自然风压对竖井分段式纵向通风系统的影响

李科，贾智刚，陈建忠，王少飞

（1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067；2.中央财经大学，北京 100081）



自然风压对竖井分段式纵向通风系统的影响

李科1，贾智刚2，陈建忠1，王少飞1

（1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067；2.中央财经大学，北京 100081）

摘要：以宁武（宁德—武夷山）高速公路洞宫山隧道为依托，分析了自然风压对竖井分段式纵向通风系统的影响及自然风压的产生因素和计算方法；通过工程实测验证了自然风压对隧道洞内风压的影响规律；介绍了洞宫山隧道利用自然风压进行营运通风的实施方案，分析了该方案在提高通风系统利用效率、降低系统运营能耗方面的优势。

关键词：隧道；自然风压；分段式纵向通风；自然通风

在区域路网还未最终形成前，隧道营运早期交通量远低于远期通行交通量，为使洞内机电设备与实际通行交通量需求的营运条件相匹配，现行《公路隧道通风设计细则》提出了通风系统应“统筹规划，一次设计，分期实施”的设计理念。特长公路隧道通风井等结构物随隧道主体施工一次建成，通风设施却根据交通量增加分阶段实施，这将导致远期营运需配套的结构物在近期会闲置的情况，形成资源浪费。通风井贯通后，由于通风井两端自然高差和洞内外温差的存在，行车的气压差会在洞内形成风速，给隧道营运通风提供了有利条件。因此，如何在满足卫生标准和排烟需求的前提下合理利用自然风，提高现有通风系统的利用效率，是隧道通风系统合理管理需解决的问题。下面以宁武（宁德—武夷山）高速公路洞宫山特长隧道为背景，对自然风压在竖井分段式纵向通风系统中的应用进行研究。

1　项目背景

洞宫山特长隧道场址区属中低山地貌，地形起伏大，进洞口自然山坡坡度35°～45°，出洞口自然山坡坡度30°～35°，自然山坡稳定，洞身最高点海拔为1 266.8 m（旗山顶），沟堑较发育，大多呈V形。属亚热带季风气候，气候温和，多湿多雨，阳光充足，气温北低南高，年平均气温17.8～21.1℃，年平均降雨量1 556～2 229 mm。全年雨日164～177 d，3—4月为春雨季，雨量占全年的23%～24%；5—6月为梅雨季，雨量占36%～37%；7—9月为台风、雷雨季，雨量约占20%；10—翌年2月为少雨期，雨量约占20%。降雨分布不均匀，年际变化大。

洞宫山隧道的平纵主要技术参数见表1。

2　隧道自然风压

路线纵坡引起的隧道两端洞口高差、通风斜/竖井两端井口高差、洞内外温差、洞外自然风与隧道内风速在洞口产生的“风墙”等均会产生气压差，引起洞内空气流动，统称为自然风压。总结以上自然条件，隧道内自然风压一般由3种差压构成：一是洞口、通风井口自然高差形成的静压差；二是洞口高差及洞内外温差形成的热位差；三是隧道内、外自然风在洞口形成的“风墙”效应。

表1　洞宫山隧道主要技术参数

《公路隧道通风设计细则》关于隧道自然风形成的风阻的计算公式为：

式中：ΔPm为隧道内自然风阻力（N/m2）；ξe为隧道入口局部阻力系数，取0.5；λr为隧道壁面摩擦阻力系数，取0.02；L为隧道长度（m）；Dr为隧道断面当量直径（m）；ρ为空气密度（kg/m3）；vn为自然风作用引起的洞内风速（m/s），通常取2～3 m/s。

当自然风向与隧道营运需风向相反时，式（1）取“+”；反之取“-”。

洞宫山隧道面积为62 m2，隧道外自然风速不同取值对隧道洞内风阻的影响见表2。

表2　隧道不同洞外风速引起的洞内风阻情况

从表2可看出：风速大小与其引起的隧道内风阻成二次方关系，合理利用洞外自然风可大大提高隧道通风系统运行效率，节省运营开支。

3　自然风压对隧道洞内压力影响的计算

3.1静压差对隧道洞内压力影响的计算

如图1所示，取隧道进口1处、出口2处、通风井进口3处为计算基准点，其超静压差分别记为ΔP1、ΔP2、ΔP3，且设ΔP3=0。由于三处洞口存在超静压差，故隧道内空气开始流动，并在一定时间内达到稳定状态。根据气流流动的阻力定律，有：

