毗邻隧道洞口遮阳棚光环境及二次污染数值模拟

彭余华，傅向祥，陆 昕，李 璇

(长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

0 引 言

近年来，随着公路建设步伐的加快，隧道群也日益增多。相邻隧道间距较小且空间封闭性较大，车辆在其间行驶时间很短，在白天洞内外光照差异较大的情况下，驾车通过连续短距离隧道时会经历连续交替变化的光环境，有一个“暗-亮-暗”的过程，从而影响驾驶员的视觉适应[1]。基于此，国内部分公路在短距离隧道间设置遮阳棚来满足驾驶员的视觉特性，但遮阳棚结构形式往往较为封闭，不利于隧道内污染物的扩散，对毗邻隧道也有较大影响。

关于公路隧道洞口行车安全和二次污染相关问题，国内外学者做了大量的研究。王少飞[2]针对“隧道群”概念模糊的问题，建议当相邻隧道间距L≤250 m时定义为毗邻隧道，当250 m

笔者构建了底部两侧镂空(镂空高度300 cm)、上方封闭的遮阳棚模型，采用Daylight Visualizer软件和Ansys Fluent软件分别从光环境和隧道洞口二次污染两个方面进行了分析。结果表明，构建的遮阳棚能大大减少隧道洞内外的照度差距，且隧道洞口污染物的扩散得到了有效控制。

1 毗邻隧道间光环境模拟

1.1 毗邻隧道间光环境计算模型

1.1.1 毗邻隧道光环境特征

隧道洞口由于其特殊的环境光照度条件，白天驾驶员驾车通过毗邻隧道时会在短时间内经历连续、强烈的明暗适应，难以辨别道路交通信息和路面状况，会产生连续的“白洞效应”与“黑洞效应”，易诱发交通事故。

图1为2010—2014年间云南省已完工的16条高速公路隧道群路段交通事故统计情况，隧道洞口事故数占隧道事故总数的54.08%。原因是在通过毗邻隧道时，驾驶员明暗适应变化频繁，且白天洞内外照度差异大，引起驾驶员的视觉障碍，增加了驾驶员心理、生理负荷，交通安全风险很高。

图1 2010—2014年云南省16条高速公路隧道群路段交通事故统计Fig. 1 Statistics of traffic accidents occurred at section of sisteen expressway tunnel groups in Yunnan province from 2010 to 2014

图2为车辆以80 km/h的速度通过某毗邻隧道间距为50 m的光照强度曲线。图中横坐标为车辆从上游隧道出口段至下游隧道入口段的行驶时间；纵坐标为洞口照度值。毗邻隧道内外照度差约70 000 Lux，使得驾驶员在穿越毗邻隧道时没有足够的时间去适应光环境的剧烈变化，从而影响了驾驶员对前方车辆或障碍物的视认和辨别，这是毗邻隧道事故高发的主要原因。

图2 某毗邻隧道洞口照度曲线Fig. 2 Illumination curve at the portal of one adjacent tunnel

为了降低隧道洞口事故多发安全隐患，隧道洞口设计必须充分考虑驾驶员的生理和心理因素，我国JTG/T D 70/2-01—2014《公路隧道照明设计细则》中，关于隧道洞内各段照明亮度值的确定，借鉴了人眼的暗适应曲线，并在此基础上得到隧道内的照度曲线。从亮环境逐渐进入到暗环境中，人眼瞳孔面积不断增加，对光照的强弱也越来越敏感，约30 min可达到最大值，这个过程就是暗适应的过程[9]。

1.1.2 几何模型构建与参数设置

Daylight Visualizer软件是一款通过国际照明协会(CIE)采光标准检验的光模拟分析软件，能针对各种自然光对建筑物进行采光和环境舒适度分析，进而改善建筑空间的光环境和视觉感受。鉴于Daylight Visualizer软件与AutoCAD有很好的兼容性，笔者利用AutoCAD的三维建模功能建立几何模型。

考虑遮阳棚两侧通风需求，构建了底部两侧镂空(镂空高度300 cm)、上方封闭形式的遮阳棚(图3)，为使光环境仿真分析结果更精确，遮阳棚的两端构建了一定长度的隧道模型与之相连。选取三维导入方式，将模型文件导入到Daylight Visualizer中，毗邻隧道洞口为正南北朝向，地理坐标为26.7 N和106.3 E，考虑遮阳棚的遮阳效果，同时兼顾视觉美观功能，在软件材料库中选取透光率为30%的遮阳材料，在晴天条件下，选取具有代表性的夏至那一天对08：30—18：30时间段(步长为1 h)进行采光分析。

