白鶴灘水電站尾水隧洞施工通風(fēng)效果研究

孫會(huì)想，汪海平，徐進(jìn)鵬

(中國(guó)三峽建設(shè)管理有限公司， 四川 成都 610000)

大型水電站尾水隧洞施工多采用新奧法或礦山法。具有通排風(fēng)豎井前期不具備形成條件、隧洞獨(dú)頭掘進(jìn)距離遠(yuǎn)、所需風(fēng)量和風(fēng)壓大、爆破污染物濃度大且不易消散等特點(diǎn)。洞內(nèi)污染物濃度一旦超標(biāo)，將會(huì)對(duì)施工人員安全和健康造成嚴(yán)重威脅，因此施工通風(fēng)是影響尾水隧洞施工安全且關(guān)系到工程進(jìn)度的關(guān)鍵因素之一[1-2]。

1 研究現(xiàn)狀及工程概況

1.1 研究現(xiàn)狀

對(duì)水電站地下洞室施工通風(fēng)研究目前多集中于主廠房等有專用通排風(fēng)豎井或通道的較大洞室通風(fēng)計(jì)算分析或洞室群施工通風(fēng)方案及理論等方面。劉雪朋[3]對(duì)水電站地下主廠房施工通風(fēng)進(jìn)行了數(shù)值模擬；馬德萍等[4]分析了向家壩地下洞室群混合式通風(fēng)、串聯(lián)風(fēng)機(jī)布置和通風(fēng)豎井等因素對(duì)通風(fēng)效果的作用, 但未研究無通風(fēng)豎井工況下風(fēng)場(chǎng)形態(tài)；徐蒯東等[5]基于洞室設(shè)計(jì)的角度，對(duì)地下廠房洞室群各階段通風(fēng)方案進(jìn)行了論述和探討，但未進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證；盧文波等[6]提出了地下洞室群施工通風(fēng)理論計(jì)算過程和優(yōu)化思路。對(duì)于水電站獨(dú)頭隧洞施工通風(fēng)研究多集中于通道較好的引水隧洞[7-9]，而結(jié)合三維數(shù)值模擬[10]和現(xiàn)場(chǎng)污染物測(cè)試[11]，對(duì)大型水電站尾水隧洞獨(dú)頭開挖施工通風(fēng)研究的較少，缺乏相應(yīng)的分析。

本文以白鶴灘水電站右岸尾水隧洞施工通風(fēng)為研究對(duì)象，計(jì)算了隧道各施工工序需風(fēng)量，采用Fluent[12]流體數(shù)值軟件，分析了空氣流場(chǎng)形態(tài)和爆破污染物逸散、分布規(guī)律。對(duì)解決大型水電站尾水隧洞施工通風(fēng)難題有一定參考意義。

1.2 工程概況

白鶴灘水電站位于金沙江下游川滇交界處，總裝機(jī)容量16 000 MW，是國(guó)家十三五規(guī)劃的重點(diǎn)工程，西電東送的骨干電源點(diǎn)之一。地下洞室群規(guī)模巨大，在目前世界上已建、在建或擬建的工程中位居前列[13]。兩岸各近平行布置4條尾水隧洞，中心線間距60 m。開挖體型為城門洞型，開挖斷面為16.7 m×20.2 m和17.5 m×21 m(寬×高)。右岸5#～8#尾水隧洞最大埋深600 m，平均埋深400 m以上，第Ⅰ層開挖階段，排風(fēng)豎井不具備形成條件，一站式最遠(yuǎn)通風(fēng)距離達(dá)3 700 m，施工通風(fēng)問題突出。

1.3 開挖方案

尾水隧洞分3層開挖，其中第Ⅰ層分層高度10.2～11 m，第Ⅱ分層高度7 m,第Ⅲ層為保護(hù)層開挖，分層高度3 m。4條尾水隧洞總體采用隔洞、錯(cuò)距方法施工，相鄰洞室錯(cuò)距大于30 m，第Ⅰ層開挖施工采用獨(dú)頭送風(fēng)方式通風(fēng)。

2 通風(fēng)量計(jì)算和通風(fēng)方案

2.1 通風(fēng)量計(jì)算

地下洞室各主要施工工序需風(fēng)量取滿足爆破散煙、人員呼吸、稀釋內(nèi)燃機(jī)排放廢氣和工作面最小風(fēng)速中的最大值[14]。

2.1.1 爆破散煙需風(fēng)量 爆破散煙需風(fēng)量根據(jù)洞室埋深和裝藥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按照最大單響藥量、稀釋CO至允許濃度、爆破產(chǎn)塵所需風(fēng)量三者中的最大值取值。