式中：Rn为风道n段的沿程风阻；R′n为风道n段的局部风阻。

图1　静压差对隧道洞内压力影响示意图

现以洞宫山左线隧道为例，编程计算不同自然风速下产生的洞内自然风量，计算模型见图2。

图2　洞宫山隧道超静压计算模型

以左线出口ΔP2为超静压差的计算基准点，则ΔP2=0，送风井口ΔP3、排风井口ΔP4及隧道进口ΔP1的超静压差计算结果见表3。

从表3可以看出：自然风速引起的洞内风量与隧道断面成正比，超静压差与其引起的隧道风量成正比。

表3　洞宫山隧道左线各自然风引起的洞内各段风量

3.2温度对隧道洞内压力影响的计算

因隧道洞内受外界自然条件影响较小，隧道洞内外温差不同，从而引起洞内外空气密度不同。当洞内气温高于洞外气温即洞外空气密度大于洞外空气密度时，隧道内空气将由海拔低端洞口向海拔高端洞口流动；反之，当洞内气温低于洞外气温即洞外空气密度小于洞外空气密度时，隧道内空气将由海拔高端洞口向海拔低端洞口流动。这种现象称为因热位差引起的洞内压力变化。

对于有通风竖井的隧道，主洞和通风井内均存在热位差。计算时，假定洞内气温为T0，两洞口通风井口气温分别为T1、T2、T3，对应的空气密度分别为ρ0、ρ1、ρ2、ρ3，各洞口及通风井口的标高分别为H0、H1、H2、H3（见图3），则有：

图3　热位差对隧道洞内压力影响示意图

式中：ΔhⅠ、ΔhⅡ为洞口1处、洞口2处分别与通风井口4处之间的热位差；Hn-m为两点相对高差，即Hm-Hn；ρⅠ、ρⅡ为洞口1处、洞口2处分别与通风井口4处的平均空气密度。

该隧道左线中部设置一处竖井，隧道所在地平均大气压力为92 004 Pa，各点的高程分别为H1= 47.2 m、H2=0 m、H3=140 m。左线热位差计算模型见图4，计算结果见表4。

图4　洞宫山隧道热位差计算模型

从表4可以看出：隧道内通风量变化与洞内外温差变化成正比。

3.3洞口“风墙”对隧道洞内压力影响的计算

隧道外自然风吹向隧道内时，因洞口局部阻力损失及与隧道壁碰撞后，自然风动压的一部分转变成静压力，另一部分动压继续对隧道洞内风速造成影响。剩余动压计算经验公式为：

式中：va为隧道外自然风速（m/s）；α为自然风风向与隧道中线的夹角（°）。

计算隧道洞外自然风速分别为1、3、5、7、9 m/s时自然风对洞内压力的影响，结果见图5。

从图5可以看出：隧道外自然风速为1～9 m/s时，当自然风向与隧道轴线平行时，洞外风速引起洞内风速及压力变化较大，洞内外风速计风压之比均约为0.7；当自然风向与隧道轴线垂直时，洞外风速引起洞内风速及压力变化几乎为零。

表4　洞宫山隧道左线热位差引起的洞内各段风量

图5　自然风对隧道内风速及风压的影响

4　洞宫山隧道气象实测

上面分别计算了洞外3种动力对隧道内压力的影响，各动力孤立，互不干扰。但现实中3种动力是同时存在、相互作用的，其共同作用对隧道产生的影响通过现场实测进行分析。现场测试内容包括大气压力、温度、风速及风向。

洞宫山隧道全长6 500 m，竖井位于3 200 m处。其中左洞纵向自然风测试共设置11个测点（见图6）。

图6　洞宫山隧道左洞自然风测点布置

同一时间各测点的风速、风向、风压、温度为一组数据，每组数据间隔5 min，连续测试2 h，每个时间段共24组数据，共取得1 344组实测数据。整理后数据见图7～9。

