T型綜合管廊電纜艙的火災煙氣蔓延規律

胡 楠，肖峻峰，代長青，尹詩元，胡濤濤

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601)

地下綜合管廊中鋪設了水、電、氣、通信等各種管道和纜線，是城市公共服務的地下隧道，也是現代城市的生命通道。管廊內電纜埋設數量多，極易發生過載、短路、老化、接觸不良等問題，甚至使電纜艙室發生火災[1-3]。電纜燃燒產生的大量煙氣加大了火災救援和搶險維修工作的難度[4]。因此，開展電纜艙室內火災煙氣蔓延規律的研究具有重要的意義。Li等[5]利用PyroSim軟件對電弧放電引發的電纜火災進行了三維模型計算。Martinka等[6]評估了電纜之間的間距和電纜下層材料的導熱系數對火災風險的影響。Tewarson等[7]開創了一種新的電纜火災傳播范圍測試標準，制訂了不可燃的工業和商業場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行了火災實驗，提出了垂直電纜火災射流溫度的預測模型。

以上研究大多側重于相對簡單的常規綜合管廊，關于特殊結構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，研究進風口、排風口及火源位置對管廊火災前期能見度、溫度、CO濃度的影響，以期為優化綜合管廊消防設計提供參考。

1 T型綜合管廊電纜艙火災模型

以合肥市高新區某地下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200 m，Y方向長100 m，連接部位為90°，截面尺寸為3.2 m×3.6 m(寬×高)。電纜艙室采用雙側布置，左右兩側各布置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，共設有A，B，C三個端口。電纜艙模型如圖1所示。

圖1 電纜艙模型

網格尺寸是FDS需要設置的重要參數，一般取特征火焰直徑的1/16～1/4較為合適。通過網格敏感性分析驗證得出，本模型的網格尺寸設置為0.2 m×0.2 m×0.2 m，沿X,Y方向劃分為2部分，網格總數為432 000。

火源尺寸設置為1m×1m，共4個位置，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)。本文設置模擬時間為600 s，約在253 s時火源的熱釋放速率達到最大值。

綜合管廊電纜艙室采用自然進風與機械排風相結合的通風方式，管廊通風口處的出風風速不宜大于5 m/s。在3個端口頂部中間處設置面積為1 m2的進、排風口，風口中心點坐標分別為(100,1.6,3.1)(-100,1.6,3.1)(0，103.2,3.1)，風速為3 m/s。

設置環境溫度為20 ℃，相對濕度為40%，環境壓力為101.325 kPa，最大能見度為30 m，邊界條件為混凝土。

2 模擬工況設置

在管廊寬度中心線上高度為0.6 m處至頂棚布置溫度、CO濃度和能見度監測點，并沿管廊長度方向每隔10 m展開布置。研究火源位置和通風方式對T型管廊電纜艙火災的影響，工況明細見表1。

表1 工況明細

3 模擬結果分析

3.1 火源位置對管廊內溫度的影響

t=300 s，沿管廊X方向1.8 m高度處，分別對4種通風方案下管廊內的溫度變化進行模擬分析。不同火源位置下管廊內的溫度變化如圖2所示。從圖2可以看出，在a通風方案下，3種工況管廊內的溫度變化趨勢較為相似。工況1下的最高溫度出現在管廊交叉口處，達到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排風口起到了及時降溫的作用。工況2下的最高溫度出現在沿管廊縱向長度A到B 50 m處，達到200 ℃以上，靠近A端口溫度雖有所下降，但火災危險性仍較大，B端口相較于A端口火災危險性較小。對比工況1和3可以看出，火源位置距離交叉口處越近，火災危險性越大，交叉口處溫度高達176 ℃。

(a) a通風方案 (b) b通風方案 (c) c通風方案 (d) d通風方案圖2 不同火源位置下管廊內的溫度變化

在b通風方案下， 4種工況沿管廊X方向的溫度變化形態較為相似，均在火源位置處達到最高溫度。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進風口補入了新鮮空氣使溫度下降；而工況5的最高溫度達到194 ℃，高于工況7，是因為B排風口的排風使溫度下降。從這3種工況下的溫度下降速率可以看出，離排風口越近，溫度下降越快。

在c通風方案下，3種工況沿管廊X方向的溫度變化趨勢相似?；鹪刺幱谖恢?時達到的溫度最高?；鹪刺幱谖恢?時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進風口及時補入新鮮空氣，經過空氣融合快速降溫。對比工況8和10可以發現，在c通風方案下，火源位置距離橫縱交叉口處越近，火災危險性越大。

在d通風方案下，4種工況沿管廊X方向的溫度變化趨勢較為一致，火源處于位置2時的溫度最高。對比工況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排風口及時排風起到降溫的作用。工況13與工況14的溫度差并不大(不超過20 ℃)，是因為B進風口補入新鮮空氣，降低了溫度差。對比工況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，火災危險性越大。

