城市地下浅埋管沟可燃气体爆...)_影响因素分析及后果评估_杨石刚.pdf

DOI：10.11883/bzycj-2021-0503城市地下浅埋管沟可燃气体爆炸的灾害效应（）：影响因素分析及后果评估*杨石刚1，蔡炯炜1,2，杨亚1，孙文盛1，门敬敏1（1.陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，江苏南京210007；2.73021 部队，浙江杭州310012）摘要：为系统地评估城市地下浅埋管沟可燃气体爆炸的灾害后果，利用 FLACS 软件模拟得到了可燃气体的爆炸荷载，并分析了该灾害对建筑物破坏和人员伤害的危险距离及影响因素。结果表明：当点火位置靠近管沟中间位置时，超压峰值和危险距离较大；泄爆口的大小对危险距离的影响不大，而对离泄爆口较近处的超压峰值影响较大；气云长度越长，超压峰值和危险距离也越大，但增幅逐渐减小直至不变；管沟的横截面面积越大，超压峰值和危险距离也越大；为避免造成严重的灾害后果，高耸建筑物和密集人群应远离泄爆口。关键词：城市地下浅埋管沟；可燃气体；爆炸冲击波；危险距离；超压峰值；气云长度；后果评估中图分类号：O382国标学科代码：13035文献标志码：ADisaster effects of combustible gas explosion in an urbanshallow-buried pipe trench():influencing factoranalysis and consequence evaluationYANGShigang1,CAIJiongwei1,2,YANGYa1,SUNWensheng1,MENJingmin1(1.State Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation of Explosion and Impact,Army Engineering University of PLA,Nanjing 210007,Jiangsu,China;2.73021 Troop of PLA,Hangzhou 310012,Zhejiang,China)Abstract:Gasexplosionaccidentsoccurringinurbanshallowly-buriedpipetrenchescancauseenormouscasualtiesandpropertydamagethroughshockwavestransmittingfromexplosionvents,whilemanyinfluencingfactorsexistintheprocessofgasexplosion.Inordertoevaluatethedisasterconsequencesofcombustiblegasexplosioninanurbanshallow-buriedpipetrenchsystematically,thedifferentconditionswereestablishedincludingdifferentignitionpoints,differentventsizes,differentgascloudlengthsanddifferenttrenchcross-sectionalareas.ThecomputationalfluiddynamicssoftwareFLACSwasusedtoperformnumericalsimulation.AndtheexplosionloadofthecombustiblegaswasobtainedintheX,Y,andZdirections.Thecharacteristicsoftheexplosionoverpressurepeakdistributionwereanalyzed,andtheloadgenerationmechanismwasillustratedbyanalyzingtheexplosionprocess.Theoverpressurecriteriawereselectedtodemarcatethedangerousdistancesand the critical distances for damage to buildings and humans were determined.The mild,moderate,severe dangerousdistances for building damage and personal injury were recorded and the influences of different factors on the changeofthedangerousdistanceswereanalyzed.Theresultsshowthatwhentheignitionpositionisclosertothemiddleofthe*收稿日期：2021-12-08；修回日期：2022-09-18 基金项目：国家重点研发计划（2020YFB2103300）；江苏省自然科学基金优秀青年基金（BK20180081）第一作者：杨石刚（1985），男，博士，副教授， 通信作者：蔡炯炜（1994），男，硕士研究生，第43卷第1期爆炸与冲击Vol.43,No.12023年1月EXPLOSIONANDSHOCKWAVESJan.,2023015401-1pipetrench,theoverpressurepeakisgreaterandthedangerousdistanceislarger.Thechangeoftheventsizeshasalittleeffectonthefluctuationrangeofthedangerousdistance,buthasagreateffectontheoverpressurepeaknearthevent.Thelongerthegascloudlength,thegreatertheoverpressurepeakandthelargerthedangerousdistance,buttheincreasedecreasesgraduallyuntilitremainsunchanged.Thelargerthecross-sectionalareaofthepipetrench,thegreatertheoverpressurepeakand