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一次偶然的机会我看到了曾经参加人防培训的人员写了一篇关于我的微博，心里有点小激动。但看完具体内容后却有点发懵。称呼我“老先生”那就算了，反正37岁在长沙当评委时已经就被人尊称过了，习以为常。但看到具体内容时，发现对人防工程的理解确实有问题。描述中的知识点总共5处，除了人防工程按功能分类之外，其他表述均不准确，甚至是完全错误。这个情况对我而言可谓是极大的打击，一直认为“人防工程基础”我讲述的还算是比较清楚的！ 我们具体看看： 哎，回头我再调整下我的授课内容，不愿意在PPT上有大段文字且追求美观的概念要在下一版本的课件中改一改。 话说正题。 前段时间，有人引荐我看了由原解放军理工大学郭春信教授发起的“人防工程百问百答”，在建筑分册第一批拟入选问答的问题中，有3个问题涉及到扩散室。 前面我也说过，扩散室的问题我也会专题说，因为小小的扩散室并不简单，说清楚很难，我也要好好做做功课。 首先，扩散室是人防工程通风口消波系统的重要组成部分，和防爆波活门一起以相对固定的组合方式来满足工程既能不间断通风、又能防冲击波的要求。它不像防护密闭门，行就行，不行就不行，比较直观，它是通过扩散作用削弱冲击波压力，使不超过对应设备的允许余压来实现防护，其效果主要跟防爆波活门类型、通风量、扩散室形状尺寸、所接风管位置等均有极大的关联。扩散室的消波效果目前还没有便捷的测定方式。 因此，为便于人员设计，《人民防空地下室设计规范（GB50038-2005）》做了相关的规定，同时设计了表格进行尺寸选择，还提供了对应的复核计算公式。
图1 HK600（5）悬板活门 图2 消波系统在口部具体位置 我们先谈一谈设计规范中相关应用的要点及问题，最后结合气流模拟来说一说扩散室的工作原理，希望对大家理解消波系统原理有所帮助。主要问题包括： 1 扩散室形状与空间尺寸 规范中阐述，扩散室应采用钢筋混凝土整体浇筑，室内平面宜采用正方形或矩形。方形比较好理解，但矩形平面有长边和短边之分，规范里没有进一步说明。若按上图所示的扩散室设计也是符合要求的，但从扩散室扩散降压效果来说，应将活门设置的墙放在扩散室矩形的短边方向为妥。 在设计过程中结合项目具体情况可能还会出现各种异形的扩散室，如平面形状是扇形或者是“L”形的。平面形状实际对扩散室的降压效果影响比较大，但目前规范中没有给出更合适的解决方案。我们一般的做法是按照规范要求的最小平面尺寸要求，绘制一个虚拟的最小平面尺寸的方形或矩形，而后将其纳入异形扩散室范围，看看超不超出结构墙界限，以此核验扩散室平面尺寸的要求，但实际情况有可能会很复杂，但好在核6常6级人防工程冲进来的余压较小。 图3 此类异形扩散室不符合平面尺寸要求 再来看看扩散室竖向尺寸，规范附录A中某核6级的人防工程扩散室高度的最小尺寸为2m（这时的活门不会过大吧？），满足这个尺寸是没有问题的，关键是很多扩散室净高是按照工程顶板底至地板表面尺寸来定，这就有可能出现问题。规范里有这么一条：扩散室室内净宽与净高之比不宜小于0.4，且不大于2.5。大于2.5的情况在人防工程设计过程中几乎不存在，谁也不愿意将扩散室做成扁形的，占地面积太大而浪费空间；但小于0.4的可能性较大，如取HK400系列的悬板活门，扩散室宽度为1.2m，当利用工程顶板作为扩散室顶板，层高3.7m，净高取3.4m，计算下来则为宽高比为0.35，小于0.4的规范取值，这种情况最好的解决方法是采用块石回填扩散室，以提高宽高比值。 