長隧洞施工有毒有害氣體遷移規(guī)律研究

胡代清 李根

摘要：目前在建抽蓄電站長隧洞的施工大多以爆破為主要開挖手段，爆破后產(chǎn)生的有毒有害氣體給施工環(huán)境帶來了較大的影響?；诖鬁u模擬（LES）數(shù)值方法，建立了施工長隧洞空氣流動(dòng)及不同氣體組分輸運(yùn)的數(shù)值仿真模型，針對(duì)在建的安徽金寨抽蓄電站施工隧洞爆破后有毒有害氣體遷移規(guī)律進(jìn)行仿真計(jì)算。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值計(jì)算模型可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，得到了與實(shí)際較為吻合的氣體濃度遷移變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步模擬了不同通風(fēng)速度和不同掘進(jìn)深度下的有毒有害氣體運(yùn)移規(guī)律，預(yù)測(cè)了氣體停留時(shí)間。研究成果對(duì)抽蓄電站地下施工隧洞通風(fēng)設(shè)計(jì)和安全施工具有指導(dǎo)意義。

關(guān) 鍵 詞：有毒有害氣體; 遷移規(guī)律; 大渦模擬; 地下洞室施工; 抽蓄電站

抽蓄電站是世界公認(rèn)的運(yùn)行靈活而可靠的調(diào)峰電源。電網(wǎng)調(diào)峰削谷需要建設(shè)一定規(guī)模的抽蓄電站[1]。國內(nèi)目前有多座抽蓄電站處于施工建設(shè)階段，而電站大型地下洞室在施工期間大多選擇爆破為主要開挖手段，炮煙、粉塵及汽車尾氣等均屬于有害物質(zhì)，施工人員長時(shí)間暴露在這些氣體下會(huì)損害身體健康，引發(fā)職業(yè)病等[2-3]。因此，對(duì)爆破后產(chǎn)生的有毒有害氣體遷移規(guī)律進(jìn)行研究具有重要意義。

目前對(duì)地下洞室有毒有害氣體的遷移已經(jīng)有了部分研究成果。南春子等采用組分輸運(yùn)模型模擬地下水封隧洞有害氣體擴(kuò)散，計(jì)算的有害氣體濃度隨時(shí)間變化曲線與實(shí)測(cè)值基本吻合，為組分輸運(yùn)模型的正確性提供了佐證[4];李翠平等模擬了煙流在三維洞室中的動(dòng)態(tài)蔓延過程，進(jìn)而揭示了煙流溫度、濃度等在時(shí)間、空間上的演變，提出了煙流蔓延三維仿真模型[5]。針對(duì)地下洞室施工與否對(duì)有毒有害氣體遷移擴(kuò)散有很大影響，鄭汝松等對(duì)有毒有害氣體濃度變化進(jìn)行了仿真分析，揭示了有毒有害氣體的擴(kuò)散規(guī)律[6];王敏等運(yùn)用FLUENT模擬軟件對(duì)地下洞室爆破后產(chǎn)生的有毒有害氣體的遷移進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，為通風(fēng)設(shè)計(jì)提供了一些建議[7];王曉玲等建立了獨(dú)頭引水隧洞壓入式通風(fēng)紊流三維高雷諾數(shù)k-ε數(shù)學(xué)模型，分析了不同通風(fēng)時(shí)刻掘進(jìn)隧洞內(nèi)CO遷移和分布規(guī)律，但沒有對(duì)混合氣體進(jìn)行仿真模擬[8]。由于抽蓄電站地下洞室建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)其地下施工洞室爆破后有毒有害氣體的運(yùn)移規(guī)律對(duì)水電站施工具有重要意義。

本文以在建安徽金寨抽蓄電站地下施工洞室為研究對(duì)象，對(duì)爆破后產(chǎn)生的有毒有害氣體進(jìn)行大渦模擬（LES） ，建立了地下廠房不同氣體組分流動(dòng)及輸運(yùn)的三維仿真模型。在驗(yàn)證模型可靠性的基礎(chǔ)上，對(duì)不同通風(fēng)條件和掘進(jìn)深度情況下的氣體運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行計(jì)算分析。

