地下厂房火灾烟气演化与疏散动力学：喷淋干预和出口阻塞耦合下的消防安全裕度评估

《Fire》：Smoke Evolution and Evacuation Dynamics in an Underground Powerhouse: Fire Safety Margin Evaluation Coupled with Sprinkler Intervention and Exit Blockage

　　

为应对大型抽水蓄能电站地下厂房中火灾烟气演化与人员疏散定量耦合的难题，研究人员采用PyroSim构建火灾动力学全尺寸三维数值模型，采用Pathfinder构建疏散行为模型。构建了融合火灾热释放率（HRR）、喷淋干预、疏散通道阻塞和人员载荷的多因素耦合ASET–RSET安全裕度矩阵。结果表明，在4.5 m特征危险高度处能见度持续降至10 m以下是决定可用安全疏散时间（ASET）的控制性判据。在10 MW火灾且无喷淋条件下，ASET为343.0 s，而启动喷淋系统可有效抑制烟气并降低温度，将ASET延长至380.9 s。在两个出口均未阻塞的情况下，基线130人的必需疏散时间（RSET）为303 s，当人员规模增至250人时仅略微增至304 s，从而在所有工况下均保持正安全裕度。相反，单侧通道阻塞会引发显著的瓶颈转移。具体而言，主交通隧道阻塞对人员规模扩大表现出急性敏感性：250人时RSET激增至441.8 s，导致严重的安全裕度赤字，即使采用喷淋干预也无法完全弥补。据此，研究人员识别出两类不同的风险边界——管理敏感型与结构约束型。提出了以"分层分区、横向优先、就近上行疏散"为特征的最优疏散路径方案，并配套"源头控制延迟ASET与容量扩展降低RSET"的二维协同防控策略。该研究为深埋地下厂房基于性能的消防设计和应急管理提供了定量支撑。

**研究背景与问题提出**

抽水蓄能电站是高比例可再生能源电力系统中的关键调节设施，其核心机电设备和运行人员集中于深埋地下厂房内。与地面工业建筑相比，抽水蓄能电站地下厂房具有空间体量大、垂直高差显著、洞室群多点互联、对外疏散通道有限等特点。一旦发生电气、电缆或油系统火灾，烟气可沿主厂房、主变洞、母线隧道及交通/安全隧道快速传播，与人员疏散形成显著的时空耦合。人员能否安全疏散在很大程度上取决于火灾烟气的输运与分布，因此阐明地下空间烟气行为的基本机制至关重要。已有大量地下空间火灾研究在临界风速、强迫羽流、大空间烟气分层和开口卷吸等方面建立了较完善的理论基础，揭示了几何尺寸、热释放率（HRR）、边界条件和通风方式共同控制烟层形成、回层长度和烟气下降。此外，水喷淋系统不仅降低火灾热释放率和烟气温度，还改变烟气流动模式与空间分布。近年来，抽水蓄能电站通风安全隧道全尺寸试验、洞室群数值模拟及大型水电站独特地下结构研究均表明，火源位置、洞室连通性和通风条件显著改变烟气传播与温度分布。Hu等针对抽水蓄能电站洞室群建立了全尺寸数值模型，评估了互联洞室间的烟气传播路径，指出主厂房起火风险相对较高，烟气在7 min后经电缆隧道和交通隧道建立主要传输路径。Beyer等在隧道临界风速估算方法综述中指出，基于Froude数的模型和量纲分析仍是评估通风排烟性能的主要理论工具，但现有模型主要适用于单一隧道几何，对多洞室互联结构的适用性尚需进一步验证。然而，多数已有研究或聚焦施工期自然通风下的烟气扩散，或关注单一孤立洞室的排烟有效性，抽水蓄能电站主厂房在水喷淋作用下的烟气演化动力学尚未被系统揭示，难以为此类设施的喷淋控烟设计提供直接依据。与此同时，火灾危险与人员行为耦合作用下的疏散研究对保障安全出口至关重要。大规模地下空间、地下商业街和超长铁路隧道中的烟气—疏散耦合分析表明，出口布局、路径长度、人群规模和局部拥堵显著影响疏散时间。零能见度试验进一步表明，浓烟降低行走效率并阻碍出口识别与路径选择。疏散模拟已从基本的清空时间比较扩展到生存性评估、空间风险评估和疏散可靠性分析。近年来，水电站地下厂房人员疏散研究逐步涌现。Xu等以安徽某抽水蓄能电站为对象，确定了桥机轨道和发电机层人员的可用安全疏散时间与必需疏散时间。Sun等探讨了机械排烟对水电站地下厂房人员疏散的影响，识别出烟层高度是控制安全疏散的关键因素，机械通风可将疏散控制时间延长约54%。Taufiqqurrahman和Sudiarno采用控制变量隔离方法对比了地下与地面厂房的疏散，发现地下结构上行疏散明显较慢，必需疏散时间比地面设施长60.7%，同时观察到Braess悖论现象，即阻塞主楼梯反而使总疏散时间缩短4.5%。然而，上述研究多基于孤立火灾场景或固定人员数量，忽视了出口阻塞与喷淋干预的复合后果。综上，已有研究系统揭示了复杂地下空间烟气传播与人员疏散规律，但针对抽水蓄能电站地下厂房，同时考虑变化火灾热释放率、喷淋干预、单侧出口阻塞和人员载荷波动等多重不利条件的综合耦合评估仍然匮乏。为此，本研究以代表性六机组抽水蓄能电站地下厂房为对象，基于烟气蔓延机制优化机组火灾时的疏散路径，构建耦合火灾热释放率、喷淋效率、出口运行状态和人员载荷的多因素安全裕度矩阵，并提出分层分区疏散路径方案与二维协同防控策略，为深埋地下厂房基于性能的消防设计和应急管理提供定量依据与优化策略。

