楊永斌

(武警學(xué)院 消防工程系，河北 廊坊 065000)

城市地下綜合管廊(以下簡(jiǎn)稱“綜合管廊”)也稱“共同溝”“共同管道”，是指建于城市地下用于容納兩類及以上城市工程管線的構(gòu)筑物及附屬設(shè)施[1]。近年來(lái)，綜合管廊的發(fā)展迅速，2014年財(cái)政部和住房城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《關(guān)于開展中央財(cái)政支持地下綜合管廊試點(diǎn)工作的通知》[2]，隨后組織了2015年綜合管廊試點(diǎn)城市評(píng)審，共確定了10個(gè)試點(diǎn)城市[3]，2016年又有15個(gè)城市成為綜合管廊試點(diǎn)城市[4]。

綜合管廊的火災(zāi)危險(xiǎn)性主要存在于電力艙，其火災(zāi)特點(diǎn)包括：(1)電力艙空間狹長(zhǎng)，發(fā)生火災(zāi)后，電纜在長(zhǎng)達(dá)200 m防火分隔[1]的狹長(zhǎng)密閉空間內(nèi)燃燒，熱量不能及時(shí)傳遞出去，導(dǎo)致火場(chǎng)溫度高，嚴(yán)重威脅管廊結(jié)構(gòu)安全；(2)綜合管廊屬地下封閉式結(jié)構(gòu)，通風(fēng)換氣受限，易形成不完全燃燒，產(chǎn)生大量氯化氫、一氧化碳等有毒煙氣，對(duì)滅火救援人員造成極大威脅；(3)管廊起火后易形成回燃條件，處置過程中如通風(fēng)不當(dāng)，突然注入的空氣與高溫?zé)煔饣旌?，可能產(chǎn)生回燃造成二次破壞。

1 基于FDS的綜合管廊電力艙火災(zāi)模型建立

1.1 基本假設(shè)

電纜基本結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)體、絕緣及護(hù)套，絕緣護(hù)套的材料多樣化，使電纜在燃燒時(shí)，反應(yīng)過程較為復(fù)雜。為實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬研究，對(duì)綜合管廊電纜火災(zāi)進(jìn)行如下假設(shè)：(1)假設(shè)電纜在燃燒過程中為均質(zhì)，而且在整個(gè)燃燒過程中其各項(xiàng)性能(導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等)不發(fā)生變化。(2)電纜燃燒的主要成分為絕緣護(hù)套材料，絕緣護(hù)套組成成分復(fù)雜，假設(shè)電纜中只存在主要成分。綜合管廊中電纜絕緣護(hù)套材料多為交聯(lián)聚乙烯和聚氯乙烯，假設(shè)管廊中電纜材料全部為聚氯乙烯。(3)考慮最危險(xiǎn)工況，使管廊內(nèi)可燃物達(dá)到最大化。假設(shè)電力艙內(nèi)電纜均為截面600 mm2的220 kV電纜。(4)綜合管廊發(fā)生火災(zāi)會(huì)關(guān)閉防火門，形成密閉空間。假設(shè)整個(gè)空間是一個(gè)長(zhǎng)200 m，被混凝土包裹的密閉空間，根據(jù)初步估算，此空間的氧氣能夠供給約40 m電纜燃燒。(5)忽略電纜橋架等裝置在點(diǎn)燃過程中的吸熱量。(6)采用絕緣護(hù)套材料為聚氯乙烯的電纜燃燒作為模擬火源。

1.2 可燃物基本參數(shù)設(shè)定

根據(jù)李文婷在《綜合管溝電纜火災(zāi)數(shù)值模擬研究》中對(duì)聚氯乙烯為絕緣材質(zhì)的電纜的熱重分析結(jié)論[16]，得出聚氯乙烯在加熱過程中溫度、重量隨時(shí)間變化規(guī)律：電纜在159 ℃析出少量氣體；240 ℃有少量有機(jī)氣體產(chǎn)生；288 ℃添加劑受熱析出氣體；328 ℃開始析出HCl氣體；385 ℃反應(yīng)變?yōu)榉艧岱磻?yīng)，析出氣體除HCl氣體、增塑劑外還有碳氧化物。取反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉艧岱磻?yīng)時(shí)的溫度為電纜的引燃溫度，將聚氯乙烯絕緣材料燃點(diǎn)設(shè)定為380 ℃。

1.3 管廊電力艙模型構(gòu)建

通過對(duì)各地綜合管廊工程設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)研，根據(jù)《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50838—2015)相關(guān)要求，建立單側(cè)布置電纜的綜合管廊電力艙模型。模型長(zhǎng)度200 m，即一個(gè)防火分隔間距的大小[1]，截面高2.8 m、寬1.6 m，右側(cè)布置6排18根電纜，邊界條件為混凝土，結(jié)合電纜直徑和截面尺寸兩方面因素劃分網(wǎng)格。