按最大單響藥量計(jì)算：

(1)

式中:A為單響藥量，kg；b為每公斤炸藥爆破所產(chǎn)生的有害氣體體積，L；t為通風(fēng)時(shí)間，min。

按稀釋CO至許可濃度計(jì)算

(2)

式中：K為風(fēng)量備用系數(shù)。

按爆破產(chǎn)塵所需通風(fēng)量計(jì)算

(3)

式中：me為單次爆破所需炸藥量，kg；ρr為巖石密度，kg/m3；ked為爆破產(chǎn)塵量與巖石量之比；kd為降塵措施對(duì)應(yīng)系數(shù)；t為排出粉塵所用時(shí)間，min；ker為炸藥量與爆破巖石體積之比，kg/m3；Cp為時(shí)間加權(quán)平均容許濃度，mg/m3；C0為基底粉塵濃度，mg/m3。

2.1.2 按洞內(nèi)同時(shí)工作人數(shù)呼吸所需風(fēng)量

Qworker=3k·m

(4)

式中：m為同時(shí)工作的人數(shù)。

2.1.3 按稀釋內(nèi)燃機(jī)有害氣體所需風(fēng)量

Qce=v0N

(5)

式中:v0為單位功率需風(fēng)量指標(biāo),m3/(kW·min)；N為同時(shí)工作的內(nèi)燃機(jī)總額定功率,kW。

2.1.4 滿足掌子面最小風(fēng)速所需風(fēng)量

Qmin v=60V·S

(6)

式中：V為掌子面最小風(fēng)速，m/s；S為洞室斷面尺寸，m2。

開挖所需風(fēng)量按公式(1)～公式(6)中的最大值計(jì)算；出渣及噴混凝土等需要柴油機(jī)械的作業(yè)需風(fēng)量取公式(4)、公式(5)疊加和公式(6)中的最大值；使用濕式鑿巖機(jī)(多臂鉆)造孔及掛網(wǎng)作業(yè)需風(fēng)量取公式4、6中的最大值，結(jié)果如表1所示。

表1 單掌子面爆破開挖需風(fēng)量表 m3/min

單掌子面開挖最大需風(fēng)量為1 004.8 m3/min，出渣及噴混凝土最大需風(fēng)量為806.6 m3/min，鉆孔及掛網(wǎng)最大需風(fēng)量為584.1 m3/min。開挖作業(yè)爆破散煙為風(fēng)機(jī)選型的控制性因素。

2.2 通風(fēng)方案

根據(jù)地下洞室群布置特點(diǎn)，洞外取風(fēng)，支洞頂拱布置主送風(fēng)管，通過風(fēng)門和三通分別向相鄰兩個(gè)掌子面供風(fēng)。通過調(diào)節(jié)風(fēng)門開度，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)風(fēng)機(jī)根據(jù)兩個(gè)掌子面不同工序需要供風(fēng)。

調(diào)研國(guó)內(nèi)外風(fēng)機(jī)產(chǎn)品，選定SWEDVENT變頻風(fēng)機(jī)。該風(fēng)機(jī)一站式通風(fēng)距離超過4 km；單機(jī)最大流量220 m3/s，最大風(fēng)壓達(dá)5 200 Pa，0～50 Hz可變頻控制風(fēng)機(jī)風(fēng)量，節(jié)省能耗。風(fēng)機(jī)布置在距施工支洞洞口30 m部位(見圖1)，沿施工支洞頂拱布置兩趟風(fēng)管，右岸尾水隧洞風(fēng)機(jī)配置見表2。

圖1 右岸尾水隧洞通風(fēng)線路

表2 右岸尾水隧洞風(fēng)機(jī)配置

尾水隧洞隔洞開挖最不利工況為兩個(gè)掌子面同時(shí)爆破，剩余兩個(gè)掌子面進(jìn)行出渣等其他工序施工，因一臺(tái)風(fēng)機(jī)控制相鄰兩個(gè)掌子面，每臺(tái)風(fēng)機(jī)供風(fēng)量取開挖和出渣及噴混凝土最大需風(fēng)量之和，不應(yīng)小于18 11.4 m3/min。

考慮通風(fēng)過程中的摩擦風(fēng)阻和漏風(fēng)率，掌子面空氣流量為：

Q1=Q0[1-(leakage/100)](L/100)

(7)

式中：Q1為風(fēng)管末端風(fēng)量，取1 811.4 m3/min;Q0為風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量，m3/min；L為風(fēng)帶長(zhǎng)度，m；Leakage為漏風(fēng)率(每100 m漏風(fēng)率為1.0%～2.0%)。

