用于特长公路隧道循环通风系统的上游隧道长度极值方法与流程

本发明属于隧道防灾减灾技术领域，具体涉及一种用于特长公路隧道循环通风系统的上游隧道长度极值方法。

背景技术

公路隧道是半陷或者浅埋的狭长空间，治理隧道内行驶的汽车所产生的烟尘等污染物，一直是业界关注的重要问题。一般采用机械通风的方法，稀释烟尘和co等污染物，污风排至隧道外环境，并且属于直流式系统方案。长距离或者特长距离公路隧道的通风系统，必须配合通风竖井，才能满足隧道内稀释污染物的用风需求。特长公路隧道通风具体涉及竖井开挖位置、通风机、射流风机群和风道等影响因素的优化，是行业内的前沿问题。

目前，将外界新鲜空气引入隧道，稀释车辆排放的污染物，然后将污风排出洞外，这是能耗高的传统隧道通风。采用竖井分段送风，引入外界新鲜空气，稀释特长隧道内的污染物，并确保其浓度在安全值以内，最后，通过分段竖井排出污风；kwags和夏永旭等实践了常用的竖井分段送排风隧道通风系统。对于隧道中行车形成的交通风，方磊和wang等应用模型试验的方法，得出了送风口与隧道行车方向宜取6°，而排风口与隧道行车方向的夹角应不大于30°；继而，方磊等明确指出通风井送排式纵向通风系统一直存在土建费用及运行能耗大的问题。针对通风井工程造价高或者无设置条件的特长隧道，利用上下行线通风负荷不均匀特性，berner等首次提出了双洞互补通风；利用模型实验和数值仿真，张光鹏验证和校核了设计参数，并把双洞互补式通风应用于锦屏隧道中；通过实验实测，王亚琼等深入研究了双洞互补式通风下的隧道内流场，进一步论证了该通风方式的可行性，并且一般情况下双洞互补通风方式适用于4km～7km的公路隧道。但是，特长隧道通风成本高和竖井开挖位置受地质、城市规划制约等问题，依然突出，并且用于特长公路隧道可控循环通风的上游隧道长度极值方法尚未形成。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种能够迅速快捷完成特长公路隧道循环通风系统实施的预评估的用于特长公路隧道循环通风系统的上游隧道长度极值方法。

本发明采用的技术方案是：一种用于特长公路隧道循环通风系统的上游隧道长度极值方法，所述的特长公路隧道循环通风系统包括循环风道、可调附属结构；可调附属结构包括与循环风道连通的排风竖井和送风竖井；所述的循环风道设置在隧道的旁通隧洞，循环风道的两端分别通过引风段和引射段与隧道连通；所述的循环风道内设有除尘器；隧道入口至引风段之间部分为上游隧道，引风段与引射段之间的部分为隧道短道，引射段与隧道出口之间的部分为下游隧道；

包括如下步骤：

1)计算上游风流的烟尘浓度，其计算公式如公式(1)：

式中：δ1为上游风流的烟尘浓度，m^-1；l1为上游隧道的长度，m；qr为从隧道入口引入的外界新风量，m³/s；c为烟尘流量的综合影响因子，m/s；

2)计算隧道短道的并联风流的烟尘浓度：

根据物理学基本原理，并联风流的烟尘浓度是在上游风流烟尘浓度的基础上加上隧道短道内的新增烟尘浓度，则，隧道短道的并联风流的烟尘浓度计算式如公式(2)：

式中：δ2为并联风流的烟尘浓度，m^-1；ls为循环风道的隧道短道的长度，m；e为分风比，无量纲数；

3)计算上游隧道长度极值：

a)设隧道通风设计的烟尘容许浓度为δ，当满足δ1<δ2≤δ时，则满足通风设计的要求，由公式(1)和公式(2)，得到公式(3)：

式中：δ为通风设计的烟尘容许浓度，m^-1；

b)在公式(3)中，当δ2＝δ时，则得到上游隧道长度极计算公式如公式(4)：

式中：l1c为上游隧道长度极值，m；

公式(4)表明：当上游隧道长度等于或者大于上游隧道长度极值时，隧道短道的并联风流烟尘浓度超过容许浓度，隧道短道内的车辆不安全。

上述的一种用于特长公路隧道循环通风系统的上游隧道长度极值方法中，公式(1)和(2)的确定方法如下：

a)公路隧道内烟尘流量的通用计算式如公式(5)：

式中：qvi为隧道烟尘流量，m²/s；qvi为烟尘基准排放量，m²/veh·km；fa(vi)为考虑烟尘的车况系数，无量纲数；fd为车密度系数，无量纲数；fh(vi)为考虑烟尘的海拔高度系数，无量纲；fiv(vi)为考虑烟尘的纵坡-车速系数，无量纲数；nd为柴油车车型类别数，无量纲数；nm为相应车型的交通量，veh/h；fm(vi)为考虑烟尘的柴油车车型系数，无量纲数；l为隧道长度，m；