图3 毗邻隧道遮阳棚示意Fig. 3 Adjacent tunnel sunshade

1.2 光环境模拟计算分析

采用Daylight Visualizer对遮阳棚进行光环境仿真计算，得到设置遮阳棚前、后毗邻隧道间路面照明曲线及无遮阳棚洞口一天的照度变化，如图4。

图4 晴天毗邻隧道间路面照度及洞口照度Fig. 4 Illumination of road and portals between adjacent tunnelson sunny days

由图4可以看出，设置遮阳棚后，隧道连接段路面照度变化平稳适中，得到的照度最大值为17 625 Lux，最小值为465 Lux，在白天大部分时段的减光率接近50%，大大缩小了隧道洞内与洞外路面照度的差值。设置遮阳棚后，隧道内外照度变化幅度更能满足驾驶员的视觉感受，毗邻隧道间的行车安全性和舒适性得到极大的提高。

2 毗邻隧道间通风窜流模拟

2.1 毗邻隧道窜流模型构建

利用ANSYS软件中ICEM CFD的建模功能，建立毗邻隧道模型，导入ANSYS Fluent软件进行流体计算分析。数学模型采用标准k-ε双方程的三维紊流模型及多组分扩散传输方程组[8]。几何模型基本参数为：隧道洞门断面下部是一矩形，高1.4 m、长11 m，上部是一半圆，半径5.5 m；遮阳棚为底部两侧镂空(镂空高度300 cm)、上方封闭形式；选取毗邻公路隧道内50 m的两隧道柱体空间和洞外x、y、z三个方向各取120、60(毗邻隧道间距)、45 m的一个长方体的空间作为流体计算区域(图5)，进行污染物窜流模拟分析，并做如下假设[10-12]：

1)假设流体是不可压缩的，且简化为稳定流。

2)毗邻隧道洞口同一轴线上，且假设洞门的山体为直壁壁面，流场是等温的，均为300 K，隧道壁面也是绝热的。

3)以CO浓度的分布来代表污染物的扩散分布，上游隧道处的CO平均浓度为0.020%，且为唯一污染散发面源。CO的基本物理性质为：密度ρ= 1.160 kg/m3，热容γ=1 042.5 J/(kg·K)，导热系数δ=0.008 6 W/(m·k)，动力黏性系数μ=17.76 kg/(m·s)。

4)洞外微风天气，风速恒定，U=2.4 m/s。

5)流体按连续介质处理。

图5 计算模型(单位：m)Fig. 5 Calculation model

2.2 模型网格划分与边界条件设定

三维计算模型利用ICEM CFD的网格划分功能采用非结构化网格，由于流场比较规则，因此生成的网格能够满足计算需要。首先对上游隧道入口面的矩形部分采用四边形进行面网格划分；在此基础上，采用扫略划分方式将其沿纵向进行体网格的划分，再对隧道上半段及过渡段进行体网格的扫略划分，并在隧道洞口过渡进行网格加密。计算模型划分后，网格数量处于200 000～300 000之间，网格划分模型如图6。将网格模型文件导入ANSYS Fluent，检查网格并根据假设条件定义边界条件、建立监控断面进行数值模拟分析。

图6 网格划分模型Fig. 6 Mesh models

2.3 数值模拟计算分析

为探究毗邻隧道洞口二次污染规律，结合该毗邻隧道各设计年限的设计风速和工程运营阶段可能发生的工况，取进、排口风速1.0～8.0 m/s进行分析。项目所在地近三年的最高风速3.73 m/s、最低风速0.18 m/s，三年平均风速2.4 m/s，这对上游排风隧道射流所引起的污染物扩散有很大的影响，故取洞外自然风速U=2.4 m/s进行分析。

2.3.1 隧道洞口通风窜流特征

毗邻隧道中，有排风、进风洞口，就有出流及入流。出流只在一个有限的锥形区域内扩散，入流则由于洞口处存在负压，在压力差的作用下，排风气流的状态往往发生变化，排出的污染气体未来得及充分扩散便窜入下游隧道洞口。毗邻隧道洞口及遮阳棚的流场分布如图7。

