城市綜合管廊電纜火災數(shù)值模擬及影響因素分析*

王明年,田 源,于 麗,閆自海,金 威

(1. 西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031；2. 西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；3. 中國電建集團華東勘察設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引言

綜合管廊在改善城市環(huán)境、有效利用地下空間等方面具有顯著作用，現(xiàn)已被越來越多的城市所規(guī)劃建設，但由于綜合管廊建設于城市地下，結構狹長且封閉，一旦發(fā)生火災，火勢蔓延較快，極易造成嚴重后果[1]。因此，綜合管廊的火災發(fā)展規(guī)律及其防治技術成為目前消防安全工作的重點研究對象，其中電纜艙室內(nèi)發(fā)生火災的概率與危險性較高[2]，故國內(nèi)外學者通過實驗和數(shù)值模擬等方式對電纜火災進行研究，Zavaleta等[3]通過室內(nèi)實驗研究了密閉和通風條件對阻燃電纜火災的影響，研究表明密閉條件會導致火災增長速率、熱釋放率峰值降低；Matala等[4]利用FDS模擬了電纜隧道在有無水噴霧系統(tǒng)2種工況下的火災場景，并得出了電纜火災的蔓延特性；李文婷[5]通過實驗得出電纜材料的熱釋放速率和質量損失速率等參數(shù)，并利用FDS建立模型分析了綜合管廊電纜火災下煙氣蔓延和熱量傳遞過程；趙永昌等[6]通過建立縮尺綜合管廊模型對電纜艙室進行油池火火災實驗，得到在不同火源功率下煙氣溫度呈冪指數(shù)衰減等成果；王方舜[7]通過CFD對綜合管廊內(nèi)電纜火災發(fā)展過程進行數(shù)值模擬，得到不同防火分區(qū)間距下火災的熱釋放速率、溫度分布及煙氣擴散等情況；郝冠宇[8]利用FDS建立管廊火災模型進行分析，得到了電纜火災期間的火勢發(fā)展、煙氣擴散和溫度變化等規(guī)律，且建議采用一進一排不設誘導風機的通風排煙方式；楊永斌[9]通過FDS建立綜合管廊電力艙火災模型，研究了點火源位于不同水平和垂直位置情況下艙室內(nèi)部火災蔓延及溫度變化規(guī)律。

綜上所述，目前針對綜合管廊電纜火災的相關研究主要集中于火災各特征參數(shù)發(fā)展規(guī)律、防治措施技術等內(nèi)容，未考慮艙室截面尺寸等結構參數(shù)對電纜火災發(fā)展過程的影響。基于此，本文建立簡化電纜模型，采用三維火災動力學模擬軟件FDS對綜合管廊內(nèi)電纜火災進行進一步研究，確定了依托工程電纜火災發(fā)生時的熱釋放速率變化規(guī)律及其煙氣溫度分布特征，重點研究了艙室凈高和凈寬等結構基本參數(shù)對電纜火災發(fā)展過程的影響，為綜合管廊電纜艙室的火災防治和結構設計提供基礎依據(jù)。

1 工程概況

義烏市商城大道城市地下綜合管廊西起國貿(mào)大道，東與望道變已建電力管廊接順，全長4.4 km。綜合管廊采用兩艙形式，如圖1所示，其中高壓電力艙室入廊管線為6回220 kV+6回110 kV電纜，水信電綜合艙室入廊管線為36孔10 kV+10孔通訊管+DN 1 000 mm給水管，燃氣管線不納入管廊。110～220 kV電纜橋架層間距為500 mm，10 kV電纜橋架層間距為300 mm，通信線纜的橋架層間距為250 mm，且10 kV電纜及通信支架寬度為600 mm，110～220 kV電纜支架寬度為700 mm。此外，高壓電力艙左右橋架間為檢修通道，寬度為1.2 m，最上層電纜距艙室頂板距離為600 mm，且管廊各艙室防火分隔間距為200 m，均采用自然進風、機械排風方式并設置高壓細水霧自動滅火系統(tǒng)。發(fā)生火災時，聯(lián)動關閉發(fā)生火災的防火分區(qū)及相鄰分區(qū)的通風設備及常開式防火門，并啟動自動滅火系統(tǒng)。