b)在公式(5)中，当基准排放量不变，以及车况、车密度、坡度、车速、柴油车车型无量纲数不变，且能忽略海拔变化所产生影响的情况下，则，隧道烟尘流量是隧道长度和综合影响因子的函数；其中，综合影响因子的计算公式如公式(6)：

c)具体应用公式(6)，得到上游风流的烟尘浓度计算式如公式(1)：

d)分风比的计算：

分风比按式(7)确定：

式中：e为分风比，无量纲数；q为分流至循环风道引风段的风流风量，m³/s；

根据质量守恒原理，则隧道短道中并联风流的风量的计算公式如公式(8)：

qs＝(1-e)·qr(8)

式中：qs为隧道短道的并联风流风量，m³/s；

e)隧道短道的并联风流的烟尘浓度计算：

隧道短道的并联风流的烟尘来自两部分，其一，上游风流携带过来的烟尘；其二，在隧道短道内行驶的车辆排放而产生的烟尘量；其中，影响隧道短道的并联风流烟尘流量的上游风流携带量按公式(9)确定：

qs1(vi)＝δ1qs(9)

式中：qs1(vi)为来自上游风流的烟尘流量，m²/s；

把公式(8)代入公式(9)，得公式(10)：

qs1(vi)＝δ1(1-e)qr(10)

此外，在隧道短道内行驶的车辆排放而形成的烟尘量计算，如公式(11)：

qs2(vi)＝c·ls(11)

式中：qs2(vi)为隧道短道的并联风流中新增的烟尘流量，m²/s；

根据物理学基本原理，应用公式(8)、(10)和公式(11)，得到隧道短道的并联风流的烟尘浓度计算公式(2)：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明能用于特长公路隧道循环通风系统的上游隧道长度极值的判定，能避免隧道长度、断面尺度等有量纲数参数的繁琐计算，或者通风系统网络解算，或者庞杂费时的计算流体动力学数值仿真，迅速快捷确定出上游隧道长度极值，保证隧道内车辆行驶的安全。

附图说明

图1为本发明所适用的特长公路隧道循环通风系统的结构示意图。

图2为本发明所适用的特长公路隧道循环通风系统的风流图。

图3为分风比对上游隧道长度极值的影响的曲线图(新鲜风流风量300m³/s，因变比数0.1m²/s)。

图4为分风比对上游隧道长度极值的影响的曲线图(新鲜风流风量300m³/s，因变比数0.2m²/s)。

图5为分风比对上游隧道长度极值的影响的曲线图(新鲜风流风量400m³/s，因变比数0.1m²/s)。

图6为分风比对上游隧道长度极值的影响的曲线图(新鲜风流风量400m³/s，因变比数0.2m²/s)。

图中：a.新鲜风流，b.上游风流，c与d之间为循环风流，e下游风流，f并联风流，0.可调附属结构，1.隧道入口，2.上游隧道，3.引风段，4.除尘器入口，5.循环风道，6.除尘器出口，7.引射段，8.下游隧道，9.隧道出口，10.隧道短道，11.除尘器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1和图2所示，特长公路隧道循环通风系统包括包括循环风道5、可调附属结构0；可调附属结构包括与循环风道连通的排风竖井和送风竖井；所述的循环风道5设置在隧道的旁通隧洞，循环风道5平行于隧道，循环风道5的两端分别通过引风段3和引射段7与隧道连通。所述的循环风道5内设有除尘器11。隧道入口1至引风段3之间部分为上游隧道2，引风段3与引射段7之间的部分为隧道短道10，引射段7与隧道出口9之间的部分为下游隧道8。

特长公路隧道循环通风系统使用时，通过隧道入口1引入隧道外环境的新鲜风流a，流经循环风道的上游隧道2，不断掺混和携带烟尘和co等污染物，成为上游风流b。上游风流b中的一部分流入隧道短道10，继续稀释污染物，成为循环风流的并联风流f。另一部分上游风流b经过循环风道引入段3，流入循环风道5，成为循环风流c-d。循环风流c流入除尘器入口4，在除尘器11分离、沉降和捕集的综合作用下，脱除了烟尘等颗粒类污染物，得到了净化处理，流出除尘器出口6，转化为循环风流d。

