封闭式遮雪棚火灾烟气扩散模拟研究

摘要

   雅西高速公路部分路段拟增加新型遮雪棚，为研究封闭式遮雪棚火灾烟气的扩散情况，采用midas NFX有限元分析软件对其进行数值模拟。分析结果表明，封闭式遮雪棚火灾烟气扩散范围受遮雪棚开孔及入口风速影响，在遮雪棚顶部开孔，可以显著缩小遮雪棚内的火灾烟气扩散范围。遮雪棚入口处风速不同，对遮雪棚烟气扩散影响较大，可以通过模拟得出入口处临界风速。遮雪棚顶部开孔对火源周围温度升高速度有较大影响。

关键词

封闭式遮雪棚；临界风速；数字模拟

0 引言

   当地时间2022年12月29日下午，韩国京畿道果川市葛岘洞第二京仁高速公路葛岘高架桥隔音隧道内，一辆行驶中的5t级卡车起火，火势沿着隧道内的塑料隔音墙体蔓延，过火路段长度达到600m，造成5人死亡，37人受伤，其中3人受重伤，34人因吸入烟气受轻伤。韩国高速公路封闭式建筑火灾现场照片如图1 所示。

图1 韩国高速公路封闭式建筑火灾现场照片

   从该案例可以看出，一旦公路封闭式建筑发生火灾，就会造成严重的后果。封闭式遮雪棚与隔音隧道具有类似的结构，若封闭式遮雪棚发生火灾，其造

成的损失将不可估量，因此，对封闭式遮雪棚火灾烟气扩散进行模拟研究具有重要意义。

1 封闭式遮雪棚火灾原因及特点

   封闭式遮雪棚火灾会带来严重的人员伤亡和财产损失，因此，掌握火灾原因和特点非常重要，可以据此制定更加有效的人员疏散和救援方案[1]。

1.1 火灾原因

   通过对国内外众多火灾案例及相关资料的研究，可以总结出引起封闭式遮雪棚火灾的原因，包括以下4个方面。

（1）车辆故障引起的火灾。该火灾类型包括紧急刹车制动器故障着火、电气线路短路起火、汽车化油器燃烧、车辆漏油起火等。

（2）车辆上载有易燃易爆物品引发的火灾。易燃易爆物品在高温、遇到明火或受到热辐射时易发生燃烧爆炸。

（3）车辆交通事故引发的火灾。封闭式遮雪棚内部空间狭小、能见度较低，容易导致车辆之间相撞而引发火灾。

（4）人为因素引发的火灾。人为因素包括驾驶员疲劳驾驶、行车速度过快、违规吸烟、人为纵火和恐怖主义袭击等，这些因素也极易引发火灾。

1.2 火灾特点

封闭式遮雪棚火灾具有以下特点。

（1）烟气浓度高。发生火灾时，由于封闭式遮雪棚空间相对密闭，且大多数火灾是缺氧燃烧，因此会产生大量对人体有害的气体，能见度也大幅降低。

（2）温度上升迅速。封闭式遮雪棚火灾燃烧剧烈，产生的热量积聚在其内部不易散发，导致温度迅速上升。

（3）易发生连环爆炸。发生火灾时，封闭式遮雪棚会产生狭管效应，加速高温热气流沿道路方向扩散，在扩散过程中易点燃沿途车辆，引发连环爆炸。

（4）扑救困难。如果纵向通风风速较小，高温热气流会到达火源上风方向的洞口，消防人员难以接近火场，且火灾时的高温、浓烟、低能见度、交通堵塞等因素给消防人员的救援工作带来了巨大困难。

（5）疏散困难。封闭式遮雪棚的封闭空间使得发生火灾时人员疏散非常困难，且高温热气流会对被困人员的心理产生较大影响，使其感到恐慌，进一步造成拥堵。

（6）随机性大，成灾时间短。火灾发生的地点、规模、时间都具有很大的随机性，火灾发生后的10 min内即可爆发。

（7）危害大。发生火灾时，封闭式遮雪棚空间狭小，高温热气流不易散发，再加上有毒气体和低能见度的影响，疏散救援困难，损害程度严重。火灾时产生大量有毒气体，会造成人员中毒伤亡。据统计，在交通火灾事故中，烟气中毒致死人数占死亡人数的一半左右，有时甚至高达80%[2]。此外，如果遮雪棚屋面材料发生燃烧，火灾会迅速蔓延至整个遮雪棚，造成的损失将不可估量。

