特长公路隧道运营网络通风技术.pdf

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收稿日期2 0 1 1  0 8  0 5 作者简介 王 磊(1 9 7 3 ) , 男, 陕西西安人, 工程师,E  m a i lw a n g l e i @c h d . e d u. c n。 第3 2卷 第4期 2 0 1 2年7月 长安大学学报( 自然科学版) J o u r n a lo fC h a n g  a nU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n) V o l . 3 2 N o . 4 J u l . 2 0 1 2 文章编号1 6 7 1  8 8 7 9(2 0 1 2)0 4  0 0 5 1  0 4 特长公路隧道运营网络通风技术 王 磊1, 郭洋洋2 (1.长安大学 工程设计研究院, 陕西 西安7 1 0 0 6 4;2.长安大学 公路学院, 陕西 西安7 1 0 0 6 4) 摘 要 为了给特长公路隧道运营通风提供设计依据, 以流体力学为基础, 藉以图论理论与方法将 隧道通风系统转化为通风网络, 利用节点法通风计算软件解算隧道通风网络, 根据公路隧道通风照 明设计规范及依托工程交通量等具体情况, 对隧道左右线各不同交通工况进行通风计算, 以按需分 风为原则确定合适的通风设备开启数量。在通风解算过程中, 将交通风压拟合为隧道内通风量的 三次多项式, 以轴流风机形式加入通风网络, 改变以往采用常量交通风压的计算方法。计算结果表 明 隧道近远期通风设计方案均能够满足隧道通风要求, 节点法网络通风技术的可行性及适用性较 强; 左线近期通风中交通风压随着交通车速的降低迅速减小, 其在总风压中所占到的比例在5 . 9 4 %~ 2 8. 3 7%之间。 关键词 隧道工程; 公路隧道; 运营期; 节点法; 网络通风 中图分类号U 4 5 3. 5 文献标志码A 犖 犲 狋 狑 狅 狉 犽狏 犲 狀 狋 犻 犾 犪 狋 犻 狅 狀狋 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔狅 犳狅 狆 犲 狉 犪 狋 犻 狅 狀 狆 犲 狉 犻 狅 犱 犻 狀狊 狌 狆 犲 狉 犾 狅 狀 犵犺 犻 犵 犺 狑 犪 狔 狋 狌 狀 狀 犲 犾 WANGL e i 1, GUOY a n g  y a n g 2 (1. I n s t i t u t eo fE n g i n e e r i n gD e s i g na n dR e s e a r c h,C h a n g  a nU n i v e r s i t y,X i  a n7 1 0 0 6 4,S h a a n x i,C h i n a; 2. S c h o o l o fH i g h w a y,C h a n g  a nU n i v e r s i t y,X i  a n7 1 0 0 6 4,S h a a n x i ,C h i n a) 犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋I no r d e r t og i v ed e s i g nb a s i s f o r t h es u p e r l o n gh i g h w a yt u n n e l,b a s e do nf l u i dd y n a m  i c s,t h e t u n n e l v e n t i l a t i o ns y s t e mw a s c o n v e r t e d t o t h ev e n t i l a t i o nn e t w o r kw i t ht h eg r a p ht h e o r y a n dm e t h o d . T h ev e n t i l a t i o nn e t w o r kw a ss o l v e dw i t ht h ev e n t i l a t i o nc a l c u l a t i o ns o f t w a r e .A c  