2 扩散室与悬板活门的选用关系 悬板活门目前有二大类型号，标准院的MH系列和军科的HK系列，目前很多省份要求只选用HK系列的。但有一个问题，HK系列的核6级型号在《人民防空工程防护设备选用图集》中没有，而占比很高的人员掩蔽部及综合物资库均为核6级，因此，根据人防工程战时清洁式通风量标准要求，设计人员多选用HK600（5）设置于人员掩蔽工程的主体进排风口。这样做有没有问题呢？我们重点阐述下。 《人民防空工程防护设备选用图集》选用说明“防护设备选用规定”的第4条规定：“当消波系统选用较高一级抗力的悬板式防爆波活门时，其消波率应乘以0.8的折减系数。”大家似乎明白了吧，当核6级人防工程选用HK600（5）时，跟选择核5级防护密闭门不是一回事，作用在悬板活门上的设计压力值比设备预定的抗力值小，会造成悬板关闭时间加长，导致漏进去的冲击波多，要达到允许余压值，则扩散室应该扩大才能满足要求。具体落实在设计上应该怎么做呢？ 《人民防空地下室设计规范（GB50038-2005）》为方便设计人员选择对应的消波系统，提供了附录A常用扩散室内部空间最小尺寸选用表，以某防空专业队队员和二等人员掩蔽部为例，按表分别选用MH3600-3.0，扩散室（长×宽×高）为1.5×1.5×2.0（m）；选用MH8000-1.5，扩散室（长×宽×高）为1.5×1.5×2.0（m）；按表选用基本没有问题，但由于扩散室净高一般为工程顶板底至地板的高度，若将防空专业队队员掩蔽部与装备掩蔽部的标高拉齐，一般情况下扩散室净高为4.2m，bs/hs=0.357＜0.4，不符合规范3.4.7第1条的要求，需要通过回填来降低高度；人员掩蔽工程扩散室净高一般为3.4m，bs/hs=0.44＞0.4，符合要求。当我们不选用标准院系列的悬板活门，情况又是怎样的呢？那就需要进行校核验算，我们结合附录F的公式，尝试了一种验算方法，不一定准确，列出来大家一起探讨下。 依据附录F的规定，进风口、排风口的消波系统允许余压值应根据防空地下室内是否有掩蔽人员确定。当有掩蔽人员时，允许余压值可取0.03N/mm2。以某核6常6人员掩蔽工程为例，由于工程出入口所在位置有限，在满足规范3.4.7条情况下，设定扩散室实际尺寸为（长×宽×高）为1.0m×1.2m×2.5m，分别选用MH8000-1.5和HK600（5），分析扩散室内的余压是否满足有掩蔽人员时的允许余压值，下面给出二种活门相关参数。
依据规范附录F.0.3，悬板活门加扩散室系统的余压Pov，可按下列规定计算：
当作用在悬板活门上超压为0.15MPa时，消波率取0.7；选用较高一级抗力的悬板活门时，即选用HK600（5）时，其悬板活门的消波率应乘以0.8的折减系数，则消波率为0.56。 根据 对于MH8000-15，
代入得， 对于HK600（5），
代入得， 3 扩散室设计其他问题 按规范3.4.7第2条要求，当通风管由扩散室侧墙穿入时，通风管的中心线应位于距后墙的1/3扩散室净长处；当通风管由后墙穿入时，通风管端部应设置向下的弯头，并使通风管端部中心线位于距后墙面的1/3扩散室净长处。我们常规判断都知道，当冲击波进入扩散室后，后端墙体反射压力是比较大的，因此，工程在设计时应原则上是在侧墙位置接风管。
