吳照國，宗鵬飛，田 堃，李林杰

(1.國家電網(wǎng)重慶電力公司電力科學(xué)研究院，重慶 401123；2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

電纜隧道作為電力長距離傳輸?shù)闹饕侄?，在現(xiàn)代工業(yè)中扮演著重要角色。電纜隧道往往建于地下，環(huán)境惡劣[1]。一旦發(fā)生火災(zāi)，地下封閉空間內(nèi)溫度高、能見度低，撲救困難，撲救人員危險(xiǎn)大，且火災(zāi)易復(fù)燃，損失大[2-3]。

封堵戰(zhàn)術(shù)是封堵隧道洞口，切斷隧道內(nèi)氧氣的補(bǔ)充，使得隧道內(nèi)的燃燒沒有足夠的氧氣而熄滅[4]，多應(yīng)用于公路和鐵路隧道火災(zāi)的撲救。HUANG等[5]通過1：6縮尺試驗(yàn)，研究了考慮車輛堵塞效應(yīng)時(shí)隧道頂棚煙氣最高溫度預(yù)測模型。CHEN等[6]通過1：9試驗(yàn)臺(tái)，通過試驗(yàn)對(duì)比不同封閉比例對(duì)隧道內(nèi)燃燒過程和溫度場的影響，得出臨界封閉面積、燃料面積與頂棚煙氣溫度變化之間的關(guān)系。YONG等[7]通過1∶15 縮尺試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行非對(duì)稱封閉下隧道火災(zāi)燃燒特性研究，分析了不同封閉比例對(duì)隧道火災(zāi)的抑制效果。董炳燕等[8]等運(yùn)用FDS(Fire Dynamics Simulator)軟件，模擬全尺寸拱形隧道在不同封閉比例下隧道火災(zāi)情況，指出高封閉比例會(huì)出現(xiàn)回溫現(xiàn)象，并得出不同封閉比例、火源功率條件下的最高溫度變化規(guī)律。馬志欣[9]研究了隧道內(nèi)阻塞物周圍的煙氣流速矢量，并分析了渦旋形成的原因和特性。在電纜隧道火災(zāi)中，由于隧道截面尺寸和可燃物特性與公路、鐵路隧道有較大的不同，對(duì)于其封堵后的火災(zāi)特性需要研究。

筆者利用美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院開發(fā)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件FDS，建立電纜隧道模型，模擬分析電纜隧道一個(gè)防火分區(qū)內(nèi)火災(zāi)在不同封堵形態(tài)下的煙氣運(yùn)動(dòng)、溫度分布、CO濃度分布規(guī)律。

1 模型建立

FDS采用數(shù)值方法求解受火災(zāi)浮力驅(qū)動(dòng)的低馬赫數(shù)流動(dòng)N-S方程，重點(diǎn)計(jì)算火災(zāi)中的煙氣和熱傳遞過程，利用FDS模擬得出火災(zāi)發(fā)生時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)情況，F(xiàn)DS軟件的火災(zāi)模擬精度與網(wǎng)格密度有關(guān)，網(wǎng)格越密，結(jié)果越精確[10]，消耗的資源也越多。研究表明，當(dāng)網(wǎng)格尺寸取火源特征直徑的1/10時(shí)，模擬結(jié)果較為精確[11]?；鹪刺卣髦睆接?jì)算公式如式(1)所示：

(1)

式中：Q為火災(zāi)熱釋放功率，kW；ρ∞為空氣密度，kg/m3；c∞為空氣比熱容，kJ/(kg·K)；T∞為環(huán)境溫度，K；g為重力加速度，m/s2。

實(shí)際電纜隧道尺寸如圖1所示，據(jù)此建立一段長200 m、高2.6 m、寬2.8 m的電纜隧道，網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。在建模時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性分析，如圖2所示。當(dāng)網(wǎng)格尺寸小于0.25 m時(shí)，模擬的精確度差別不大，但模擬所用時(shí)間大大增加。考慮火焰溫度在豎向上的溫度變化，應(yīng)當(dāng)在豎向上對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密。綜合考慮決定網(wǎng)格尺寸采用0.2 m×0.2 m×0.1 m。結(jié)合文獻(xiàn)[12]所做FDS模型的網(wǎng)格劃分，驗(yàn)證網(wǎng)格尺寸的合理性。模型總網(wǎng)格數(shù)為364 000。隧道內(nèi)部鋪設(shè)對(duì)向的三層電纜，電纜層設(shè)計(jì)均為長200 m、寬0.9 m、高0.1 m的矩形。底層電纜距離隧道底部0.9 m，每層電纜相距0.6 m。