2 工程概况

   雅西高速公路（图2）是连接四川省雅安市与西昌市的重要交通干线，其特殊的气候与气象条件对交通运行产生多方面的影响，其中，冬季冰雪天气带来的影响尤为突出。该高速公路穿越川西高原与四川盆地的过渡地带，海拔高差大，气温垂直变化显著，高海拔路段在冬季频繁出现积雪和结冰现象。恶劣的天气条件不仅降低了道路通行能力，还增加了交通事故风险，给交通安全管理带来了巨大压力。

图3 雅西高速公路航拍照片

   从行车安全角度看，冰雪覆盖导致路面摩擦系数大幅降低，车辆制动距离明显延长，特别是在长大纵坡路段，重载车辆容易出现刹车失灵，引发追尾、侧翻等严重事故。同时，冰雪天气造成的能见度下降也增加了行车风险，尤其是在弯道和隧道出入口等关键位置。冰雪天气还会分散驾驶员的注意力，更容易引发交通事故。

   在通行效率方面，在极端冰雪天气下，需要实施临时交通管制甚至封闭道路，严重影响运输效率。由于雅西高速公路承担着重要的区域交通功能，冬季通行中断会对沿线经济和社会活动产生连锁反应。特别是农产品运输和旅游客流等时效性强的交通需求，受冰雪天气的影响更为明显。传统的人工除雪方式不仅效率低下，且存在作业安全隐患，难以满足现代高速公路的运营要求。

   在交通管理层面，冰雪天气下，交通管理部门需要投入大量人力物力进行除雪作业和交通疏导，管理成本较高。同时，冰雪天气可能导致公路监控设备失效，气象条件的快速变化使得管理决策难以适应。在极端冰雪天气下，护栏、信号灯等交通安全设施可能受低温、积雪等因素的影响而出现故障，不仅增加维护成本，而且埋下严重的安全隐患。雅西高速公路雪灾现场如图3所示。

图3 雅西高速公路雪灾现场

   为了防止道路积雪、保证行车安全，拟在雅西高速公路部分路段增设钢结构遮雪棚，遮雪棚采用门式钢架结构，钢架间距为6~12m。考虑到雅西高速公路复杂的路况，为了保证遮雪棚的遮雪及保温效果，防止路面结冰，设计团队设计了多种遮雪棚方案，其中一种可行的方案是采用封闭式遮雪棚。封闭式遮雪棚分为全封闭式遮雪棚和部分开孔遮雪棚。部分开孔遮雪棚是在满足遮雪及保温要求的前提下，适当在遮雪棚的顶部进行开孔，开孔面积占顶部总面积的5%，以满足消防排烟需要。图4为雅西高速公路封闭式遮雪棚效果图。

图4 雅西高速公路封闭式遮雪棚效果图

    遮雪棚具有以下优点。

（1）减少交通拥堵。遮雪棚的遮雪功能可以防止路面积雪结冰，减少交通拥堵，提高道路通行能力，提高货物和人员的运输效率，降低物流成本，促进区域经济发展。

（2）保障行车安全。遮雪棚可有效防止路面积雪结冰，进而防止车辆打滑、追尾、侧翻等事故发生，显著降低交通事故发生率，为人们提供安全的出行环境。

（3）降低成本。相较于传统的人工除雪、撒融雪剂等方式，遮雪棚能从源头上降低积雪对道路的影响，减少人力、物力消耗，同时避免融雪剂对道路结构造成损害，降低公路养护成本。