图4 扩散室侧墙接风管做法 图5 扩散室后墙接风管做法 看表1，电站、空调室外机防护室等采用风冷、热交换等系统的进排风口悬板活门所接风管直径达到了800或1000及以上的，在侧墙上寻找1/3的位置很难，多数设计者将其按照具体尺寸设置在尽可能靠后墙的位置，实际上是有问题的，我们可以通过小文后续的模拟演示可以看到。 扩散室是染毒的空间，需要战后冲洗及检修。虽然门式活门可以打开作为人员检修孔使用，但原则上应可以在人防工程本层进入，而不是通过竖井进入，图6所示的方案设计是不合理的，可以按照图7所示方式解决，在排风扩散室设置一个HFM0716(6)的检修口，可通过竖井进入排烟扩散室。当扩散室检修口与染毒区挨着则设置一道防护密闭门；当检修口与清洁区挨着则设置一道防护密闭门和一道密闭门，门框厚度要加厚至500mm。
图6 连接于物资库的移动电站， 排风排烟扩散室不方便检修
图7 连接于人员掩蔽的移动电站， 可通过排风扩散室检修口进行检修
最后一个问题是关于活门室的。在郭春信教授人防百问百答的建筑专业拟选问题中，有个问题是扩散室和活门室有什么区别？回答的结果不是特别统一。我是这样认为的：“活门室是高抗力人防工程为提高工程通风口消波系统的消波率和减小扩散室所占体积（建筑面积），设置的消波系统为活门+活门+扩散室的组合方式，为便于安装中间的活门而设置的施工和检修空间，这个空间所占位置叫活门室，活门室要求二个活门之间的间距不小于1.0m，有空间就有可能提高消波率，但相对很有限，这种组合方式主要还是通过第二道活门来进一步削弱冲击波压力而降低余压。”对于高抗力工程还会有其他的相关设备设施大多数人不是很熟悉，如出入口处的缓冲通道等。
图8 扩散室与活门室的区别
4 扩散室消波原理与模拟 我们把相关悬板活门选用和扩散室设计的一些主要内容先讲了，并不意味着消波系统就这么简单，它跟工程战时通风系统有点类似，不像出入口设置防护密闭门那样直观，到底能不能把冲击波余压值控制在允许余压范围内，保证工程内部设备及人员的安全，涉及的因素很多。因此，我们联系了我的同学东南大学张亚栋教授，帮我们做了一个冲击波入流扩散的原理性模拟，结合此次模拟略深谈一下扩散室的防护原理。 研究扩散室的消波原理，其核心目的是提高扩散室的消波效率的同时，使扩散室结构和尺寸具有较高的性价比。这次模拟的主要内容包括： （1） 冲击波进入扩散室后的传播过程描述 标准扩散室内冲击波传播过程可概括地描述为：“入口扩散-椭球状激波减弱；侧墙反射-增强回传；后墙反射-激波增强；反射碰撞-紊乱流动；持续震荡-气体压力”。其中，冲击波进入扩散室后的扩散过程是压力衰减的主要阶段。经过以上过程,扩散室内形成一个明显的压力降,从而起到消波作用。但是扩散室内各处的压力并不均匀，冲击波在墙面反射及反射波的相互碰撞使得各墙角附近区域的压力比其它位置偏大，若风管由于尺寸问题接不到1/3处位置，建议放在侧墙中心点位置。
（a）入口扩散
（b）侧墙反射
（c）后墙反射
（d）持续震荡 图9 扩散室尺寸为1.2×1.2×1.8（m）模拟情况 （2） 高度尺寸不同的相关影响分析 上述描述扩散室传播过程的模型是按照规范附录A表格中MH3600系列悬板活门及扩散室尺寸为1.2×1.2×1.8（m）所确定的。我们按照实际工程情况，平面尺寸不变，对层高3.7m，扩散室净高为3.4m做了相关模拟和对比。从图中可以看到：由于高度比长度大得多，冲击波先到达后墙并发生反射，同时以近似平面向上部传播并保持在较低的水平。随着向上传播的冲击波遇到端墙反射并向回传播，与后墙反射冲击波相遇、碰撞，使得扩散室内气流变得紊乱，形成复杂波形并激荡很多长时间，从后续的压力分析图中也可以看出。从以上过程可以看出，上部空间几乎没有参与扩散消波的第一阶段，在后期扩散、反射及振荡过程中衰减作用也非常有限，因此在设计不增加工程施工难度前提下，可以适当压缩高度。同时从图10（c）可以看出，悬板活门安装位置的高低位置对扩散室内冲击波压力分布也有比较大的影响。
（a）入口扩散
