安徽省自然科学基金项目论文

城市地下综合管廊防火分区设计探究

耿德望，郑 源，刘 泓，彭 飞，杨立中，曹 备

(中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室， 安徽 合肥 230026)

摘 要

随着国内城市地下综合管廊运维工作的开展，廊体内由火灾引起的安全问题日益凸显。目前实际工程中，综合管廊防火间距设计、通风间距设计缺乏必要的科学支撑。论证了一种防火设计方法的安全性，即实际通风分区长度大于防烟分区长度。基于数值模拟方法还原典型火灾情景，围绕防控灾害关键节点，即综合管廊火灾的回燃和火灾烟气回流2方面，对综合管廊火灾危害进行了评估。研究成果可为综合管廊防火设计提供新思路，为综合管廊火灾相关标准的制定提供科学支撑。

关键词

综合管廊；防火分区；通风分区；数值模拟5

城市地下综合管廊（以下简称综合管廊）属于密闭型地下构筑物，容易沉积大量的热空气及有害气体，造成管廊内温度或相对湿度过高、空气含氧量下降，严重影响了其运营环境，一旦发生可燃气体泄漏或火灾事故，将造成极大的危害和损失[1-2]。

根据国内的法规和工程案例，综合管廊需设置防火分区和通风分区。考虑到综合管廊除检修及定期巡视外，无人员进出，综合管廊通风的目的是为了在非火灾状态下排出热量，火灾状态下加速灭火、减小电缆等损害或者火灾发生后加快烟气排出，使人员得以进入勘察火场。因此，合理、科学的防火分区（通风排烟区间）设计是保障综合管廊安全、稳定运营的重要手段之一。

关于通风排烟设计，我国提倡采用自然进风和机械排风相结合的通风方式，天然气管道舱和含有污水管道的舱室采用机械进、排风的通风方式[3]。火灾模式下我国规范要求发生火灾的防火分区通风设备自动关闭，执行事故后机械排烟[3]。通常情况下综合管廊设计通风区间多选择与防火分隔一致，每间隔200 m作为一个通风区间，区间中间设常闭防火门，平时通风设备定时工作，火灾时关闭通风设备，待确认火灾扑灭后开启排风，这样有利于灾后排烟自动进行，而且防火分隔处为常闭防火门，控制简单。但是通风区间与防火区间相一致的设计会造成突出地面上的通风口数量众多（高约1.6 m），严重影响了城市环境和地块的使用，增加了工程成本。

鉴于凸出地面上的通风口严重影响城市环境，上海、海口等一些城市在部分道路综合管廊设计中优化通风区间，以2～3个防火分隔作为一个通风区间，长约400～600 m。通风区间两端设常闭防火门，区间内防火分区设常开防火门，平时通风设备定时工作，火灾时关闭常开防火门和通风设备，待确认火灾扑灭后人工打开常开防火门后，开启排风。这样做减小了凸出地面的通风口对城市环境的影响，也使工程成本适度降低，但同时也带来了一系列的问题：即现有GB 50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》中通风排烟的设置能否满足通风区间加长后的要求，400 m长防烟区间是否会成为火灾二次危害形成的条件。

为解决以上实际问题，笔者利用FDS数值模拟进行了200～400 m通风排烟区间的相关研究，为科研和工程技术人员提供参考。

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数值模拟方法

CFD广泛应用于模拟不同火灾场景。其中，由美国国家技术标准局（NIST） 开发的火灾动力学模拟软件FDS（Fire Dynamics Simulator）受到了国内外学者的普遍认可，它以流体动力学理论为基础，可以模拟建筑火灾、隧道火灾、地铁车站火灾、油池火灾等多种火灾场景[4-5]。笔者以某综合管廊为研究对象，建立1∶1数值模型进行分析，模型空间体积内部净宽3.4 m，净高4.0 m，长200 m和400 m。根据Mcgrattan等[6-7]对灵敏度的要求，在保证计算结果准确性的前提下，兼顾计算机的性能，采用四边形结构划分网格，网格尺寸最终确定为0.2 m×0.2 m×0.2 m。

