当前,在现行的国家工程标准中并未对隧道消防管网的水力计算方法或模型制定相关规定,特别是一些大型工程由于缺乏精确水力计算模型而造成设计不合理,不仅增加了人力物力成本,甚至埋下安全隐患。杭州紫之隧道工程为特长隧道群,由南向北依次由3条隧道连接成线:1#隧道、2#隧道、3#隧道。隧道以通行小客车为主,双洞、单向行使,1#隧道和3#隧道均有2条较长的匝道与地面道路连接。东、西线合计总长约为27km。

　　 隧道全程纵向坡度变化较大,最高点与最低点高差约109.6m,道路标高最高点位于2#隧道接近出口位置。合理有效的消防系统是保障隧道安全运行的必备工程措施。本工程选定在沿程最高点,即2#隧洞的山体上设置高位消防水池,采用常高压给水系统的消防形式,供隧道群的消防用水,利用重力提供消防管网正常灭火时所需的压力和流量,扑救火灾时,不需启动消防水泵和加压设备,而直接使用灭火设备灭火,从消火栓直接接出水带、水枪就能灭火。

　　 本工程隧道群沿线道路坡度、隧道形式各有差异,消防系统也是各自成环布置,各有不同,以西线为例,其由南到北沿线各部分的消防管网设计概况分别如下:

　　 1#隧道(西线):隧道全长4.757km,暗埋段起点道路标高为绝对高程1.461m。道路坡度依道路桩号顺序依次为5%、0.696%、1.544%、2.583%、1.146%,隧道高、低点路面高差达85.956 m,沿隧道敷设的消防主管部分管道静水压力大于1.0 MPa,不利于长期安全运行。因此,隧道内的消防管网不仅要满足泡沫灭火器出水压力0.35 MPa要求,还要在静水压力大于1.0 MPa处,采用减压阀降低管道内水压,形成分区给水系统。但在降压后,必须要保证下游最不利点水成膜泡沫灭火器的最小压力要求。管道敷设在隧道消防管沟内,东、西线消防管道经洞内连接通道及洞口连接成环状,形成安全可靠的消火栓总管环网。该段消防管道设计消防用水量为21L/s。

　　 2#隧道(西线):隧道全长4.073km,位于隧道群中部。因隧道南、北洞口道路路面绝对标高在70m以上,隧道进、出口处的室外消火栓系统所需水量、水压无法利用市政供水管网提供,因此隧道内消防管道需满足室内、外消防流量之和51L/s的要求;管道敷设在隧道消防管沟内,东、西线消防管道经洞口连接各自成环状,形成安全可靠的消火栓总管环网。

　　 3#隧道(西线):隧道全长4.796km,该段隧道北口暗埋段起点道路标高为绝对高程2.498 m,道路坡度由南向北依次为2.592%、2.95%、1.215%、5%,隧道高、低点路面高差达109.62 m,沿隧道敷设的消防主管,部分管道静水压力大于1.0 MPa。管道敷设在隧道消防管沟内,东、西线消防管道经洞内连接通道及洞口连接成环状,形成安全可靠的消火栓总管环网。该段消防管道设计消防用水量为21L/s。

　　 南端东、西线匝道:在1#隧道东、西线分别有一个匝道从主隧道引出,与规划支路连接,进入之江路。其中东线匝道隧道段长1.105km,西线匝道隧道段长0.733km。匝道(隧道段)消防主管从主线引出,敷设在隧道消防管沟内,在洞口连接成环状。

　　 北端东、西匝道:在3#隧道东、西线分别有一个匝道从主隧道引出,与西溪路连接。匝道隧道段长约0.5km。匝道(隧道段)消防主管从主线引出,敷设在隧道消防管沟内,在洞口连接成环状。

　　 我国各设计单位在进行消防管网水力计算时,通常的做法是通过查表或利用经验公式获得各管段的沿程阻力系数,然后依据达西公式获得各部分沿程水头损失;局部水头损失通常按照沿程水头损失的一定比例取值,如10% ~30%,通过加和甚至手算获得整个消防管网系统的水头损失^[1,2]。上述方法的计算精度对布置成枝状的消防管网尚可接受,但对连接成多个环网的消防管网系统并不适用。对多个环状消防管网系统的水力计算,科学合理的做法是进行平差计算,否则会造成较大误差,导致安全设计过高,浪费大。

　　 根据本项目相关资料,构建了紫之隧道消防管网系统的EPANET模型^[3],共设97个节点,120根管段,其中高位水池沿线供水段共13个节点,隧道及匝道部分共84个节点。在无消防用水情况下,通过运行消防管网EPANET模型,得到整个消防管网系统静水压力分布,统计结果见表1。

