有竖井隧道自然风压的研究
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第 ’% 卷 第 ! 期 ’""% 年 % 月
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有竖井隧道自然风压的研究
曾艳华 ，何 川 ，关宝树
(!""%!）
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（西南交通大学地下工程系， 成都 摘
要：运用回路自然风压理论对有竖井隧道自然风压进行了研究， 提出在有竖井隧道
中自然风压的大小和方向均会发生变化， 并将影响竖井主风机工作， 在通风设计及运营通风管 理中应给予重视。 关键词：自然风压；回路自然风压；竖井；主风机 中图分类号： *+,% - + 文献标识码： .
"
结论与建议
通过对有竖井隧道自然风压的研究表明， 得出
以下主要结论： 在有竖井隧道中， 自然风压不仅存在于主 （1） 隧道中， 而且存在于竖井口， 即隧道中自然风压的 大小和流向均发生变化， 自然风压的这种变化在中 梁山隧道中得到证实。 （,） 由于竖井的存在， 自然风压将直接对风机 的工作产生影响， 冬季的影响是有利的， 夏季的影 响是不利的， 必须对风机的工况点作适时调节， 以 满足隧道通风的要求。 （-） 竖井的热位差是竖井自然风压的主要部 分， 自然风压的大小随竖井高度增加而增加。 （5） 笔者建议， 在已建成的隧道中应通过实测 确定自然风压的大小及方向， 掌握其对隧道通风的 实际影响， 为主风机的调节提供依据。在有竖井隧 道的通风设计中， 特别是多竖井、 高竖井的长大或 特长隧道中， 必须进行自然风压的专题研究， 内容 包括气象资料的调查和隧道内气温的计算。其中 隧道内气温的计算可通过汽车通过隧道时消耗的 总功率所放出的热量、 隧道中各种电力设备所散发 的热量、 以及隧道周围岩体所散发的热量等计算， 作为通风设计的依据。
则该网络存 流出入口与 0 个独立的通风回路相联， 在 0 个独立的自然风压， 其余的自然风压不存在 （一个风流出口与一个风流进口） 或可由这些自然 风压计算而得 （多个风流出入口） 。对无竖井的隧 道通风系统如图 ’， 与风流出入口相关的通风回路 只有一个， 为： 洞口 ." 隧道内 " 洞口 7 " 隧道外 "洞口 .。根据通风网络中风流流动的风压平衡 定律， 有： ! " 8 # $ 9 #% : # & 2 " — —隧道内通风阻力； 式中： /; — — —自然风压， 当作用方向与风流流向一 /0 — ， 反之取 “:” ； 致时取 “8” — —交通通风力； /< — — —风机风压。 => — 则 =0 即为唯一的自然风压。 对图 ! 的设竖井通风的隧道竖井吸出式通风 系统， 存在两条通风回路， 分别为洞口 . " 竖井底 部 ?"竖井 @"隧道外"洞口 . 和洞口 7"竖井底 部 ?"竖井 @"隧道外"洞口 7。设竖井 @ 的风机 （!）
图! 无竖井隧道通风示意图
5! " 回路 +： ! # + ( +60 ! （*） 5! 回路 !： !-! ( ) 6 *" ! !"! 隧道外大气自然风动压 隧道外吹向隧道洞口的大气压， 在两洞口超静 压差的作用下进入隧道， 带给气流以动能 !-5 ， + ! （8） !#- ( !"- !). 式中： — —指 向 隧 道 洞 口 方 向 +)9 高 度 处 的 风 -— 速； — —与风向有关的压差系数； !). — 其余符号意义同前。 其中， 洞口形状及周 !). 与自然风的入侵角、 围环境有关， 一般取 !). ( ) 6 4) : ) 6 40。
图!
