彭余華，傅向祥，陸 昕，李 璇

(長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引 言

近年來，隨著公路建設(shè)步伐的加快，隧道群也日益增多。相鄰隧道間距較小且空間封閉性較大，車輛在其間行駛時(shí)間很短，在白天洞內(nèi)外光照差異較大的情況下，駕車通過連續(xù)短距離隧道時(shí)會(huì)經(jīng)歷連續(xù)交替變化的光環(huán)境，有一個(gè)“暗-亮-暗”的過程，從而影響駕駛員的視覺適應(yīng)[1]。基于此，國內(nèi)部分公路在短距離隧道間設(shè)置遮陽棚來滿足駕駛員的視覺特性，但遮陽棚結(jié)構(gòu)形式往往較為封閉，不利于隧道內(nèi)污染物的擴(kuò)散，對毗鄰隧道也有較大影響。

關(guān)于公路隧道洞口行車安全和二次污染相關(guān)問題，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。王少飛[2]針對“隧道群”概念模糊的問題，建議當(dāng)相鄰隧道間距L≤250 m時(shí)定義為毗鄰隧道，當(dāng)250 m

筆者構(gòu)建了底部兩側(cè)鏤空(鏤空高度300 cm)、上方封閉的遮陽棚模型，采用Daylight Visualizer軟件和Ansys Fluent軟件分別從光環(huán)境和隧道洞口二次污染兩個(gè)方面進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，構(gòu)建的遮陽棚能大大減少隧道洞內(nèi)外的照度差距，且隧道洞口污染物的擴(kuò)散得到了有效控制。

1 毗鄰隧道間光環(huán)境模擬

1.1 毗鄰隧道間光環(huán)境計(jì)算模型

1.1.1 毗鄰隧道光環(huán)境特征

隧道洞口由于其特殊的環(huán)境光照度條件，白天駕駛員駕車通過毗鄰隧道時(shí)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷連續(xù)、強(qiáng)烈的明暗適應(yīng)，難以辨別道路交通信息和路面狀況，會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的“白洞效應(yīng)”與“黑洞效應(yīng)”，易誘發(fā)交通事故。

圖1為2010—2014年間云南省已完工的16條高速公路隧道群路段交通事故統(tǒng)計(jì)情況，隧道洞口事故數(shù)占隧道事故總數(shù)的54.08%。原因是在通過毗鄰隧道時(shí)，駕駛員明暗適應(yīng)變化頻繁，且白天洞內(nèi)外照度差異大，引起駕駛員的視覺障礙，增加了駕駛員心理、生理負(fù)荷，交通安全風(fēng)險(xiǎn)很高。

圖1 2010—2014年云南省16條高速公路隧道群路段交通事故統(tǒng)計(jì)Fig. 1 Statistics of traffic accidents occurred at section of sisteen expressway tunnel groups in Yunnan province from 2010 to 2014

圖2為車輛以80 km/h的速度通過某毗鄰隧道間距為50 m的光照強(qiáng)度曲線。圖中橫坐標(biāo)為車輛從上游隧道出口段至下游隧道入口段的行駛時(shí)間；縱坐標(biāo)為洞口照度值。毗鄰隧道內(nèi)外照度差約70 000 Lux，使得駕駛員在穿越毗鄰隧道時(shí)沒有足夠的時(shí)間去適應(yīng)光環(huán)境的劇烈變化，從而影響了駕駛員對前方車輛或障礙物的視認(rèn)和辨別，這是毗鄰隧道事故高發(fā)的主要原因。

圖2 某毗鄰隧道洞口照度曲線Fig. 2 Illumination curve at the portal of one adjacent tunnel

為了降低隧道洞口事故多發(fā)安全隱患，隧道洞口設(shè)計(jì)必須充分考慮駕駛員的生理和心理因素，我國JTG/T D 70/2-01—2014《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》中，關(guān)于隧道洞內(nèi)各段照明亮度值的確定，借鑒了人眼的暗適應(yīng)曲線，并在此基礎(chǔ)上得到隧道內(nèi)的照度曲線。從亮環(huán)境逐漸進(jìn)入到暗環(huán)境中，人眼瞳孔面積不斷增加，對光照的強(qiáng)弱也越來越敏感，約30 min可達(dá)到最大值，這個(gè)過程就是暗適應(yīng)的過程[9]。