设置了2个系列工况（见表1、2），分别模拟通风排烟间距为200 m与400 m时，不同排烟风速对事故后排烟效果的影响，如图1所示。主要分析事故后（火焰由于氧气不足产生自熄灭后）排烟处理过程，为简化试验，故不考虑电缆舱内置电缆等设施。设置火源功率为0.5 MW，采用火焰局部温度和氧气浓度两方面判定火焰是否熄灭，通过人工设置的方式熄灭火焰。并且，火源采用甲烷气体反应保障所模拟的工况具有合理的烟气产生，将其布置在单个防火分区中央，尺寸为0.7 m×0.7 m。2个系列工况均采用机械排烟与自然补风的排烟方式，初始温度（室温）取20 ℃，模拟时间为1 200 s。

图1 综合管廊模型示意图

定义模型沿长度为X轴，沿宽度为Y轴，沿竖直高度为Z轴。在Y=1.7 m截面设置能见度切片，另外分别选取中间高度Z=1.9 m和靠近顶棚高度Z=3.6 m处的火源中心以及火源中心两侧对称设置了间隔为10 m的多组热电偶测点。为利于分析，选取X=5、50、100、150、195 m（系列2增设靠近顶棚X=200、250 m）等测点进行温度分析。测点和切片布置示意图如图2所示。

图2 测点和切片布置示意图（m）

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结果与讨论

2.1 不同通风区间长度的排烟差异

图3、4展示的是工况4在左端机械排烟、右端自然通风设置下，综合管廊内部低风速（1.5 m/s）的排烟过程。在200 m长封闭空间内，由于烟气的聚集与扩散，综合管廊内部整体温度上升、压力升高，故在排烟初期阶段2个端口都会有烟气冒出，这是因为此时的排烟由浮力主控，而后由于两边同时排烟，综合管廊内部瞬态气体压力小于外界大气压，两侧开口发生了空气回流。此时开启排烟风机，排烟口一端的压力差将小于补风口处压力，随着两者逐渐平衡，最终形成排烟口排烟、补风口补风的稳定状态。

图3 工况4排烟过程能见度示意图

图4 工况4排烟过程速度矢量场示意图

图5、6展示的是工况11在左端为机械排烟、右端自然通风设置下，综合管廊内部低风速（1.5 m/s）的排烟过程。在400 m长封闭空间内，由于烟气的聚集与扩散，综合管廊内部整体温度上升、压力升高，故在排烟初期，左侧排烟口与2个分区中间的门洞中都会有烟气冒出，并且烟气会通过防火门向另一分区扩散。而后开启排烟风机，排烟口一端的压力差将小于补风口处压力，最终形成和200 m长通风排烟区间类似的情况，达到排烟口排烟、补风口补风的稳定状态。

图5 工况11排烟过程能见度示意图

图6 工况11排烟过程速度矢量场示意图

2. 2 烟气回流与火灾回燃危险性分析

通过对上述数值模拟结果分析可以发现，设置400 m通风排烟区间后，在排烟分区燃烧结束后打开防火门，排烟初期阶段左边排烟端口与２个分区中间的门洞中都会有烟气冒出，并且烟气会通过防火门向自然补风分区扩散，从图5中可以看出这种烟气回流造成的影响范围在50 m以内，且扩散的烟气主要积聚在靠近顶棚的位置。随着排烟时间的延长，压力趋于平衡，所有烟气最终均从左端排烟口处排出。

在研究分析火灾的过程中，温度是衡量其危险性的一项重要指标[8-9]。温度的高低直接表征着火焰燃烧情况，火势的强弱与温升之间存在着正相关关系。一般情况下，火灾结束后，烟气温度会下降；反之，若温度未出现再次回升，则可以判断未发生火灾回燃。因此笔者选取数值模拟中的温度参数展开详细探讨。

图7～10展示的是工况4和工况11不同测点的温度-时间变化曲线。从图中可以看出，火灾发生后，各测点温度均以C点为中心呈现两侧对称的上升趋势。火灾结束后（约400 s），开启机械排烟与自然进风（工况11同时开启防火门），温度下降分为I、II、III 3个阶段：I阶段温度快速下降；II阶段温度下降速度减缓，部分测点温度开始出现小范围波动；III阶段温度已经接近室温，下降速度不明显，持续时间最长。为便于下文分析，根据温度衰减梯度定义这3个阶段分别为：排烟初期、排烟中期和排烟后期。