有竖井抽出式通风示意图
风压为 => ， 则有： 回路 !： ."?" @". !" 8 #$’( 9 #%! : #&’( 8 #&() 2 " （’）
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收稿日期： ’""’#"(#"$ 作者简介： 曾艳华 （!)($#） ， 女， 四川人， 在职博士， 讲师， 主要从事地下工程结构与通风的研究。
图*
竖井风机的性能曲线
可以通过对风机的性能曲线的分析得到。 如图 *， 曲线$为无自然风压影响的竖井风机的性能曲线， 曲线%、 在冬 %;为影响风机工作的自然风压曲线， 季自然风压方向与主风机工作方向一致， 风压值为 正值 （曲线%） ， 在夏季自然风压方向与主风机工作 方向相反， 风压值为负值 （曲线 %;） 。根据 “风量相 等， 风压相加” 的原则， 求得主风机风压与自然风压
串联工作的合成特性曲线 ! （" ! #） 和 !（ " "! ， #"） !、 !" 与隧道的风阻特性曲线 # 的交点 $ （%， 与 $" （ %"， ， 即为风机实际工作的工况 &） &"） 点， $ 点为冬季的工况点， $" 点为夏季的工况点， 隧 道 的 总 风 量： %， %" 为 存 在 两 种 自 然 风 压 时， ’ （%( ， 为无自然风压影响的工况点。 &( ） 从图上可知， 即冬季时隧道的风 % ) %( ) %"， 量， 风机的实际工作点的风量比没有自然风压作用 时的风量大， 风机的实际工作风压也高， 这种影响 对隧道通风是有益的， 但若风量风压富裕太多， 将 造成能源浪费。而在夏季， 风机的实际工作点的风 量比没有自然风压作用时的风量小， 提供的风机风 压也小， 这种影响对隧道通风是不利的， 将引起隧 道供风量的不足， 导致隧道内污染物的浓度超标。 因此， 在夏季必须对主风机的实际工况点作调节， 以满足隧道通风的需要。
地 下 空 间 第 !* 卷 8) " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "
其余符号意义同前。 根据文献 ［!］ ， 隧道外自然风速为 5 时， 山前正 5! 5! 压为 % ) 6 7 " ， 山后负压为 ’ ) 6 * " ， 山顶负压为 ! ! 5! 则隧道两端的超静压为： ’ ) 6 4" ， !
曾艳华等： 有竖井隧道自然风压的研究 ,((- 年第 1 期 81 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "
回路 !： "!#! $! " !" % #$%& & #’! ’ #(%& % #(&) ( ) — —分别为两回路的自然风压； 式中： #’+ 、 #’! — — —分 别 为 隧 道 *& 段、 #(*& 、 #(%& 、 #()& — %& 段和竖井 )& 段的通风阻力。 — —隧道 ,#、 #$*& 、 #$%& — "# 段的交通通风力。 从上可以看出， 对于该通风系统， 独立的自然 风压存在于两回路中。根据自然风压的定义， -.+ 应为隧道洞口 , 与竖井井口 $ 间的全压力差 （无 风机作用时） ， -.! 应为隧道洞口 " 与竖井井口 $ 间 的全压力差 （无风机作用时） ， 而隧道洞口 ,、 "的 自然风压 -.," 为： #’*% ( #’+ ’ #’! 均有变化， 不能再按无竖井情况简单推算。 （/） 由于竖井的存在， 隧道中的自然风流向、 大小
参考文献： ［1］ 铁道部第二勘测设计院 < 铁道隧道运营通风 ［$］ 中国铁道出版社， < 北京： 169-< ［,］ 金学易， 陈文英 < 隧道通风及空气动力学 ［$］ 中国铁道出版社， < 北京： 169-< ［-］ 黄元平， 等 < 煤矿安全手册： 第一篇 < 矿井通风与空调 ［$］ 煤炭工业出版社， < 北京： 166(< ［5］ 黄元平， 王明生 < 多进风口、 多风机矿井自然风压的电算方法 ［ =］ < 煤炭工程师， 1665<1 ［3］ 郑晋丽 < 道路隧道交通工况频率分析 ［ =］ < 地下工程与隧道， 1667<5<
%
自然风压对主风机工作的影响
自然风压也是通风能源， 当竖井主风机通风回
!