2 綜合管廊電力艙火災(zāi)模擬工況設(shè)置

2.1 模擬工況設(shè)計(jì)

火源位置考慮不同水平和豎直位置的情況，模擬工況的設(shè)置如表1所示。模擬共設(shè)計(jì)5種工況，水平坐標(biāo)X=0.8表示火源位于管廊盡端，X=100表示火源設(shè)置于綜合管廊一個(gè)防火分隔內(nèi)正中位置。垂直坐標(biāo)Z=0.4表示火源位于管廊電力艙地面，首先作用于最底層電纜；Z=1.2表示火源位于第2層電纜上方，首先作用于第3層電纜(由底層電纜向上數(shù))；Z=2.0表示火源位于第4層電纜上，首先作用于第5層電纜。例如，盡頭底部火，即火源位置4如圖1所示。

2)泥礦三段脫泥各作業(yè)給礦的礦漿體積量波動(dòng)較大，砂泵選型難以兼顧，旋流器會(huì)出現(xiàn)跑粗的情況，各段脫泥旋流器開動(dòng)臺(tái)數(shù)要根據(jù)礦漿體積量進(jìn)行調(diào)整，確保脫泥系統(tǒng)的體積量平衡較為重要。

表1 模擬工況設(shè)計(jì)

圖1 火源位置4示意圖

2.2 參數(shù)測(cè)點(diǎn)布置

本文重點(diǎn)采用火場(chǎng)溫度參數(shù)來(lái)體現(xiàn)綜合管廊電纜火災(zāi)發(fā)展蔓延規(guī)律，因此在模型中布置了多組溫度測(cè)點(diǎn)。管廊電力艙水平200 m方向上，每隔10 m布置一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，在火源10 m范圍內(nèi)，加密為每隔5 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。橫截面溫度測(cè)點(diǎn)分別布置在管廊右側(cè)和中間，位于右側(cè)的溫度測(cè)點(diǎn)共兩組：T1組測(cè)點(diǎn)距離管廊右壁0.5 m，高1.0 m；T2組測(cè)點(diǎn)距管廊右壁0.5 m，高1.8 m。管廊中部測(cè)點(diǎn)位于正中間共三組：T3組測(cè)點(diǎn)高度0.2 m，T4組測(cè)點(diǎn)高度1.4 m；T5組測(cè)點(diǎn)高度2.7 m，溫度測(cè)點(diǎn)橫截面圖如圖2所示。

圖2 橫截面溫度測(cè)點(diǎn)圖

3 綜合管廊電力艙火災(zāi)蔓延規(guī)律分析

3.1 中間底部火源

對(duì)于火源位置1，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)T1、T2和T5點(diǎn)溫度變化，如圖3所示。從圖3可以看出，管廊內(nèi)部的溫度沿X軸方向呈對(duì)稱方式分布。點(diǎn)火后188 s左右，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣垂直向上蔓延至頂部，同時(shí)加熱火源正上方的中層電纜和上層電纜，頂部溫度最高。197 s時(shí)，3層電纜火災(zāi)都已開始蔓延。從230 s和244 s曲線可以看出，這段時(shí)間中層和上層電纜火災(zāi)蔓延速度要明顯快于底部電纜，這是由于中、上層電纜處于來(lái)自下部火焰中溫度較高的外焰部分，同時(shí)更接近熱煙氣層的結(jié)果。

(a)Z=1.0

(b)Z=1.8

(c)Z=2.7

3.2 中間中部火源

對(duì)于火源位置2，不同時(shí)刻溫度變化曲線如圖4所示。管廊內(nèi)部的溫度沿X軸方向依然呈對(duì)稱方式分布，同等時(shí)間內(nèi)，溫度超過電纜燃點(diǎn)的區(qū)域明顯小于中間底部火的情況，即蔓延速度相對(duì)較慢。相對(duì)于中、上層電纜，下層電纜最晚引燃，即電纜中層起火時(shí)，火勢(shì)先垂直蔓延至上層電纜，然后由上層、中層依次向兩端擴(kuò)散，最終引燃底層電纜。

(a)Z=1.0

(b)Z=1.8

(c)Z=2.7

3.3 中間頂部火源

對(duì)于火源位置3，三個(gè)水平面上不同時(shí)刻溫度變化曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，上層電纜火災(zāi)蔓延較快，從280 s左右開始擴(kuò)大，300 s頂層電纜開始大量燃燒，火災(zāi)煙氣向管廊兩端擴(kuò)散。同時(shí)隨著火災(zāi)煙氣下降首先引燃中層電纜，最后引燃底層電纜。