c o r d i n gt o t h ed e s i g ns t a n d a r d so fh i g h w a y t u n n e l v e n t i l a t i o na n d l i g h t i n g,t h e r e q u i r e da i ro f d i f  f e r e n tc o n d i t i o n s i nt h ea b o u t l i n eo fM i x i l i a n gt u n n e lw a sc a l c u l a t e dt od e t e r m i n ear e a s o n a b l e n u m b e ro fv e n t i l a t i o ne q u i p m e n ta n di n s t a l l a t i o nl o c a t i o n . I nt h ev e n t i l a t i o ns o l v e r,t h et r a f f i c p r e s s u r ew a s f i t t e da sc u b i cp o l y n o m i a lw i t ht h ev e n t i l a t i o nv o l u m e,a n d j o i n e d i n t ot h en e t w o r k a sa na x i a l f l o wf a n . T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e t u n n e l v e n t i l a t i o nd e s i g nc a nm e e t t h e t u n n e l v e n  t i l a t i o nr e q u i r e m e n t s,a t t h es a m e t i m e,t h e f e a s i b i l i t ya n da p p l i c a b i l i t yo f t h ea d v a n t a g e so fn o d e m e t h o df o rn e t w o r kv e n t i l a t i o n i sd e m o n s t r a t e d .T h e l e f t l a n eo f t r a f f i c i nt h er e c e n tv e n t i l a t i o n a i rp r e s s u r ed e c r e a s e sr a p i d l yw i t ht h er e d u c t i o no ft r a f f i cs p e e d,t h ep r o p o r t i o no ft h et r a f f i c p r e s s u r e i nt h e t o t a l p r e s s u r e i sb e t w e e n5. 9 4%t o2 8. 3 7%. 9t a b s,1f i g,7r e f s . 犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊t u n n e l e n g i n e e r i n g;h i g h w a y t u n n e l;o p e r a t i o np e r i o d;n o d em e t h o d;n e t w o r kv e n t i l a  t i o n 0 引 言 随着中国高速公路建设的飞速发展, 出现了大 量长大公路隧道。隧道运营通风系统是一个随着交 通量、 车速等变化的动态体系, 在特长隧道的复杂通 风系统中, 对隧道中风流方向的判断、 通风参数界定 等问题制约着隧道通风技术的发展。随着计算机技 术的发展, 国内外学者编制了很多隧道通风解算程 序。国外学者为关越隧道(K a n  e t s u) 一线通风系统 编制了一套程序, 通过模拟计算验证了隧道通风系 统的实用性和可靠性, 并为半横向通风和纵向通风 中非稳态与稳态气流编制了模拟程序; 中国相关人 员编制了隧道通风网络仿真计算软件, 并对多座特 长隧道进行了一元流通风模拟。