楊石剛，蔡炯煒,2，楊 亞，孫文盛，門敬敏

（1.陸軍工程大學爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室，江蘇 南京 210007；2.73021 部隊，浙江 杭州 310012）

近年來，隨著產(chǎn)業(yè)升級的不斷深入，我國對天然氣的需求量在穩(wěn)步提高，天然氣在我國能源系統(tǒng)中的主體地位也得到了穩(wěn)固。然而天然氣作為一種可燃氣體，無論是工業(yè)生產(chǎn)還是日常使用極易發(fā)生泄漏，當遇到合適的點火源時，會發(fā)生嚴重的爆炸事故。如2021 年6 月，湖北十堰的一條煤氣管道被腐蝕，導致煤氣泄漏發(fā)生爆炸，事故造成了25 人死亡，138 人受傷。2020 年6 月，浙江溫嶺的一輛油罐車閥門遭到嚴重的側撞，導致可燃氣體泄漏發(fā)生爆炸，事故造成了20 人死亡，172 人受傷。而當泄漏的可燃氣體進入到城市地下淺埋管溝中積聚爆炸時，會造成更嚴重的災害后果，如2013 年11 月山東青島的排水暗渠可燃氣體爆炸，2014 年7 月臺灣高雄的地下管溝可燃氣體爆炸。由于爆炸事故會造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損傷，也會給社會帶來極其惡劣的影響，因此對城市地下淺埋管溝可燃氣體爆炸災害后果進行分析和評估具有重要意義。

目前，對于爆炸災害的后果評估，運用最多的是超壓準則，超壓準則認為超壓值的大小是評估人員和建筑物是否受到傷害和破壞的唯一評判標準，當沖擊波超壓超過某一閾值時，會對目標造成一定的傷害[1-4]。而在某些情況下，超壓峰值往往并不是很大，但是由于超壓作用時間較長，也會造成較嚴重的影響，目前美國國防部在統(tǒng)一設施標準[5]中根據(jù)沖量準則給出了人員的傷害標準。超壓-沖量準則綜合考慮了目標性質(zhì)、破壞等級、沖擊波超壓和沖量這4 個參數(shù)作為參考值，認為對目標的災害效應評估應該綜合考慮超壓和沖量，只有當兩者的組合達到某一臨界值時才會對目標造成相應的傷害，不少學者也得到了一些研究成果[6-11]。此外，李峰[12]結合了超壓準則和超壓-沖量準則，首次提出了人體傷害當量的概念，用于預測地下交通爆炸對人員的傷害，并針對隧道內(nèi)發(fā)生爆炸的場景給出了人員傷亡的分布區(qū)域。也有一些學者[13-15]利用概率方程，即根據(jù)不同的傷害類型，利用超壓和沖量的組合得到傷害百分比，實現(xiàn)了對沖擊波災害效應的定量評估，以此可以確定沖擊波對目標的傷害等級及危險距離。另外，Assael 等[2]列出了人員的鼓膜破裂、肺出血、頭部及全身撞擊死亡的概率方程，Aloson 等[16]則將概率方程應用到特征曲線中。目前，關于城市地下淺埋管溝可燃氣體爆炸的災害后果評估尚未見有公開報道，現(xiàn)有的災害后果評估研究成果主要是借鑒固體炸藥爆炸事故，對城市地下淺埋管溝可燃氣體爆炸的適用性不強，功能性也不完善，需要進行更具體和深入地研究。

本文中，利用計算流體動力學軟件FLACS，對城市地下淺埋管溝可燃氣體爆炸荷載進行數(shù)值模擬，選用超壓準則評估傳播到地面的爆炸沖擊波對建筑物破壞和人員傷害的危險距離，并對影響荷載分布和危險距離的因素進行分析，以期為建筑物的安全設計以及爆炸事故的災害預防提供一定參考。

1 管溝可燃氣體爆炸荷載數(shù)值模擬

1.1 模擬工況設置

管溝的數(shù)值模型如圖1 所示，其中L 為泄爆口之間的距離，l 為氣云的長度，D 為正方形泄爆口的邊長。分別考慮點火點位置、泄爆口大小、氣云長度和管溝橫截面面積這4 個因素的影響，工況記錄如表1 所示。工況1～4 分別表示點火點位于管溝內(nèi)部(4/8)L、(5/8)L、(6/8)L、(7/8)L 處，用以研究點火位置對危險距離的影響。在實際管溝中，雨水井是日常檢修預留的孔口，將工況1、5 和6 的泄爆口邊長D 分別設置為 1.0、0.8 和0.6 m，研究泄爆口大小對危險距離的影響。氣體爆炸的強度與氣體量的大小緊密相關，工況1、7～10 分別表示氣云長度l 為90、60、40、20 和10 m 的可燃氣體爆炸，研究氣云長度對危險距離的影響。參照相關規(guī)范[17]，將工況1、11 和12 分別表示管溝橫截面面積為1、2 和3 m2的可燃氣體爆炸，研究管溝橫截面面積對危險距離的影響。