1.1.2 幾何模型構(gòu)建與參數(shù)設(shè)置

Daylight Visualizer軟件是一款通過國際照明協(xié)會(huì)(CIE)采光標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)的光模擬分析軟件，能針對各種自然光對建筑物進(jìn)行采光和環(huán)境舒適度分析，進(jìn)而改善建筑空間的光環(huán)境和視覺感受。鑒于Daylight Visualizer軟件與AutoCAD有很好的兼容性，筆者利用AutoCAD的三維建模功能建立幾何模型。

考慮遮陽棚兩側(cè)通風(fēng)需求，構(gòu)建了底部兩側(cè)鏤空(鏤空高度300 cm)、上方封閉形式的遮陽棚(圖3)，為使光環(huán)境仿真分析結(jié)果更精確，遮陽棚的兩端構(gòu)建了一定長度的隧道模型與之相連。選取三維導(dǎo)入方式，將模型文件導(dǎo)入到Daylight Visualizer中，毗鄰隧道洞口為正南北朝向，地理坐標(biāo)為26.7 N和106.3 E，考慮遮陽棚的遮陽效果，同時(shí)兼顧視覺美觀功能，在軟件材料庫中選取透光率為30%的遮陽材料，在晴天條件下，選取具有代表性的夏至那一天對08：30—18：30時(shí)間段(步長為1 h)進(jìn)行采光分析。

圖3 毗鄰隧道遮陽棚示意Fig. 3 Adjacent tunnel sunshade

1.2 光環(huán)境模擬計(jì)算分析

采用Daylight Visualizer對遮陽棚進(jìn)行光環(huán)境仿真計(jì)算，得到設(shè)置遮陽棚前、后毗鄰隧道間路面照明曲線及無遮陽棚洞口一天的照度變化，如圖4。

圖4 晴天毗鄰隧道間路面照度及洞口照度Fig. 4 Illumination of road and portals between adjacent tunnelson sunny days

由圖4可以看出，設(shè)置遮陽棚后，隧道連接段路面照度變化平穩(wěn)適中，得到的照度最大值為17 625 Lux，最小值為465 Lux，在白天大部分時(shí)段的減光率接近50%，大大縮小了隧道洞內(nèi)與洞外路面照度的差值。設(shè)置遮陽棚后，隧道內(nèi)外照度變化幅度更能滿足駕駛員的視覺感受，毗鄰隧道間的行車安全性和舒適性得到極大的提高。

2 毗鄰隧道間通風(fēng)竄流模擬

2.1 毗鄰隧道竄流模型構(gòu)建

利用ANSYS軟件中ICEM CFD的建模功能，建立毗鄰隧道模型，導(dǎo)入ANSYS Fluent軟件進(jìn)行流體計(jì)算分析。數(shù)學(xué)模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程的三維紊流模型及多組分?jǐn)U散傳輸方程組[8]。幾何模型基本參數(shù)為：隧道洞門斷面下部是一矩形，高1.4 m、長11 m，上部是一半圓，半徑5.5 m；遮陽棚為底部兩側(cè)鏤空(鏤空高度300 cm)、上方封閉形式；選取毗鄰公路隧道內(nèi)50 m的兩隧道柱體空間和洞外x、y、z三個(gè)方向各取120、60(毗鄰隧道間距)、45 m的一個(gè)長方體的空間作為流體計(jì)算區(qū)域(圖5)，進(jìn)行污染物竄流模擬分析，并做如下假設(shè)[10-12]：

1)假設(shè)流體是不可壓縮的，且簡化為穩(wěn)定流。

2)毗鄰隧道洞口同一軸線上，且假設(shè)洞門的山體為直壁壁面，流場是等溫的，均為300 K，隧道壁面也是絕熱的。

3)以CO濃度的分布來代表污染物的擴(kuò)散分布，上游隧道處的CO平均濃度為0.020%，且為唯一污染散發(fā)面源。CO的基本物理性質(zhì)為：密度ρ= 1.160 kg/m3，熱容γ=1 042.5 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)δ=0.008 6 W/(m·k)，動(dòng)力黏性系數(shù)μ=17.76 kg/(m·s)。