由公式(7)反算風(fēng)機(jī)出口流量Q0，進(jìn)而確定風(fēng)機(jī)配置(見表2)。

3 通風(fēng)流場(chǎng)形態(tài)與污染物逸散分析

3.1 控制方程

洞室施工通風(fēng)屬于氣固湍流問題，可采用三維非穩(wěn)態(tài)單相流模型，氣固兩相流作為單相流處理，不考慮流體和顆粒間滑移，假定顆粒溫度等于流體溫度，污染物顆粒作為流體中的組分，其擴(kuò)散與流體組分的擴(kuò)散相同。控制方程包括：

連續(xù)性方程：

(8)

動(dòng)量方程：

(9)

動(dòng)能方程:

(10)

式中：μi為速度矢量，m/s；p為壓力，Pa；ν為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，m2/s；νt為紊流黏性系數(shù)，m2/s；Ck為常數(shù)。

采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε雙方程模型。

湍動(dòng)能k方程:

(11)

湍動(dòng)能ε方程:

(12)

式中：σk、σε分別為k、ε方程紊流Prandtl數(shù)；c1、c2為k-ε返程常數(shù)；Gk為紊流能量生成率。

3.2 模型簡(jiǎn)化和假設(shè)

利用Fluent流體數(shù)值軟件，將所有污染物作為三維單相連續(xù)流體處理，有害氣體及粉塵顆粒作為氣體組分，其擴(kuò)散量按爆破產(chǎn)生的CO流量計(jì)算。模型簡(jiǎn)化和基本假設(shè)有：

(1)不考慮溫差引起的浮升效應(yīng)和質(zhì)量力。

(2)忽略洞室內(nèi)機(jī)械設(shè)備對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)。

(3)假定爆破時(shí)間(即粉塵源噴塵時(shí)間)為1 s，粉塵顆粒粒徑服從Rosin-Rammler分布，粉塵源設(shè)定為面源。

(4)邊界條件：隧道進(jìn)出口設(shè)定為escape，其他壁面設(shè)定為reflect，壓力設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，溫度設(shè)定為25℃。

3.3 網(wǎng)格劃分

尾水隧道通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流體區(qū)域大，網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)支洞與洞室連接處、掌子面等流動(dòng)復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行加密(圖2、3)。

圖2洞室連接處網(wǎng)格 圖3主洞網(wǎng)格

3.4 流場(chǎng)分析

通風(fēng)運(yùn)行后不同時(shí)間尾水隧洞內(nèi)空氣流暢速度云圖如圖4所示,隧洞中部空氣在射流卷吸作用下向前流動(dòng)，底部空氣向隧洞外流動(dòng)，在隧洞中下部形成一個(gè)回流區(qū)，在射流未到掌子面時(shí)，回流區(qū)隨射流不斷向掌子面移動(dòng)，直至穩(wěn)定在距掌子面一定距離的部位，2 min左右流場(chǎng)基本穩(wěn)定。

流場(chǎng)穩(wěn)定后，氣流從出風(fēng)口射出，射流主流不斷卷吸周圍空氣擴(kuò)大射流面，但受限于空間和風(fēng)流動(dòng)量，射流到達(dá)掌子面形成回流。

從圖5可看出，在出風(fēng)口下方和掌子面上、下方各有一個(gè)回流區(qū)，主、回流間形成流速很小的斷層區(qū)，不利于污染物排除和逸散，回流區(qū)污染物濃度較高。

圖4 通風(fēng)運(yùn)行后不同時(shí)間尾水隧洞內(nèi)空氣流暢速度云圖

3.5 污染物逸散分析

選取5#、7#尾水隧洞第Ⅰ層獨(dú)頭開挖為典型工況，風(fēng)管出風(fēng)口距掌子面30 m,將有害氣體及粉塵顆粒作為氣體組分折算為CO濃度。流場(chǎng)穩(wěn)定后進(jìn)行掌子面爆破。爆破后不同時(shí)間掌子面附近50 m范圍內(nèi)污染物變化情況如圖6所示。

由圖6可看出，爆破后污染物主要集中于掌子面附近，擴(kuò)散較慢，風(fēng)流到達(dá)掌子面后，開始推動(dòng)污染物向遠(yuǎn)離掌子面方向流動(dòng)，隨著時(shí)間的增加，污染物濃度被不斷稀釋，15 min時(shí)掌子面附近大部分污染物已排出，殘余污染物分布均勻，其濃度接近規(guī)范要求。