圖1 管溝的數(shù)值模型Fig.1 The numerical model established for a pipe trench

表1 管溝可燃氣體爆炸數(shù)值模擬工況Table1 Numerical simulation conditions on combustible gas explosion in a pipe trench

1.2 影響因素分析

由已有研究結果可知，管溝內(nèi)可燃氣體爆炸沖擊波通過泄爆口傳播到地面的過程可分為穩(wěn)定段、超壓峰值Δp1段、超壓峰值Δp2段[18]。由于超壓峰值Δp1較小，對地面的影響較有限，而超壓峰值Δp2大、危險性高，因此本節(jié)僅選取超壓峰值Δp2作為研究內(nèi)容，在空氣域中沿X、Y、Z 方向上布置的測點作為研究對象，用于記錄超壓峰值Δp2的變化，分析其影響因素。

1.2.1 點火位置的影響

圖2(a)和(b)分別為在不同的點火位置點火時，在X 和Y 方向上的超壓峰值分布，其中紅色虛線表示泄爆口所在位置。可以發(fā)現(xiàn)，當點火點位于(4/8)L 處時超壓峰值最大，而當點火點位于(7/8)L 處時超壓峰值最?。辉谛贡趦蓚妊豗 方向上超壓峰值大致呈對稱衰減的趨勢，但是在泄爆口兩側X 方向上超壓峰值呈不對稱衰減的特征。

圖2 不同點火位置時的超壓峰值分布Fig.2 Peak overpressure distribution at different ignition positions

在Z 方向上，超壓峰值隨高度的上升而逐漸減?。ㄒ妶D2(c)）。當Z＜5 m 時，工況1 中超壓峰值最大；當Z＞5 m 時，工況2 中超壓峰值最大，這是由于空氣流場的帶動在泄爆口上方有大量的殘余燃料，當火焰鋒面?zhèn)鞑サ叫贡谏戏綍r，殘余燃料與火焰波陣面接觸后會繼續(xù)燃燒，此時部分火焰已傳遞到泄爆口上方約5 m 處，導致此處的超壓峰值衰減較慢。而工況1 中，燃料受空氣流場的影響，被大量排到泄爆口上方區(qū)域，而此時火焰波陣面僅傳播到管溝內(nèi)部，因此泄爆口上方的殘余燃料并沒有參與燃燒而是僅被氣流推動到空氣域中，在泄爆口上方測點的超壓峰值呈現(xiàn)快速衰減的趨勢。因此在Z=5 m 的分界點處，工況2 的超壓峰值出現(xiàn)反超的情況。而工況4 中，在Z 方向上超壓峰值始終最小，可能的原因是：當處于該點火位置時，燃料參與燃燒反應的量較小，導致火焰波傳播到泄爆口處的能量也較低，超壓峰值偏小。

1.2.2 泄爆口大小的影響

圖3 為在不同的泄爆口面積下，測點的超壓峰值分布情況。在X 負方向上，各工況之間的超壓峰值相差較小，不超過10%；而在X 正方向上，當D=0.8 m 時，測點的超壓峰值最大。在Y 方向上，當D=0.8 m 時，泄爆口處的超壓峰值達到7.8 kPa，分別比D=0.6 m 和D=1.0 m 時的大12.2%和29.3%。這是由于X、Y 方向的超壓峰值主要受內(nèi)部爆炸荷載大小、爆炸波從泄爆口傳出角度2 個因素的影響。隨著泄爆口尺寸的增大，在泄爆作用下，一方面內(nèi)部爆炸荷載隨之減小，兩者呈負反饋機制，另一方面爆炸波傳播方向更偏向地面，對于X、Y 方向的超壓是正反饋機制。所以在兩者的共同作用下，X、Y 方向的超壓峰值與泄爆口大小之間并不呈規(guī)律性變化。而在Z 方向上，D=0.6 m 時的超壓峰值最大，這是由于在Z 方向的超壓峰值主要受內(nèi)部爆炸荷載的影響，隨著泄爆口尺寸的減小，對應的超壓峰值增大，同時受泄爆口的約束作用，其向空氣域傳播的方向也更偏向于沿Z 方向傳播。

圖3 不同泄爆口面積時的超壓峰值分布Fig.3 Peak overpressure distribution under different vent areas

