地形對連續隧道洞口間污染物竄流的影響

唐 莎 韓曉陽 曾仕豪 袁中原 雷 波

（1.中交公路規劃設計院有限公司 北京 100120；2.西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

0 引言

隨著我國經濟的高速發展，公路進入一個快速發展的階段，隧道建設規模也不斷擴大，公路隧道的建設成為需要重點攻關的工程建設項目[1]。公路隧道通風經過長時間發展，已經有橫向式、半橫向式、縱向式以及組合式等多種系統[2]，縱向式對整個火災區域的煙霧控制能力較好，并且建設成本低、控制方便[3]，所以目前大部分隧道采用的通風系統均為縱向式[4]。

公路路段上會出現兩座或兩座以上縱向間隔距離較短的隧道，被稱作連續毗鄰隧道[5]，下文簡稱連續隧道。由于洞口間距較小，上下游軸線保持一致，在縱向通風作用下從上游隧道排出的污染空氣未完全稀釋又被吸入下游隧道，這種現象被稱作污染物竄流。竄流現象造成二次污染，降低隧道通風效率，增大運營成本[6]。被吸入下游的污染物占上游排出污染物的比例稱作竄流比，有學者針對連續隧道進行數值計算，分析竄流比隨上下游隧道風速及隧道間距的變化特性，并擬合出竄流比計算式[7]。彭建康[8]等人研究發現自然風向以及風速對竄流現象的影響很大，且在大部分風向下竄流現象會受到減弱。韓星[9]等人利用模型試驗驗證了數值計算的可信性，并發現錯開隧道洞口可有效減小竄流比。還有學者提出修筑明洞設置天窗以及修筑通風橫洞的方法來減小竄流比[10]。

在利用數值計算研究隧道洞口污染物竄流現象中，大部分學者都忽略了地形的影響，取路面之上的矩形空間作為計算域，洞口處山坡簡化為垂直平面。而實際上很多隧道建設在山腰高度，道橋橫跨山谷連接洞口，且山坡都具有一定坡角，這些都會對竄流現象產生一定影響。有學者[11]依據實際地形建立計算模型，但并未研究地形對污染物竄流造成的影響。

現實中的地形非常復雜，為了分析地形對連續隧道洞口間污染物竄流的影響，本文將地形分為山谷以及山坡兩個因素并作一定簡化，參考某連續隧道建立模型，采用STAR CCM+軟件進行數值模擬。

1 數值計算模型

1.1 含有山谷的模型

本文將隧道做一定簡化，隧道斷面矩形和半圓組成，如圖1所示，矩形尺寸為12m×1.4m，半圓的半徑為6m。

圖1 隧道截面Fig.1 Tunnel section

建模時將山谷簡化為洞口下的矩形空間，設置洞口縱向間距150m，隧道長度120m，計算域取洞口兩側和上方60m，以及洞口下方山谷部分，設置山谷深10m，橋厚0.5m，建立的三維模型如圖2所示。

圖2 含有10m 深山谷的連續隧道模型Fig.2 Model of continuous tunnels with 10m deep valleys

1.2 含有山坡的模型

大部分隧道洞口面積相對于山體表面是很小的，在洞口附近將山坡簡化為平壁不會引起很大誤差，但是山坡具有一定坡角，簡單的將其考慮為垂直面可能引起一定誤差。本研究設置90°、75°、60°、45°和30°這5 種角度研究山坡角度對污染物竄流的影響?？v向間距100m 且60°坡角山坡的連續隧道模型垂直于隧道方向視圖如圖3所示。

圖3 含有60°坡角山坡的連續隧道模型Fig.3 Model of continuous tunnels with 60°slopes angle hillside

許多隧道進出口的邊、仰坡高陡，存在落石危害，此時可采用接長明洞的方式進行預防[12]。設置明洞的隧道洞口模型如圖4所示。圖中顯示，設置明洞時，隧道洞口形狀與山坡為90°的情形類似。

圖4 含有特殊結構的隧道洞口模型Fig.4 Model of tunnel opening with special structure

1.3 基本假設

隧道中氣流運動十分復雜，為解決主要問題，本文在進行隧道通風模擬時做如下假設：

（1）流體是不可壓縮的，風流類型屬于穩定流，流體按連續介質處理[7]。

（2）采用CO 的濃度分布來代表污染物的擴散分布[13]。隧道上游處流入氣體中CO 濃度設置為100ppm[14]，計算域內除此以外無任何污染源。

（3）計算域內無熱源，不考慮溫度的影響，不考慮自然風的影響。

2 計算結果分析

2.1 山谷對污染物竄流的影響

根據文獻[7]對竄流比λ的定義式，并考慮到上下游隧道斷面面積一樣，可以推得：

式中，c和v分別表示污染物CO 濃度以及隧道風速，下標分別表示上游或下游隧道。

設置上下游隧道風速均為5m/s，改變縱向間距，計算得到各工況中竄流比，如圖5所示。在縱向間距較小時，山谷對竄流影響不大；而間距達到250m，存在山谷時竄流比相對減少了13.30%，山谷對竄流有比較明顯的影響。