圖1 隧道模型

圖2 不同尺寸網(wǎng)格對(duì)隧道頂棚下方溫度的影響

表1 網(wǎng)格參數(shù)

點(diǎn)火源設(shè)置在隧道的中部，在實(shí)驗(yàn)中取火源(小立方體0.1 m×0.1 m×0.1 m)，熱釋放功率為1 500 kW/m2。點(diǎn)火源用于引燃電纜，點(diǎn)火源在持續(xù)燃燒300 s后熄滅，火災(zāi)在電纜上自然蔓延。在電纜隧道模型中建立對(duì)向的三層電纜，并在隧道頂棚下方和三層電纜上方設(shè)置溫度測點(diǎn)。測點(diǎn)具體布置如圖3所示，在隧道0～90 m和110～200 m的范圍內(nèi)，每個(gè)熱電偶間距5 m。由于點(diǎn)火源位于隧道的中部，所以溫度的變化在中部比較劇烈，所以在90～110 m設(shè)置較多較密集的熱電偶來觀測溫度的變化，熱電偶間隔2 m。

圖3 隧道溫度測點(diǎn)布置

模擬實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)5種工況，分別是端口無封堵、封堵3/4、封堵1/2、封堵1/4、封堵1/8。無封堵模型示意圖如圖4所示，其他工況都是在此基礎(chǔ)上按比例施加遮擋物。

圖4 無封堵工況隧道左視圖

2 結(jié)果與討論

2.1 不同封堵情況下煙氣蔓延

不同封堵形態(tài)下電纜隧道火災(zāi)的煙氣分布形態(tài)如圖5所示。無封堵狀態(tài)下的隧道煙氣狀態(tài)如圖5(a)所示，可知在200 s時(shí)，煙氣已經(jīng)布滿了隧道的頂棚；在隨后的400 s模擬時(shí)間中，煙氣沒有向隧道底部蔓延，維持在隧道頂棚。有封堵時(shí)的煙氣分布狀態(tài)如圖5(b)所示，可知在200 s時(shí)，煙氣在布滿隧道頂棚后開始向隧道底部蔓延；在隨后的模擬時(shí)間中，煙氣自兩端口向隧道中部蔓延，最終充滿隧道。對(duì)比可知，在無封堵時(shí)，空氣流通流暢，煙氣密度較小，只在隧道頂部分布；當(dāng)隧道兩側(cè)存在封堵后，空氣流動(dòng)受阻，煙氣較難排出，自兩端向隧道底部蔓延，最后遍布隧道。

不同封堵形態(tài)工況下煙氣充滿隧道的時(shí)間如表2所示?？芍诜舛?/4、封堵1/2、封堵1/4、封堵1/8工況下煙氣充滿隧道的時(shí)間分別為290 s、340 s、360 s、285 s，端口封堵的大小影響隧道中煙氣充滿的時(shí)間，封堵比例越大，隧道內(nèi)的煙氣與隧道外的空氣交換越困難，煙氣充滿隧道的時(shí)間越長。

表2 4種工況煙氣充滿隧道的時(shí)間

2.2 不同封堵情況下火蔓延

本次模擬實(shí)驗(yàn)點(diǎn)火源燃燒持續(xù)時(shí)間為300 s，之后點(diǎn)火源熄滅，電纜隧道火災(zāi)自然發(fā)展?；馃熉訝顟B(tài)如圖6所示。

圖6 火焰蔓延狀態(tài)

電纜隧道兩端自然打開時(shí)不同時(shí)刻的火焰蔓延情況如圖6(a)所示，可知火災(zāi)開始時(shí)，點(diǎn)火源引燃底層的電纜，并在高溫的作用下逐漸引燃上層的電纜，然后火災(zāi)開始向隧道兩端蔓延，上層電纜火災(zāi)蔓延的速度明顯大于底層電纜隧道火災(zāi)蔓延的速度。并且在點(diǎn)火源熄滅之后，火災(zāi)蔓延的范圍繼續(xù)增大。燃燒生成的火羽流是熱量的攜帶者，由于火羽流的密度比空氣低，聚集在隧道上部，使得隧道上層的電纜接受更多的熱量，所以上層電纜火災(zāi)蔓延的速度明顯大于底層電纜隧道火災(zāi)蔓延的速度。其他3種工況火焰狀況基本一致，只有在封堵為3/4時(shí)的情況有所不同。封堵3/4時(shí)火焰蔓延情況如圖6(b)所示，對(duì)比可知，在點(diǎn)火源熄滅以前封堵的形態(tài)對(duì)于火焰蔓延幾乎沒有影響。在點(diǎn)火源熄滅以后，封堵3/4工況的火焰在580 s熄滅。