对隧道实测数据进行分析，可得：1）该隧道竖井内的自然风速为±（1～3）m/s，隧道内自然风速为±（1～2）m/s。2）隧道左洞自然风向，竖井内夏季由隧道外向隧道内流动，进口段由隧道外向隧道内流动，出口段由隧道内向隧道外流动。3）超静压差与其引起的隧道风量成正比；隧道内通风量变化与洞内外温差变化成正比。

图7　洞宫山隧道左洞风速变化曲线

图8　洞宫山隧道左洞温度变化曲线

图9　洞宫山隧道左洞大气压力变化曲线

5　工程应用

根据该隧道气象数据实测值，计算得表5所示各工况下隧道各通风段的风量（见表6）。将表6中自然风量用图表述，结果见图10。

从图10可看出：隧道左洞内主导自然风和行车方向一致，能有效利用自然风对隧道内污染空气进行稀释，其有效自然风利用量见表7。

表5　洞宫山隧道各区段风量计算工况

表6　各工况下洞宫山隧道各区段计算风量

图10　洞宫山隧道左洞自然风量流动示意图（单位：m3/s）

表7　各工况下洞宫山隧道左洞有效自然风利用量

众所周知，利用自然风能对隧道正常营运辅助通风提供有利条件，但其风量会受隧道沿程阻力等因素影响而减少，同时受交通通风力影响，对隧道通风提供动力（或阻力）。稀释隧道内污染空气需风量、汽车交通通风力、隧道通风阻抗力计算方法在《公路隧道通风设计细则》中有详细介绍，在此不赘述。

根据《国家高速公路沈阳至海口纵线宁德至上饶联络线福建境内段（宁德至武夷山）可行性研究报告》及其修订本提供的隧道各设计年份交通组成，分别计算洞宫山隧道各交通量下左洞稀释CO和VI的需风量，计算结果见表8。

表8　洞宫山隧道左洞全长稀释CO和VI的需风量

从表8可知：设计车速为30～80 km/h、设计交通量为100～700 veh/h工况下，利用自然风能稀释洞内CO。在设计车速为30～80 km/h、设计交通量为100～500 veh/h及设计车速为60～80 km/h、设计交通量为600 veh/h工况下，利用自然风能稀释洞内VI，其他工况则不能。

参照《公路隧道通风设计细则》计算该隧道交通通风力ΔPt和自然风阻力ΔPm，得ΔPm=13.93 N/m2，ΔPt计算结果见表9。

表9　洞宫山隧道交通通风力ΔPt计算结果

由表9可以看出：在高峰小时混合车交通量为100～200辆、行车速度为30～40 km/h的情况下，交通通风力不能抵抗隧道出口段自然风阻力，除此以外，其余工况交通通风力均大于自然风阻力。但如此小的交通量下，全隧道车辆以40 km/h通行的可能性很小，故在通行交通量小于700 veh/h的营运近期，闲置（未设置通风设备）的通风道内流动的空气量能稀释隧道内CO及VI污染物，不需开启机械通风设备，利用隧道各洞口间形成的超静压差及洞内外温差引起的有利自然风即能满足营运通风需求。

6　结语

该文以宁武高速公路洞宫山隧道为依托，采用理论计算、现场实测等手段，分析了自然风压对竖井分段式纵向通风系统的影响，并将这一成果在该隧道推广应用，提高了通风系统的利用效率，降低了系统运营能耗。

参考文献：

［1］ JTGT D702-02-2014，公路隧道通风设计细则［S］.

［2］ 朱培根.竖井型城市隧道自然通风理论研究［J］.制冷空调与电力机械，2009（1）.

［3］ 王军，张旭.公路隧道自然通风热动力学稳定性分析［J］.陕西理工学院学报：自然科学版，2008，24（3）.

［4］ 茅靳丰，黄玉良，朱培根，等.火灾工况下城市隧道自然通风模型实验［J］.解放军理工大学学报：自然科学版，2008（4）.

［5］ 钟星灿.公路隧道自然通风模型实验相似性研究［J］.暖通空调，2008（5）.

中图分类号：U453.5

文献标志码：A

文章编号：1671-2668（2016）03-0250-06

收稿日期：2016-01-25