孫雪偉 高培偉 張萬磊 廖啟旺 陳光玲 王珂

摘 要：近幾年來，我國高速公路迅速發(fā)展的同時(shí)公路車輛火災(zāi)爆炸事件時(shí)有發(fā)生，不僅造成財(cái)產(chǎn)損失、交通堵塞等事故，高溫產(chǎn)生的熱輻射還會(huì)對(duì)公路周圍的人員和建筑物產(chǎn)生影響。將熱輻射作為火災(zāi)危害程度和傷害范圍的一個(gè)判定值，采用合理的熱輻射評(píng)估方法進(jìn)行預(yù)測(cè)可以有效降低損失，為災(zāi)害防治提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：高速公路;火災(zāi);熱輻射;評(píng)估方法

中圖分類號(hào)：U492.83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

高速公路具有通行速度快、車流量大的特點(diǎn)，給人們帶來交通便利的同時(shí)，車輛在高速行駛時(shí)，因物的不安全狀態(tài)、環(huán)境、駕駛?cè)藛T的不安全行為等因素，也存在著較大的安全事故隱患，一旦發(fā)生事故將會(huì)引起火災(zāi)、爆炸等將嚴(yán)重威脅人類生命安全。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全世界70多億人口每年有100多萬死于交通事故，其中車輛發(fā)生火災(zāi)爆炸產(chǎn)生的影響最為嚴(yán)重。國內(nèi)外對(duì)于高速公路的火災(zāi)爆炸事件極為重視，有很多學(xué)者也展開了一系列的研究[1-3]。目前，關(guān)于火災(zāi)、爆炸導(dǎo)致熱輻射后果的研究主要分為人體燒傷、物體損壞（包括對(duì)木材、草地、建筑等）兩方面。評(píng)估人體燒傷的方法主要有兩種：熱輻射通量準(zhǔn)則[4]和熱劑量傷害方程。Henriques提出可以使用一階阿倫尼烏斯（Arrhenius）公式來計(jì)算皮膚燒傷的累積程度，以此判斷燒傷等級(jí)的方法。對(duì)于評(píng)估物體損害方面的研究較少，大多數(shù)通過臨界熱流和臨界溫度兩個(gè)參數(shù)來判斷物體是否被損壞，但該方法僅適用于穩(wěn)態(tài)火災(zāi)，難以評(píng)估非穩(wěn)態(tài)火災(zāi)熱輻射危害因此，建立相應(yīng)的評(píng)估方法對(duì)高速公路車輛火災(zāi)爆炸事故的危險(xiǎn)性進(jìn)行研究是十分必要的，對(duì)于降低高速公路火災(zāi)、爆炸事故的危險(xiǎn)性具有重要的實(shí)際意義。

1 高速公路車輛火災(zāi)事故成因及特點(diǎn)

1.1 事故成因

（1）物的不安全狀態(tài)。車輛本身存在安全隱患，如車輛的老化會(huì)導(dǎo)致部件失靈，主要包括輪胎磨損破裂，車輛制動(dòng)系統(tǒng)失效，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)有沉淀物等。（2）環(huán)境因素。高速路段環(huán)境的變化也是導(dǎo)致事故的原因之一，遇到惡劣天氣如雷雨天氣導(dǎo)致車外視線模糊不清，或出現(xiàn)山體滑坡或者地震等自然災(zāi)害也會(huì)導(dǎo)致車輛來不及躲避出現(xiàn)交通事故繼而引發(fā)火災(zāi)事故。（3）人的不安全行為。駕駛?cè)藛T的不安全行為是導(dǎo)致事故發(fā)生的主要原因，主要的不安全行為有：駕駛?cè)藛T不具備行駛資格或?qū)囕v性能了解不足導(dǎo)致的操作失誤;駕駛?cè)藛T對(duì)載有易燃易爆物品的車輛缺乏安全救援意識(shí)，未能按要求定期進(jìn)行安全檢查，采取相應(yīng)的預(yù)防措施;駕駛?cè)藛T主觀存在違章行為和心理特征。

1.2 高速公路火災(zāi)事故特點(diǎn)

（1）燃燒蔓延迅速。高速公路路面風(fēng)較大，且車輛行駛中加快了空氣對(duì)流，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后，充足的氧氣會(huì)使火勢(shì)迅速蔓延，短時(shí)間內(nèi)從最初的緩慢燃燒發(fā)展到充分燃燒階段。（2）火災(zāi)控制難度大。易燃易爆?；吩谶\(yùn)輸中發(fā)生泄漏，短時(shí)間內(nèi)會(huì)迅速擴(kuò)散，遇到點(diǎn)火源會(huì)發(fā)生火災(zāi)甚至引起爆炸，火勢(shì)會(huì)根據(jù)環(huán)境發(fā)生變化，加大了消防救援難度。（3）傷害范圍大。車輛起火通常為發(fā)動(dòng)機(jī)起火，高速行駛過程中空氣流通強(qiáng)，火勢(shì)變化難以控制。一旦火勢(shì)蔓延到附近山林、住宅區(qū)，將可能造成群死群傷事故。（4）受客觀條件限制，救援相對(duì)困難。高速公路發(fā)生火災(zāi)后消防車以及救護(hù)車受到高速公路入口和方向的限制難以及時(shí)救援。另外，在救援過程中有時(shí)需要大量的水源，會(huì)出現(xiàn)消防車自備水用完的情況，延誤消防時(shí)間。（5）易引發(fā)次生災(zāi)害和二次事故。未燃燒的有毒氣體會(huì)造成中毒、窒息乃至死亡，引發(fā)二次交通事故。