圖1 商城大道城市綜合管廊示意(單位：mm)Fig.1 Shangcheng Avenue urban utility tunnel(unit：mm)

2 綜合管廊電纜火災數(shù)值模擬

2.1 FDS原理

本文采用三維火災動態(tài)模擬軟件FDS對綜合管廊電纜火災進行研究，其基于火源驅動流體的CFD模型能夠有效描述低馬赫數(shù)氣體流動問題，可以很好地解決火場中的溫度、熱釋放速率、能見度以及燃燒產(chǎn)物濃度等隨火災發(fā)展的變化問題。

FDS的基本思想是根據(jù)質量(組分)守恒、動量守恒和能量守恒定律建立相應的基本方程，其方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

在FDS火災模擬過程中，網(wǎng)格尺寸的大小決定著模擬結果的精確程度，網(wǎng)格數(shù)量越多，計算越精確，但會增加計算求解時間。因此，一般通過火源特征直徑D*來確定網(wǎng)格尺寸的大小，研究表明，當網(wǎng)格尺寸取為火源特征直徑的1/10時，模擬結果較為精確[10]?；鹪刺卣髦睆接嬎愎饺缦拢?/p>

(5)

式中：Q為火災熱釋放速率，kW；ρ∞為空氣密度，kg/m3，c∞為空氣比熱容，kJ/(kg·K)；T∞為環(huán)境溫度，K；g∞為重力加速度，m/s2。

2.2 電纜模型簡化

電纜的結構較為復雜，主要由護套層、絕緣層和金屬導體等組成，由于其自身短路、過載或接觸不良等可能導致電纜局部急劇升溫，引起電纜可燃材料熱解，進而發(fā)生火災，一般護套層和絕緣層在電纜燃燒過程中對熱釋放的貢獻最大，約占90%以上[11]?？紤]艙室內(nèi)電纜由金屬橋架支撐，且電纜內(nèi)部導體也為金屬，不易燃燒，故其對點火源所引起的電纜火災影響極小。因此，為簡化分析過程，僅考慮電纜護套絕緣層材料發(fā)生燃燒，在FDS火災模擬中將其簡化為等厚度薄板進行研究，如圖2所示。由于聚氯乙烯材料的經(jīng)濟性和阻燃性，使得其在電纜中被廣泛使用，其燃燒性能參數(shù)如表1所示。

圖2 電纜模型簡化Fig.2 Simplified cable model

表1 聚氯乙烯燃燒性能參數(shù)Table 1 Combustion performance parameters of PVC

2.3 電纜火災模型建立

由于依托工程中高壓電力艙空間較綜合艙小，內(nèi)部高壓電纜數(shù)量較多且敷設密集，在正常運營過程中發(fā)熱量較大。同時，高壓電力艙與綜合艙之間由混凝土墻相互分隔，均有獨立的通風排煙系統(tǒng)，因此僅考慮高壓電力艙發(fā)生火災時進行研究。為探明艙室內(nèi)電纜火災的發(fā)展過程及溫度分布規(guī)律，將點火源設置在高壓電力艙室底部電纜中間位置處，進行最不利情況下FDS火災模擬分析。

高壓電力艙全尺寸模型尺寸為200 m×3.35 m×4.8 m(長×寬×高)，其中電纜沿艙室縱向均勻布置在兩側，點火源設置于艙室一側底部中心位置，為超快速t2火，其熱釋放速率為2 MW/m2，火源面積為0.2 m2，不計艙室內(nèi)風速的影響，模擬計算電纜火災熱釋放速率及其煙氣溫度場變化規(guī)律。綜合考慮網(wǎng)格精度與計算時間成本，經(jīng)式(5)計算將模型網(wǎng)格尺寸統(tǒng)一劃分為0.2 m×0.2 m×0.1 m，火災模擬時間為3 600 s。高壓電力艙電纜火災計算模型如圖3所示。