4)洞外微風(fēng)天氣，風(fēng)速恒定，U=2.4 m/s。

5)流體按連續(xù)介質(zhì)處理。

圖5 計(jì)算模型(單位：m)Fig. 5 Calculation model

2.2 模型網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)定

三維計(jì)算模型利用ICEM CFD的網(wǎng)格劃分功能采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，由于流場比較規(guī)則，因此生成的網(wǎng)格能夠滿足計(jì)算需要。首先對上游隧道入口面的矩形部分采用四邊形進(jìn)行面網(wǎng)格劃分；在此基礎(chǔ)上，采用掃略劃分方式將其沿縱向進(jìn)行體網(wǎng)格的劃分，再對隧道上半段及過渡段進(jìn)行體網(wǎng)格的掃略劃分，并在隧道洞口過渡進(jìn)行網(wǎng)格加密。計(jì)算模型劃分后，網(wǎng)格數(shù)量處于200 000～300 000之間，網(wǎng)格劃分模型如圖6。將網(wǎng)格模型文件導(dǎo)入ANSYS Fluent，檢查網(wǎng)格并根據(jù)假設(shè)條件定義邊界條件、建立監(jiān)控?cái)嗝孢M(jìn)行數(shù)值模擬分析。

圖6 網(wǎng)格劃分模型Fig. 6 Mesh models

2.3 數(shù)值模擬計(jì)算分析

為探究毗鄰隧道洞口二次污染規(guī)律，結(jié)合該毗鄰隧道各設(shè)計(jì)年限的設(shè)計(jì)風(fēng)速和工程運(yùn)營階段可能發(fā)生的工況，取進(jìn)、排口風(fēng)速1.0～8.0 m/s進(jìn)行分析。項(xiàng)目所在地近三年的最高風(fēng)速3.73 m/s、最低風(fēng)速0.18 m/s，三年平均風(fēng)速2.4 m/s，這對上游排風(fēng)隧道射流所引起的污染物擴(kuò)散有很大的影響，故取洞外自然風(fēng)速U=2.4 m/s進(jìn)行分析。

2.3.1 隧道洞口通風(fēng)竄流特征

毗鄰隧道中，有排風(fēng)、進(jìn)風(fēng)洞口，就有出流及入流。出流只在一個(gè)有限的錐形區(qū)域內(nèi)擴(kuò)散，入流則由于洞口處存在負(fù)壓，在壓力差的作用下，排風(fēng)氣流的狀態(tài)往往發(fā)生變化，排出的污染氣體未來得及充分?jǐn)U散便竄入下游隧道洞口。毗鄰隧道洞口及遮陽棚的流場分布如圖7。

圖7 毗鄰隧道洞口及遮陽棚流場分布Fig. 7 Flow field distribution of adjacent tunnel portals and sunshade

2.3.2 進(jìn)、排風(fēng)風(fēng)速的影響(無洞外自然風(fēng)時(shí))

下列計(jì)算結(jié)果中二次污染率w(%)為下游進(jìn)風(fēng)隧道進(jìn)口處CO平均濃度相對于上游排風(fēng)隧道出口CO平均濃度的相對百分?jǐn)?shù)。

1)進(jìn)、排風(fēng)風(fēng)速相同時(shí)

當(dāng)進(jìn)、排風(fēng)風(fēng)速相同時(shí)，即Vin=Vex，二次污染率w與進(jìn)、排風(fēng)風(fēng)速大小的變化關(guān)系不大，風(fēng)速的變化并不能直接引起二次污染率的變化，計(jì)算結(jié)果如圖8。可見，無洞外自然風(fēng)時(shí)，上游隧道約有73%的污染物進(jìn)入了下游隧道；設(shè)置底部兩側(cè)鏤空高度為300 cm的遮陽棚后，上游隧道約有97%的污染物進(jìn)入了下游隧道，相比無遮陽棚時(shí)二次污染率提高了24%。

圖8 當(dāng)Vin=Vex時(shí)，w與Vex的關(guān)系Fig. 8 Relationship between w and Vex when Vin is equal to Vex

以小汽車駕駛員的平均視點(diǎn)高度Z=1.2 m為隧道污染物竄流分析界面，Vin=Vex=3 m/s時(shí)的CO濃度分布云圖如圖9。

圖9 當(dāng)Vin=Vex=3 m/s時(shí)，CO擴(kuò)散情況Fig. 9 Diffusion of CO when Vin and Vex are equal to 3 m/s