2.3 不同封堵情況下隧道頂棚下方溫度分布

由于溫度變化較大的區(qū)域集中在頂棚下方，所以選用300 s和600 s時(shí)頂層溫度的分布圖，觀察火源熄滅前后的溫度變化。300 s時(shí)頂棚5種工況的熱電偶溫度圖如圖7(a)所示，可知火源沒熄滅時(shí)，5種工況的頂棚溫度幾乎沒有區(qū)別，最高溫度為1030 ℃，在隧道100 m處；最低溫度為61 ℃，在隧道端口位置。由于前300 s隧道中有點(diǎn)火源的存在且氧氣充足，所以隧道兩端的封堵對(duì)溫度幾乎沒有影響。600 s時(shí)頂棚5種工況的熱電偶溫度圖如圖7(b)所示，可知在隧道100 m處，無封堵、封堵1/2、封堵1/4、封堵1/8這4種工況溫度幾乎相同，最高溫度為646℃，封堵3/4的溫度為106℃。明顯最高溫度比300 s時(shí)有所降低，封堵3/4時(shí)溫度降低顯著。自隧道100 m處向兩側(cè)，溫度開始出現(xiàn)分層，封堵比例越大，溫度越低。由于隧道的封堵，隧道中燃燒產(chǎn)生的氣體與外界空氣交換受阻，氧氣的流入較少。所以在點(diǎn)火源熄滅之后，封堵比例越大，溫度降低越多。

圖7 各工況頂棚熱電偶溫度

2.4 不同封堵情況下隧道內(nèi)氣體濃度分布

由于火焰在封堵3/4工況下580 s后熄滅，所以提取封堵3/4工況的最后20 s的氧氣分布圖，同時(shí)對(duì)比無封堵工況最后20 s的氧氣分布，如圖8所示。

無封堵時(shí)隧道內(nèi)氧氣濃度分布如圖8(a)所示，可知底層的氧氣濃度最大，越往頂層氧氣濃度越少。無封堵時(shí)隧道內(nèi)氧氣濃度分布如圖8(b)所示，可知整個(gè)隧道的氧氣濃度都處于一個(gè)較低值。對(duì)比可知，封堵3/4時(shí)隧道內(nèi)氧氣濃度遠(yuǎn)低于無封堵狀態(tài)，當(dāng)隧道內(nèi)的氧氣濃度低于某一個(gè)臨界值時(shí)，燃燒反應(yīng)不能持續(xù)，火焰熄滅。

圖8 無封堵和封堵3/4時(shí)的氧氣濃度

無封堵時(shí)隧道600 s時(shí)的CO濃度分布圖如圖9(a)所示，可知CO出現(xiàn)一種分層的狀態(tài)，頂棚CO濃度最高，向底層逐步減少。封堵3/4時(shí)隧道600 s時(shí)的CO濃度分布圖如圖9(b)所示，可知CO在隧道中部的濃度十分高，在隧道兩端的CO濃度相對(duì)較低，但也在較高的水準(zhǔn)。封堵1/2時(shí)隧道600 s時(shí)的CO濃度分布圖如圖9(c)所示，可知CO濃度較封堵3/4時(shí)有所減緩，濃度1.6以上的區(qū)域減少。封堵1/4、封堵1/8時(shí)隧道600 s時(shí)的CO濃度分布圖分別如圖9(d)和圖9(e)所示，可知CO分布出現(xiàn)了一定的分層。通過對(duì)比可知，封堵比例越大，CO濃度越高，在兩端無封堵時(shí)，煙氣可以和外界空氣進(jìn)行流通，由于CO密度低，所以只聚集在隧道的頂層；在兩端有封堵后，空氣交換受阻，隧道內(nèi)的CO無法排出，而外界的氧氣又進(jìn)入困難，加劇了隧道內(nèi)的不充分燃燒，所以CO濃度會(huì)劇烈增加。

