水電站樞紐工程區(qū)交通隧道群通風(fēng)設(shè)計研究

陳勇良，張子晗，王瑛琢，吳玥含

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

隨著我國水電建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，青藏高原及川西高原各主要干流的梯級電站逐漸向高原、高海拔地域推進(jìn)，這些區(qū)域地表地貌呈現(xiàn)高山峽谷的形態(tài)，水電站建設(shè)中不可避免的較多采用地下廠房的形式，在地貌和形式限制下，水電站樞紐工程區(qū)難以避免的會存在距離長、規(guī)模大的交通隧道群和復(fù)雜的水電站地下洞室群開挖。此種情況下水電站交通隧道群通風(fēng)問題成為了一個難點，對水電站施工的順利進(jìn)行有較大的影響。目前，國內(nèi)針對此類型隧道群的綜合研究較少，水電站復(fù)雜交通隧道群的通風(fēng)問題還處于研究探索階段。

由于水電站樞紐工程區(qū)交通隧道群與普通公路隧道存在著巨大差異，參照專門針對公路隧道通風(fēng)設(shè)計的規(guī)范JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》[1]，在水電站交通隧道群通風(fēng)設(shè)計中難以滿足實際工程的需要，導(dǎo)致隧道群內(nèi)污染物濃度大、可見度不足，嚴(yán)重時會影響場內(nèi)交通運輸和電站主體工程建設(shè)。為更好的服務(wù)于水電工程建設(shè)，保證隧道內(nèi)車輛安全正常通行，滿足職業(yè)健康衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，必須進(jìn)行相關(guān)的研究，在設(shè)計思路、計算參數(shù)、研究方法等方面進(jìn)行創(chuàng)新，才能解決現(xiàn)有規(guī)范的局限性，做出貼合水電站工程建設(shè)實際的通風(fēng)設(shè)計，更好的滿足工程實踐需求。

1 水電站樞紐工程區(qū)交通隧道群特點與通風(fēng)設(shè)計分析

1.1 樞紐工程區(qū)交通隧道群特點分析

水電站樞紐工程區(qū)交通隧道群是水電站地下廠房、大壩施工運輸車輛的主要通道，如圖1所示。

圖1 某水電站樞紐工程區(qū)交通隧道群示意

區(qū)別于普通公路隧道，水電站樞紐工程區(qū)交通隧道群具有以下特點：

(1)水電站樞紐工程區(qū)場內(nèi)交通線路布置受制于電站樞紐布置、施工總布置、主體工程施工要求及區(qū)域陡峭地形地質(zhì)條件，不可避免會采用超過現(xiàn)行公路隧道規(guī)范要求的大縱坡曲線隧道。普通公路隧道內(nèi)污染物計算時，設(shè)計細(xì)則內(nèi)車輛排放的煙霧縱坡系數(shù)最大僅包含到4%，而水電站內(nèi)大縱坡隧道縱坡可能會大于6%，已超越現(xiàn)行通風(fēng)設(shè)計細(xì)則規(guī)定的范圍，無相應(yīng)排放縱坡系數(shù)可選。必須采取新的研究方式，取得符合實際情況的計算參數(shù)。

(2)水電站主體工程建設(shè)施工運輸車型為大型載重汽車，車輛載重量大，運輸強度高，污染物排放量大。車輛排放與普通公路隧道交通車輛差別巨大，無相應(yīng)車型系數(shù)可選。另外，大型重載車輛通行產(chǎn)生的顆粒和揚塵是也是洞室群內(nèi)污染物組成的重要部分，應(yīng)當(dāng)在通風(fēng)計算中考慮。基于以上參數(shù)的隧道的需風(fēng)量計算無依據(jù)可查，必須結(jié)合實際計算參數(shù)，研究新的計算方法。

(3)水電站樞紐區(qū)交通隧道與電站地下廠房洞室群相結(jié)合，形成地下洞室群，其連接交叉關(guān)系復(fù)雜，水電站地下廠房施工產(chǎn)生的污染物不可避免會通過支洞排入隧道主洞。在普通公路隧道通風(fēng)計算時，僅需考慮隧道內(nèi)交通污染物排放，而在水電站樞紐區(qū)交通隧道群內(nèi)，隧道交通產(chǎn)生的污染物與電站施工產(chǎn)生的污染物同時存在，必須采取新的研究思路，研究其相互影響關(guān)系，綜合兼顧考慮。

(4)隧道內(nèi)雙向行車和單向行車并用，風(fēng)流的進(jìn)出口多、高差大，行車組織復(fù)雜，風(fēng)流組織困難。普通公路隧道通風(fēng)計算，僅有單一隧道計算方法可以參考，而水電站樞紐區(qū)交通隧道與電站地下廠房洞室群相結(jié)合，連接交叉關(guān)系復(fù)雜，隧道內(nèi)的風(fēng)流組織困難，各個隧道與洞室之間形成網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，相互影響，必須采用新的設(shè)計思路，進(jìn)行整體分析研究。