通风网络具有两方 面优势 一是便于计算机程序化的实现, 将大量的迭 代计算交给计算机来完成, 解算速度快, 结果精确; 二是可以应用于复杂多变的通风系统, 从而使网络 仿真程序的适应性大大加强, 所以在隧道通风中引 入通风网络理论[ 1]。本文采用 V i s u a lC++语言编 写的计算软件, 以流体力学为基础, 利用通风网络中 的节点法, 将通风系统化为“ 节点” 、 “ 支路” 等网络元 素, 通过“ 串联” 、 “ 并联” 、 “ 角联” 等连接关系, 自由组 合通风方式, 计算程序适用性强[ 2  3]。 1 隧道通风基本理论 1. 1 射流风机纵向通风计算理论 射流风机升压原理是利用射流风机出口所产生 的高速气流推动前方空气流动, 同时在风机后方形 成一个负压区, 带动后方空气流入, 从而使隧道内风 机前后一定范围内的空气流体沿隧道轴向定向流 动, 将污染物排出洞外[ 4]。在射流通风中, 隧道内存 在自然风压Δ犘m、 交通风压Δ犘t、 通风阻力Δ犘r和 射流风机升压Δ犘 j, 其关系式为 Δ犘m+Δ犘t-Δ犘r+狀Δ犘j=0 ( 1) 式中 狀为风机台数 1. 2 竖井送排式纵向通风计算理论 竖井送排式纵向通风是在隧道内设置竖井, 并 将竖井分为排风道和送风道, 利用排风风机和送风 风机对隧道进行通风[ 5]。隧道中存在的通风力有送 风机送风口升压Δ犘b、 排风口升压Δ犘e、 自然风压 Δ犘m、 交通风压Δ犘t、 通风阻力Δ犘r和射流风机升压 Δ犘j, 它们之间满足以下关系式 ∑Δ 犘b+∑Δ犘e+Δ犘m+Δ犘t-Δ犘r+ ∑狀Δ犘j=0 ( 2) 2 通风网络理论及程序 通风网络理论是以图论为基础, 将实际工程中 的通风系统以一定的方式和原则网络化, 所得网络 叫做通风网络图[ 6]。在通风网络图中具体事物用点 来表示, 各事物之间的联系用它们之间的连线来表 示, 这些点和连线的集合就组成了一个图, 通常把这 样的点叫做节点, 把连线叫做分支。具体到隧道通 风网络图中, 各不同风路相交的地方以点表示, 各条 风路则成为分支。 2. 1 通风网络内风流变化的基本规律 ( 1) 风量平衡定律。假定空气密度不变, 无漏 风, 忽略空气中水蒸气的变化, 则风网内任意节点 ( 或回路) 相关分支的风量代数和为0。 ( 2) 风压平衡定律。风网的任何闭合回路内, 各 分支风压代数和为0; 分支风压包含通风阻力和通 风动力2部分。 ( 3) 阻力定律。隧道风路中正常风流一般均为 紊流, 各分支的风压和风量均符合紊流阻力定律。 2. 2 计算程序 本文使用的隧道网络通风计算程序是长安大学 邵泮凡在W i n d o w s平台上采用V i s u a lC++语言 编写完成的[ 7]。该程序以流体力学基本定律作为数 学模型, 以网络通风中的节点法为计算理论, 采用线 性迭代法实现计算过程。 程序的使用步骤①打开程序主界面, 对要计算 的工程命名;②输入并保存节点数和支路数;③输入 通风支路, 程序自动生成关联矩阵;④输入各支路风 阻系数;⑤输入节点风量, 是指有风量从该节点进入 或离开通风网络;⑥输入风机参数, 程序会进行拟 合, 得出所用风机的风量风压特性曲线;⑦导入各参 数矩阵, 进行计算;⑧结果数据输出。 3 工程概况 安康陕川界高速公路是国家确定的西部大通 道阿荣旗北海高速公路在陕西境内的一段, 同时 也是陕西省规划的“ 三纵四横五辐射” 公路主骨架中 的一段。该高速公路穿越秦巴山地区, 沿线地形复 杂, 其中米溪梁特长隧道单洞长近80 0 0m, 对其通 风系统的优化就尤为重要。 米溪梁隧道设置为左右线分离的平行双洞, 设 计行车速度为8 0k m/h, 隧道净断面积6 3. 6 6m 2, 当量直径为8. 3 1m。隧道按2 5 0m左右间距设置 人行横洞, 按7 5 0m左右间距设置了车行横洞, 在 25 长安大学学报( 自然科学版) 2 0 1 2年 车行横洞对应位置设置紧急停车带, 紧急停车带宽 度较主洞加宽2 . 7 5m( 含路缘带为3 . 5m) , 全长4 0m ( 含两端各5m渐变段) 。隧道左线纵坡为+1. 5% ( 42 7 6m) /-0. 