有竖井通风自然风压理论分析
以图 + 有竖井抽出式通风为例， 根据前述自然
路中存在自然风压时， 就形成了通风机与自然风压 串联工作。因此， 自然风压对竖井主风机的影响，
风压的来源， 在回路 + 中 -.+ 、 -.! 是由洞外和洞内间 的温度差 （热位差） 、 洞口和井口 $ 间的超静压差 （水平大气压梯度与自然风共同作用产生） 与隧道 外的风流的动压共同组成， 下面分别进行分析。 !"# 热位差 热位差的计算公式为： （0）
!#$ ( + ! ", 式中： — —洞口与井口 $ 间的高差； 1— — — —隧道内外空气的密度差； ! " — —重力加速度。 2—
其作用方向为： 夏季井口 $ 为进风口， 洞口 , 为出 风口， 冬季则相反。 !"$ 超静压差 超静压差是指风流由洞口流向竖井口 $ 的气 流压差 !-3 （4） ! #( ( #+ ’ #! ’ "! 式中： — —分别为 ,、 -+ 、 -! — $ 两标高的绝对静压； — — —隧道外 ,、 $ 间空气的平均密度； "
!
前言
公路隧道内形成自然源自文库流的原因有三： 隧道两
"
回路自然风压理论
回路自然风压理论认为： 在一通风网络中， 风
端洞口的大气压差、 隧道内外的温差和隧道外大气 自然风的作用。上述三项形成隧道内自然风的压 差之和为隧道内的自然内压 /0 ， 它作用于隧道两 洞口之间。目前的通风设计中， 对于无竖井的隧 道， 规定按对通风不利的隧道内的自然反风 10 2 ’ 较一致 3 %4 5 6 计算。对于有竖井或斜井的隧道， 的习惯是以竖井所在位置进行分段， 类似无竖井情 况分段计算隧道中各段的自然风压。实际上在有 竖井的隧道中 （如图 !） ， 由于通风线路改变， 竖井 对隧道内自然风的影响很敏感， 隧道与竖井中的自 然风的风向、 风速， 将随竖井、 隧道的阻力状况而 异。本文将用回路自然风压法对此进行探讨。
随着竖井高度的增加而增加。 两回路的自然风压和主隧道的自然风压的作 用方向也不相同。对于回路 1， 自然风压的作用方 向为竖井 :!竖井底部 ;!隧道 * 端， 对隧道通风 起阻碍作用； 对于回路 ,， 其作用方向为竖井 :!竖 井底部 ; ! 隧道 + 端， 同样对隧道通风起阻碍作 用。对隧道两端的自然风压， 则由 * ! + 端， 在竖 井以左的 * 端对隧道通风起帮助作用， 而在竖井 以右的 + 端对隧道通风起阻碍作用。若在冬天， 各自然风压的作用相反。
!
实例分析
对中梁山左线隧道， * 端为成都端， + 端为重 庆端， 竖井高度为 ,,-.， 根据实例计算两回路的自 然风压结果如表 ,。
自然风压计算结果表 序号 热位差 （/0） （/0） 11 4 (, , 4 ,1 （/0） 5 4 5, 2 5 4 5, 表, （/0） -7 4 (3 2 33 4 (( 超静压差 大气自然风动压 自然风压
回路 1 2 31 4 56 回路 , 2 3, 4 86
则隧道两端的自然风压为： !"# 2 $ 2 2 33 4 (( 2（ 2 -7 4 (3）2 2 19 4 63 !% 由上可知， 由于存在竖井， 两回路的自然风压 和隧道两端入口的自然风压在数值上各不相同。 竖井与两端洞口间的自然风压主要由热位差组成， 在数值上远大于隧道两洞口间的自然风压， 并且将
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有竖井隧道自然风压的研究
曾艳华 ，何 川 ，关宝树
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要：运用回路自然风压理论对有竖井隧道自然风压进行了研究， 提出在有竖井隧道
中自然风压的大小和方向均会发生变化， 并将影响竖井主风机工作， 在通风设计及运营通风管 理中应给予重视。 关键词：自然风压；回路自然风压；竖井；主风机 中图分类号： *+,% - + 文献标识码： .