1.2 樞紐區(qū)交通隧道群通風(fēng)設(shè)計思路分析

在公路隧道通風(fēng)設(shè)計中，隧道設(shè)計需風(fēng)量取稀釋煙塵需風(fēng)量Q(req)VI、稀釋CO需風(fēng)量Q(req)CO及隧道換氣需風(fēng)量Q(req)ac取三者之間的最大值[1]。而水電站樞紐工程區(qū)內(nèi)的交通隧道具有隧道縱坡大、車輛污染物排放量大、車輛運行過程會產(chǎn)生大量非排放顆粒污染物(揚塵)及水電站地下廠房施工產(chǎn)生的煙霧會通過支洞進(jìn)入隧道主洞的特點[2]。稀釋煙塵需風(fēng)量Q(req)VI為水電站樞紐工程區(qū)內(nèi)交通隧道通風(fēng)設(shè)計的控制因素，其計算值遠(yuǎn)大于其他兩者。水電站樞紐工程區(qū)內(nèi)交通隧道設(shè)計需風(fēng)量應(yīng)在公路隧道設(shè)計需風(fēng)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，主要考慮以下幾點：

(1)考慮水電站樞紐區(qū)交通隧道縱坡大、車輛載重大，按《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》計算得到的稀釋汽車煙塵需風(fēng)量應(yīng)乘以修正系數(shù)ω1進(jìn)行修正。

(2)水電站樞紐工程區(qū)交通隧道主要通行車輛為工程運輸車，在車輛運行過程中會產(chǎn)生大量的非排放顆粒污染物(揚塵)，應(yīng)考慮稀釋揚塵需風(fēng)量QF作為稀釋煙塵需風(fēng)量Q(req)VI的一部分。

(3)應(yīng)考慮水電站施工排煙對隧道主洞需風(fēng)量的影響，將交通運行污染和施工污染綜合考慮。

(4)應(yīng)將隧道群整體考慮，形成網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)的解決思路和方法。

2 水電站樞紐工程區(qū)交通隧道群交通運行污染物研究

2.1 汽車煙霧排放量的測試

柴油車煙霧排放量與尾氣中顆粒物的濃度、體積及廢氣流量等有關(guān)。根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)，柴油車煙霧排放水平是通過測量光吸收系數(shù)值來評價，光吸收系數(shù)值既反映了煙霧顆粒的數(shù)量、粒徑，又反映了光衰減系數(shù)[3]。車載測試原理如圖2所示。

圖2 車載煙霧測試系統(tǒng)

規(guī)范計算汽車煙霧排放量按最不利工況進(jìn)行取值，當(dāng)縱坡坡率超過4%時，按4%計算。將現(xiàn)場實測煙霧排放量和規(guī)范計算煙霧排放量進(jìn)行比較，如圖3所示。

圖3 貨車煙霧排放量實測值與計算值對比

2.2 汽車煙霧排放量修正系數(shù)ω1取值研究

水電站樞紐工程區(qū)交通隧道通內(nèi)稀釋汽車煙霧排放量QVI′大于按《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》計算所得的稀釋汽車煙霧排放量QVI，在實際設(shè)計工程中，稀釋汽車煙霧排放量應(yīng)乘以修正系數(shù)ω1，即

QVI′=ω1QVI

(1)

將現(xiàn)場實測結(jié)果和規(guī)范計算結(jié)果進(jìn)行比較，QVI′與QVI比值介于1.05～2.15之間。在實際設(shè)計過程中，建議汽車煙霧排放量修正系數(shù)ω1取值如表1所示。

表1 水電站樞紐工程區(qū)交通隧道汽車煙霧排放量修正系數(shù)取值

2.3 稀釋汽車非排放顆粒物需風(fēng)量QF

《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》中，隧道內(nèi)非排放因素引起的粉塵等不作為設(shè)計需風(fēng)量的依據(jù)。由于水電站樞紐區(qū)交通隧道群運營中，隧道內(nèi)通行的車輛大多為施工現(xiàn)場的工程車輛，這樣的車輛引起的粉塵濃度比一般的公路隧道要大很多。根據(jù)世界道路協(xié)會2004年發(fā)布的《公路隧道汽車尾排和需風(fēng)量》報告，隧道內(nèi)的非廢氣排放污染源有多種，主要是輪胎和制動磨損、道路路面磨耗和揚塵等。大部分非排氣管排出的顆粒物在大于10 μm(>PM10)的范圍。這些顆粒在可見光的波長范圍內(nèi)，因而對于隧道內(nèi)能見度有重要影響[4-5]。

