一氧化碳、烟雾、风压、风速检测|公路隧道技术状况改善

隧道运营通风主要通过洞外的新鲜空气置换被来往车辆废气污染过的洞内空气,提高行车的安全性和舒适性,保护驾乘人员和洞内工作人员的身体健康。隧道运营通风检测的主要内容包括一氧化碳浓度检测、烟雾浓度检测、隧道风压检测和隧道风速检测。

(一)一氧化碳浓度检测

1.一氧化碳浓度

隧道在修建中可能会遇到一氧化碳,运营后稀释汽车废气中的一氧化碳是机械通风的主要目的。因此,必须重视对一氧化碳浓度的检测,保证施工安全和驾乘人员的健康。鉴于一氧化碳的危害性,我国《公路隧道通风设计细则》(JTG/TD70/2—02—2014)对运营公路隧道一氧化碳浓度作了如下规定:

(1)正常交通时,隧道内CO设计浓度可按表5.2-2取值。

表5.2-2　CO设计浓度(δco)

(2)交通阻滞时,阻滞段的平均CO设计浓度可取150cm3/m3,同时经历时间不宜超过20min。阻滞段长度按每车道不宜大于1000m计算。

(3)人车混合通行的隧道,隧道内CO设计浓度不应大于70cm3/m3。

(4)隧道内进行养护维修时,CO设计浓度不应大于30cm3/m3。

2.一氧化碳检测

隧道内一氧化碳检测纵向的测点布置与隧道的通风方式有关,靠近进出口的测点应布置在距离洞口10m处,检测各通风段的风速值,每通风段宜检测3个以上的断面,断面间距不宜大于500m,如检测到某一断面超标,应向隧道进口方向增加检测断面来达到判断在何处开始超过允许浓度的目的。

(1)检知管。详见课题“四、一氧化碳检测”。

(2)AT2型一氧化碳测量仪。与检知管不同的另一种类型的一氧化碳检测仪器,是利用控制电位电化学原理来检测一氧化碳浓度的。AT2型一氧化碳测量仪是一种矿用安全电火花型携带式检测仪器,检测原理如下:

①主要技术指标。

a.测量范围:0～50ppm、0～500ppm两个量程。

b.测量精度:误差小于±5%满度值(20℃±5℃)。

c.反应时间:反应90%值时≤30s。

d.传感器寿命:1年,保证使用半年。

②检测原理。仪器采用控制电位电化学原理,实现对空气中CO 浓度的测定。工作原理框图如图5.2-1所示。

图5.2-1　AT2型一氧化碳测量议工作原理框图

被测量的CO通过传感器聚四氟乙烯薄膜扩散到工作电极W,W 电极受到恒电位环节的控制作用,具有一个恒定的电位,CO在W 电极上发生的氧化反应为

同时在电极C上发生氧的还原反应为

总化学反应式为

(二)烟雾浓度检测

柴油车在排放气体中,除SO2 等物质外,还有大量的游离碳素(煤烟)。煤烟不仅会影响隧道内的能见度、舒适性,而且也会影响健康。柴油车排烟量与车重、车速和路面坡度有关。根据国际道路协会常设委员会(PIARC)的污染报告,对于水平路段,排烟量与车重近似满足图5.2-2所示的关系。图5.2-3给出了柴油车产烟量与车速的关系。

图5.2-2　车重与排烟量的关系

图5.2-3　柴油车产烟与车速关系

煤烟对空气的污染程度用烟雾浓度表示。烟雾浓度可通过测定光线在烟雾中的透过率来确定。光线在烟雾中的透过率用τ表示:

式中 E,Ev——同一光源通过污染空气、洁净空气后的照度。

τ与烟雾的厚度L(m)有关:

式中 α——烟雾吸光系数。

令K=α,则

式中 K——烟雾浓度。在隧道通风中,取L=100m,测定t后确定K,则

式中 τ——100m厚烟雾光线的透过率。

隧道内烟雾浓度增加,可见度、舒适感降低,从行车安全考虑,确定的可见度叫作安全可见度。安全可见度是指从驾驶员看到前方障碍物到制动汽车所行的距离。安全可见度可用式(5.2-9)计算:

式中 x——距离(m);

v——车速(km/h);

t——驾驶员意识到需要制动的反应时间+汽车制动机械传动的迟滞时间(s);t=1+0.5=1.5(s)