**关键技术方法**

研究人员基于代表性六机组抽水蓄能电站设计参数，采用PyroSim构建全尺寸三维火灾动力学模型，采用Pathfinder（基于Steering模式的连续空间模型）构建多层厂房疏散模型。采用1.0 m全局基线网格，通过特征火灾直径D*分析论证网格适用性；通过纵向切片（X = 32 m、Y = 60 m）和水平切片（Z = 1.6 m呼吸区高度、Z = 4.5 m特征危险烟高）提取数值数据。设置2、4、6、8、10 MW五级火灾热释放率（依据GB 51251-2017工业场所设计火灾值），喷淋系统设定为点火后60 s启动，纳入主交通隧道或通风安全隧道单侧失效工况，人员载荷从正常运行的130人阶梯式增至检修高峰期的250人。疏散模型人员性别比9:1，身高和肩宽依据GB/T 10000-2023赋值，自由行走速度1.0～1.5 m s^?1，探测与预动作时间依据GB/T 31593.9-2015。以"能见度<10 m"持续出现时刻作为ASET控制判据，通过V = 3/(K_mC_s)（K_m = 8700 m² kg^?1）由碳烟质量浓度换算能见度，定义安全裕度M = ASET ? RSET。

**研究结果**

**3.1 烟气时空扩散动力学与ASET量化**：主厂房典型受限空间内，高温烟气在热浮力驱动、拱顶约束和环境冷空气强烈卷吸耦合作用下呈现四阶段演化：热羽流阶段（t₁ = 10.2 s羽流撞击天花板）、顶棚射流阶段（t₂ = 90.2 s扩展至端墙）、负浮力壁面射流阶段（t₃ = 118.1 s减速停滞并形成涡回流）、水平扩散与准稳态分层阶段（t₄ = 306.4 s建立稳定双层层结结构）。HRR从2 MW增至10 MW时，t₁至t₄分别缩短至6.5、58.4、71.8和215.2 s，前三个阶段呈边际收益递减趋势，而t₄仍提前91.2 s（降幅29.8%），表明早期烟气运动主要受羽流初始热浮力动量控制，中后期全室烟层下降则由累积产烟量与洞室体积填充效应决定。4.5 m特征高度处，10 MW极端工况下峰值温度仅25.95 °C，CO₂和CO峰值摩尔分数分别限于6.35 × 10^?4 mol/mol和2 × 10^?5 mol/mol，远低于生命安全临界阈值；而碳烟遮蔽导致的能见度下降呈现明显前兆行为，确立能见度为ASET决定因素。无喷淋时2 MW在600 s内未形成持续性危险区，4、6、8、10 MW的ASET分别为513.7、414.2、380.4和343.0 s，随火功率单调下降。喷淋启动后，2、6、10 MW工况下发电机层关键区域平均温度分别从88.05、193.48、299.99 °C降至66.15、126.78、217.98 °C，绝对降温21.90、66.70、82.01 °C，相对降温比24.9%～34.5%；4、6、8、10 MW的ASET分别延长至600.0、487.3、384.8和380.9 s，6 MW工况ASET延长最显著达17.6%，10 MW极端工况下仍提供37.9 s附加安全裕度。喷淋带来的ASET增益与HRR呈非单调关系，源于液滴蒸发冷却、湍流羽流动态扰动与产烟下降输运动力学间的多物理场耦合。