圖3 電纜火災計算模型Fig.3 Calculation model of cable fire

2.4 模擬結果及分析

2.4.1 電纜火災發(fā)展過程分析

FDS火災模擬較為全面地反映了電纜火災的發(fā)展過程，如圖4所示，也可得出電纜艙室著火分區(qū)內(nèi)熱釋放速率隨時間的變化規(guī)律，如圖5所示。一個防火分區(qū)內(nèi)的電纜火災發(fā)展通常經(jīng)歷4個階段，即初起階段、發(fā)展階段、充分燃燒階段和衰減熄滅階段。t=10 s時，艙室點火源附近電纜的護套絕緣層材料逐漸受熱并發(fā)生高溫熱解，進入陰燃階段；t=1 000 s時，底部電纜被引燃，火勢逐漸增大并開始向火源兩側電纜蔓延，火災熱釋放速率逐漸增大；t=2 100 s時，隨著電纜持續(xù)燃燒，釋放大量熱量，點火源同側電纜從下至上逐漸被引燃，熱釋放速率持續(xù)上升；t=2 400 s時，由于電纜火災的火勢進一步擴大，另一側電纜達到燃點后發(fā)生燃燒，使得艙室內(nèi)火勢達到最大，進入充分燃燒階段，熱釋放速率呈現(xiàn)波動狀態(tài)，最大熱釋放速率峰值達11.2 MW，由于密閉電纜艙室內(nèi)氧氣含量有限，電纜不能持續(xù)進行大規(guī)模燃燒，故火災持續(xù)一段時間后火勢逐漸衰減，熱釋放速率也隨之下降，屬通風控制型火災。從圖4中可以看出，在火災充分燃燒階段，頂部電纜火災蔓延范圍遠大于其他部位電纜，考慮是由于頂部電纜在受到其下部電纜火勢的影響之外，還受到艙室頂部高溫煙氣的對流和輻射影響的結果。

圖4 電纜火災發(fā)展過程示意Fig4. Development process of cable fire

圖5 電纜火災熱釋放速率-時間曲線Fig.5 Heat release rate-time curve of cable fire

2.4.2 電纜火災煙氣溫度分布規(guī)律分析

通過FDS火災模擬分析得到電纜艙室著火分區(qū)內(nèi)煙氣溫度分布規(guī)律，如圖6～ 8所示。t=10 s時，點火源附近電纜護套絕緣層表面逐漸受熱發(fā)生高溫熱解，艙室內(nèi)溫度開始發(fā)生變化；t=1 000 s時，底部電纜被引燃，火勢逐漸向兩側蔓延，并形成了溫度較高、不斷上升的火羽流；t=2 100 s時，點火源同側電纜均先后發(fā)生燃燒，艙室內(nèi)溫度不斷升高，同時由于頂棚射流，高溫煙氣在艙室頂部積聚并沿艙室縱向蔓延，另一側上層電纜也開始燃燒；t=2 400 s時，電纜火災進入充分燃燒階段，艙室內(nèi)火勢達到最大，火災最高溫度可達970℃。此外，通過FDS火災模擬可知，在3 600 s火災模擬時間內(nèi)，著火分區(qū)內(nèi)電纜燃燒范圍較小，火災蔓延長度約為25 m，遠小于1個防火分區(qū)長度。

圖6 火災下艙室橫斷面(x=100 m)溫度分布云圖Fig.6 Temperature distribution of the cabin cross section under fire(x=100 m)

圖7 火災下艙室縱斷面(y=1.7 m)溫度分布云圖Fig.7 Temperature distribution of the cabin longitudinal section under fire(y=1.7 m)

圖8 火災下艙室頂部(z=4.2m)溫度分布云圖Fig.8 Temperature distribution at the top of the 9cabin under fire(z=4.2m)