5%(36 6 0m) , 右线纵坡为+0. 5% ( 36 4 5m) /-1. 5%(42 7 5m) 。隧道设计交通量见 表1。 表1 年平均日交通量( 小客车) 犜 犪 犫 . 1 犃 狏 犲 狉 犪 犵 犲犱 犪 犻 犾 狔 狋 狉 犪 犳 犳 犻 犮狏 狅 犾 狌 犿 犲 年份 2 0 1 5年2 0 2 0年2 0 2 9年 交通量/ (v e hd-1) 89 0 51 39 7 02 61 5 5 米溪梁隧道近期左右线采取全射流纵向通风; 远期左右线采取斜井送排纵向通风。隧道近远期风 机使用见表2。 表2 隧道通风风机配置 犜 犪 犫 . 2 犆 狅 狀 犳 犻 犵 狌 狉 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳狏 犲 狀 狋 犻 犾 犪 狋 犻 狅 狀犳 犪 狀 项目 1 1 2 0型射流风机 轴流送风机轴流排风机 台数/台 功率/k W台数/台 功率/kW台数/台 功率/k W 近 期 左线 2 82 8 右线 3 02 8 远 期 左线 2 82 823 0 021 5 0 右线 3 02 823 0 011 5 0 4 米溪梁隧道运营通风计算 本文对米溪梁左线隧道2 0 1 5年、 2 0 2 9年设计 年限, 工况车速分别为8 0、 6 0、4 0、2 0、1 0k m/h进行 通风效果计算。这里仅以8 0k m/h和4 0k m/h工 况为算例, 在近期交通中为了研究交通通风力的作 用, 计算只有交通风压作用下的隧道通风。 将米溪梁隧道左线正常运营通风结构图转化为 图1。图1中支路①、③为隧道主线, 支路②为短 道,④为排风道,⑤为送风道,⑥、⑦、⑧为虚拟支路。 其中①设有1 1 2 0型射流风机1 0台, 支路③设有 1 1 2 0型射流风机1 8台, 支路④设有轴流排风机, 支 路⑤设有轴流送风机。当计算近期交通时, 因为采 用射流风机纵向通风, 支路④、⑤应该关闭; 当计算 远期交通时, 打开④、⑤支路。 图1 隧道左线通风网络 F i g . 1 V e n t i l a t i o nn e t w o r ko f l e f t t u n n e l 图1中节点1为隧道主洞进口, 节点2为竖井 排风道进口, 节点3为竖井送风道出口, 节点4为隧 道主洞出口, 节点5为竖井送风道进口, 节点6为竖 井排风道出口。 4. 1 左线近期正常运营通风计算 ( 1) 近期米溪梁左线正常交通(犞=8 0k m/h,犞 为车速) 工况计算结果见表3。 表3 8 0犽 犿/犺近期正常交通工况计算结果 犜 犪 犫 . 3 犆 犪 犾 犮 狌 犾 犪 狋 犻 狅 狀狉 犲 狊 狌 犾 狋 狊狅 犳8 0犽 犿/犺狀 狅 狉 犿 犪 犾 狋 狉 犪 犳 犳 犻 犮犪 狋 狉 犲 犮 犲 狀 狋 支路风阻/ ( k g m-7)风量/ (m3s-1)风压/P a ①0. 0 0 20 1 03 3 7. 8 0 57 5 62 2 9. 3 6 65 8 5 ②0. 0 0 00 5 43 3 7. 7 9 85 0 26. 2 0 74 6 6 ③0. 0 0 41 1 73 3 7. 7 9 16 9 04 6 9. 7 6 29 8 2 ④10 0 00 0 00. 0 0 72 5 45 2. 6 2 02 6 5 ⑤10 0 00 0 0-0. 0 0 68 1 2-4 6. 4 0 13 8 9 ⑥03 3 7. 7 9 16 9 00. 0 1 14 1 0 ⑦03 3 7. 7 9 85 0 20. 0 1 14 1 1 ⑧03 3 7. 8 0 57 5 60. 0 1 14 1 1 通过以上计算结果可知, 隧道风速狏=犙/犃= 5. 3 1m/s,犙为风量,犃为隧道截面积; 满足隧道需 风量及通风规范要求。 ( 2) 近期米溪梁左线正常交通(犞=4 0k m/h) 工 况计算结果见表4。 表4 4 0犽 犿/犺近期正常交通工况计算结果 犜 犪 犫 . 4 犆 犪 犾 犮 狌 犾 犪 狋 犻 狅 狀狉 犲 狊 狌 犾 狋 狊狅 犳4 0犽 犿/犺狀 狅 狉 犿 犪 犾 狋 狉 犪 犳 犳 犻 犮犪 狋 狉 犲 犮 犲 狀 狋 支路风阻/ ( k g m-7)风量/ (m3s-1)风压/P a ①0. 