图7 毗邻隧道洞口及遮阳棚流场分布Fig. 7 Flow field distribution of adjacent tunnel portals and sunshade

2.3.2 进、排风风速的影响(无洞外自然风时)

下列计算结果中二次污染率w(%)为下游进风隧道进口处CO平均浓度相对于上游排风隧道出口CO平均浓度的相对百分数。

1)进、排风风速相同时

当进、排风风速相同时，即Vin=Vex，二次污染率w与进、排风风速大小的变化关系不大，风速的变化并不能直接引起二次污染率的变化，计算结果如图8。可见，无洞外自然风时，上游隧道约有73%的污染物进入了下游隧道；设置底部两侧镂空高度为300 cm的遮阳棚后，上游隧道约有97%的污染物进入了下游隧道，相比无遮阳棚时二次污染率提高了24%。

图8 当Vin=Vex时，w与Vex的关系Fig. 8 Relationship between w and Vex when Vin is equal to Vex

以小汽车驾驶员的平均视点高度Z=1.2 m为隧道污染物窜流分析界面，Vin=Vex=3 m/s时的CO浓度分布云图如图9。

图9 当Vin=Vex=3 m/s时，CO扩散情况Fig. 9 Diffusion of CO when Vin and Vex are equal to 3 m/s

2)进、排风风速不同时

当排风风速Vex恒定时，不同排风风速下，二次污染率w均随着进风风速Vin的增大而减小；而当进风风速Vin恒定时，不同进风风速下，二次污染率w均随着排风风速Vex的增大而增大。计算结果如图10。可见，洞外无自然风时，设置遮阳棚后w的变化趋势与未设置遮阳棚的基本一致。并且进、排风风速不同时，两者的w相差均在10%以内，表明该镂空形式遮阳棚能有效地减小道洞口污染物的扩散。

图10 当Vex(或Vin)恒定时，w与Vin(或Vex)的关系Fig. 10 Relationship between w and Vin when Vex is constant, or between w and Vex when Vin is constant

排风风速Vex=3 m/s、进风风速为Vin=8 m/s时，视点高度Z=1.2 m的隧道污染物窜流分析界面的CO浓度分布云图如图11。

2.3.3 考虑洞外自然风速与隧道轴线垂直情况

由图12知，当Vin=Vex=3.6 m/s、洞口自然风速U=2.4 m/s时，设置遮阳棚后下游隧道洞口处的CO平均浓度为0.011 742%；二次污染率w由90.18%下降到了58.71%，减少了1.53倍。可见洞外自然风速能明显改善遮阳棚通风效果。

图12 当Vin=Vex=3.6 m/s、U=2.4 m/s时，CO扩散情况Fig. 12 Diffusion of CO when Vin and Vex are equal to 3.6 m/s andU is 2.4 m/s

3 结 论

1)由光分析发现，白天驾车通过毗邻隧道时，洞内外照度差异大会形成明显的不舒适眩光，驾驶员在短时间内经历连续、强烈的明暗适应，对行车安全构成了隐患。设置遮阳棚后实现了光照强度与人眼视觉基本适应，起到了良好的光环境过渡效果。

2)设置底部两侧镂空(镂空高度300 cm)、上方封闭形式的遮阳棚(透光率30%)后，在白天大部分时段的减光率接近50%，大大减少了隧道内和连接段路面照度的差值，有效地提高了在毗邻隧道间的行车安全性和舒适性。

3)不考虑洞外自然风速影响，当进、排风风速相同时，风速大小与二次污染率的变化关系不大，风速的变化并不能直接引起二次污染率的变化，且设置遮阳棚后二次污染现象较严重。

4)不考虑洞外自然风速影响，在排风风速一定时，增大进风风速，二次污染率将减少；反之在进风风速一定时，增大排风风速，二次污染率将增加，且设置遮阳棚后二次污染率的变化趋势与未设置遮阳棚时基本一致，通风效果明显。

5)当洞外自然风速U=2.4 m/s时，设置镂空形式的遮阳棚后二次污染率由90.18%下降到了58.71%，可见洞外自然风速能明显改善遮阳棚通风效果。