在某水電站樞紐工程區(qū)內(nèi)，采用的儀器P-5L2C型數(shù)字粉塵儀，在已經(jīng)通車運行的隧道中選擇若干斷面，當(dāng)有車輛經(jīng)過時，開啟粉塵儀，測試車輛經(jīng)過時引起的粉塵。按照世界道路協(xié)會2004年發(fā)布的《公路隧道汽車尾排和需風(fēng)量》報告，對隧道內(nèi)非排放顆粒物按照圖4進(jìn)行擬合。

圖4 非排放顆粒物質(zhì)量密度和衰減系數(shù)的相關(guān)關(guān)系

根據(jù)水電站交通隧道群運營車輛和隧道群自身的特點，對非排放顆粒物按照圖4的方法擬合的結(jié)果如圖5所示。

圖5 非排放顆粒物密度擬合結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析，擬合出水電站樞紐區(qū)隧道群在交通運行情況下，重車單車引起的粉塵轉(zhuǎn)換為非排放因子qVI′取值在2.4～2.6 m2/km之間。

汽車非排放污染物排放量QVI-F計算公式為

(2)

式中，qVI′為現(xiàn)場實測非排放顆粒物因子，計算時取2.5 m2/(輛·km)；fd為車密度系數(shù)，當(dāng)行車速度為30 km/h時取2，當(dāng)行車速度為20 km/h時取3；Nm為相應(yīng)車型設(shè)計交通量。

隧道群內(nèi)稀釋汽車非排放顆粒物需風(fēng)量QF計算公式為

(3)

式中，k為隧道煙塵設(shè)計濃度。

3 水電站樞紐工程區(qū)地下洞室群施工排煙對交通隧道通風(fēng)影響分析研究

水電站地下洞室群施工通風(fēng)與交通隧道群連接關(guān)系如圖6所示。

圖6 某水電站地下洞室群與交通隧道群連接關(guān)系示意

地下洞室群施工通風(fēng)較多的采用壓入式通風(fēng)，其模型如圖7所示。爆破污染物會擴散到整個洞室斷面，然后緩慢地向出口擴散，污風(fēng)管收集污染物效率低，難以避免施工污染物通過與交通隧道群的平交口進(jìn)入交通隧道群，并逐漸在通風(fēng)不利的位置聚集，影響交通行車安全。

圖7 壓入式施工通風(fēng)模型

洞室群系統(tǒng)單次爆破后排出的污風(fēng)，污染物濃度呈逐步下降的曲線，污染物初次排入交通隧道的時間點時為該情況下隧道內(nèi)施工污染物的最高濃度時間點，其后隨施工送風(fēng)量逐漸遞增，污染物濃度逐漸下降[6]。在分析計算過程中，需要分析計算出施工爆破污染物初次進(jìn)入交通隧道的時間點。

由于水電站引水發(fā)電系統(tǒng)地下洞室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對通風(fēng)的影響難以選取參數(shù)，分析計算時簡化濃度變化計算方式，僅考慮持續(xù)的施工供風(fēng)不斷稀釋爆破產(chǎn)生的有害氣體，通過建模計算，估算出爆破排煙排入交通隧道的時間點，計算出此時間點的污染物濃度，從而得到交通隧道內(nèi)的稀釋施工污染物需風(fēng)量[7]。

根據(jù)實際尺寸建立壓入式通風(fēng)的三維數(shù)值模型，估算隧道內(nèi)排出污染物風(fēng)速大小，洞室群通道斷面污風(fēng)風(fēng)速大小如圖8所示，縱向風(fēng)速分布如圖9所示。

圖8 壓入式通風(fēng)橫斷面風(fēng)速分布

圖9 壓入式通風(fēng)縱向風(fēng)速分布

根據(jù)建模計算結(jié)果及相關(guān)資料中施工斷面內(nèi)風(fēng)速的數(shù)據(jù)，綜合考慮后可以得到地下洞室群爆破后煙霧進(jìn)交通隧道群的時間，由此確定施工污風(fēng)初值時間點和濃度，從而確定稀釋水電站地下洞室群施工污染物的需風(fēng)量QS。

參考實際項目三維數(shù)值模擬結(jié)果，壓入式通風(fēng)風(fēng)速為0.5～1 m/s左右，可得出爆破污染物進(jìn)入交通隧道時間tb為

tb=L/v風(fēng)

(4)

式中，L為交通隧道長度；v風(fēng)為通風(fēng)風(fēng)速。

在此時間段內(nèi)，爆破污染物稀釋后濃度為

(5)

此時與交通隧道標(biāo)準(zhǔn)CO濃度要求對比，將爆破污染物稀釋到100ppm標(biāo)準(zhǔn)，則可計算稀釋水電站地下洞室群施工污染物的需風(fēng)量QS，即

(6)