0 0 20 1 02 9 4. 7 2 13 5 51 7 4. 5 8 99 6 1 ②0. 0 0 00 5 42 9 4. 7 1 55 9 74. 7 2 50 3 6 ③0. 0 0 41 1 72 9 4. 7 1 02 6 73 5 7. 5 7 85 0 0 ④10 0 00 0 00. 0 0 57 5 83 3. 1 5 03 9 7 ⑤10 0 00 0 0-0. 0 0 53 3 1-2 8. 4 1 66 7 5 ⑥02 9 4. 7 1 02 6 70. 0 0 86 8 5 ⑦02 9 4. 7 1 55 9 70. 0 0 86 8 6 ⑧02 9 4. 7 2 13 5 50. 0 0 86 8 6 通过计算结果可知, 隧道内风速狏=4. 6 3m/s, 满足隧道需风量及通风规范要求。 4. 2 左线近期交通风压通风计算 ( 1) 近期米溪梁左线8 0k m/h工况交通风压通 风效果计算结果见下页表5。 ( 2) 近期米溪梁左线4 0k m/h工况交通风压通 风效果计算结果见下页表6。 4. 3 交通风压与总风压的关系 隧道左线近期运营通风中, 交通风压与总风压 的关系见下页表7。 35 第4期 王 磊, 等 特长公路隧道运营网络通风技术 表5 8 0犽 犿/犺工况交通风压通风计算结果 犜 犪 犫 . 5 犆 犪 犾 犮 狌 犾 犪 狋 犻 狅 狀狉 犲 狊 狌 犾 狋 狊 狅 犳8 0犽 犿/犺狋 狉 犪 犳 犳 犻 犮狆 狉 犲 狊 狊 狌 狉 犲 支路风阻/ ( k g m-7)风量/ (m3s-1)风压/P a ①0. 0 0 20 1 01 7 9. 8 1 88 1 16 4. 9 9 29 5 7 ②0. 0 0 00 5 41 7 9. 8 0 71 9 91. 7 4 58 5 4 ③0. 0 0 41 1 71 7 9. 7 9 56 6 21 3 3. 0 8 81 1 9 ④10 0 00 0 00. 0 1 16 1 21 3 4. 8 4 04 3 8 ⑤10 0 00 0 0-0. 0 1 15 3 7-1 3 3. 0 9 13 5 1 ⑥01 7 9. 7 9 56 6 20. 0 0 32 3 3 ⑦01 7 9. 8 0 71 9 90. 0 0 32 3 3 ⑧01 7 9. 8 1 88 1 10. 0 0 32 3 3 表6 4 0犽 犿/犺工况交通风压通风计算结果 犜 犪 犫 . 6 犆 犪 犾 犮 狌 犾 犪 狋 犻 狅 狀狉 犲 狊 狌 犾 狋 狊 狅 犳4 0犽 犿/犺狋 狉 犪 犳 犳 犻 犮狆 狉 犲 狊 狊 狌 狉 犲 支路风阻/ ( k g m-7)风量/ (m3s-1)风压/P a ①0. 0 0 20 1 01 1 2. 8 5 66 3 12 5. 6 0 06 0 4 ②0. 0 0 00 5 41 1 2. 8 4 94 3 40. 6 8 76 8 9 ③0. 0 0 41 1 71 1 2. 8 4 21 0 25 2. 4 2 31 6 1 ④10 0 00 0 00. 0 0 72 8 85 3. 1 1 33 9 6 ⑤10 0 00 0 0-0. 0 0 72 4 0-5 2. 4 2 44 3 4 ⑥01 1 2. 8 4 21 0 20. 0 0 12 7 3 ⑦01 1 2. 8 4 93 4 30. 0 0 12 7 3 ⑧01 1 2. 8 5 66 3 10. 0 0 12 7 4 表7 交通风压与总风压的关系 犜 犪 犫 . 7 犚 犲 犾 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳 狋 狉 犪 犳 犳 犻 犮狆 狉 犲 狊 狊 狌 狉 犲犪 狀 犱狋 狅 狋 犪 犾 狆 狉 犲 狊 狊 狌 狉 犲 工况车速/ (k mh-1) 8 06 04 02 0 通风总压/P a 7 0 56 1 85 3 64 7 1 交通风压/P a 2 0 01 3 77 92 8 比例/% 2 8. 3 72 2. 1 71 4. 7 45. 9 4 由表7可见, 在米溪梁左线近期4种工况车速 下, 设计运营通风方案均能够满足隧道通风要求。 