1、防空工程的利用和维护36工程设计与建设nt,ineerindeskmandconstruction第 36 卷第 3 期2004 年 5 月文章编号:16718976(2004)03 003604防空工程的利用和维护金小田(武汉工程大学环境与城市建设学院,湖北武汉 430073)摘要:根据地温和地表气温之间的关系及变化规律, 论述了地下建筑物较稳定,较适宜的气候条件及利用地下建筑物的其它有利因素,对我国现有的大量防空洞工程的开发利用提出了若干设想,并对防空洞的维护提出了建议.关键词:防空工程;利用;维护中图分类号:Tu834.5 文献标识码:BUtilizationandmaintenance
2、ofairdefenseprojectJXiao-tianAbstract:Thestabilityandtheagreeableweatherconditionsofundergroundbuildingwerediscussedaccordingtothepatternofthechangesandtherelationbetweengroundtemperatureandairtemperatureofgroundsurface,Basedonthebeneficialfactorsoftheundergroundbuildingssomeideasandsuggestionswerep
3、resentedfortheutilizationanddevelopmentofalargenumberoftheexistingairdefenseprojectsinourcountry.Keywords:airdefenseworks;utilization;maintenance人类从穴居,树居到筑房修路经历了漫长的发展过程.在古代生产力条件下,穴居的采光照明,通风的问题,居所的构筑受力条件,舒适程度等问题都难于解决,因而穴居没有发展,但窑洞是个例外.中国的窑洞民居历时几千年而盛久不衰的原因在于:窑洞建在黄土高原的坡边或台阶地,是在天然黄土中的穴居形式.窑洞冬暖夏凉,不破坏生态,不占
4、用良田,施工简便,用材极少,造价低廉.虽然窑收稿日期:200404 一 O1作者简介:金小田(1945 一),男(满族), 北京人,武汉工程大学环境与城市建设学院副教授,大学本科.主要从事采矿,土木工程的研究.洞还算不上穴居,但窑洞的盛久不衰在一定程度上证明了穴居的优越性,从持续发展,人类节省有限资源观点看,都是有意义的.很久以来,城市有不少防空工程因闲置日久,出现了颓败,塌陷的趋势,若不及时采取措施,不仅数十年辛苦和投资付之东流,且将对相应的地表建筑的安全稳定性构成威胁,其后果难以想象.对这种情况,最好的措施就是加以利用.这样可以用较少的投资取得较好的经济效果和社会效益,尤其能消除塌陷的隐患
5、.现就有关问题谈一点看法.l 地下防空工程的气候条件1.1 气候条件的定义2004 年 5 月金小田防空工程的利用和维护 37温度,湿度,风速三者的综合状态称为气候条件,虽然其中温度起主导作用,但三者是相辅相成的.参见表 1.表 1 不同风速,湿度时舒适程度相同的温度 oc舒适程度相同的温度风速/(.一)相对湿度相对湿度相对湿度60% 75%76%90%90%由上表可见,不同温度,不同风速,不同湿度可以得到基本相同的舒适程度.为了便于衡量,比较,引入实效温度的概念:在不同的湿度和风速条件下,人们的感觉与相对湿度为100%,空气静止时的感觉一样,此时的温度即被称为此条件下的实效温度.1.2 地温
6、的变化规律地面建筑中的气温完全由气候条件所决定.地下则不然,随着地下防空工程所处深度的增加,其气温的变化受地温的影响越来越大.地表气温每日,每年都在发生周期性变化,分别称之为气温的短周期和长周期变化.其变化的幅度称振幅.由于受深部地温的影响和地表温度振幅在土壤中传播的阻尼作用,地下一定深度处温度变化的周期滞后,振幅减弱.土壤中任意深度处温度变化与地表气温的关系遵循以下规律:t:=to+Aoexp(一 OZ)sin(coTOZ+)(1)式中 t:任意深度处的温度;0地表平均气温;A0地表温度的振幅;:任意深度;口导温系数,a=(r/kr)0?;土壤的导温率;相位,=2r/v;r周期 ,d 或 a