（4）提升行车舒适度。遮雪棚可以为车辆提供一个相对封闭的空间，减少冰雪天气对行车视线的干扰，改善驾驶条件，提升行车舒适度。

（5）保护道路设施。遮雪棚可以避免积雪、冰凌等对监控设备、信号灯、护栏等交通设施的损害，延长这些设施的使用寿命。

（6）降低对环境的影响。遮雪棚的应用提高了交通流畅性，有利于减少汽车尾气排放量，改善空气环境。同时，由于取消了除雪剂的使用，避免了公路沿线水体受到污染。

3 封闭式遮雪棚火灾烟气扩散模拟实验设计

   封闭式遮雪棚作为重要的交通基础设施，其封闭性和狭长性导致发生火灾时烟气会在遮雪棚内部迅速扩散，极易造成人员伤亡。在全封闭式遮雪棚中，火源附近温度升高，空气密度减小，产生上升气流，当上升气流聚集到遮雪棚顶部时，会向遮雪棚两端扩散，增加救援难度。若在火灾发生时，遮雪棚一端进气风速足够大，使烟气无法向上风口扩散，而是往下风口一个方向扩散，将有利于消防人员从上风口进入遮雪棚实施救援。因此，需要确定一个临界风速，设定为遮雪棚发生火灾时烟气只往一个方向扩散的最小风速，这对于遮雪棚的消防安全及人员疏散设计具有重要指导意义。

    遮雪棚的开孔有利于火灾烟气的排出，其烟气扩散效果与全封闭式遮雪棚存在差异。在部分开孔遮雪棚中，当风速小于某一数值时，烟气会直接从遮雪棚顶部开孔扩散出去，不会充满整个遮雪棚空间。为了研究遮雪棚的开孔对火灾烟气扩散的影响，本文利用midas NFX 软件，通过三维数值模拟方法研究不同遮雪棚在不同风速条件下的火灾烟气扩散特性，并分析不同类型遮雪棚在不同风速作用下的火灾烟气扩散范围和扩散速度，旨在为遮雪棚的安全设计提供依据。

   为了便于研究，在Midas NFX 软件中将气体假定为不可压缩的理想气体。

3.1 建立三维模型

   封闭式遮雪棚长度较长，为了简化计算，本次模拟建立一个总长度为600 m 的封闭式遮雪棚三维模型，整体模型如图5所示，模型网格采用三角锥形划分，如图6所示。

3.2 参数选取

（1）火灾类型。设置火灾类型为汽车油料火灾（本文暂不考虑电车的燃烧火灾），该火灾属于快速火灾。图7为火灾成长曲线，该火灾成长参数α=0.0469 kW/s²。

（2）火灾规模。设火源为8.0m×2.8m×3.0m 的公共汽车。表1为隧道火灾热释放速率，该火灾规模为20MW。根据《公路隧道通风设计细则》（JTG/TD 70/2-02—2014），隧道火灾规模为20MW 时属于中型火灾[3-4]。

3.3 边界条件及工况条件设定

（1）模型边界条件。设定遮雪棚入口采用速度入口边界条件，指定入口处的风速，初始温度设为20 ℃；出口采用压力出口边界条件，指定出口处的相应压力，设定为0 Pa；壁面采用无滑移边界条件。

（2）设置模拟工况。稳态模拟热释放速率为20MW时，入口通风风速分别为0 m/s、2 m/s、5 m/s、7 m/s。

4 封闭式遮雪棚火灾烟气扩散模拟分析

4.1 全封闭式遮雪棚火灾烟气扩散模拟

    通过全封闭式遮雪棚火灾烟气扩散模拟分析可知，当入口风速为0 m/s 和2 m/s 时，火灾烟气会随着时间的推移逐步扩散至整个遮雪棚；当入口风速为5 m/s 时，在风力的作用下，火灾烟气往上风口方向的扩散范围有限，在此情况下人员可以沿着上风口方向进行疏散；当入口风速为7 m/s 时，火灾烟气几乎不会往上风口扩散。通过该模拟初步判断，全封闭式遮雪棚的临界风速为5 m/s，发生火灾时若考虑对该遮雪棚进行通风，采用的通风风速应大于该值。

