白鶴灘水電站地下洞室群空氣環(huán)境治理關(guān)鍵技術(shù)

楊 帆，倪華軍，張丹萍

（中國水利水電第七工程局有限公司，615421，寧南）

白鶴灘水電站地下洞室群規(guī)模巨大，由大小不等、空間交錯、平面相貫的229條洞井群組成，總開挖里程約64 km，洞室群最大水平埋深約1050 m，最大垂直埋深約330 m，需要解決地下洞室群空氣環(huán)境問題。

一、洞群空氣環(huán)境治理難點(diǎn)

1.埋深大、地?zé)岣?、風(fēng)道長

左岸地下洞室群最大水平埋深達(dá)1050 m，洞室間立體交叉布置，部分洞段受地?zé)嵊绊懀瑴囟瘸^50°C，新鮮空氣需要經(jīng)過冗長的施工支洞方能到達(dá)施工掌子面，供風(fēng)距離的大幅度增長，對通風(fēng)設(shè)備的性能要求極高。

2.洞室施工點(diǎn)多面廣、強(qiáng)度極高

洞室施工強(qiáng)度極高，洞內(nèi)共投入各類全天候同時運(yùn)行油動設(shè)備200余臺套，同時作業(yè)工作面超過60個、日消耗乳化炸藥5t以上。每天4個集中時間點(diǎn)爆破產(chǎn)生的煙塵及機(jī)械設(shè)備排放的尾氣達(dá)350 m3/min，導(dǎo)致洞內(nèi)施工深受粉塵和有害氣體困擾。

二、通風(fēng)散煙方案

1.通風(fēng)設(shè)備選型

根據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)手冊》（第二卷），按照水電站地下洞室群施工通風(fēng)量計(jì)算公式，計(jì)算左岸地下洞室群開挖施工期施工各洞室需風(fēng)量，結(jié)果見表1。

結(jié)合各洞室風(fēng)量需求，采用“可變頻、漏風(fēng)率小、通風(fēng)距離長、風(fēng)帶端口收口擺動小、風(fēng)帶銳角轉(zhuǎn)彎及三通液壓風(fēng)門調(diào)控、風(fēng)帶修補(bǔ)更換方便、節(jié)能、減噪”的變頻風(fēng)機(jī)作為地下洞群內(nèi)通風(fēng)的主要設(shè)備。

表1 各洞室需風(fēng)量

2.通風(fēng)散煙規(guī)劃布置

（1）通風(fēng)散煙分期布局規(guī)劃

根據(jù)左岸引水發(fā)電系統(tǒng)工程結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)及施工組織模式，地下洞室群通風(fēng)按三期進(jìn)行通風(fēng)規(guī)劃。

一期：主要為進(jìn)水口邊坡未開挖完成前、廠房及主變室排風(fēng)豎井未形成前、尾水管檢修閘門室溜渣豎井未形成前的洞室開挖支護(hù)施工階段，引水系統(tǒng)、三大洞室相對獨(dú)立，主要在相應(yīng)交通洞洞口及施工支洞洞口布置高壓風(fēng)機(jī)，采用風(fēng)筒布置到工作面壓入式通風(fēng)。白鶴灘左岸引水發(fā)電系統(tǒng)洞室群一期通風(fēng)規(guī)劃示意見圖1。

圖1 白鶴灘左岸引水發(fā)電系統(tǒng)洞室群一期通風(fēng)規(guī)劃示意圖

二期：為#7、#8引水洞進(jìn)水口邊坡開挖完成后、廠房及主變室排風(fēng)豎井形成后、尾水管檢修閘門室溜渣豎井形成后洞室開挖支護(hù)施工階段，在相應(yīng)交通洞洞口及施工支洞洞口布置風(fēng)機(jī)，廢氣通過排風(fēng)豎井、溜渣豎井等排出，形成低進(jìn)高出通風(fēng)方式，此階段形成自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)相結(jié)合通風(fēng)方式。白鶴灘左岸引水發(fā)電系統(tǒng)洞室群二期通風(fēng)規(guī)劃示意見圖2。

