我国民航运输业发展势头迅猛, 随着各地机场的兴建、扩建, 对消防救援提出了更高的要求。跑道作为机场飞行区的主要构成, 肩负着飞机起降任务, 合理设置消防给水系统, 可以尽可能快地扑灭事故火情, 保障生命财产安全。相关行业规范对跑道消防的规定较为宽泛, 无法对设计过程提供具体指导, 本文从某机场跑道消防方案出发, 通过对不同方式的设计对比分析, 尝试解决设计过程中的盲点, 提出针对各保障等级机场跑道消防给水系统的设计方法, 并对该方法的可行性进行探讨。

机场跑道消防设计参照的规范主要有:《民用机场总体规划规范》 (MH 5002-1999) 、《民用航空支线机场建设标准》 (MH 5023-2006) 、《民用航空运输机场飞行区消防设施》 (MH/T 7015-2007) 、《民用航空运输机场消防站消防装备配备》 (MH/T7002-2006) 等。

依据以上规范对跑道消防的规定:“应在跑道一侧或两端适当位置设有消防车辆取水点”。由于该条文对取水点的做法和敷设位置并没有做出具体规定, 而取水点的不同做法和位置又对消防系统的形式和工程投资影响较大, 所以有必要对跑道消防取水点的做法和敷设位置进行分析对比。具体来说, 在进行跑道消防给水设计时, 需要解决以下问题:

(1) 1辆消防车取水量为3 000L/min, 每处取水点通常需要满足2~4辆消防车同时取水, 而一般控制每个室外消火栓的出流流量按15L/s计算, 很难满足跑道消防要求。

(2) 跑道长度可达数千米, 以上规范未明确消防取水点的布置间距, 按照通常一般120m的间距进行布置, 消火栓布置过于密集, 且不经济合理。

下文以某机场跑道消防设计为例, 对上述问题进行探讨。

某机场方案参数如下:飞行区等级为4C, 跑道长度为2 600 m。升降带端头为60 m, 两侧为150m, 跑道端安全区为240 m。该机场具备与使用的飞机参数见表1。

该机场西侧设置跑道, 5条联络道连接滑行道和停机坪, 航站区在跑道东侧偏北方向, 航站区的东北侧设置消防泵房。平面布置见图1。

在确定机场跑道消防系统形式前, 首先要明确该机场的消防保障等级。根据规范规定, 结合该机场参数, 可以确定该机场的消防保障等级为6级, 按规范要求消防供水量不小于200 m³, 供水时间为1h。需配备1辆主力泡沫车和2辆重型泡沫车, 即3辆火灾主力消防车, 单车取水能力为3 000L/min (50L/s) 。

根据消防救援的原则, 跑道消防取水点的设置需要满足3个要素:快速、有效、充足。一旦飞机在跑道上发生火灾事故时, 消防救援的速度在很大程度上取决于跑道消防取水点与事故发生地点的距离。根据国外有关飞机失事案例的研究, 不同阶段在飞机失事中所占的比例见表2及图2。

从图2可以更直观看出, 飞机在跑道上的整个起飞过程与降落过程, 从跑道两端1~3和7~9的失事之和约占失事总数的82.1%, 而跑道中间段失事比例很小。如果采用只在跑道两端设置消防水池的方式, 有效保护了高风险区域, 满足了规范要求, 同时节省了工程投资。但是, 随着现状民用航空的发展, 航班起落架次的增多, 跑道规模的不断扩大以及运力接近饱和, 跑道中间段区域也应得到足够的重视。当事故发生在跑道中间段时 (根据图2约占跑道失事总数的17.9%) , 依靠有限的消防车辆来回于跑道端取水, 即便按1辆车满载水10m³计算, 上述机场按规范最低需配备3辆消防车, 在最不利情况下需要来回1 300m路程取水接近7次, 才能满足规范最低200m³消防用水量的要求, 浪费非常宝贵的消防救援时间。而且我国华东地区各机场主力消防车配备自吸功能的数量还是不多的。所以, 如果采用跑道两端设置消防水池的方案, 一旦发生飞机消防事故, 将对消防救援能力构成挑战, 违反消防救援原则。

综上所述, 采用在跑道一侧设置消防供水管道的方式, 可以使消防取水点更靠近事故地点, 从而有效为事故地提供消防用水支持。

在没有规范明确要求的前提下, 跑道的消防取水点应该如何布置呢?根据规范规定, 每个取水点能保证总数的50%以上消防车取水。对于本机场而言, 即保证2辆消防车取水, 所以每个取水点的供水量应不小于100L/s。

如果按照通常每个消火栓15L/s进行设计, 每个取水点至少需要设置7个室外消火栓, 才能满足取水量的要求, 显然很不合理, 也不方便消防车使用。如何解决这个问题呢?最直接的方法就是提高供水压力。每个取水点为保证2辆消防车取水, 设置2个室外消火栓, 每个消火栓达到50L/s的设计出水量, 满足消防车取水要求。