**3.2 多场景人员疏散行为特征与RSET演化动力学**：双出口可用、130人基线场景下，人员预动作结束后自发分流至主交通隧道和通风安全隧道，实际物理移动时长203 s，总RSET为303 s，低于10 MW无喷淋极端工况ASET = 343.0 s，保持40.0 s正安全裕度；人员增至210人时RSET微增至304 s，增至250人时总疏散时间稳定在约304 s，表明双出口分流机制配合现有通道有效物理宽度足以容纳附加人流，疏散进程主要受几何最长路径个体行走时间控制而非人群密度扩张引发的持续瓶颈约束。主交通隧道侧阻塞时，原有对称双向分流模式退化为长跨度单向绕行叠加瓶颈排队汇合，130人基线RSET激增至385.5 s（较双出口基线延长82.5 s），250人时达441.8 s，在210～250人高密度区间对人员载荷呈显著非线性敏感性。通风安全隧道阻塞时，130人基线RSET为369.5 s，250人时仅微增至370.8 s，对人员载荷扩展呈明显不敏感性，控制机制为单一极端物理路径通行时间而非出口瓶颈持续排队拥堵；但即使基线RSET = 369.5 s也已超过10 MW无喷淋ASET = 343.0 s，安全裕度为负，判定为不安全场景。上述结果证实地下厂房疏散风险并非人员数量的简单线性叠加，而是人员载荷与路径冗余度之间的耦合。

**3.3 多因素耦合下ASET–RSET安全裕度与风险分类**：双出口畅通条件下所有模拟场景安全裕度均为正，10 MW无喷淋极端工况下130～250人对应M收窄至40.0～39.0 s，喷淋介入后同等HRR下M增至77.9～76.9 s，130人基线从40.0 s跃升至77.9 s（提升94.8%）。通风安全隧道阻塞场景下，8 MW时系统仍保持正安全裕度，10 MW无喷淋时130～250人M全部转负（?26.5～?27.8 s），喷淋将ASET延长至380.9 s后M回升至11.4～10.1 s。主交通隧道功能失效为所有工况中最不利场景：无喷淋时6 MW起负裕度开始蔓延，10 MW时130～250人恶化至?42.5～?98.8 s；喷淋虽将赤字收窄至?4.6～?60.9 s，但10 MW下整个人员梯度均未能转正，170人时无喷淋10 MW赤字（?78.0 s）已超过响应链可实际恢复的65 s，250人时达?98.8 s，超过40 s探测与60 s预动作预算之和。基于可恢复裕度ΔM_rec = 40 + 60 ? 35 = 65 s，将场景分为三类：（i）M ≥ 0安全类，无需干预；（ii）?65 s ≤ M < 0管理敏感类，赤字处于可恢复响应预算内，可通过压缩探测与预动作时间闭合；（iii）M < ?65 s结构约束类，赤字超出响应链能力，需喷淋抑制、源头人数限制或路径冗余恢复。该分类直接支撑三项应用：应急预案按类别确定干预措施；人数管理确定上限及降额（常规双出口值勤230人、无法取得喷淋信用时150人）；设计层面判别ASET控制区与RSET控制区的主导杠杆。

**3.4 地下厂房最优疏散路径规划与二维防控策略**：基于Pathfinder的A*算法耦合路径平滑机制动态评估物理距离与排队阻抗综合通行成本，针对主厂房纵向超长跨度、竖向多层立体连通和仅依赖两端平硐对外联系的空间结构特征，提出"分层分区、双侧优先、就近上行、规避中部拥堵"的优化疏散策略：双出口完好时，蜗壳层以3号与4号机组分界为对称界面，左侧人员经1、2号机组楼梯间撤往交通隧道，右侧人员汇入副厂房，水轮机层和母线层利用相邻机组楼梯间就近垂直转移，发电机层人员双向分赴交通隧道和通风安全隧道，有效防止中部区域跨区人流冲突。任一安全出口阻塞时，疏散组织逻辑从标准就近分流自适应切换为向唯一剩余出口的定向协同转移，优先就近垂直上行，严禁在中部主通道反复折返或犹豫变向，沿活动通道侧建立统一单向清空。防控体系沿两个互补时间维度协同实施：一是通过优化喷淋喷嘴拓扑配置与启动响应性、选用低产烟低毒电缆绝缘材料、执行源HRR阈值限制与局部防火分隔，主动延长ASET；二是通过多传感器融合与智能分区探测压缩40 s探测和60 s预动作延迟、保障双隧道常规可用性、安装动态自适应疏散标识、定期开展单隧道阻塞演练、设定230人常规值勤上限（无法取得喷淋信用时150人）并动态降额，系统降低RSET。

