)口角度相關(guān)，當(dāng)排風(fēng)角θ在0～90°之間變化時(shí)，排風(fēng)角越小，主力系數(shù)越小，90°時(shí)阻力系數(shù)最大。

以上結(jié)論在多個(gè)試驗(yàn)中得到了證實(shí)，如秦嶺終南山隧道就進(jìn)行了專門的排風(fēng)口角度試驗(yàn)，得出了與以上推導(dǎo)類似的結(jié)論，并最終將排風(fēng)口的角度取為30°[10]。隨著隧道土建施工技術(shù)的不斷進(jìn)步，隧道排風(fēng)口與主洞小角度斜交的施工安全及結(jié)構(gòu)安全也能夠找到很好的解決辦法，因此為了優(yōu)化隧道通風(fēng)方案，減少通風(fēng)阻力，特別是在圍巖條件較好的情況下，應(yīng)盡量減小排風(fēng)口角度。

3 計(jì)算實(shí)例

某特長隧道主要參數(shù)為：隧道平均設(shè)計(jì)高程425 m，隧道內(nèi)夏季設(shè)計(jì)氣溫20 ℃，隧道凈空斷面面積64.31 m2，隧道氣壓96.5 Pa，隧道長度為7480 m，交通阻滯車速10 km/h。隧道采用分二段縱向式通風(fēng)。

通過本文編制程序計(jì)算，隧道各段通風(fēng)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

通過風(fēng)機(jī)配置，隧道各段通風(fēng)風(fēng)速、壓力、CO濃度及煙霧濃度如圖13～16所示。

表1 隧道通風(fēng)計(jì)算結(jié)果

圖13 隧道風(fēng)速

圖14 隧道壓力分布

圖15 隧道CO濃度分布

圖16 隧道煙霧濃度分布

4 結(jié) 論

(1)公路隧道通風(fēng)計(jì)算程序化避免了大量的重復(fù)計(jì)算，同一項(xiàng)目的隧道只需調(diào)整局部參數(shù)即可完成計(jì)算，節(jié)約了大量的人力及時(shí)間，從而可以對一個(gè)隧道進(jìn)行多方案比選，大大提高了公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)質(zhì)量。

(2)本文提供的程序化思路可以直接生成隧道內(nèi)壓力曲線及污染物濃度曲線，為特長隧道通風(fēng)方案優(yōu)化提供了很好的解決方案。

(3)根據(jù)相關(guān)定理推導(dǎo)了排風(fēng)口氣流流向排風(fēng)道過程中的升壓及局部阻力系數(shù)，可以看出，阻力系數(shù)與排風(fēng)口的角度相關(guān)，排風(fēng)口角度越小，阻力系數(shù)越小。本文推導(dǎo)的排風(fēng)口升壓系數(shù)及阻力系數(shù)可供相關(guān)隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)參考。