3 綜合管廊電纜火災影響因素分析

依據(jù)《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》(GB 50838-2015)和《電力工程電纜設計規(guī)范》(GB 50217-2007)等相關規(guī)范對綜合管廊電力艙室設計參數(shù)的基本規(guī)定[12-13]，綜合管廊內(nèi)部凈高不宜小于2.4 m，且當其兩側布置管線時，中間通道凈寬不宜小于1.0 m，故選擇較為合理的艙室截面尺寸參數(shù)對綜合管廊電纜火災的發(fā)展過程進行模擬分析，為綜合管廊火災防治和結構設計提供參考。在電纜層豎向間距、簡化電纜模型寬度及最下層電纜距艙室底部距離一定的情況下，艙室凈高H主要表征為艙室內(nèi)最上層電纜距其頂板的凈距h，艙室凈寬W則主要表征為艙室內(nèi)通道凈寬w，因此，考慮艙室不同截面尺寸共設計6種工況，采用FDS進行火災模擬研究，如表2所示。

表2 設計工況Table 2 Simulation working conditions mm

3.1 電纜艙室凈高

圖9所示為艙室凈高H對綜合管廊電纜火災的發(fā)展速率和熱釋放速率的影響規(guī)律。隨著艙室凈高H的增大，其最上層電纜距頂板的凈距h隨之增大，電纜火災的發(fā)展速率和熱釋放速率峰值逐漸降低，且影響程度逐漸減小。最上層距頂板凈距h為400，600，800，1 000 mm時分別對應的電纜火災熱釋放速率峰值為12.5，11.2，10.8，10.6 MW?？紤]在電纜火災過程中，由于火羽流和頂棚射流作用，艙室頂部積聚大量高溫煙氣，艙室高度越小，高溫煙氣對頂部電纜層的輻射和對流強度越大，有助于電纜火災的進一步發(fā)展，表現(xiàn)為火災發(fā)展速率和熱釋放速率峰值的增大。

圖9 艙室凈高對電纜火災的影響Fig.9 The influence of cabin height on cable fire

因此，艙室凈高是影響電纜火災的發(fā)展速率及熱釋放速率峰值的重要影響參數(shù)，綜合考慮電纜火災的危險性和隧道結構的合理性，建議電纜布置時最上層電纜距艙室頂板凈距取為600 mm。

3.2 電纜艙室凈寬

圖10 艙室凈寬對電纜火災的影響Fig.10 The influence of cabin width on cable fire

圖10為艙室內(nèi)通道寬度w對電纜火災的影響規(guī)律?？梢?，通道寬度對電纜火災的發(fā)展速率和熱釋放速率影響較小。考慮當通道寬度為1 000 mm時，點火源一側的電纜發(fā)生燃燒后，由于通道寬度較小，另一側電纜所受火源輻射熱通量較大，使得艙室另一側電纜隨即被引燃，兩側電纜同時燃燒，導致火災熱釋放速率急劇增大，最大熱釋放速率達到14.6 MW。而通道寬度為1 400 mm時電纜火災的發(fā)展過程與通道寬度為1 200 mm時相似，均為點火源一側的電纜從下至上發(fā)生燃燒，隨后引燃另一側電纜，而通道寬度為1 400 mm時電纜火災發(fā)展速率和熱釋放速率峰值相對較大是由于其艙室橫截面積較大導致燃燒時氧氣相對較為充足。

因此，通道寬度w較大時(w>1 200 mm)對電纜火災的發(fā)展速率和熱釋放速率影響不大，綜合考慮電纜火災的危險性和隧道結構的合理性，建議電纜艙室通道寬度取為1 200 mm。

4 結論

1)綜合管廊電纜艙室發(fā)生火災時，點火源同側電纜和另一側電纜先后發(fā)生燃燒，釋放大量熱量，火場溫度較高，最大火災熱釋放速率達11.2 MW。

2)綜合管廊電纜艙室發(fā)生火災時，著火分區(qū)內(nèi)電纜燃燒范圍相對較小，火災蔓延長度約為25 m，屬于通風控制型火災，建議采用密閉自熄輔以自動滅火系統(tǒng)的消防措施。

3)艙室凈高是影響電纜火災的發(fā)展速率及熱釋放速率峰值的重要影響參數(shù)，而通道寬度對電纜火災的影響較小，綜合考慮電纜火災的危險性和隧道結構的合理性，建議電纜艙室通道寬度取為1 200 mm，最上層電纜距其頂板凈距取為600 mm。