φ——路面与轮胎附着系数,对湿沥青路面,φ=0.45;

i——道路坡度(%),上坡取+,下坡取-。

计算所需的安全可见度和车速的关系见表5.2-3(坡度按3%计算)。

表5.2-3　安全可见度与车速关系

当烟雾浓度、透过率和车速不同时,驾驶员对舒适程度的感觉也不同。表5.2-4是行车速度为40km/h时,驾驶员对舒适水平的主观评价。

表5.2-4　烟雾浓度与舒适性

透过率与隧道照明水平有关,随着路面照度的增加,透过率可乘以修正系数。其修正值见表5.2-5。

表5.2-5　透过率与照度关系

世界上一些国家规定的隧道内烟雾浓度分别为:法国:5×10-3m-1;日本:(7.5～9)×10-3m-1;瑞士:9×10-3m-1;英国:10×10-3m-1。随着我国公路交通事业的日益发展,大型的载重柴油车将会越来越多,目前柴油车所占交通量已达到整个交通量的30%～50%,正迅速赶上发达国家的水平,所以应严格控制烟雾的浓度。烟尘设计浓度应满足下列要求:

(1)采用显色指数33≤Ra≤60、相关色温2000～3000K 的钠光源等光源时,烟尘设计浓度K 应按表5.2-6取值;采用显色指数Ra≥65,相关色温3300～6000K 的荧光灯、LED灯等光源时,烟尘设计浓度K 宜按设计速度相应提高一级取值。

表5.2-6　烟尘设计浓度K

(2)当烟尘浓度达到0.012m-1时,应采取交通管制等措施。

(3)交通阻滞或双洞单向交通临时改为单洞双向交通时,洞内烟尘浓度不应大于0.012m-1。烟雾浓度检测主要采用光透过率仪。以SH-1型光透过率仪为例,它由稳压电源、投光部、受光部和自动记录仪四大部件组成。测定光路长度为100m,光透过率量程为5%～100%,精度为满量程的5%。由所检测得到的光透过率计算烟雾浓度。

烟雾浓度检测纵向的测点布置与隧道的通风方式有关,靠近进出口的测点应布置在距离洞口10m,检测各通风段的烟雾浓度值,每通风段宜检测3个以上的断面,断面间距不宜大于1000m,如检测到某一断面超标,则应向隧道进口方向增加检测断面来达到判断在何处开始超过允许浓度的目的。

(三)隧道风压检测

隧道风压是隧道通风的基本控制参量。在长大公路隧道中,通风系统往往由复杂的通风网络构成。要使风流有规律地流动,就必须调整或控制网络内各节点的风压。另外,风压还是各种通风机的一项基本性能指标,检验通风机时必须对其风压进行检测。下面介绍空气压力的基本概念和测定方法。

1.基本概念

(1)空气静压(静压强)。空气静压是气体分子间的压力或气体分子对与之相接触的固体或液体边界所施加的压力,空气的静压在各个方向上均等。空间某点空气静压的大小与该点在大气中所处的位置和人工所造成的压力有关。大气压力是地表静止空气的压力,它等于单位面积上空气柱的质量。地球为空气所包围,空气圈的厚度高达1000km。靠近地球表面的空气密度最大,距离地球表面越远,空气密度越小,不同海拔高程处空气柱的质量是不一样的。因此,对不同地区来讲,由于海拔高程、地理位置、空气温度和湿度不同,其大气压(空气静压)也不同。各地大气压力主要随海拔高程变化而变化。其变化规律见表5.2-7。

表5.2-7　不同海拔高度的大气压

在真空状态下,静压为零。

根据度量空气静压大小所选择的基准不同,空气压力有绝对压力和相对压力之分。绝对压力是以真空状态绝对零压为比较基准的静压,即以零压力为起点表示的静压,绝对静压恒为正值,记为ps。

相对压力是以当地大气压pa 为比较基准的静压,即绝对静压与大气压力之差。如果隧道中或管道中的绝对静压高于大气压力,则为正压;反之为负压。相对静压用hs 表示,随pa 变化而变化。

(2)空气动压。运动着的物体具有动能,当其运动受到阻碍时,就有压力作用在障碍物表面上,压力的大小取决于物体动能的大小。当风流受到阻碍时,同样有压力作用在障碍物上,这个力称为风流的动压,用hv 表示。动压因空气运动而产生,它恒为正值并具有方向性,作用方向与风流方向一致;在与风流平行的面上,无动压作用。如果风流中某点的风速为v(m/s),单位体积空气的质量为ρ(kg/cm2),则动压hv(Pa)可用式(5.2-10)或式(5.2-11)表示:

或

(3)全压。风流的全压即静压与动压的代数和。

2.隧道空气压力测定

(1)绝对静压的测定。通常使用水银气压计和空盒气压计测定空气绝对静压。

①水银气压计:如图5.2-4所示,它主要由一个水银盛槽与一根玻璃管组成。玻璃管上端密闭,下端插入水银盛槽中,管内上端形成绝对真空,下部充满水银。当水银盛槽中水银表面受到空气压力时,管内水银柱高度随着空气压力而变化,此管中水银面与盛槽中的水银面的高差即所测空气的绝对静压。

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图5.2-4　水银气压计

1—水银柱面;2—尖端;3—水银柱;4—旋钮;5—皮囊;6—测微游标旋钮

②空盒气压计:如图5.2-5所示,它主要由一个被抽成真空的皱纹状金属空盒与连接在盒上带指针的传动机构组成。

图5.2-5　空盒气压计

(a)外形;(b)结构示意1—金属盒;2—弹簧;3—传动机构;4—指针;5—刻度盘;6—链条;7—弹簧丝;8—固定支点

空盒气压计又称为无液气压计,其测压原理是:由于盒内抽成真空(实际上还有小量余压),故当大气压作用于盒面上时,盒面被压缩,并带动传动杠杆使指针转动,根据转动的幅度可读得大气压力数值。

空盒气压计是一种携带式仪表,一般用在非固定地点概略地测定大气压力数值。使用前必须经水银气压计校定;测量时将盒面水平放置在被测地点,停留10～20min待指针稳定后再读数;读数时视线应该垂直于盒面。

(2)相对静压的测定。通常使用U 形压差计、单管倾斜压差计或补偿式微压计与皮托管配合测定风流的静压、动压和全压。

U形压差计也称为U 形水柱计,有垂直和倾斜两种类型,如图5.2-6所示。它们都是由一个内径相同,装有蒸馏水或酒精的U 形玻璃管与刻度尺所组成的。

图5.2-6　U形压差计

(a)垂直型;(b)倾斜型1—U形玻璃管;2—刻度尺;3—蒸馏水或酒精

U 形压差计的测压原理:U 形玻璃管两侧液面承受相同的压力时,液面处于同一水平面;当两侧液面承受不同的压力时,压力大的一侧液面下降,另一侧液面上升。对垂直U形水柱计来说,两水面的高差即两侧压力差。对倾斜U 形压差计,则要考虑实际的高差。垂直U 形压差计精度低,多用于测量较大的压差。倾斜U 形压差计测量精度比垂直U 形压差计高。

补偿式微压计:如图5.2-7所示,它由盛水容器A 和B以胶管连通而成。容器B固定不动,B中装有水准头。容器A可以上下移动。

图5.2-7　补偿式微压计

A、B—盛水容器;1—微调盘;2—刻度尺;3—螺杆;4—胶管接头“-”;5—连通胶管;6—底座螺钉;7—水准头;8—调节螺母;9—胶管接头“+”;10—密封螺钉;11—反光镜;12—水准泡

补偿式微压计的测压原理:较大的压力p1 连到“+”接头与B相通,小压力p2 连到“-”接头与A相通,B中水面下降,水准头露出,同时A 内液面上升。测定时,旋转螺杆若提高容器A,则B中水面上升,直至B中水面回到水准头所在水平位置,即通过提高容器A的位置,用水柱高度来平衡(补偿)压力差造成的B中水面下降,使它恢复到原来的位置。此时,A内液面上升的高度恰好是压力差p1-p2 造成的水柱高度H。

为使H 测量准确,仪器上装有微调与水准观察装置。微调装置由刻有200等分的微调盘构成,将它左右转动一圈,螺杆将带动A 上下移动2mm,其精度能读到0.01mm 水柱(mmH2O)。水准观察装置是根据光学原理使水准头形成倒像,当水准头的尖端和像的尖端恰好接触时,说明B中水面已经达到要求的位置。