4 結(jié) 論

抽蓄電站地下施工洞室有毒有害氣體遷移規(guī)律的研究對(duì)水電站地下廠房正常施工具有重要意義。在本文對(duì)正在施工的金寨抽蓄電站有毒有害氣體進(jìn)行測(cè)量，并驗(yàn)證氣體遷移數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，對(duì)不同風(fēng)速和掘進(jìn)洞深工況進(jìn)行仿真分析，可以得到以下結(jié)論。

（1） 本文建立的抽蓄電站地下洞室有毒有害氣體非穩(wěn)態(tài)輸運(yùn)模型計(jì)算得到了與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合的氣體濃度擴(kuò)散規(guī)律，可用于預(yù)測(cè)施工洞室有毒有害氣體的遷移輸運(yùn)規(guī)律。

（2） 有毒有害氣體在爆破后沿程遷移過程中峰值濃度逐漸下降，高濃度區(qū)域逐漸擴(kuò)大。不同風(fēng)速工況下，隨著通風(fēng)量的增大，有毒有害氣體遷移速度隨之增加，到達(dá)同一測(cè)點(diǎn)所需時(shí)間減小;氣體峰值濃度越高，測(cè)點(diǎn)處氣體持續(xù)時(shí)間越短。

（3） 不同掘進(jìn)洞深情況下，掘進(jìn)洞深越淺，有毒氣體持續(xù)時(shí)間隨風(fēng)速的增加而下降較快;掘進(jìn)深度較深時(shí)，持續(xù)時(shí)間受風(fēng)速的影響減小。同一風(fēng)速下，爆破后有毒有害氣體遷移至洞口時(shí)間與掘進(jìn)洞深呈線性正相關(guān)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宋晉紅，周軍，薛小兵，等.抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)層溫度均勻性研究[J].人民長江，2018，49（15）：105-110.

[2] 王敏.大型地下洞室開挖施工的通風(fēng)排煙排塵過程數(shù)值仿真研究[D].長沙：中南大學(xué)，2014.

[3] 危寧，李力，王春燕.隧道施工通風(fēng)中的有害氣體濃度變化分析[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006（4）：324-327.

[4] 南春子.長距離復(fù)雜洞室聯(lián)動(dòng)通風(fēng)與污染物擴(kuò)散的數(shù)值模擬研究[D].北京：清華大學(xué)，2015.

[5] 李翠平，曹志國，李仲學(xué)，等.地下礦火災(zāi)煙流蔓延的三維仿真構(gòu)模技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013，38（2）：257-263.

[6] 鄭汝松，王紅軍，李飛，等.地下洞室通風(fēng)有害氣體濃度變化分析[J].云南水力發(fā)電，2008（3）：65-68.

[7] 王敏.大型地下洞室開挖施工的通風(fēng)排煙排塵過程數(shù)值仿真研究[D].長沙：中南大學(xué)，2014.

[8] 王曉玲，陳紅超，劉雪朋，等.引水隧洞獨(dú)頭掘進(jìn)工作面風(fēng)流組織與CO擴(kuò)散的模擬[J].水利學(xué)報(bào)，2008（1）：121-127.

[9] Li L，Li B.Investigation of Bubble-Slag Layer Behaviors with Hybrid Eulerian–Lagrangian Modeling and Large Eddy Simulation[J].Journal of the Minerals，Metals & Material Socienty，2016，68（8）：2160-2169.

[10] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2001.

[11] 蘇銘德，黃素逸.計(jì)算流體力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1997.

[12] Li L，Liu Z，Cao M，et al. Large Eddy Simulation of Bubbly Flow and Slag Layer Behavior in Ladle with Discrete Phase Model （DPM）–Volume of Fluid （VOF） Coupled Mode[J].Journal of the Minerals，Metals & Material Socienty，2015，67（7）：1-9.

[13] 王婷婷，楊慶山.基于FLUENT的大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)LES模擬[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2012（5）：734-739，746.

[14] 朱偉亮.基于大渦模擬的CFD入口條件及脈動(dòng)風(fēng)壓模擬研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.

[15] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

（編輯：胡旭東）