3.2 火源位置對管廊內CO濃度的影響

在橫縱交叉口1.8 m高度處，分別對4種通風方案下管廊內的CO濃度變化進行模擬分析。不同火源位置下管廊內的CO濃度變化如圖3所示。從圖3可以看出，a通風方案下，工況1管廊內的CO濃度增長趨勢較為緩慢，從150 s開始增長，600 s時達到最大值390 mg/L。這是由于火源位置靠近C排風口，能排出一定量的CO，而A，B進風口補入的空氣又起到一定的助燃作用。工況2的CO濃度增長速度比工況1要快得多，開始增長的時間也有所提前。這是因為火源位置距A進風口較近，A進風口的補風使CO隨空氣向前流動聚集在交叉口處。工況3的CO濃度增長速率最快，是因為火源位置處于交叉口處，離進、排風口都有一定的距離，故前期CO濃度增長迅速。對比工況1和3可知，火源距離交叉口越近，火災救援工作越不易展開。對比工況2和3可知，火源距離A進風口越遠，越有利于開展前期救援工作。

在b通風方案下，當火源處于交叉口處時，CO濃度增長開始的最早，且增長速率最大；火源處于位置1和位置2時，CO濃度開始增長的時間和增長速率接近；當火源處于位置4時，CO濃度增長時間和增長速率變化最為緩慢。分析原因可知，火源處于交叉口時，物質燃燒使CO持續增長，且交叉口處煙氣容易聚集；火源處于位置1和3時，離交叉口的距離是一樣的，且A，C端設有進風口，所以增長速率接近；當火源處于位置4時，雖然B端口能排出煙氣，但煙氣碰到障礙物有回流現象，所以在交叉口處CO緩慢增加。

在c通風方案下，3種工況CO濃度變化趨勢較為一致。其中，工況9開始增長的時間最為緩慢，是因為此時火源距離A排風口位置最近。對比工況9和10可以發現，距離排風口越遠CO濃度越大，并在交叉口處易產生聚集。對比工況8和10，工況8的增長速率比工況10快，是因為C進風口補入空氣使得CO隨空氣向交叉口處蔓延。因此，在c通風方案下，火源處于交叉口處是非常危險的。

在d通風方案下，4種工況的CO濃度變化趨勢較為相似，都是前期增長、后期緩慢降低。當火源處于交叉口處時，CO濃度增長趨勢最大；當火源處于位置4時，距離B進風口較近，CO逐步蔓延至管廊交叉口處；當火源處于位置1和2時，CO濃度增長趨勢相當，開始增長的時間也比其他2種工況遲，是因為火源位置1和2與A和C端排風口的距離是一樣的，排風口及時排風稀釋了CO濃度。

3.3 火源位置對管廊內能見度的影響

t=300 s，X=0 m，Y=1.6 m時，分別對a和b通風方案下管廊內能見度的變化進行模擬分析。不同火源位置下管廊內能見度切片如圖4所示。從圖4可以看出，a通風方案下3種工況的能見度都出現明顯的分層，火源上方能見度最早開始下降。工況1下的煙氣涌向排風口，致使排風口附近能見度在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。其中，管廊交叉口處能見度最小(<3 m)，是因為煙氣在交叉口處形成了聚集。對比3種工況可以看出，當火源處于交叉口處時，工況3下的整體能見度都出現了分層。這是因為火源處于交叉口，與進、排風口有一定的距離，空氣流動較快。b通風方案下管廊內能見度出現明顯的分層。對比工況4和6，可以發現煙氣產生了回流。分析原因可知，火源處于位置1時高溫煙氣與空氣混合作用強烈，靠近C進風口上層能見度為7 m左右；火源處于位置3時距離進風口較遠，煙氣與空氣混合作用沒有工況4強烈，因而能見度較工況4要高。對比工況5，6，7可以發現，當火源處于位置4時，能見度維持在30 m范圍的區間最大，是因為火源靠近B排風口煙氣被及時排走，而火源處于交叉口時，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能見度切片

t=300 s，分別對c和d通風方案下管廊內的煙氣分布進行模擬分析。不同火源位置下管廊內的煙氣分布如圖5和圖6所示。從圖5和圖6可以看出，c通風方案下煙氣最早出現在火源附近，煙氣向上運動觸碰到頂棚后開始擴散與空氣混合，一部分向前運動，一部分形成回流。隨著上層煙氣層厚度加大，煙氣層出現沉降。d通風方案下管廊內一部分煙氣受到火風壓的作用出現了向火源上游逆流的現象，另一部分朝著排風口的方向蔓延并出現分層。通過對比發現，在c通風方案下，火源處于位置2時，管廊內相對安全的區域最大；在d通風方案下，火源處于位置1時，煙氣蔓延的速度較慢，相對安全的區域最大。

(a) 工況8 (b) 工況9 (c) 工況10圖5 c通風方案下不同火源位置管廊內煙氣分布

(a) 工況11 (b) 工況12 (c) 工況13 (d) 工況14圖6 d通風方案下不同火源位置管廊內煙氣分布

4 結論

1)當火災發生在位置1時，宜采用a通風方案。此方案在火災初期的溫度和CO濃度變化趨勢都較緩慢，Y方向能見度維持在30 m范圍的區間也是最大的。

2)當火災發生在位置2時，宜采用d通風方案。此方案下CO濃度增長最為緩慢，最大值不超過200 mg/L，人體在2 h內可以忍受。

3)當火災發生在位置3時，宜采用c通風方案。此方案X方向溫度變化不大，前300 s內CO濃度增長也十分緩慢，最大值不超過200 mg/L，煙氣還未蔓延至整個Y方向。

4)當火災發生在位置4時，宜采用b通風方案。此方案下整體能見度范圍最廣，且隨著時間的推進CO濃度的增加逐漸放緩。