圖5 不同縱向間距下竄流比計算結果Fig.5 Results of crossflow ratio in different longitudinal spacings

選取縱向間距200m 的模型，截取兩個工況中兩洞口中間處CO 濃度云圖如圖6所示。在氣流上部及中心，濃度分布兩個工況差異不大，而存在山谷時原本靠近地面的污染氣體則有部分向山谷擴散。說明存在山谷時污染氣體有更大的擴散空間，但由于橋面的阻隔，只有氣體擴散范圍超過橋面后才能向山谷擴散，所以在間距較小的模型中是否存在山谷對計算結果影響不大。

圖6 CO 濃度云圖Fig.6 CO concentration contours

不考慮自然風和溫差影響，污染物竄流比與上下游隧道的風速比值相關[10]，設置山谷深度10m，縱向間距為200m，改變上下游隧道風速比，計算得到各工況中竄流比，如圖7所示。在不同隧道風速比下，存在山谷時竄流比都會減少，但減少比例變化不大。

圖7 不同隧道風速比下竄流比計算結果Fig.7 Results of crossflow ratio in different tunnel wind speed ratio

設置上下游隧道風速均為5m/s，縱向間距為200m，改變山谷深度，計算得到各工況中竄流比如圖8所示。圖中顯示，竄流比隨山谷深度增加而減小，但是變化幅度很小，因為污染氣體只有小部分向山谷擴散，山谷空間的限制對竄流情況影響不大。實際上山谷普遍較深，一般不用考慮山谷深度對污染氣體擴散的限制。

圖8 不同山谷深度下竄流比計算結果Fig.8 Results of crossflow ratio in different valley depths

2.2 山坡對污染物竄流的影響

建立上、下游隧道洞口存在坡角為30°的山坡模型，并在對應洞口構建如圖4的明洞結構，上下游隧道洞口縱向間距為50m，改變上下游隧道風速比，將竄流比的計算結果與垂直山壁的結果相對，如圖9所示。圖9顯示，在相同隧道風速比的條件下，當隧道洞口設置明洞時，山坡對竄流基本沒有影響。

圖9 不同隧道風速比下竄流比計算結果Fig.9 Results of crossflow ratio in different tunnel wind speed ratios

選取上下游風速比均為1 的三個工況，截取CO 濃度云圖如圖10 所示。

圖10 CO 濃度云圖Fig.10 CO concentration contours

根據流體力學理論并結合CO 濃度云圖分析，污染氣體從上游洞口高速噴出后的運動狀況，主要受洞口幾何因素影響，設置明洞結構時，上游山坡并不會影響洞口幾何因素，所以也不會對竄流造成影響。雖然下游洞口吸入氣體會受周圍幾何因素影響，但是其吸入洞口周圍氣體較少，影響較小，所以設置明洞的下游山坡對竄流影響也很小。

構建不含明洞的隧道模型，設置各工況上下游隧道風速均為5m/s，并改變山坡坡角，設置縱向間距為50m（此處以洞口底部間距計算）。顯然，隧道由于山坡的存在，上下游隧道洞口頂部的間距大于底部的間距，因此，為了更好與垂直山壁情況進行比較，本文采用山坡情況下隧道洞口的頂部間距和底部間距，分別建立了垂直山壁的計算模型。竄流比的比較結果如圖11 所示。圖中顯示，存在山坡時的竄流比，高于頂部間距垂直山壁模型的竄流比，但低于底部間距垂直山壁模型的竄流比。因此，對于沒有設置明洞的隧道，山坡對竄流造成的影響可近似考慮為改變縱向間距造成的影響。

圖11 不同山坡坡角下竄流比計算結果Fig.11 Results of crossflow ratio in different t different slope angles

3 結論

本文采用CFD 數值模擬方法研究了山谷和山坡等地形因素，對縱向隧道洞口污染物竄流的影響，得到如下結論：

（1）山谷的存在有利于污染氣體擴散，使竄流比減少，其減少比例與縱向間距有關，間距越大，減少比例越大。山谷深度增加，竄流比隨之減小，但變化幅度很小。存在山谷時，在不同上下游隧道風速下，竄流比減少比例基本一致。

（2）當洞口周圍存在山坡且設置明洞結構時，上下游山坡均不影響洞口大小形狀，對竄流無明顯影響。

（3）洞口周圍存在山坡且不設置明洞結構時，洞口形狀會造成縱向間距的不一致，此時山坡對污染物竄流造成的影響可以近似考慮為縱向間距變化造成的影響。