2)進(jìn)、排風(fēng)風(fēng)速不同時(shí)

當(dāng)排風(fēng)風(fēng)速Vex恒定時(shí)，不同排風(fēng)風(fēng)速下，二次污染率w均隨著進(jìn)風(fēng)風(fēng)速Vin的增大而減小；而當(dāng)進(jìn)風(fēng)風(fēng)速Vin恒定時(shí)，不同進(jìn)風(fēng)風(fēng)速下，二次污染率w均隨著排風(fēng)風(fēng)速Vex的增大而增大。計(jì)算結(jié)果如圖10?？梢?，洞外無自然風(fēng)時(shí)，設(shè)置遮陽棚后w的變化趨勢與未設(shè)置遮陽棚的基本一致。并且進(jìn)、排風(fēng)風(fēng)速不同時(shí)，兩者的w相差均在10%以內(nèi)，表明該鏤空形式遮陽棚能有效地減小道洞口污染物的擴(kuò)散。

圖10 當(dāng)Vex(或Vin)恒定時(shí)，w與Vin(或Vex)的關(guān)系Fig. 10 Relationship between w and Vin when Vex is constant, or between w and Vex when Vin is constant

排風(fēng)風(fēng)速Vex=3 m/s、進(jìn)風(fēng)風(fēng)速為Vin=8 m/s時(shí)，視點(diǎn)高度Z=1.2 m的隧道污染物竄流分析界面的CO濃度分布云圖如圖11。

2.3.3 考慮洞外自然風(fēng)速與隧道軸線垂直情況

由圖12知，當(dāng)Vin=Vex=3.6 m/s、洞口自然風(fēng)速U=2.4 m/s時(shí)，設(shè)置遮陽棚后下游隧道洞口處的CO平均濃度為0.011 742%；二次污染率w由90.18%下降到了58.71%，減少了1.53倍?？梢姸赐庾匀伙L(fēng)速能明顯改善遮陽棚通風(fēng)效果。

圖12 當(dāng)Vin=Vex=3.6 m/s、U=2.4 m/s時(shí)，CO擴(kuò)散情況Fig. 12 Diffusion of CO when Vin and Vex are equal to 3.6 m/s andU is 2.4 m/s

3 結(jié) 論

1)由光分析發(fā)現(xiàn)，白天駕車通過毗鄰隧道時(shí)，洞內(nèi)外照度差異大會(huì)形成明顯的不舒適眩光，駕駛員在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷連續(xù)、強(qiáng)烈的明暗適應(yīng)，對行車安全構(gòu)成了隱患。設(shè)置遮陽棚后實(shí)現(xiàn)了光照強(qiáng)度與人眼視覺基本適應(yīng)，起到了良好的光環(huán)境過渡效果。

2)設(shè)置底部兩側(cè)鏤空(鏤空高度300 cm)、上方封閉形式的遮陽棚(透光率30%)后，在白天大部分時(shí)段的減光率接近50%，大大減少了隧道內(nèi)和連接段路面照度的差值，有效地提高了在毗鄰隧道間的行車安全性和舒適性。

3)不考慮洞外自然風(fēng)速影響，當(dāng)進(jìn)、排風(fēng)風(fēng)速相同時(shí)，風(fēng)速大小與二次污染率的變化關(guān)系不大，風(fēng)速的變化并不能直接引起二次污染率的變化，且設(shè)置遮陽棚后二次污染現(xiàn)象較嚴(yán)重。

4)不考慮洞外自然風(fēng)速影響，在排風(fēng)風(fēng)速一定時(shí)，增大進(jìn)風(fēng)風(fēng)速，二次污染率將減少；反之在進(jìn)風(fēng)風(fēng)速一定時(shí)，增大排風(fēng)風(fēng)速，二次污染率將增加，且設(shè)置遮陽棚后二次污染率的變化趨勢與未設(shè)置遮陽棚時(shí)基本一致，通風(fēng)效果明顯。

5)當(dāng)洞外自然風(fēng)速U=2.4 m/s時(shí)，設(shè)置鏤空形式的遮陽棚后二次污染率由90.18%下降到了58.71%，可見洞外自然風(fēng)速能明顯改善遮陽棚通風(fēng)效果。