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结论与建议
通过对有竖井隧道自然风压的研究表明， 得出
以下主要结论： 在有竖井隧道中， 自然风压不仅存在于主 （1） 隧道中， 而且存在于竖井口， 即隧道中自然风压的 大小和流向均发生变化， 自然风压的这种变化在中 梁山隧道中得到证实。 （,） 由于竖井的存在， 自然风压将直接对风机 的工作产生影响， 冬季的影响是有利的， 夏季的影 响是不利的， 必须对风机的工况点作适时调节， 以 满足隧道通风的要求。 （-） 竖井的热位差是竖井自然风压的主要部 分， 自然风压的大小随竖井高度增加而增加。 （5） 笔者建议， 在已建成的隧道中应通过实测 确定自然风压的大小及方向， 掌握其对隧道通风的 实际影响， 为主风机的调节提供依据。在有竖井隧 道的通风设计中， 特别是多竖井、 高竖井的长大或 特长隧道中， 必须进行自然风压的专题研究， 内容 包括气象资料的调查和隧道内气温的计算。其中 隧道内气温的计算可通过汽车通过隧道时消耗的 总功率所放出的热量、 隧道中各种电力设备所散发 的热量、 以及隧道周围岩体所散发的热量等计算， 作为通风设计的依据。
则该网络存 流出入口与 0 个独立的通风回路相联， 在 0 个独立的自然风压， 其余的自然风压不存在 （一个风流出口与一个风流进口） 或可由这些自然 风压计算而得 （多个风流出入口） 。对无竖井的隧 道通风系统如图 ’， 与风流出入口相关的通风回路 只有一个， 为： 洞口 ." 隧道内 " 洞口 7 " 隧道外 "洞口 .。根据通风网络中风流流动的风压平衡 定律， 有： ! " 8 # $ 9 #% : # & 2 " — —隧道内通风阻力； 式中： /; — — —自然风压， 当作用方向与风流流向一 /0 — ， 反之取 “:” ； 致时取 “8” — —交通通风力； /< — — —风机风压。 => — 则 =0 即为唯一的自然风压。 对图 ! 的设竖井通风的隧道竖井吸出式通风 系统， 存在两条通风回路， 分别为洞口 . " 竖井底 部 ?"竖井 @"隧道外"洞口 . 和洞口 7"竖井底 部 ?"竖井 @"隧道外"洞口 7。设竖井 @ 的风机 （!）
图! 无竖井隧道通风示意图
5! " 回路 +： ! # + ( +60 ! （*） 5! 回路 !： !-! ( ) 6 *" ! !"! 隧道外大气自然风动压 隧道外吹向隧道洞口的大气压， 在两洞口超静 压差的作用下进入隧道， 带给气流以动能 !-5 ， + ! （8） !#- ( !"- !). 式中： — —指 向 隧 道 洞 口 方 向 +)9 高 度 处 的 风 -— 速； — —与风向有关的压差系数； !). — 其余符号意义同前。 其中， 洞口形状及周 !). 与自然风的入侵角、 围环境有关， 一般取 !). ( ) 6 4) : ) 6 40。
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有竖井抽出式通风示意图
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图*
竖井风机的性能曲线
可以通过对风机的性能曲线的分析得到。 如图 *， 曲线$为无自然风压影响的竖井风机的性能曲线， 曲线%、 在冬 %;为影响风机工作的自然风压曲线， 季自然风压方向与主风机工作方向一致， 风压值为 正值 （曲线%） ， 在夏季自然风压方向与主风机工作 方向相反， 风压值为负值 （曲线 %;） 。根据 “风量相 等， 风压相加” 的原则， 求得主风机风压与自然风压
串联工作的合成特性曲线 ! （" ! #） 和 !（ " "! ， #"） !、 !" 与隧道的风阻特性曲线 # 的交点 $ （%， 与 $" （ %"， ， 即为风机实际工作的工况 &） &"） 点， $ 点为冬季的工况点， $" 点为夏季的工况点， 隧 道 的 总 风 量： %， %" 为 存 在 两 种 自 然 风 压 时， ’ （%( ， 为无自然风压影响的工况点。 &( ） 从图上可知， 即冬季时隧道的风 % ) %( ) %"， 量， 风机的实际工作点的风量比没有自然风压作用 时的风量大， 风机的实际工作风压也高， 这种影响 对隧道通风是有益的， 但若风量风压富裕太多， 将 造成能源浪费。而在夏季， 风机的实际工作点的风 量比没有自然风压作用时的风量小， 提供的风机风 压也小， 这种影响对隧道通风是不利的， 将引起隧 道供风量的不足， 导致隧道内污染物的浓度超标。 因此， 在夏季必须对主风机的实际工况点作调节， 以满足隧道通风的需要。