the larger the dangerous distance.When the cross-sectional area of the pipe trench increases,the gas cloud volumeparticipatinginthecombustionreactioninthepipetrenchalsoincreases,whichintensifiesthereactiondegreeofthegasexplosion.Inordertoavoidseriousdisasterconsequences,high-risebuildingsanddensecrowdshouldbefarawayfromtheexplosionvent.Keywords:urbanshallow-buriedpipetrench;gasexplosion;explosionload;dangerousdistance;overpressurepeak;gascloudlength;consequenceassessment近年来，随着产业升级的不断深入，我国对天然气的需求量在稳步提高，天然气在我国能源系统中的主体地位也得到了稳固。然而天然气作为一种可燃气体，无论是工业生产还是日常使用极易发生泄漏，当遇到合适的点火源时，会发生严重的爆炸事故。如 2021 年 6 月，湖北十堰的一条煤气管道被腐蚀，导致煤气泄漏发生爆炸，事故造成了 25 人死亡，138 人受伤。2020 年 6 月，浙江温岭的一辆油罐车阀门遭到严重的侧撞，导致可燃气体泄漏发生爆炸，事故造成了 20 人死亡，172 人受伤。而当泄漏的可燃气体进入到城市地下浅埋管沟中积聚爆炸时，会造成更严重的灾害后果，如 2013 年 11 月山东青岛的排水暗渠可燃气体爆炸，2014 年 7 月台湾高雄的地下管沟可燃气体爆炸。由于爆炸事故会造成严重的人员伤亡和财产损伤，也会给社会带来极其恶劣的影响，因此对城市地下浅埋管沟可燃气体爆炸灾害后果进行分析和评估具有重要意义。目前，对于爆炸灾害的后果评估，运用最多的是超压准则，超压准则认为超压值的大小是评估人员和建筑物是否受到伤害和破坏的唯一评判标准，当冲击波超压超过某一阈值时，会对目标造成一定的伤害1-4。而在某些情况下，超压峰值往往并不是很大，但是由于超压作用时间较长，也会造成较严重的影响，目前美国国防部在统一设施标准5中根据冲量准则给出了人员的伤害标准。超压-冲量准则综合考虑了目标性质、破坏等级、冲击波超压和冲量这 4 个参数作为参考值，认为对目标的灾害效应评估应该综合考虑超压和冲量，只有当两者的组合达到某一临界值时才会对目标造成相应的伤害，不少学者也得到了一些研究成果6-11。此外，李峰12结合了超压准则和超压-冲量准则，首次提出了人体伤害当量的概念，用于预测地下交通爆炸对人员的伤害，并针对隧道内发生爆炸的场景给出了人员伤亡的分布区域。也有一些学者13-15利用概率方程，即根据不同的伤害类型，利用超压和冲量的组合得到伤害百分比，实现了对冲击波灾害效应的定量评估，以此可以确定冲击波对目标的伤害等级及危险距离。另外，Assael 等2列出了人员的鼓膜破裂、肺出血、头部及全身撞击死亡的概率方程，Aloson 等16则将概率方程应用到特征曲线中。目前，关于城市地下浅埋管沟可燃气体爆炸的灾害后果评估尚未见有公开报道，现有的灾害后果评估研究成果主要是借鉴固体炸药爆炸事故，对城市地下浅埋管沟可燃气体爆炸的适用性不强，功能性也不完善，需要进行更具体和深入地研究。本文中，利用计算流体动力学软件 FLACS，对城市地下浅埋管沟可燃气体爆炸荷载进行数值模拟，选用超压准则评估传播到地面的爆炸冲击波对建筑物破坏和人员伤害的危险距离，并对影响荷载分布和危险距离的因素进行分析，以期为建筑物的安全设计以及爆炸事故的灾害预防提供一定参考。1 管沟可燃气体爆炸荷载数值模拟1.1 模拟工况设置管沟的数值模型如图 1 所示，其中 L 为泄爆口之间的距离，l 为气云的长度，D 为正方形泄爆口的边第43卷杨石刚，等：城市地下浅埋管沟可燃气体爆炸的灾害效应（）：影响因素分析及后果评估第1期015401-2长。分别考虑点火点位置、泄爆口大小、气云长度和管沟横截面面积这 4 个因素的影响，工况记录如表 1 所示。工况 14 分别表示点火点位于管沟内部(4/8)L、(5/8)L、(6/8)L、(7/8)L 处，用以研究点火位置对危险距离的影响。在实际管沟中，雨水井是日常检修预留的孔口，将工况 1、5 和 6 的泄爆口边长 D 分别设置为1.0、0.8和 0.6m，研究泄爆口大小对危险距离的影响。气体爆炸的强度与气体量的大小紧密相关，工况 1、710 分别表示气云长度 l 为 90、60、40、20 和 10m 的可燃气体爆炸，研究气云长度对危险距离的影响。参照相关规范17，将工况 1、11 和 12 分别表示管沟横截面面积为 1、2 和 3m2的可燃气体爆炸，研究管沟横截面面积对危险距离的影响。1.2 影响因素分析由已有研究结果可知，管沟内可燃气体爆炸冲击波通过泄爆口传播到地面的过程可分为稳定段、超压峰值 p1段、超压峰值 p2段18。由于超压峰值 p1较小，对地面的影响较有限，而超压峰值 p2大、危险性高，因此本节仅选取超压峰值 p2作为研究内容，在空气域中沿 X、Y、Z 方向上布置的测点作为研究对象，用于记录超压峰值 p2的变化，分析其影响因素。1.2.1点火位置的影响图 2(a)和(b)分别为在不同