在达到设计车速时, 通风方案提供的风量大于隧道 需风量, 这可以适当减少风机的开启量或减少开启 时间, 降低能耗; 近期左线通风中交通风压随着工况 车速的降低迅速减小, 其在总风压中所占到的比例 在5. 9 4%~2 8. 3 7%之间。可见, 在米溪梁左线隧 道通风中交通风压的作用较小, 但还是尽量要保证 隧道内行车速度, 积极利用交通风压的作用。 4. 4 左线远期正常运营通风方案 ( 1) 远期米溪梁左线正常交通(犞=8 0k m/h) 工 况计算结果见表8。 通过以上计算结果可知, 隧道主线①风速狏= 7. 1 8m/s, 短道②风速狏=3. 8 9m/s, 隧道主线③风 速狏=8. 2 8m/s, 符合隧道通风规范要求。 ( 2) 远期米溪梁左线正常交通(犞=4 0k m/h) 工 况计算结果见表9。 表8 8 0犽 犿/犺远期正常交通工况计算结果 犜 犪 犫 . 8 犆 犪 犾 犮 狌 犾 犪 狋 犻 狅 狀狉 犲 狊 狌 犾 狋 狊 狅 犳 8 0犽 犿/犺狀 狅 狉 犿 犪 犾 狋 狉 犪 犳 犳 犻 犮犪 狋 犳 狅 狉 狑 犪 狉 犱 支路风阻/ ( k g m-7)风量/ (m3s-1)风压/P a ①0. 0 0 20 1 04 5 7. 2 6 36 9 54 2 0. 2 7 10 7 4 ②0. 0 0 00 5 42 4 8. 2 3 78 9 33. 3 5 22 4 0 ③0. 0 0 41 1 75 2 7. 1 1 35 0 01 1 4 3. 9 0 28 5 7 ④0. 0 2 49 3 72 0 9. 0 2 58 0 11 0 8 9. 5 4 20 5 8 ⑤0. 0 1 17 5 02 7 8. 8 7 56 0 69 1 3. 8 1 63 4 4 ⑥05 2 7. 1 1 35 0 00. 0 2 77 8 5 ⑦02 4 8. 2 3 78 9 30. 0 0 61 6 2 ⑧04 5 7. 2 6 36 9 50. 0 0 20 9 1 表9 4 0犽 犿/犺远期正常交通工况计算结果 犜 犪 犫 . 9 犆 犪 犾 犮 狌 犾 犪 狋 犻 狅 狀狉 犲 狊 狌 犾 狋 狊 狅 犳 4 0犽 犿/犺狀 狅 狉 犿 犪 犾 狋 狉 犪 犳 犳 犻 犮犪 狋 犳 狅 狉 狑 狅 狉 犱 支路风阻/ ( k g m-7)风量/ (m3s-1)风压/P a ①0. 0 0 20 1 03 6 5. 0 4 33 7 52 6 7. 8 4 58 9 8 ②0. 0 0 00 5 41 5 7. 6 0 65 9 11. 3 5 12 8 7 ③0. 0 0 41 1 74 3 8. 6 8 56 9 37 9 2. 2 9 66 3 1 ④0. 0 2 49 3 72 0 7. 4 3 67 8 41 0 7 3. 0 3 95 9 4 ⑤0. 0 1 17 5 02 8 1. 0 7 91 0 39 2 8. 3 1 41 7 7 ⑥04 3 8. 6 8 56 9 30. 0 1 92 4 5 ⑦01 5 7. 6 0 65 9 10. 0 0 24 8 4 ⑧03 6 5. 0 4 33 7 50. 0 0 13 3 3 由表9可知, 隧道主线①风速狏=5. 7 3m/s, 短 道②风速狏=2. 4 7m/s, 隧道主线③风速狏=6. 8 8 m/s, 满足隧道通风要求。 5 结 语 ( 1) 基于隧道通风理论, 应用V i s u a lV C++语 言编制的隧道网络通风可视化程序, 可以根据需要 模拟各种形式、 各种组合下隧道通风, 克服了传统计 算方法的局限性。 ( 2) 对米溪梁隧道正常运营工况下通风设计进 行计算, 结果表明, 近、 远期通风设计方案均能够满 足隧道通风要求。 ( 3) 近期左线通风中交通风压随着工况车速的 降低迅速减小, 在总风压中占到的比例在5. 9 4%~ 2 8. 3 7%之间; 米溪梁左线隧道通风中交通风压的作 用较小, 但还是尽量要保证隧道内行车速度, 积极利 用交通风压的作用。 参考文献 犚 犲 犳 犲 狉 犲 狀 犮 犲 狊 [1] 苑郁林.通风网络理论在公路隧道运营通风设计中 的应用[J].公路, 2 0 0 3(1 0) 2 2  2 4. 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