（b）后墙反射
（c）反射碰撞
（d）持续震荡 图10 扩散室尺寸为1.2×1.2×3.4（m）模拟情况 （3） 扩散室侧墙1/3处竖向压力值分析 按照规范要求，扩散室所接风管原则应设置在扩散室侧墙，且靠近端墙1/3处位置。我们对侧墙1/3处沿竖向方向平均取了13个点，看看各点压力值随时间的变化情况。
（a）侧壁1/3处取点分布 （b）各点随时间的压力情况分析 图11侧壁1/3处取点分布及各点随时间的压力情况分析 从图中可以看出：各点处的压力大小很不一致，到达最大值时间也不一致并呈现明显的震荡和多峰值特征，说明扩散室内冲击波压力变化很复杂。具体来说，点C（单元5192）处即防爆波活门中心高度处首先达到初始峰值，随后活门下方的B、A两点先后出现第一个峰值并依次减小，随后A点处由于后墙和地面反射影响，出现两次更大的峰值并成为扩散室内压力最大位置。在活门中心高度以上各点，冲击波也是依次到达，出现第一个峰值并依次减小，最终在L点与M点处趋于稳定但总体相差不大；随着上端头反射波的回传，各点出现第二个峰值也是各点最大值，大小随着远离上端头逐渐减小。其中，G、H、I各点峰值较小且波形趋于平缓，而J、K、L、M四点波形最大值依次先增大随后减小，K点峰值最大。因此，建议风管设置于“I15648”点处附近，即标高2.4m左右。 （4） 冲击异形扩散室消波情况的分析 我们也建了一个弧形扩散室模型，入口段和侧墙段长度均为1.2m，高度相同为3.4m，端墙与另一侧侧墙连接为一圆弧。我们来看看相对体积缩小情况下，弧形端墙对扩散室内气流扩散的不同情况。我们找到按工程接风管的大致位置，即矩形扩散室“I15648”和弧形扩散室“I17161”二点，查看了对应的最大峰值情况，结果二者压力峰值差不多，但弧形比矩形较早到达峰值，弧形后半段高压作用衰减时间较长。这跟我们前面讲设计时的概念有所不同，原因分析是因为：冲击波进入后先到达弧形曲面侧端墙产生反射增大，比到达矩形扩散室后墙早，因此波峰先于矩形到达；高压作用衰减过程中，因为主要是气体压力的震荡衰减，在扩散室体积相差不大的情况下，衰减过程不会有太大差别。因此，矩形扩散室较弧形扩散室更为有利。
（a）入口扩散
（b）后墙反射
（c）反射碰撞
（d）持续震荡 图12弧形扩散室尺寸为1.2×1.2×3.4（m）模拟情况
图13矩形（15648）与弧形（17161）相同取点的压力对比情况 结论：扩散室侧壁冲击波压力远小于入口冲击波压力,充分体现了扩散室的消波作用；相同强度入射冲击波在不同尺寸扩散室内传播过程和消波性能有所不同，扩散室后墙离入口中心轴线附近存在严重反射，风管不宜设置在后墙上；若扩散室平面长度较大，入射波绕射扩散后,充分发展成为椭球面波,消波效果相对较好，当平面长度较小时,入射波在端墙离入口中心发生多次汇聚，使得冲击波中心部分增强，因此扩散室设计应适当增加其平面长度(与规范公式计算不一致)；弧形扩散室对压力峰值影响不大，但来的早去的慢，结合工程扩散室宜设置为矩形。 此次模拟只针对扩散室扩散作用的基本分析，未涉及到悬板活门的孔洞形式等其他影响消波因素，也未涉及到不同压力取值时差异性。
张亚栋 张亚栋教授，原陆军工程大学国防工程学院教授、防护工程学科带头人，现东南大学土木工程学院教授，主要从事防灾减灾工程及防护工程领域教学科研与人才培养工作。获国家及军队科技进步奖18项，编写标准规范和内部教材近10项，发表学术论文150多篇，获发明专利、软件著作权等12项。  |
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