圖2 白鶴灘左岸引水發(fā)電系統(tǒng)洞室群二期通風(fēng)規(guī)劃示意圖

三期：為各系統(tǒng)洞室相互貫通，開挖基本結(jié)束，轉(zhuǎn)入混凝土澆筑、金屬結(jié)構(gòu)安裝及基礎(chǔ)處理等施工階段，此階段達(dá)到自然通風(fēng)條件，并保留二期部分通風(fēng)設(shè)備對不能形成自然通風(fēng)條件或自然通風(fēng)條件差的部位、時段輔助機(jī)械通風(fēng)。白鶴灘左岸引水發(fā)電系統(tǒng)洞室群三期通風(fēng)規(guī)劃示意見圖3。

圖3 白鶴灘左岸引水發(fā)電系統(tǒng)洞室群三期通風(fēng)規(guī)劃示意圖

（2）“新污分流”通風(fēng)通道規(guī)劃

本工程三大洞室——主副廠房、主變洞、尾水管檢修閘門室因其洞室斷面尺寸大，開挖工程量大，施工工期長，空氣污染源多，與周邊洞室貫通點(diǎn)多，導(dǎo)致通風(fēng)散煙困難。

①充分利用工程永久通風(fēng)和排風(fēng)洞井。本工程共設(shè)計(jì)有進(jìn)排風(fēng)豎井13條，排風(fēng)連接平洞7條，專用排風(fēng)平洞1條。施工時優(yōu)先開挖永久通風(fēng)排風(fēng)洞井，并將其作為專用污風(fēng)散出通道，不作他用。廠房、主變優(yōu)先貫通中導(dǎo)洞，形成風(fēng)流通道，同時優(yōu)先提供南側(cè)排風(fēng)豎井工作面，盡早啟動南側(cè)排風(fēng)豎井施工并貫通。

②結(jié)合通風(fēng)設(shè)備性能布置供風(fēng)線路。根據(jù)瑞典SWEDFAN軸流風(fēng)機(jī)現(xiàn)場長距離供風(fēng)試驗(yàn)，采用2×132 kW的軸流風(fēng)機(jī)，在送風(fēng)距離達(dá)到4 km的情況下，按照全開度運(yùn)行，掌子面風(fēng)速仍可達(dá)到3 m/s，滿足本工程任何部位需風(fēng)量要求，避免了因供風(fēng)風(fēng)量或風(fēng)壓不足造成在洞內(nèi)設(shè)置接力風(fēng)機(jī)而造成污風(fēng)回流的問題。

在此前提下，將三大洞室所有取風(fēng)點(diǎn)均設(shè)置在洞外，再利用風(fēng)帶沿交通洞延伸向洞內(nèi)工作面供風(fēng)，保證供應(yīng)到工作面的風(fēng)是新鮮風(fēng)。廠房、主變室、尾水管檢修閘門室新鮮風(fēng)主要從進(jìn)廠交通洞延伸洞洞口和#504洞口攝取，進(jìn)廠交通洞延伸洞洞口布置兩臺軸流風(fēng)機(jī)，采用兩條直徑為2.0 m風(fēng)帶通過進(jìn)廠交通洞延伸洞將新風(fēng)送入三大洞室南側(cè)工作面；#504洞口布置兩臺軸流風(fēng)機(jī)，采用兩條直徑為2.0 m風(fēng)帶經(jīng)通風(fēng)兼安全洞將新風(fēng)送入三大洞室北側(cè)工作面。風(fēng)帶在各洞室下挖的過程中，隨層面向下延伸，將新鮮風(fēng)壓入至開挖工作面。