图5.2-8　皮托管

1—内管;2—外管;3—侧孔;4—前孔

使用补偿式微压计时,要整平对零;使B中水准头和像的尖端恰好相接,并注意大小两个压力不能错接,最后在刻度尺和微调盘上读出所测压力差。

皮托管:它是接收和传递压力的工具,与压差计相配合使用。如图5.2-8所示,皮托管由两根金属小圆管1和2构成。内管1和外管2同心套结成一整体,但互不相通。内管前开一小孔4与标有“+”的脚管相通,孔4正对风流,内管就能接收测点的全压。外管前端不通,在前端不远处的管壁上开有4～6个小孔,孔3与标有“-”的脚管相通,当孔4正对风流时,外管孔3与风流垂直不受动压作用,只能接收静压。

3.风流的全压、静压、动压的相互关系及其在水柱上的显示

(1)压入式通风:如图5.2-9所示,风流的绝对压力高于大气压力,风流的相对压力为“+”。若用ps 表示绝对静压,pt表示绝对全压,ht表示相对全压,则由图5.2-9(b)可得:

图5.2-9　排风式通风压力关系示意

(2)抽出式通风:风流的绝对压力低于大气压力,风流的相对压力为“-”。水柱计读数等于相对压力的绝对值。

(四)隧道风速检测

在我国已建成的设有机械通风的公路隧道中,绝大部分都采用射流风机纵向通风。在这种通风方式下,风流速度既不能过小,也不能过大。风速过小,则不足以稀释排出隧道内的车辆废气;风速过大,则会使隧道内尘土飞扬,使行人感到不适。因此,我国《公路隧道通风设计细则》(JTG/TD70/2—02—2014)规定:单向交通隧道风速不宜大于10m/s,特殊情况可取12 m/s;双向交通隧道风速不应大于8 m/s;人车混用隧道风速不应大于7m/s。

1.隧道风流的速度分布及平均风速

空气在隧道及管道中流动时,由于与流道壁面摩擦及空气的黏性,所以同一横断面上各点风流的速度是不相同的。

紊流风流在靠近边壁处有一层很薄的层流边层,该层流边层的厚度很小,而且雷诺数越大,其厚度越小。在此层内,流体质点沿近乎平行于管壁的弯曲轨迹运动。层流边层内,空气流动的速度叫作边界风速,以v0表示,如图5.2-10所示。在层流边层以外,即流道横断面的绝大部分,充满着紊流风流,其速度大于边界风流,并从壁面向轴心方向逐渐增大。如果将大于边界风速那部分称为紊流风速,并以U 表示,则流道横断面上任一点的风速v1 就等于边界风速与紊流风速之和,即

则断面上平均风速为

图5.2-10　隧道中风流速度分布图

或

式中 v1——断面上一点的风速(m/s);

dA——断面上的微元面积;

A——流道的横断面面积(m2);

Q——通过流道横断面的风量(m3/s)。

在圆形截面的直线管道风流中,最高风速出现在截面轴心处;但在隧道或非圆截面的管道中,流道的曲直程度、断面形状及大小均有变化,最高风速不一定出现在截面轴线上,同一断面上的流速分布也可能随时间变化。因此,确定断面的平均风速时,必须先测各点的风速,然后计算其平均值。各种技术规范与规程对风速的有关规定都是对断面的平均风速而言的。

2.隧道风速检测

(1)用风表检测。常用的风表有杯式和翼式两种,如图5.2-11所示。

杯式风表适用于检测大于10 m/s的高风速;翼式风表适用于检测0.5～10m/s的中等风速,具有高灵敏度的翼式风表也可以用于检测0.1～0.5m/s的低风速。

杯式和翼式风表内部结构相似,由一套特殊的钟表传动机构、指针和叶轮组成。杯式的叶轮是4个杯状铝勺,翼式的叶轮则是8张铝片。另外,风表上有一个启动和停止指针转动的小杆,打开时指针随叶轮转动,关闭时叶轮虽转动但指针不动。某些风表还有回零装置,以便从零开始计量风速。

检测时,先回零,待叶轮转动稳定后打开开关,则指针随着转动,同时记录时间。经过1～2min后,关闭开关。检测完成后,根据记录的指针读数和指针转动时间,算出风表指示风速,再用如图5.2-12所示的校正曲线换算成真实风速。风表可以测一点的风速,也可以测隧道的平均风速。