(a)Z=1.0

(b)Z=1.8

(c)Z=2.7

3.4 盡頭底部火源

對(duì)于火源位置4，同樣取T1、T2和T5點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，不同時(shí)刻溫度曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，溫度呈現(xiàn)從火源點(diǎn)沿X方向逐漸遞減的趨勢(shì)。電纜火勢(shì)于162 s左右開始擴(kuò)大，174 s火源正上方的底層、中層和上層電纜均已開始燃燒，蔓延速度和溫度分布比較接近。相對(duì)于中間點(diǎn)火的方式，火源上方空間的溫度明顯升高。此現(xiàn)象與火源和管廊維護(hù)結(jié)構(gòu)的相對(duì)距離有關(guān)，火災(zāi)初期受周圍防火門及墻體的影響，產(chǎn)生的熱量和煙氣只能向一端擴(kuò)散，熱擴(kuò)散條件劣于火源位于中間位置，在著火側(cè)盡頭積聚，局部溫度升高較快。

(a)Z=1.0

(b)Z=1.8

(c)Z=2.7

3.5 盡頭中部火源

對(duì)于火源位置5，三個(gè)水平面上不同時(shí)刻溫度變化曲線如圖7所示。從圖7中可以看出，溫度曲線的趨勢(shì)與盡頭底部火相似，但火勢(shì)的蔓延速度明顯較慢?；馂?zāi)首先由中層電纜垂直蔓延至上層電纜，然后由上層、中層依次向兩端擴(kuò)散，當(dāng)高溫?zé)煔鈱舆_(dá)到底端時(shí)，引燃底層電纜。

(a)Z=1.0

(b)Z=1.8

(c)Z=2.7

4 結(jié)論

本文利用數(shù)值模擬手段，分析了5種典型點(diǎn)火位置情況下，綜合管廊電力艙底層、中層和上層的溫度分布規(guī)律，進(jìn)而得到電纜火災(zāi)的蔓延順序和火勢(shì)發(fā)展的劇烈程度，得到以下結(jié)論：(1)火源位置不僅影響綜合管廊電力艙內(nèi)部火場(chǎng)溫度分布和火勢(shì)發(fā)展的劇烈程度，還會(huì)影響火災(zāi)蔓延到未燃電纜層的時(shí)間。(2)相對(duì)于火源處于綜合管廊電力艙中間位置的情況，盡頭火源引發(fā)的電纜火災(zāi)在局部形成的溫度更高，在同等時(shí)間內(nèi)，火災(zāi)蔓延的范圍比較接近。(3)火源位于綜合管廊電力艙中間和盡頭兩種情況下，底部點(diǎn)燃相對(duì)于中、上部點(diǎn)燃的方式，火災(zāi)形成的溫度分布整體更高，火勢(shì)蔓延速度和蔓延范圍更大。(4)火源位于綜合管廊電力艙中間和盡頭兩種情況下，底部火源情況下，中層和上層電纜引燃的時(shí)間比較接近；中部火源情況下，火災(zāi)首先蔓延到上層電纜，最終引燃底層電纜；頂部火源情況下，火災(zāi)首先蔓延到上層電纜，最終引燃底層電纜。

[1] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范:GB 50838—2015[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2015.

[2] 中華人民共和國(guó)財(cái)政部.關(guān)于開展中央財(cái)政支持地下綜合管廊試點(diǎn)工作的通知:財(cái)建〔2014〕839號(hào)[EB/OL].(2014-12-26)[2017-11-12].http://jjs.mof.gov.cn/zhengwuxinxi/tongzhigonggao/201501/t20150113_1179393.html.

[3] 中華人民共和國(guó)財(cái)政部經(jīng)濟(jì)建設(shè)司,中華人民共和國(guó)住房城鄉(xiāng)建設(shè)部城市建設(shè)司.2015年地下綜合管廊試點(diǎn)城市名單公示[EB/OL].(2015-04-10)[2017-11-12].http://jjs.mof.gov.cn/zhengwuxinxi/tongzhigonggao/201504/t20150409_1214636.html.

[4] 中華人民共和國(guó)財(cái)政部經(jīng)濟(jì)建設(shè)司,中華人民共和國(guó)住房城鄉(xiāng)建設(shè)部城市建設(shè)司.2016年中央財(cái)政支持地下綜合管廊試點(diǎn)城市名單公示[EB/OL].(2016-04-25)[2017-11-12].http://jjs.mof.gov.cn/zxzyzf/csgwzxzj/201604/t20160425_1964180.html.

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