三大洞室施工產(chǎn)生的污風(fēng)通過各洞室頂拱布置的排風(fēng)豎井及其井口安裝的強(qiáng)力排風(fēng)機(jī)抽排至#1、#2排風(fēng)連接平洞。進(jìn)廠交通洞延伸洞沿線的污風(fēng)主要通過#3公路排風(fēng)豎井及其井口布置的強(qiáng)力排風(fēng)機(jī)抽排至#3公路排風(fēng)上平洞。廠區(qū)污風(fēng)匯集到#1、#2排風(fēng)連接平洞及#3公路排風(fēng)上平洞后，通過排風(fēng)主通道至尾調(diào)通氣洞沉淀后排出洞外。

③增設(shè)排風(fēng)通道。在進(jìn)廠交通洞與廠房、主變施工排風(fēng)平洞立體交叉部位，施工1條直徑為1.4 m及1條直徑為2.0 m豎井貫穿上下，作為通風(fēng)豎井，并在豎井上部采用磚砌體密封后布置1臺排風(fēng)機(jī)抽排，使進(jìn)廠交通洞進(jìn)廠段形成循環(huán)通風(fēng)的條件，滿足進(jìn)廠交通洞線路長、洞室多、最多時有7個工作面同步施工空氣環(huán)境要求。

通過以上布置，洞外的新鮮風(fēng)利用各洞室施工支洞、交通洞作為通道，通過風(fēng)帶壓入至工作面；洞內(nèi)污濁空氣則通過強(qiáng)力排風(fēng)機(jī)抽排到專用的排風(fēng)、集風(fēng)通道，經(jīng)降塵處理后排入大氣中，實(shí)現(xiàn)空氣清濁分流，各行其道，循環(huán)有序。

（3）“排送結(jié)合”規(guī)劃

在做好通風(fēng)通道的規(guī)劃后，還需要合理地布置送風(fēng)系統(tǒng)以及排風(fēng)系統(tǒng)才能更好地保證通風(fēng)散煙達(dá)到預(yù)期效果。對于送風(fēng)系統(tǒng)，施工時要求風(fēng)機(jī)安裝位置、角度符合安裝要求和風(fēng)帶走線標(biāo)準(zhǔn)，洞內(nèi)轉(zhuǎn)彎段采用與之配套的彎管，三通部位的銜接以及風(fēng)門做好密封，盡量減少沿途風(fēng)量損失。針對排風(fēng)系統(tǒng)，在各排風(fēng)豎井井口布置排風(fēng)機(jī)，并采用擋風(fēng)墻將排風(fēng)機(jī)排風(fēng)口進(jìn)行密閉，使排風(fēng)口的風(fēng)流不發(fā)生紊亂，達(dá)到理想的排風(fēng)效果。

（4）標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行管理

①變頻風(fēng)機(jī)運(yùn)行管理。運(yùn)行的任務(wù)主要包括操作風(fēng)機(jī)按照不同工況下的開度運(yùn)行，如在爆破散煙工況下，風(fēng)機(jī)按照50Hz全開度運(yùn)行；出渣及噴混凝土工況下，風(fēng)機(jī)按照40Hz開度運(yùn)行；鉆孔工況下，風(fēng)機(jī)按照30Hz開度運(yùn)行；其他工況下按照20Hz、15Hz開度運(yùn)行。

②三通部位運(yùn)行管理。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況控制洞內(nèi)三通部位風(fēng)門供風(fēng)量，使之與現(xiàn)場需求匹配，能有效提高風(fēng)機(jī)使用能效。如主變洞與尾水管檢修閘門室單側(cè)共用1臺風(fēng)機(jī)，主風(fēng)帶設(shè)置了三通分別通往主變洞和尾水管檢修閘門室，并在兩條風(fēng)帶支路上設(shè)置了調(diào)節(jié)風(fēng)門，在主變洞需風(fēng)量大、尾水管檢修閘門室需風(fēng)量小的情況下，將主變洞風(fēng)帶支路上的風(fēng)門開大，將尾水管檢修閘門室風(fēng)帶支路上的風(fēng)門關(guān)小，反之則進(jìn)行相反的操作。