在引射段7、隧道短道10和下游隧道8之间的共用段，流经引射段7的循环风流d与隧道短道10的并联风流f完成掺混，转变为下游风流e。在下游隧道8，下游风流e继续稀释污染物，并确保下游隧道8内的污染物浓度保持在规定的安全值以内，确保用风需要。

本发明的具体实施步骤如下：

1)公路隧道内烟尘流量的通用计算式如公式(5)：

式中：qvi为隧道烟尘流量，m²/s；qvi为烟尘基准排放量，m²/veh·km；fa(vi)为考虑烟尘的车况系数，无量纲数；fd为车密度系数，无量纲数；fh(vi)为考虑烟尘的海拔高度系数，无量纲；fiv(vi)为考虑烟尘的纵坡-车速系数，无量纲数；nd为柴油车车型类别数，无量纲数；nm为相应车型的交通量，veh/h；fm(vi)为考虑烟尘的柴油车车型系数，无量纲数；l为隧道长度，m；

2)在公式(5)中，当基准排放量不变，以及车况、车密度、坡度、车速、柴油车车型无量纲数不变，且能忽略海拔变化所产生影响的情况下，则，隧道烟尘流量是隧道长度和综合影响因子的函数；其中，综合影响因子的计算公式如公式(6)：

式中：c为烟尘流量的综合影响因子，m/s；

3)具体应用公式(6)，得到上游风流的烟尘浓度计算式如公式(1)：

式中：δ1为上游风流的烟尘浓度，m^-1；l1为上游隧道的长度，m；qr为从隧道入口引入的外界新风量，m³/s；

4)分风比的计算：

分风比按式(7)确定：

式中：e为分风比，无量纲数；q为分流至循环风道引风段的风流风量，m³/s；

根据质量守恒原理，则隧道短道中并联风流的风量的计算公式如公式(8)：

qs＝(1-e)·qr(8)

式中：qs为隧道短道的并联风流风量，m³/s；

5)隧道短道的并联风流的烟尘浓度计算：

隧道短道的并联风流的烟尘来自两部分，其一，上游风流携带过来的烟尘；其二，在隧道短道内行驶的车辆排放而产生的烟尘量；其中，影响隧道短道的并联风流烟尘流量的上游风流携带量按公式(9)确定：

qs1(vi)＝δ1qs(9)

式中：qs1(vi)为来自上游风流的烟尘流量，m²/s；

把公式(8)代入公式(9)，得公式(10)：

qs1(vi)＝δ1(1-e)qr(10)

此外，在隧道短道内行驶的车辆排放而形成的烟尘量计算，如公式(11)：

qs2(vi)＝c·ls(11)

式中：qs2(vi)为隧道短道的并联风流中新增的烟尘流量，m²/s；ls为隧道短道的长度，m；

根据物理学基本原理，应用公式(8)、(10)和公式(11)，得到隧道短道的并联风流的烟尘浓度计算公式(2)：

式中：δ2为并联风流的烟尘浓度，m^-1。

6)上游隧道长度极值计算：

设隧道通风设计的烟尘容许浓度为δ，当满足：

δ1<δ2≤δ(12)

把公式(1)和公式(2)，代入公式(12)，得公式(3)：

当且仅当δ2＝δ时，要满足隧道通风设计烟尘浓度要求，则上游隧道长度有一个极值l1c；把公式(3)中l1替换为l1c，由公式(3)移项得到公式(4)：

式中：l1c为δ2＝δ时的上游隧道长度极值，m；

公式(4)表明：当上游隧道长度等于或者大于上游隧道长度极值时，隧道短道的并联风流烟尘浓度超过容许浓度，行驶在隧道短道内的车辆不安全。

进一步整理公式(4)，得公式(13)：

式中：c＝c/δ为烟尘流量的综合影响因子与设计浓度的因变比数，m²/s；

公式(13)表明，上游隧道长度极值与隧道短道长度、分风比、因变比数成反比，上游隧道长度极值与新鲜风流风量成正比。

下面为确定隧道短道长度、因变比数和新鲜风流风量对上游隧道长度极值的影响程度的实验实例，其具体操作如下：

a)设新鲜风流风量分别为300m³/s和400m³/s；

b)设因变比数分别为0.1m²/s和0.2m²/s；

c)设隧道短道长度分别为50m、70m、90m、110m和130m；

d)把上述数值代入公式(13)计算，所得结果如图3至图6所示。

通过分析具体实施方案，做出如下归纳：①随着分风比的增加，上游隧道长度极值减小；随着新鲜风流风量增加，上游隧道长度极值增加；随着隧道短道长度增加，上游隧道长度极值减小。②本方法明确了隧道短道长度、因变比数和新鲜风流风量对上游隧道长度极值的影响程度。