　　 表1表明,隧道全线84个节点中,超过100mH₂O节点数共56处,最大压力水头为161.15mH₂O(位置为:桩号K13+312东线31#人行通道处),隧洞内部各个节点处静水压力均在35 mH₂O以上。3段隧道所对应的最大、最小压力位置与相应压力水头值见表2。

　　 上述的分析结果表明,该消防管网系统客观上需要在承受较大压力的管段区域安装减压阀,进行一定的降压处理,但是减压后,必须保证在有消防用水情况下,各点仍能满足消防用水对水量、水压的要求(尤其是压力低点)。因此,需要对减压阀的设计进行校核计算。

　　 根据紫之隧道消防管网系统整体呈现中间压力低,南、北两端压力高的特点,拟在南、北两端各设置1处减压阀;南端减压阀设置于1#隧道内的11#人行横道处,北端减压阀设置于3#隧道内的25#人行横道处。

　　 减压阀设置后,消防管网系统各个节点静水压力分布情况如表3、图1所示,可见,经过减压后,整个消防系统内大于100 mH₂O的水压区域大幅减小,图1表明减压后系统压力分布较之前均匀。

　　 此时隧道内管线的压力最低点为南端的阀后位置处,压力为40 mH₂O,压力最高点为北端减压阀前(对应桩号为西线K10+845.5),压力约为103mH₂O。

　　 按照消防设计标准(隧道群全线同一时间内发生一次火灾),需要分别对1#、2#、3#隧道在设计消防用水量下各点的压力和流量进行校核计算。经综合考虑,选取以下3处作为工程动压校验(即发生消防用水时)的最不利点:11#隧道最南端起点处(桩号:K0+220)发生21L/s流量(只考虑室内消防用水量,室外由市政管网供给);22#隧道洞内压力最低点处(桩号K8+650处)发生21L/s流量(室内消防用水量),同时从洞外的室外消防栓取水量为30L/s,即考虑2 个用水点合计发生51L/s的流量;33# 隧道最北端起点处(K14+140)发生21L/s流量(只考虑室内消防用水量,室外由市政管网供给)。

　　 2#隧道动压校核要求整个消防管网系统的设计必须考虑有2处发生消防用水(室、内外消火栓同时启用)的工况,而2点出流情况下各点的压力、流量分布是传统计算方法无法解决的技术难题^[2],必须依托构建的EPANET模型进行校核计算,因此,宜将1#和3#隧道的动压校核作为单点消防用水的典型工况加以讨论,而将2#隧道的动压校核作为双点消防用水典型工况单独加以讨论。

　　 1#隧道设计消防用水量下各点的压力和流量校核计算方式为:在EPANET模型中选定最不利点,即最南端起点处(桩号:K0+220,节点编号74)的出流量设为21L/s,导出各点压力计算结果;3#隧道校核计算方式与此相似[出流点为最北端起点处(桩号:K14+140,节点编号66)],2 种工况均为单点消防用水工况下的动压校核计算。校核结果分别见表4、表5。

　　 表4、表5结果表明,2种工况下,隧道全线所有84个节点处的压力均在35mH₂O以上,均满足设计的要求。

　　 2#隧道全长约4km,位于隧道群中部。因隧道南、北洞口道路路面绝对标高在70m以上,隧道进、出口处的室外消火栓系统所需水量、水压无法利用市政供水管网提供,因此隧道内消防管道需满足室内消防流量21L/s、室外30L/s,合计51L/s的要求。

　　 依据上述情况,对2#隧道进行压力校核时,同时设置2#隧道洞内压力最低点处(桩号K8+650处)发生21L/s流量,2#隧道和3#隧道连接处的室外处发生30L/s流量,校核结果见表6。

　　 表6结果表明隧道全线所有84个节点处的压力均在35mH₂O以上,满足设计的要求。

　　 与传统的消防管网水力计算方法相比,EPA-NET模型不仅可以提高计算精度,而且其功能强大的图形显示功能可以提供在火灾发生时整个消防管网系统内水流的流向、流量,本质上实现了对火灾的动态模拟与演示(图略)。

　　 通过对杭州紫之隧道消防管网系统EPANET模型的构建与计算,可以完成传统手工计算所达不到的计算精度与复杂工况下的分析。此外,EPA-NET模型还可以反映水流、水压、各管段处的流量、流向、沿程损失等数值的实时变化过程,实现了对紫之隧道消防管网系统的动态化模拟与分析。

　　 当前,在我国特长隧道群的消防管网系统设计中,尚未看到有相关文献进行平差计算。因此,本项目的实施将为环状消防管网系统的设计提供可供参考的水力计算方法,并对设计过程中遇到的具体问题如减压阀的优化设计等提供可资借鉴的技术解决方案。