**讨论与结论**

研究人员围绕代表性六机组抽水蓄能电站地下厂房，采用PyroSim建立全尺寸火灾烟气输运三维数值模型、采用Pathfinder建立人员疏散动力学模型，系统研究了不同热释放率、自动喷淋干预、人员载荷规模和安全出口可用状态下的烟气扩散规律与疏散瓶颈演化机制，基于ASET–RSET时间耦合分析框架构建安全裕度矩阵，提出分层分区最优疏散路径方案及"源头控制延迟ASET与容量扩展降低RSET"二维协同防控策略。主要结论：（1）主厂房火灾烟气呈现垂直热羽流上升、拱顶径向顶棚射流扩展、侧壁负浮力射流受阻下降与浮力减速、全室双向回流混合伴随水平扩散分层的典型动态演化；HRR从2 MW增至10 MW时t₁从10.2 s缩短至6.5 s，t₄从306.4 s大幅提前至215.2 s，体现显著体积填充效应；4.5 m临界耐受高度处即使10 MW极端工况下温度和有毒CO、CO₂累积远滞后于生命安全阈值，但光学能见度率先降至10 m阈值以下，决定无喷淋ASET为343.0 s，大洞室体积稀释了热威胁和毒威胁，但沉降碳烟的视觉障碍仍是ASET的控制性指标。（2）点火后60 s启动喷淋通过液滴蒸发相变吸热产生显著热汇效应，削弱羽流上升浮力动量，2、6、10 MW工况下发电机层关键区域平均绝对降温达21.90、66.70、82.01 °C，相对降温24.9%～34.5%；喷淋有效延缓低能见度烟层向架设场侧疏散通道的下降侵入，4、6、8、10 MW下ASET分别延长至600.0、487.3、384.8和380.9 s，10 MW极端工况下获得37.9 s关键安全缓冲；喷淋ASET增益随HRR呈非单调非线性变化，地下厂房消防系统性能评估不应局限于孤立温降幅度，亟需采用综合安全裕度M = ASET ? RSET作为总体评价准则。（3）130人基线下双通道畅通时RSET为303 s，增至250人仅微增至304 s，疏散过程主要受几何最远物理路径行走时间控制；单侧通道阻塞导致对称人流分流机制崩溃：通风安全隧道阻塞使RSET增至369.5～370.8 s，对人员增长不敏感；主交通隧道阻塞对人员规模高度敏感，130人时RSET升至385.5 s，250人高载荷下因强制长距离绕行和门洞楼梯间严重排队瓶颈激增至441.8 s，表明主交通隧道是承载大量疏散交通的主要瓶颈走廊，其物理失效会诱发级联运动死锁风险。（4）基于ASET–RSET耦合框架构建的安全裕度矩阵清晰划分风险分类边界：双出口畅通时所有场景安全裕度持续为正；单侧路径失效呈现显著风险分化特征，通风安全隧道阻塞仅在10 MW无喷淋时产生负安全裕度，喷淋启动后可完全逆转为正值，属"管理敏感型工况"，可通过压缩探测和预动作延迟解决；主交通隧道阻塞引发的负安全裕度从6 MW起蔓延，10 MW极端工况下恶化至?42.5～?98.8 s，且即使喷淋干预也无法转正，人员超过150人后赤字超过响应链可实际恢复的65 s，构成"结构约束型工况"，必须采取刚性工程干预。据此提出"分层分区、双侧优先、就近上行"最优疏散路径和"源头控制延迟ASET与容量扩展降低RSET"二维协同防控策略：在"源头控制延迟ASET"维度，依靠高效喷淋冷却和低产烟电缆从源头抑制烟气主动延长ASET；在"容量扩展降低RSET"维度，建立230人常规值勤上限（无法取得喷淋信用时150人），配合检修期间分级人数限制和动态路径引导部署，保障出口冗余并将RSET压缩至物理最小，为复杂地下洞室群消防设计从经验性单点合规向基于性能的分级防控转型提供定量支撑。