国内地下式消火栓的最大出水口径为DN100, 根据简单估算, 1个DN100消火栓口在50L/s出水量时的局部阻力损失约0.1 MPa, 所以最不利消火栓供水压力从地面算起不应小于0.2MPa。由于消防泵房设于跑道一侧的端头, 最不利消火栓的供水距离接近3 000m。为使该消防泵房可兼顾航站区消防用水使用, 采用DN300的供水管道。经计算沿程损失约0.3 MPa。最终, 消防泵房设计流量不小于100L/s, 供水压力不小于0.5 MPa时, 可以满足飞行区与航站区同时使用。

通过直接增加供水压力的方式, 可以满足规范对每个取水点供水量的要求。

取水点布置间距的确定, 核心就是明确每个取水点的保护距离。规范中没有对跑道每个取水点的保护距离提出具体要求。所以在思考这个问题时, 需假定一个前提要求:火灾发生后, 在供水时间内, 能够对着火点进行连续不间断的喷水灭火。为了满足这个要求, 尝试从两个方面进行解决。

第一种方法, 采用消防车直接通过水带连接室外消火栓取水, 满足跑道任意一点灭火的要求。该跑道消防保障等级6级, 根据规范机场消防车共配备1 000m水带, 若平均分配3量消防车使用, 每辆车可分配水带330 m。所以, 每辆消防车可连接330m范围内消火栓, 因此是不是可以近似认为该机场跑道消防取水点的保护距离为330 m。经计算, 50L/s的消防水量通过DN100衬胶水带输送300m时的沿程损失巨大, 无法通过设计满足要求。因此这种设想不可行。

另一种方法, 该机场要求配备3辆火灾主力消防车, 是否可采取3辆消防车轮流取水, 不间断喷水灭火的方式, 从而计算出每个取水点的保护距离?按照规范的规定:

(1) 单车取水能力为3 000L/min (50L/s) 。

(2) 该6级保障等级机场的火灾主力车共3辆, 包括1辆主力泡沫车和2辆重型泡沫车。

(3) 消防车最低的性能要求为:一次储存量不小于8 000L, 满载状态由静止到80km/h以上不超过40s, 喷射能力不小于4 500L/min。

通过这些条件可以计算得出:

消防车喷水持续时间:

消防车吸水时间为:

若采取3辆消防车轮流喷水、轮流取水的接力方式, 保证不间断对火灾灭火。其中任1辆消防车需在另外2辆消防车喷射持续时间内离开取水并返回, 即106.6×2=213 (s) 内回到原火灾处。消防车可用于行驶的时间为:213-160=53 (s) , 经计算, 在53s内可往返距离约为200 m, 所以可近似认为该机场跑道取水点的保护距离为200m。

根据以上结论, 该机场跑道的消防给水方案, 可以确定为在跑道一侧设置环状消防供水管网, 在跑道中间1/3段的取水点按照保护半径200m进行布置, 在跑道两端的区域按照保护半径150m进行布置。

利用以上方法进行进一步分析, 是否可以通过增加机场火灾主力消防车数量, 调节跑道取水点的保护半径?通过计算, 如果增加1辆火灾主力车, 即配置4辆消防车时, 取水点的保护距离将增加到约1 330m。

把前文的方法应用到不同保障等级的机场, 可以分别得出跑道取水点的保护距离。如果按照规范要求配备火灾主力消防车时, 计算结果见表3。其中, 保障等级为4级、5级、10级时, 由于取水车辆无法满足在其他消防车喷水灭火持续时间内返回, 所以没有计算得出取水点保护距离。

如果比规范要求增加配置1辆火灾主力消防车或重型水罐车时, 计算结果见表4。可见, 取水点保护距离极大提高。

通过表3、表4的计算结果可以看出, 不仅是保障等级4级、5级、10级时, 应增加配置1辆火灾主力消防车或重型水罐车, 在其他保障等级时, 也应增加配置消防车辆提高消防可靠性, 尤其在采用附近天然水源作为取水点时, 由于间距较大, 更应该额外增加消防车辆, 满足取水点保护距离的要求, 保证消防系统的安全可靠。

需要特别注意的是, 消防车在供水时间内对着火点进行连续不间断的喷水灭火, 是本文取水点布置间距确定方法的前提, 且消防队在灭火时采用的方案、战术, 以及现场情况多样, 本文所述消防车分组轮流喷水灭火是一种理想工况, 需要各方配合才能实现。另外, 本文提供的计算过程, 近似认为消防车均为标准统一性能, 且没有考虑消防队员操作时间。所以, 本文是对机场跑道消防系统进行理论上技术探讨, 所得结论没有试验数据作为佐证, 也没有在实际项目实施经验。在实际应用时, 如采用大保护距离取水点时, 应进行专家论证作为依据, 保证确实安全可行。