③風(fēng)機(jī)維護(hù)保養(yǎng)及風(fēng)帶維修管理。成立風(fēng)機(jī)運(yùn)行班組，每日對風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行檢查和維護(hù)保養(yǎng)。在洞內(nèi)外設(shè)置限高標(biāo)識和限高裝置避免風(fēng)帶被超高設(shè)備刮破，在風(fēng)帶易損部位設(shè)置鐵皮外套等防護(hù)，防止二次損壞。同時，針對已損壞部位采用廠家配備的修補(bǔ)套，根據(jù)破損的大小采用合適的修補(bǔ)套進(jìn)行修補(bǔ)。

3.通風(fēng)散煙規(guī)劃布置仿真及實(shí)測驗(yàn)證

（1）方案有效性仿真驗(yàn)證

通過三維數(shù)值計(jì)算，在高峰期，主廠房南北側(cè)及主變洞南北側(cè)8個爆破作業(yè)面同時爆破時，主廠房、主變室、尾水管檢修閘門室排風(fēng)量分別為 6970、3090、4000 m3/min。

廠房南北側(cè)各布置1臺2×AVH 140.132.4.8變頻風(fēng)機(jī)供風(fēng)，出口供風(fēng)風(fēng)量3576 m3/min，供風(fēng)壓力5824 Pa。主變室及尾水管檢修閘門室南北側(cè)各布置 1臺 2×AVH140.132.4.8變頻風(fēng)機(jī)供風(fēng)，出口供風(fēng)風(fēng)量3576 m3/min，供風(fēng)壓力5824 Pa，供風(fēng)風(fēng)量滿足需風(fēng)量要求。

經(jīng)仿真模擬驗(yàn)證，洞室內(nèi)的空氣都順利的通過排風(fēng)豎井或通氣洞排至排風(fēng)隧道，再通過排風(fēng)隧道排至洞外，滿足通風(fēng)散煙要求。

（2）方案有效實(shí)測驗(yàn)證

根據(jù)現(xiàn)場不同施工工況，結(jié)合變頻風(fēng)機(jī)特點(diǎn)及現(xiàn)場試驗(yàn)，在爆破散煙工況下風(fēng)機(jī)按照50 Hz全開度運(yùn)行，經(jīng)測試洞室內(nèi)中部風(fēng)速可達(dá)到3.0 m/s以上；出渣及噴混凝土工況下風(fēng)機(jī)按照40 Hz開度運(yùn)行，工作面風(fēng)速可達(dá)到2.0 m/s以上；鉆孔工況下風(fēng)機(jī)按照30 Hz開度運(yùn)行，工作面風(fēng)速可達(dá)到1.5 m/s以上；其他工況下按照20 Hz、15 Hz開度運(yùn)行，工作面風(fēng)速可達(dá)到1.0 m/s以上。

爆破后，通風(fēng)散煙半小時，洞內(nèi)可吸入顆粒PM10濃度最大僅為0.8 mg/m3；平時正常工作狀況下，洞內(nèi)可吸入顆粒PM10濃度不足0.4 mg/m3，均小于國標(biāo)“不大于2 mg/m3”的要求。

三、結(jié) 語

在白鶴灘左岸引水發(fā)電系統(tǒng)地下洞室群工程施工中，通過對通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行充分調(diào)研，根據(jù)地下廠房施工特點(diǎn)及需求進(jìn)行設(shè)備選型，結(jié)合地下洞室群結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)，制定了“分期布局、新污分流、送排結(jié)合、變頻節(jié)能”的空氣環(huán)境綜合治理方案，經(jīng)三維建模仿真計(jì)算及現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)證明，該方案在高埋深復(fù)雜布局條件下的白鶴灘地下廠房洞室群取得了顯著成效，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。