1.2.3 氣云長度的影響

由圖4 可知，測點的超壓峰值受管溝內(nèi)氣云長度l 的影響。當氣云的長度為90 m 時超壓峰值最大，而氣云長度為10 m 時超壓峰值最小。但同時也發(fā)現(xiàn)當氣云長度為60 和40 m 時，超壓峰值與氣云長度為90 m 時的相差不大。這說明，當氣云達到一定長度后，繼續(xù)增大氣云長度對超壓的影響不大?？赡艿脑蚴?，管溝內(nèi)參與燃燒反應的氣云量有限，未能參與反應的氣云只能通過泄爆口被排放到空氣域中稀釋，而并未參與到燃燒反應中，因此對超壓峰值的影響有限。

圖4 不同氣云長度下的超壓峰值分布Fig.4 Peak overpressure distribution under different gas cloud lengths

1.2.4 截面面積的影響

由圖5 可知，當管溝橫截面面積S 增大2 倍時，X、Y、Z 方向上的最大超壓峰值分別增大到3.3、4.6 和4.8倍；而當管溝橫截面面積增大3 倍時，X、Y、Z 方向上的最大超壓峰值分別增大到4.8、7.7 和6.9 倍。這是由于當管溝橫截面面積增大時，管溝內(nèi)參與燃燒反應的氣云量也增加，加劇了燃氣爆炸的反應程度，使得測點處的超壓峰值也變大。管溝橫截面面積變化時，Y、Z 方向的超壓峰值變化更為敏感，這是由于沖擊波在管溝內(nèi)沿X 方向有限距離傳播，而傳播到泄爆口后進入到無限空氣域中，管溝橫截面積的影響會相對弱化。

圖5 不同橫截面面積的管溝內(nèi)燃氣爆炸超壓峰值分布Fig.5 Peak distribution of gas explosion overpressure in trenches with different cross-sectional areas

2 管溝可燃氣體爆炸災害效應評估

選用超壓準則，來評估管溝內(nèi)的爆炸沖擊波傳播到地面后對人員傷害和建筑物破壞的危險距離。沖擊波超壓對建筑物的影響可以參照化工安全的行業(yè)標準[19]，如表2 所示。本文中分別以2.07、6.90、34.50 kPa 作為爆炸沖擊波超壓造成建筑物輕度破壞、中度破壞和重度破壞的臨界值。

表2 沖擊波超壓對建筑物的影響[19]Table2 Impact of shock wave overpressure on buildings[19]

根據(jù)爆炸造成人員傷亡的不同概率，可以將爆炸危險源的中心從內(nèi)向外依次可劃分為死亡區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)、安全區(qū)[8]，表3 為沖擊波超壓對人員傷害的區(qū)域劃分[3]。本文中分別以10、45、75 kPa 作為爆炸沖擊波超壓造成人員輕傷、重傷和死亡的臨界值。

表3 沖擊波超壓對人員的影響[3]Table3 Impact of shock wave overpressure on personnel[3]

2.1 沖擊波對建筑物破壞的危險距離

圖6 為當Y=0 時，沿XOZ 面爆炸沖擊波對建筑物破壞區(qū)域的剖面圖，藍色表示輕度破壞區(qū)域，紅色表示中度破壞區(qū)域，綠色表示重度破壞區(qū)域，但由于爆炸沖擊波的能量有限，在地面上并沒有出現(xiàn)重度破壞的區(qū)域。由圖可知，輕度、中度破壞區(qū)域的空間形狀并不規(guī)則，且輕度破壞區(qū)域比中度破壞區(qū)域要大得多。

圖6 可燃氣體爆炸對建筑物破壞區(qū)域的剖面圖Fig.6 Sectional view of the damage area of the building caused by the explosion of combustible gas

為了能定量分析爆炸沖擊波對建筑物造成破壞的最大危險距離，匯總了不同高度處建筑物破壞區(qū)域的二維分布圖（見圖7）并得到最大的危險距離，圖中藍色為輕度破壞區(qū)域，紅色為中度破壞區(qū)域。中度及輕度破壞區(qū)域與高度Z 有關，當Z＞7 m 時，隨著爆炸沖擊波的衰減，并沒有出現(xiàn)中度破壞（見圖7(a)），隨后將其各自的等值線投影到XOY 平面（見圖7(b)）。

圖7 可燃氣體爆炸對建筑物破壞區(qū)域的二維分布圖Fig.7 Two-dimensional distribution of the damage area of the building caused by the explosion of combustible gas