4.2 部分开孔遮雪棚火灾烟气扩散模拟

   通过部分开孔遮雪棚火灾烟气模拟分析可知，当入口风速为0 m/s 时，大部分火灾烟气会直接从棚顶开孔部位扩散出去，烟气扩散的影响范围大概为火灾中心点处左右各20 m。由此可知，在封闭式遮雪棚顶部开孔，可大幅缩小火灾烟气的扩散范围，为人员的疏散提供了足够的空间，此种情况下无须额外配备通风设施即可满足人员疏散的要求。当入口风速为2 m/s 时，由于遮雪棚内部气体流动产生负压，火灾烟气无法完全从开孔处排出，从而扩散至整个遮雪棚。进一步分析可知，部分开孔遮雪棚的临界风速大约为5 m/s，与全封闭式遮雪棚的临界风速基本相同[5]。

4.3 温度对比模拟

   为了研究全封闭式遮雪棚与部分开孔遮雪棚在发生同等火灾时火源周围温度变化，本次模拟假定入口风速为7m/s，研究了两组模型火源附近的温度在不同时间下的变化情况，分别选取了火灾发生后20s、60s 及160s 时火源周围的温度进行对比。通过对火灾温度的模拟分析，可以得出以下结论。

（1）在火灾发生20s 后，全封闭式遮雪棚火源周围的温度为24℃，部分开孔遮雪棚火源周围温度为23℃，两者温度相差不大。

（2）在火灾发生60s 后，全封闭式遮雪棚火源周围的温度为42℃，而部分开孔遮雪棚火源周围的温度为30℃，由此可知，全封闭式遮雪棚火源周围的温度升高较快。

（3）当火灾发生160s 后，全封闭式遮雪棚火源周围的温度达到260℃，而部分开孔遮雪棚火源周围的温度为58℃，由此可知，随着时间的推移，全封闭式遮雪棚火源周围的温度会快速升高至人体难以承受的数值，而部分开孔遮雪棚火源周围的温度升高速度较慢。

    通过以上分析可知，在相同火灾条件下，部分开孔遮雪棚火源周围温度升高速度远小于全封闭式遮雪棚，可以有效减轻高温环境对附近车辆以及人员的伤害[6]。

5 结语

   高速公路增设遮雪棚能够保护道路免遭冰雪天气的影响，显著降低冬季除雪作业频次，大幅减轻了养护人员的工作负担并降低作业风险。特别是在雅西高速公路长大纵坡路段，封闭式遮雪棚的设计规避了在陡坡进行人工除雪的安全隐患。但是封闭式遮雪棚作为一个新增的单体建筑，其防火排烟、消防等风险较大。通过模拟研究发现，部分开孔遮雪棚相比较全封闭式遮雪棚可以显著缩短火灾烟气在遮雪棚内部的扩散长度，大部分火灾烟气可以通过顶部的开孔直接扩散出去，有效减轻火灾对遮雪棚内驾乘人员的伤害。遮雪棚内如果设置通风系统，为了避免火灾烟气扩散至整个遮雪棚内部，通风速度必须大于临界风速。模拟分析可知，全封闭式遮雪棚与部分开孔遮雪棚的临界风速均为5m/s。部分开孔遮雪棚相比全封闭式遮雪棚可以显著减缓火源周围的温度升高速度，减轻高温环境对附近车辆以及人员的伤害，有效防止发生大型火灾事故。

参考文献

[1] 陈丹丹，互换式通风公路隧道火灾烟气浓度场的数值模拟和试验研究[D].兰州：兰州交通大学，2013.

[2] 黄玉冰.超高海拔公路隧道火灾烟气特性与人员疏散技术研究[D].成都：西南交通大学，2021.

[3] 马淋淋.特长公路分离式隧道火灾烟气蔓延数值模拟研究[D].赣州：江西理工大学，2022.

[4] 张水平，王言之，林大建.特长公路隧道火灾烟气蔓延数值模拟研究[J].贵州科学，2024，42（6）：79-85.

[5] 李婧蕾.城市曲线隧道火灾烟气蔓延及通风排烟方式优化研究[D].西安：西安建筑科技大学，2024.

[6] 蓝猛.隧道火灾烟气纵向温度分布特征研究[J].西部交通科技，2025（4）：201-204.

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