用风表检测隧道断面的平均风速时,测风员应该使风表正对风流,在所测隧道断面上按一定的路线均匀移动风表。通常所采用的线路如图5.2-13所示。

图5.2-11　风表

(a)杯式风表;(b)翼式风表

图5.2-12　风表校正曲线

图5.2-13　用风表检测断面平均风速的线路

根据测风员与风流方向的相对位置,可分为迎面法和侧面法两种测风方法。

①迎面法:测风员面向风流站立,手持风表,手臂向正前方伸直,然后按一定的线路使风表均匀移动。由于人体位于风表的正后方,人体的正面阻力减低流经风表的流速,因此,用该法测得的风速1vs 需经校正后才是真实风速v,v=1.14vs。

②侧面法:测风员背向隧道壁站立,手持风表,手臂向风流垂直方向伸直,然后按一定的线路使风表均匀移动。使用此法时,人体与风表在同一断面内,造成流经风表的流速增加。如果测得风速为vs,则实际风速为

式中 S——所测隧道的断面面积(m2);

0.4——人体占据隧道的断面面积(m2)。

(2)用热电式风速仪和皮托管与压差计检测。热电式风速仪可分为热线和热球式两种,其原理相同。以QDF型热球式风速仪为例,该仪器由热球式探头、电表和运算放大器组成。在测杆的端部有一个直径为0.8mm 的玻璃球,球内绕有加热玻璃球用的镍铬丝线圈和两个串联的热电偶,热电偶的冷端连接在磷铜质的支柱上直接暴露在风流中。当一定大小的电流通过加热线圈后,玻璃球的温度上升,则热电势小;反之热电势大。热电势再经运算放大器后就可以在电表上指示出来,校正后的电表读数即风流的真实速度。热电式风速仪操作比较简便,但现有的热电式风速仪易于损坏,灰尘和温度对它有一定的影响,有待进一步改进,以便广泛使用。皮托管和压差计可用于通风机风筒内高风速的测定,它是通过测量测点的动压,然后按式(5.2-17)换算出测点风速v1:

式中 Hv——测点的动压(Pa);

g——重力加速度(9.8m/s2);

γ——测点周围空气重度(N/m3);

ρ——空气密度(kg/m3)。

皮托管与精度为0.1Pa的压差计配合使用,在测定1.5m/s以上的风速时,其误差不超过±5%;当风速过低或压差计精度不够时,误差比较大。热电式风速仪和皮托管与压差计都不能连续累计断面内各点的风速(对后者来说是动压),只能孤立地测定某点风速(动压)。因此,用这类仪器测定隧道或管道的平均风速时,应该将隧道断面划分成若干个面积大致相等的小块(图5.2-14),再逐块在其中心测量各点的风速v1,v2,…,vn。最后取平均值得平均风速v,即

图5.2-14　隧道断面划分的等面积小格

式中 N——划分的等面积小块数。

圆形风筒的横断面应划分成若干个等面积的同心圆环(图5.2-15),每一个等面积圆环里相应地有一个检测圆。用皮托管和压差计测定时,在互相垂直的两个直径上,可以测得每个检测圆的4个动压值,由这一系列的动压值可计算出风筒全断面的平均风速。

图5.2-15　圆形风筒划分的等面积同心部分

1—风筒壁;2—等面积同心部分界线:3—检测圆

检测圆的数量N,根据被测风筒的直径确定。一般直径为30～60cm 时N 取3,直径为70～100cm时N 取4。

由于运营隧道按上述方法现场检测隧道断面风速非常困难,耗时较长,现场条件和交通管制的限制可以改进隧道断面风速的现场检测方法。

借助重庆交通科研设计院的大比例尺的模型试验的研究成果可简化隧道断面风速的现场检测方法。正常工况下,隧道中的通风气流可看作不可压缩黏性流体的等温流动,公路隧道内的通风工况可看作定常流动,对于沿隧道纵向的空气运动,其气流一般属于充分发展的紊流,对紊流流态,如隧道断面几何尺寸相似,则流速分布亦相似。试验取气流稳定区域的某一风管断面,测量该断面内各个点的风速,实验中在某一断面均匀布置5个观测孔,测试仪可以沿孔轴面移动,共计测试15个点来计算平均风速点。

模型试验研究表明,满足充分紊流特征的空气流动,其气流的边界层很薄,绝大多数区域速度相同,实验结果的平均值与隧道断面重心点的风速值很接近,可以固定此点的测试值代表隧道断面的平均风速。隧道纵向的测点布置与隧道的通风方式有关,测点布置应远离射流风机60m 以上,检测各通风段的风速值,每通风段宜检测3个以上的断面。