當Z=3 m 時，中度破壞區(qū)域的范圍最大，因此為了得到該最大危險距離，畫出該高度下中度破壞的等壓力傷害線（見圖8)?？梢缘玫降葔毫€上的點離泄爆口的距離互不相等，由于其沿Y 軸對稱分布，因此當Y=0 時，等壓力傷害線與X 軸正方向的交點的距離為3.4 m，為中度破壞的危險距離。由于在確定安全范圍時，需把不確定因素考慮在內(nèi)，因此危險范圍可以擴大為以泄爆口為圓心、半徑為3.4 m 的圓形區(qū)域。同理，當Z=3.5 m 時，輕度破壞區(qū)域的范圍達到最大，該危險距離為7.5 m。

圖8 中度破壞危險范圍Fig.8 Dangerous range of moderate damage

圖9(a)為點火位置與危險距離的關系，橙色部分為輕度破壞區(qū)域，綠色部分為中度破壞區(qū)域，紅色部分為重度破壞區(qū)域，其余部分為安全區(qū)域。由圖可知，對于任一點火位置，輕度破壞的危險距離比中度和重度破壞要大。當點火點位于管溝(4/8)L 處時，中度破壞和輕度破壞的危險距離最大，分別為7.0 和2.8 m。而當點火點位置位于管溝(7/8)L 處時，中度破壞和輕度破壞的危險距離為零。

圖9(b)為管溝泄爆口大小與危險距離的關系。當泄爆口邊長在0.6～1.0 m 的范圍時，中度破壞和輕度破壞的危險距離分別在3～4、5～9 m 的范圍之間，幅度波動不大。其中當泄爆口的邊長為0.8 m 時，中度破壞及輕度破壞的危險距離最大，分別為8.6 和3.9 m；而當泄爆口邊長為0.6 m 時，中度破壞及輕度破壞的危險距離最小，分別為5.2 和3.1 m。

圖9(c)為氣云長度對危險距離的影響。由圖可知，氣云的長度越長，危險距離就越大；但當氣云達到一定的長度后，危險距離基本保持不變。

圖9(d)為管溝截面面積對危險距離的影響。從圖中可得，當管溝的截面面積越大時，輕度破壞和中度破壞的危險距離也越大。當截面面積為2 m2時，建筑物出現(xiàn)了重度破壞，其危險距離為1.5 m，而當管溝截面面積為3 m2時，重度破壞危險距離達到2.4 m。

圖9 不同因素對建筑物破壞危險距離的影響Fig.9 Effects of different factors on the dangerous distance for building damage

2.2 沖擊波對人員傷害的危險距離

匯總不同高度處人員危險距離的二維剖面圖并得到最大危險距離，如圖10 所示，圖中紅色為人員輕傷區(qū)域?？梢缘玫皆诘孛嫔喜]有出現(xiàn)人員的重傷區(qū)和死亡區(qū)。

圖10 人員輕傷區(qū)的二維剖面圖Fig.10 Two-dimensional section view of lightly-injured area

由于在不同高度下的人員輕傷區(qū)具有不同的危險區(qū)域，因此可以得到其所對應的等壓力傷害線，如圖11 所示。當Z=2.9 m 時，危險距離達到最大值3.2 m。

圖11 人員輕傷區(qū)危險距離Fig.11 Dangerous range of minor injury zone

圖12 為點火位置、泄爆口大小、氣云長度和管溝截面面積與人員危險距離的關系，橙色部分為輕傷區(qū)，紅色部分為重傷區(qū)，其余為安全區(qū)。由圖可知，當點火點位置位于管溝(4/8)L 時，人員受輕傷的危險距離最大；而當點火點位置位于管溝(6/8)L 和(7/8)L 處時，危險距離為零。當泄爆口大小變化時，人員輕傷的危險距離基本始終在3 m 左右小幅度波動。而當氣云的長度越長時，人員輕傷的危險距離增加的幅值也越小，直至危險距離達到最大值。而當管溝的截面面積越大時，人員受傷的危險距離也越大。

圖12 不同因素對人員傷害危險距離的影響Fig.12 Effects of different factors on dangerous distance of personal injury

3 結 論

基于FLACS 軟件對城市地下淺埋管溝可燃氣體爆炸荷載進行了數(shù)值模擬，用超壓準則評估了可燃氣體爆炸產(chǎn)生的沖擊波對建筑物破壞和人員傷害的危險距離，并分析了影響因素，具體結論如下。

(1)當點火點位置位于管溝(4/8)L 和(5/8)L 時，超壓峰值和危險距離較大。

(2)當正方形泄爆口邊長為0.6～1.0 m 時，危險距離的波動范圍不大，而對離泄爆口較近處的超壓峰值影響較大。

(3)氣云的長度越長，超壓峰值和危險距離也越大，但當長度達到一定距離后，其增幅受限。

(4)管溝的截面面積越大，超壓峰值和危險距離也越大。

(5)為避免管溝可燃氣體爆炸造成嚴重的后果，高聳的建筑物和聚集的人群應遠離泄爆口。