7、;时间,零点可任意选取;当 T=0,z=0 时的相角.可见,A0exp(一 az)是深度 z 处温度的振幅,OZ 代表相 ,OZ 是落后的相位 .由上面方程可以证明,土壤中温度的传播情形符合下面几条规律:(1)深度如按算术级数增加,则地温振幅按几何级数减少.在深度 z 处温度的振幅为:A:=to+Aoexp(一 OZ)=Aoexp一(r/kr).:(2)设地面温度日振幅为 l6,若取土壤导温率 k=0.0076cm/s,周期 r=243600:86400(S),在 z=10em 时,计算的温度日振幅约减少一半,则在 40cm 深度减少 1/16 即 1,在 1m 深处仅 15/1000oC.由
8、理论计算可见,地表气温的变化仅影响地表一层,大约在1m 深度温度的日变化基本可以忽略.但在实际上由于受土壤中的含水量不同,土壤的密度不同,土壤的结构,颜色不同,地表的植被和覆盖条件不同等多方面因素的影响,地温随深度的日变化差异是比较大的.(2)由式(2)可得,不同周期温度振动按相同比例减弱所达到的深度与振动周期的平方根成正比,即:zl:z2=rlO?5:r2O?5将此关系式运用于年振和日振动,即令 rl=1d,r2=365d,则:1:Z2=1:19此结果说明,土壤温度日振幅的减弱和年振幅的减弱程度相等时,年振幅减弱所发生的深度理论上应是日振幅减弱相同振幅所需深度的 l9 倍.前面已知,在 10
9、cm 深处日振幅减至一半,则年振幅减至一半要在 10cm19:1.9m 深处.可见,土壤(或岩石)对温度传播的阻尼作用使温度的短周期变化在土壤中减弱很快,而长周期的振动能向更深处传播.(3)温度振动的相时(如最高,最低温度出现的时间)随温度的增加而线性的落后,且落后的程度与周期的平方根成反比.温度振动的周期愈长,最高或最低温度出现的时间随深度的增加愈落后.按大多数土壤导温率计算,38 工程设计与建设第 36 卷第 3 期在土壤温度日变化中,大约在深度每增加 1clrl,峰值温度出现的时间落后 25rain,在年变化中,深度每增加 1m,峰值温度出现的时间落后约一个月.图 1 是某城市土壤温度年
10、变化及其随深度的变化情况.显然,土壤温度振幅随深度增加而递减和相时随深度增加而落后都很有规律.这说明,以上理论推导与实际情况符合.从图上还可以看出,地面温度最高出现在 78 月,而 3m 深处的最高温度落后了两个月,5m 深处的温度几乎与地面相反,具有冬暖夏凉的气候特征.4030芝 20篓 100一l0图例:一地面处一一1m 深处一一3m 深处一-一5m 深处月份/月图 1 某市地温随深度及季节的变化1.3 空气湿度的影响空气中含有大量的水分.空气中实际水蒸汽含量称为空气的绝对湿度,某温度下空气的实际水蒸汽含量与同温度下空气饱和水蒸汽含量的百分比称为此温度下空气的相对湿度.由图 2 可见,空气
11、的温度不同,其饱和能力不同.若空气的含湿量不变,随着气温的变化,空气的相对湿度发生变化.气温升高,相对湿度降低;气温降低,相对湿度升高.相对湿度的变化将对环境的温度,湿度造成较大的影响 2.例如,夏季地面气温较高,空气进入地下以后,由于气温下降,在含湿量不变的情况下,空气的饱和能力降低造成相对湿度升高,温差大时甚至可能达到露点,使空气中的水汽凝结成水珠附着在入风道的帮壁上.所以,夏季地下建筑的入风口比较潮湿.冬季正好相反,地下建筑的入风口比较干燥.虽然不同温度的水的汽化潜热略有不同,但 1g 水的汽化潜热约为 585 卡(1 卡=4.189J).所以,水的汽化或水汽的凝结对气温的影响不容忽视.