图7 工况4（Z=1.9m）不同测点温度变化图

图8 工况11（Z=1.9m）不同测点温度变化图

图9 工况4（Z=3.6m）不同测点温度变化图

图10 工况11（Z=3.6m）不同测点温度变化图

在划定排烟时期的基础上，选取排烟初期400 s、排烟中期550 s和排烟后期1 200 s，3个特征时间节点进行深入探究。图11、12展示的分别为工况4与工况11的温度沿X轴纵向变化幅度（高度Z=1.9 m），其中温度变化幅度取温度T与室温T0之比值的无量纲数。可以发现一般功率下隧道温度指数衰减的预测方法[10]已经不再适用，这表明综合管廊温度场具有特殊性，以往基于热特性的临界风速与烟气回流的预测方法无法应用，只能依照数值模拟结果开展针对性分析。

图11 工况4（Z=1.9m）纵向温度变化幅度

图12 工况11（Z=1.9m）纵向温度变化幅度

从图中可以看出，400 m的通风排烟区间在打开防火门与开启通风排烟后，排烟初期的烟气通过防火门向另一分区扩散并积聚在顶棚，但烟气层使自然补风分区温度上升的范围不大、温度变化的幅度较小，说明烟气回流带来的危险性较低；随着通风排烟时间的延长，排烟中期工况11左端排烟区间与工况4的温度下降趋势一致，在火源位置与两端出现了３个温度峰值，这是由于烟气卷吸所造成的温度变化波动，但相比于排烟初期，2组工况的烟气温度得到了有效的控制；随着排烟时间进一步延长，排烟后期，2组工况的温度都接近了初始温度值（T/T0≈1），说明排烟效果较好，火灾回燃不会发生。

然而，考虑到开启防火门烟气将主要积聚在顶棚附近，故针对顶棚附近的纵向温度变化幅度进行再次分析与验证。图13、14分别展示了工况4与工况11温度沿X轴纵向变化的幅度（高度Z=3.6 m）。不同于高度为1.9 m处的温度值，顶棚的烟气温度更高，且不存在多个温度峰值，最高温度集中分布在火源位置附近。

图13 工况4（Z=3.6m）纵向温度变化幅度

图14 工况11（Z=3.6m）纵向温度变化幅度

从图中可以看出，400 m的通风排烟区间在打开防火门与通风排烟后，扩散开的烟气层使自然补风分区温度上升的范围不大、温度变化的幅度较小，说明烟气回流带来的危险性较低；随着通风排烟时间的延长，2个分区的温度得到了有效的控制，排烟效果较好，火灾回燃不会发生。

2. 3 不同排烟方法效果分析

根据现行规范相关要求，一般综合管廊内部通风风速为3 m/s左右。为更加明显地对比不同通风区间的排烟时间，比较了2组工况在较高风速下排烟过程能见度的变化。图15、16展示的是工况7和工况14排烟过程的能见度，对比图15（249.6、297.6、444.0、644.4 s）和图16（249.6、250.8、259.2、382.8、594.0 s）的排烟进程可以发现，虽然双分区的排烟距离比单分区长，但是由于长封闭空间内烟气流动形式和排烟机理存在差异，400 m通风排烟区间的排烟时间并没有过多延长，在实际应用中，不仅节省了工程建设的成本，且在排烟效率上也存在较大的优势。

图15 工况7排烟过程能见度示意图

图16 工况14排烟过程能见度示意图

另外，笔者探究的400 m防火分区通过改变自然补风为机械补风模式，在整个流场达到稳定排烟的时刻，可以发现机械排烟与机械补风相结合的方式达到稳定排烟的时间更快。近年来，陈立清[5]对200 m防火分区也做了数值模拟研究，同样发现机械排烟与机械补风的方式可以更快地提高综合管廊内的能见度。说明机械通风的方式在一定程度上有利于排烟流场的稳定，有利于排烟道进行排烟，更有利于灭火救援勘察等人员的进入。

结论

基于对实际工程的调研与数值模拟分析，得出以下结论：

1）综合管廊可采用400 m通风分区的方案，这种通风分区方案火灾回燃发生的可能性极低，烟气回流危险性较小，在保证安全的同时能有效降低工程建设成本。

2）对比不同工况排烟的时间，400 m的对流通风模式有利于综合管廊事故后排烟，能快速地提升综合管廊能见度，为灭火救援人员及时进入火场提供保障。

3）通风排烟模式可在经济效益允许的情况下采用双机械式的方法，且风速不宜过高，有助于防止烟气掺混，保障排烟效果。

参考文献：

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注 ：

本文转载自市政技术，并刊登在《市政技术》杂志2020年第5期P230页。

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