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曾艳华等： 有竖井隧道自然风压的研究 ,((- 年第 1 期 81 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "
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参考文献： ［1］ 铁道部第二勘测设计院 < 铁道隧道运营通风 ［$］ 中国铁道出版社， < 北京： 169-< ［,］ 金学易， 陈文英 < 隧道通风及空气动力学 ［$］ 中国铁道出版社， < 北京： 169-< ［-］ 黄元平， 等 < 煤矿安全手册： 第一篇 < 矿井通风与空调 ［$］ 煤炭工业出版社， < 北京： 166(< ［5］ 黄元平， 王明生 < 多进风口、 多风机矿井自然风压的电算方法 ［ =］ < 煤炭工程师， 1665<1 ［3］ 郑晋丽 < 道路隧道交通工况频率分析 ［ =］ < 地下工程与隧道， 1667<5<
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自然风压对主风机工作的影响
自然风压也是通风能源， 当竖井主风机通风回
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有竖井通风自然风压理论分析
以图 + 有竖井抽出式通风为例， 根据前述自然
路中存在自然风压时， 就形成了通风机与自然风压 串联工作。因此， 自然风压对竖井主风机的影响，
风压的来源， 在回路 + 中 -.+ 、 -.! 是由洞外和洞内间 的温度差 （热位差） 、 洞口和井口 $ 间的超静压差 （水平大气压梯度与自然风共同作用产生） 与隧道 外的风流的动压共同组成， 下面分别进行分析。 !"# 热位差 热位差的计算公式为： （0）
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其作用方向为： 夏季井口 $ 为进风口， 洞口 , 为出 风口， 冬季则相反。 !"$ 超静压差 超静压差是指风流由洞口流向竖井口 $ 的气 流压差 !-3 （4） ! #( ( #+ ’ #! ’ "! 式中： — —分别为 ,、 -+ 、 -! — $ 两标高的绝对静压； — — —隧道外 ,、 $ 间空气的平均密度； "
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前言
公路隧道内形成自然源自文库流的原因有三： 隧道两
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回路自然风压理论
回路自然风压理论认为： 在一通风网络中， 风
端洞口的大气压差、 隧道内外的温差和隧道外大气 自然风的作用。上述三项形成隧道内自然风的压 差之和为隧道内的自然内压 /0 ， 它作用于隧道两 洞口之间。目前的通风设计中， 对于无竖井的隧 道， 规定按对通风不利的隧道内的自然反风 10 2 ’ 较一致 3 %4 5 6 计算。对于有竖井或斜井的隧道， 的习惯是以竖井所在位置进行分段， 类似无竖井情 况分段计算隧道中各段的自然风压。实际上在有 竖井的隧道中 （如图 !） ， 由于通风线路改变， 竖井 对隧道内自然风的影响很敏感， 隧道与竖井中的自 然风的风向、 风速， 将随竖井、 隧道的阻力状况而 异。本文将用回路自然风压法对此进行探讨。
随着竖井高度的增加而增加。 两回路的自然风压和主隧道的自然风压的作 用方向也不相同。对于回路 1， 自然风压的作用方 向为竖井 :!竖井底部 ;!隧道 * 端， 对隧道通风 起阻碍作用； 对于回路 ,， 其作用方向为竖井 :!竖 井底部 ; ! 隧道 + 端， 同样对隧道通风起阻碍作 用。对隧道两端的自然风压， 则由 * ! + 端， 在竖 井以左的 * 端对隧道通风起帮助作用， 而在竖井 以右的 + 端对隧道通风起阻碍作用。若在冬天， 各自然风压的作用相反。
!
实例分析
对中梁山左线隧道， * 端为成都端， + 端为重 庆端， 竖井高度为 ,,-.， 根据实例计算两回路的自 然风压结果如表 ,。
自然风压计算结果表 序号 热位差 （/0） （/0） 11 4 (, , 4 ,1 （/0） 5 4 5, 2 5 4 5, 表, （/0） -7 4 (3 2 33 4 (( 超静压差 大气自然风动压 自然风压
回路 1 2 31 4 56 回路 , 2 3, 4 86
则隧道两端的自然风压为： !"# 2 $ 2 2 33 4 (( 2（ 2 -7 4 (3）2 2 19 4 63 !% 由上可知， 由于存在竖井， 两回路的自然风压 和隧道两端入口的自然风压在数值上各不相同。 竖井与两端洞口间的自然风压主要由热位差组成， 在数值上远大于隧道两洞口间的自然风压， 并且将