2 高速公路火災(zāi)事故熱輻射危害評(píng)估方法

熱通量準(zhǔn)則一直是評(píng)估火災(zāi)事故中熱輻射危害后果的主要方法，該準(zhǔn)則以目標(biāo)接收到的熱通量作為衡量其是否被破壞的標(biāo)準(zhǔn)，它適用于穩(wěn)態(tài)火災(zāi)，具體評(píng)判準(zhǔn)則如表1所示。

實(shí)際情況下，高速公路環(huán)境復(fù)雜，單一的熱通量準(zhǔn)則很難去判斷對(duì)人體，對(duì)物體的損傷。因此，將分別介紹適用于變熱流下對(duì)人體、物體熱輻射損害評(píng)估方法。

2.1 人體損傷的計(jì)算方法

熱輻射劑量法認(rèn)為目標(biāo)是否被破壞必須由熱通量和作用時(shí)間共同決定，熱輻射劑量（r）計(jì)算公式如下：

（1）

當(dāng)r=1 060（kW/m2）4/3s時(shí)，死亡概率為1%;r=2 300 （kW/m2）4/3s時(shí)，死亡概率為50%;r=3 500（kW/m2）4/3s時(shí)，

死亡概率為99%。Eisenberg通過研究得到皮膚暴露面積為20%時(shí)，熱輻射劑量和傷害概率的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為：

死亡： （2）

二級(jí)燒傷： （3）

一級(jí)燒傷： （4）

傷害百分?jǐn)?shù)： （5）

Rausch推薦管道泄漏熱輻射對(duì)人體的暴露時(shí)間為30 s。實(shí)際事故中，熱輻射會(huì)隨著泄漏時(shí)間而減小，為了更加準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)變熱流對(duì)周圍人員和物體造成的危害，結(jié)合微積分的思想，將熱輻射通量—

時(shí)間曲線中的時(shí)間分割為多個(gè)無限小的時(shí)間間隔如圖1所示，并假定在每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，目標(biāo)所接受的熱輻射為前后兩個(gè)相鄰時(shí)刻的輻射熱通量的平均值，則tn時(shí)刻輻射熱流可表達(dá)為： （6）

變熱流下，熱輻射劑量計(jì)算公式為：? （7）

2.2 對(duì)物體損傷的計(jì)算

利用基于半無限大固體假定的物體溫度計(jì)算方法和集總熱容法可以用來預(yù)測(cè)熱輻射作用下物體的溫度。對(duì)于可燃物，通過計(jì)算出的溫度可以判斷是否被點(diǎn)燃;對(duì)于不可燃物體，則可以判斷是否會(huì)融化或者強(qiáng)度失效。

（1）基于半無限大固體假定的物體表面溫度計(jì)算。當(dāng)物體厚度較大時(shí)，如木材、墻壁等，可以將其假設(shè)成半無限大固體模型，再計(jì)算物體表面溫度。在穩(wěn)態(tài)熱流下，距離表面x位置處的溫度可以表示為：

（8）

式中，為凈輻射熱流，

，其中為空氣對(duì)流換熱系數(shù)，是火焰發(fā)射率，是斯提芬波爾曼茲常數(shù);為物體初始溫度;為時(shí)刻，深度為x的溫度;α為熱擴(kuò)散系數(shù)，α=k/ρc，k是導(dǎo)熱率，是密度，c是比熱容。當(dāng)x=0，即物體表面溫度為：（9）

當(dāng)物體接受的是變輻射熱流時(shí)：（10）

因?yàn)?，?dāng)，，此時(shí)因?yàn)闀r(shí)間間隔很短，為了簡化計(jì)算，則將，，。則計(jì)算變輻射熱流下物體表面溫度的公式為：（11）

（2）基于集總熱容法的薄壁物體溫度計(jì)算。對(duì)于厚度較小的物體如樹葉、草葉等，在熱流作用下，其內(nèi)部溫度近似均勻一致，可以使用集總熱容法來計(jì)算物體的溫度。

對(duì)于薄壁物體，應(yīng)用瞬態(tài)能量守恒方程：（12）

式中，V是薄壁物體的體積;A是薄壁物體的接受熱流面的面積，V=Ad，d為厚度。

則變輻射熱流作用下薄壁物體表面溫度可以表示為：（13）

3 結(jié)論

通過分析高速公路車輛發(fā)生火災(zāi)爆炸事故的成因及特點(diǎn)，針對(duì)火災(zāi)產(chǎn)生的熱輻射對(duì)周圍環(huán)境和人員的傷害范圍及程度進(jìn)行預(yù)測(cè)。利用熱輻射計(jì)量法預(yù)測(cè)人員受到的熱輻射導(dǎo)致的皮膚燒傷等級(jí)，通過半無限大固體假定的物體溫度計(jì)算方法和集總熱容法預(yù)測(cè)熱輻射作用下物體的溫度，提出了高速公路車輛火災(zāi)事故熱傷害預(yù)測(cè)范圍，有利于對(duì)事故的損失程度進(jìn)行預(yù)測(cè)，為事故應(yīng)急救援提供理論技術(shù)支持。由此可見，只有不斷優(yōu)化事故預(yù)防措施，提高事故分析能力，才能為高速公路火災(zāi)事故的預(yù)防提供更好的保障。

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