圖9 5種工況600 s時(shí)CO濃度和分布

2.5 不同封堵情況下火焰蔓延速度

火焰蔓延的速度是決定火災(zāi)受災(zāi)范圍的重要因素?；鹧娴臏囟纫话阍?00 ℃～450 ℃，所以模擬以300 ℃以上的區(qū)域?yàn)榛鹧娲嬖趨^(qū)域[13]。本次實(shí)驗(yàn)在57 s時(shí)出現(xiàn)300 ℃以上的溫度，所以以57 s為起始，每隔100 s記錄大于300 ℃的范圍，以此來計(jì)算火焰蔓延速度。

無封堵、封堵3/4、封堵1/2、封堵1/4、封堵1/8情況下600 s內(nèi)不同時(shí)段的火焰區(qū)域圖如圖10(a)所示，可知在火源沒熄滅之前，5種工況的火焰范圍基本一致，唯一的區(qū)別是無封堵、封堵1/4、封堵1/8時(shí)的火焰區(qū)域比封堵3/4、封堵1/2時(shí)的略大。在火源熄滅之后，5種工況的火焰范圍均有所減小，封堵3/4的情況減小的最大，之后依次是封堵1/2、封堵1/4、封堵1/8，無封堵減小最小。除封堵3/4的情況外，其他工況火蔓延范圍在500 s之后趨于穩(wěn)定。無封堵、封堵3/4、封堵1/2、封堵1/4、封堵1/8情況下600 s內(nèi)不同時(shí)段火焰蔓延速度圖如圖10(b)所示，可知在300 s之前，5種工況的火焰蔓延速度一樣，在300 s后火焰蔓延速度呈現(xiàn)出負(fù)增長，300～400 s間負(fù)增長較快，400 s后負(fù)增長速度放緩。封堵比例越大，蔓延負(fù)增長速度越快。由于在前300 s有外加火源狀態(tài)且氧氣充足，所以火焰的蔓延沒什么區(qū)別，而在點(diǎn)火源熄滅之后，由于封堵的存在，隧道內(nèi)氧氣的補(bǔ)充情況不同，火焰會(huì)有熄滅的快慢的不同。

圖10 電纜隧道不同封堵情況下火焰蔓延范圍和速度

3 結(jié)論

(1)在端口無封堵時(shí)，煙氣在隧道頂部蔓延，沒有向下蔓延的趨勢(shì)。端口施加封堵后，煙氣在未覆蓋滿隧道頂層之前與無封堵情況一致；在覆蓋滿隧道頂層之后，在端口出向隧道底部蔓延，最終煙氣充滿整個(gè)隧道。封堵比例越大，充滿隧道的時(shí)間越短。

(2)隧道端部的封堵情況并不影響隧道中心的火焰燃燒狀態(tài)，且火災(zāi)的燃燒范圍并不是很大，主要在火源附近。只有在封堵3/4時(shí)，300 s后火焰收縮嚴(yán)重，最后在580 s左右熄滅。說明在較大的端口封堵情況下，封堵對(duì)抑制火焰蔓延有正面效果。

(3)5種工況下隧道頂層溫度都是最高，底層最低。封堵在小面積下對(duì)溫度的影響較小，只有在封堵3/4時(shí)，在火源熄滅后，溫度下降較快。推測在封堵比例繼續(xù)加大的情況下，火焰熄滅的速度會(huì)更快，因此可以在電纜隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)先對(duì)火災(zāi)發(fā)生區(qū)域進(jìn)行封閉隔離，一段時(shí)間后在讓消防人員進(jìn)入，對(duì)殘余明火進(jìn)行撲滅。

(4)在端部沒有封堵時(shí)，一氧化碳主要分布在隧道頂部，且數(shù)量稀少；在端部封堵3/4時(shí)，一氧化碳在隧道中部大量聚集，在兩端濃度較少，但也遠(yuǎn)高于未封堵時(shí)的一氧化碳濃度；在端部封堵了1/2時(shí)，聚集較多一氧化碳的區(qū)域有所減少，中間火源處隧道底部較周圍有一個(gè)低濃度地區(qū)；在端部封堵了1/4和1/8情況下，相較于無封堵的情況，在兩端口處有一定的一氧化碳的集中。

端口的封堵會(huì)導(dǎo)致氣體的流通不暢，一氧化碳會(huì)聚集。在端口封堵面積較小時(shí)，一氧化碳會(huì)在斷口處聚集，在端口封堵面積較大時(shí)，一氧化碳會(huì)在隧道中部聚集。