4 污染物測(cè)試及通風(fēng)效果

4.1 污染物濃度測(cè)試

在5#尾水隧洞距離掌子面約3 m距離處的橫斷面上布置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，布置方式見圖7；在隧洞中心線上布置4監(jiān)測(cè)點(diǎn),布置方式如圖8所示。

圖5 風(fēng)管中心線處剖面速度流場(chǎng)圖

圖6 不同時(shí)間掌子面附近50 m范圍內(nèi)CO濃度分布圖

圖7 尾水隧洞橫斷面測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

圖8 尾水隧洞中心線測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

選取5#、7#尾水隧洞爆破為典型工況，通風(fēng)2 min空氣流場(chǎng)穩(wěn)定后，進(jìn)行掌子面爆破，采用氣體采樣器配合氣體檢定管測(cè)定空氣中CO氣體濃度。

1#～4#測(cè)點(diǎn)處污染物隨通風(fēng)時(shí)間變化規(guī)律如圖9所示。由圖9可看出，測(cè)點(diǎn)1#～4#測(cè)點(diǎn)處的CO濃度變化規(guī)律基本一致：爆破后CO濃度先急劇增加，之后隨著時(shí)間增加不斷降低，通風(fēng)12 min后，掌子面3 m附近污染物濃度降至規(guī)范允許濃度以下。通風(fēng)2.4 min時(shí)CO濃度同時(shí)達(dá)到峰值，峰值隨測(cè)點(diǎn)高度增加而稍有增加，同一高程CO濃度相近。

從圖10中可看出，與施工斷面距離不等的各測(cè)點(diǎn)CO濃度變化規(guī)律與同一斷面測(cè)點(diǎn)變化規(guī)律相似，但不同距離各測(cè)點(diǎn)CO濃度達(dá)到峰值的時(shí)間不同，距離掌子面越遠(yuǎn)，達(dá)到峰值所需的時(shí)間越長(zhǎng)，其原因是距離掌子面越遠(yuǎn)，新鮮空氣達(dá)到掌子面的時(shí)間越長(zhǎng)，污染物需要越多的新鮮空氣卷吸帶出隧洞，其達(dá)到峰值所需的時(shí)間也越長(zhǎng)。

圖9同一斷面各測(cè)點(diǎn)CO濃度隨時(shí)間變化規(guī)律 圖10不同距離各斷面CO濃度隨時(shí)間變化規(guī)律

各測(cè)點(diǎn)污染物峰值大小隨至掌子面距離增加而減小，其原因?yàn)榫嗾谱用嬖竭h(yuǎn)，隧道總空間越大，風(fēng)流到達(dá)時(shí)壓入的空氣容量越大，對(duì)污染物的稀釋作用也越明顯。通風(fēng)15 min后，掌子面附近的污染物濃度均接近規(guī)范允許范圍。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)效果

爆破通風(fēng)15 min后，尾水隧洞現(xiàn)場(chǎng)空氣狀況如圖11，綜合數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)污染物測(cè)試可知，掌子面附近所有部位污染物濃度接近規(guī)范允許范圍，通風(fēng)時(shí)間小于規(guī)范要求[15]，通風(fēng)效果良好?，F(xiàn)場(chǎng)污染物變化規(guī)律和濃度與數(shù)值模擬結(jié)果一致，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

圖11 通風(fēng)15 min后尾水隧洞現(xiàn)場(chǎng)空氣狀況

5 結(jié)論與建議

(1)大埋深獨(dú)頭隧洞施工通風(fēng)各影響因素中，爆破散煙為關(guān)鍵因素，也是風(fēng)機(jī)選型的控制性因素。

(2)通風(fēng)2 min后尾水隧洞內(nèi)流場(chǎng)基本穩(wěn)定，出風(fēng)口下方和掌子面上、下方等部位存在回流區(qū)，不利于污染物排除，污染物濃度較高。

(3)掌子面爆破后污染物逸散和分布規(guī)律為：污染物濃度先急劇增加，之后隨著時(shí)間增加不斷降低，通風(fēng)12 min后，距掌子面3 m附近污染物降至規(guī)范允許濃度以下；通風(fēng)15 min時(shí)掌子面附近所有部位污染物濃度均接近規(guī)范允許范圍。污染物濃度隨高度增加稍有增加，同一高程濃度相近，隨至掌子面距離增加而減?。煌粩嗝嫖廴疚餄舛冗_(dá)到峰值時(shí)間一致，距離掌子面越遠(yuǎn)，污染物濃度達(dá)到峰值的時(shí)間越長(zhǎng)。