12、1.4 通风的功能0.140.12 一0.100.080.060.040.020204060801001:20 赝图 2 空气湿度通风的作用就在于保持场所的空气新鲜,排除异味.人呼出的空气中,约含有 16.3%的氧气,4%的二氧化碳,79.7% 的氮气和其它由体内排出的气体(主要为氨气),此外还含有45g/m 的水气(37的饱和气).可见,人员呼吸主要造成空气成分中氧和二氧化碳含量的波动.虽然空气的质量是多种要素的产物,但二氧化碳最易测定.所以可用二氧化碳含量作为衡量供气量的标准.例如某地下防空洞办公室有 4 人,若室外空气中二氧化碳含量为 0.05%,室内最大允许浓度为 0.2%.对于休息着
13、的人,二氧化碳散发率平均为 0.01513“1/h.由此求得此防空洞的供气量为;Q=(4O.015)/(O.OO2 一 O.0005)=4O(m/h)相当于每人供气量为 10m/h.实际上,通过窗缝,门缝,墙缝等处所渗漏的空气足以满足普通用途所需的空气量.即使无风时,由于地表地下的温度梯度所造成的空气的自然压差使每米长度的缝隙得到约 1.7m/h 的气流量.按一套房间的可能缝隙,总气流量可达250m/h 左右.这说明,在开发防空洞作一般用途时,可以不专门考虑通风问题,由此风流引起的温度递减也可忽略不计.当然,以上计算考虑到地下工程已基本形成了自然通风系统,且仅按二氧化碳的产生及容许浓度计算的结
14、果.如果不符合以上设定条件,则应专门进行通风换气的设计.1.5 地下工程的优越性地下工程有很多地表建筑所不具备的优越2004 年 5 月金小田防空工程的利用和维护 39性,主要有以下几点:(1)地下工程具有良好的安全稳定性.按照防空要求建立的这些地下工程整体性,稳定性较高,不易受周围振动或其它灾害的干扰.(2)地下有良好的气候条件.地下温度恒定,风速可以不予考虑.至于湿度,冬季适中,夏季需要适当除湿.(3)可消除地下防空洞所对应的地表建筑物沉陷,崩塌的潜在威胁.对建筑物来说,使用就是保护,闲置必将颓败.(4)投资少,见效快 .一个时期“深挖洞,广积粮“的决策使各城市地下建了不少地下工程,其中很
15、多尚未开发.只要投入较少资金即可加以利用.(5)可以减轻地面负担.充分利用地下工程,拓展人类活动空间,促进人类活动分流.(6)可防止地面噪声的干扰和污染空气的危害,还有利于安全保卫.2 地下工程的利用2.1 开发成活动场所现在,国内不少城市的某些地下防空工程已作为公共活动场所得到利用,如商场,游乐场,旅馆等.这方面的开发值得重视,这将是未来城市发展和人员分流的有效途径,其社会效益和经济效益都相当可观.2.2 用地下防空洞做仓库土壤的热容量较大,而导温系数较小(和空气比),尤其是干土.防空洞独特的位置使其具有良好的次级绝热带.这对于日益发展的城市储备供应系统是理想的待开发区.例如,美国堪斯市石灰
16、石矿地下采空区的二次利用就是明证.开发区的 9o%做冷库,此冷库面积占全美冷库面积的 10%,地下温度在 l3l5之间,相当稳定.因此供热,降温都很便宜.据测定,做冷藏库时,冷藏室降到一 22保持约 2a 时间就稳定在这个温度上;但升温到 OC也需几个月的时间.因此,停电时不会对冷冻货物造成损失.其供热,降温和控制温度三方面的费用比相应的地面费用节省 40%90%【 3.国内也有很多城市利用防空洞做仓库的实例.2.3 居住人类从穴居到地面,现在再到地下居住绝不是退化,而是生存的需要,是科学发展和技术进步的结果,也是地下工程的优点所决定的.当然,目前的经济实力和人们的观念使这一设想尚难有大的发展.2.4 充分利用地下能源把地下建筑物和地表建筑联网调节,利用地下温度,湿度改善地表建筑物的气候条件,世界上已有先例.如国内在夏季利用防空洞的