4 水電站樞紐工程區(qū)內(nèi)交通隧道群設(shè)計需風(fēng)量

通過以上分析，可以得到水電站樞紐工程區(qū)交通隧道群設(shè)計需風(fēng)量計算流程，如圖10所示。

圖10 水電站樞紐工程區(qū)內(nèi)交通隧道設(shè)計需風(fēng)量計算流程

取修正后的稀釋交通污染物需風(fēng)量Q(req)VI為

(7)

水電站樞紐工程區(qū)交通隧道設(shè)計需風(fēng)量Qreq取修正后的稀釋交通污染物需風(fēng)量Q(req)VI和水電站地下廠房稀釋施工排煙污染物影響需風(fēng)量QS之間的較大值，并乘以同時系數(shù)β，計算公式為

Qreq=βMAX[Q(req)VI，Qs]

(8)

式中，β為考慮水電站施工影響和隧道運營通風(fēng)的同時系數(shù)及機械預(yù)留，取1.15。

5 水電站樞紐區(qū)交通隧道群風(fēng)機選型及風(fēng)流組織

5.1 隧道群風(fēng)機選型比較

水電站場內(nèi)交通隧道射流風(fēng)機常選用公路隧道用雙向射流風(fēng)機，經(jīng)過現(xiàn)場實際運行以及相關(guān)隧道通風(fēng)研究實測：高原地區(qū)由于海拔較高，空氣密度較低，存在射流風(fēng)機出力不足，不能按照額定運行狀態(tài)工作，應(yīng)考慮高原射流風(fēng)機降效問題。

幾種水電站場內(nèi)交通隧道常見的通風(fēng)設(shè)備對比計算結(jié)果如表2所示。

表2 水電站樞紐工程區(qū)交通隧道群常見風(fēng)機選型對比

根據(jù)工程經(jīng)驗和計算研究，綜合考慮風(fēng)機的功率、安裝方便程度、以及供電設(shè)施經(jīng)濟(jì)性，水電站場內(nèi)交通隧道群宜選擇適合高原施工條件下使用的強力射流風(fēng)機。

5.2 隧道群風(fēng)流組織方案研究

水電站樞紐區(qū)交通隧道群與電站地下廠房洞室群形成網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，現(xiàn)行《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》中的單一隧道通風(fēng)計算模型已經(jīng)不能滿足實際需要。經(jīng)過分析研究，應(yīng)按照網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)的模型進(jìn)行考慮，模型中各個隧道支洞之間有機結(jié)合，在通風(fēng)計算時，按照以下步驟形成網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)風(fēng)流組織[8]：

(1)將各個平交點或者污染物排放點，作為通風(fēng)節(jié)點，對隧道群整體劃分區(qū)段。

(2)根據(jù)水電站施工組織計劃，調(diào)查出各個施工時間段內(nèi)隧道群各個區(qū)段的最大交通量，結(jié)合修正計算系數(shù)和該區(qū)段隧道線路情況，計算出該區(qū)段的交通污染物需風(fēng)量。

(3)研究交通隧道群與地下洞室開挖施工的相互銜接情況，調(diào)查出開挖施工污染物排放情況，通過三維數(shù)值模擬計算得出開挖施工污染物進(jìn)入交通隧道位置點的開挖污染物需風(fēng)量。

(4)研究各個網(wǎng)絡(luò)區(qū)段內(nèi)的交通污染物需風(fēng)量和開挖污染物需風(fēng)量，結(jié)合車輛運行路線和時間等參數(shù)，確定該網(wǎng)絡(luò)區(qū)段設(shè)計需風(fēng)量。

(5)研究風(fēng)機在隧道群內(nèi)的布置情況和參數(shù)，根據(jù)各個網(wǎng)絡(luò)區(qū)段提出合理的風(fēng)流組織模型，然后通過三維數(shù)值計算，得出整體的網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)布置方案，如圖11所示。圖11中，左右方向的交通主隧洞通過2條聯(lián)絡(luò)隧道連接水電站地下廠房施工工作面，在采用本方法之前交通主隧道內(nèi)存在局部區(qū)域氣流無法有效組織，爆破煙塵聚集嚴(yán)重影響行車能見度，造成延誤施工進(jìn)度的情況。通過采用本方法計算修正，綜合考慮行車與洞室群施工爆破影響，并網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)行風(fēng)流組織，設(shè)定參數(shù)進(jìn)行模擬，通過模擬結(jié)果可以看到該方法能在隧道內(nèi)形成持續(xù)有效的通風(fēng)氣流，可控制煙塵彌漫聚集，有效解決隧道內(nèi)行車安全問題，保障施工順利推進(jìn)。

圖11 某項目隧道群通風(fēng)方案三維模型數(shù)值計算結(jié)果示意

6 結(jié) 論

通過對水電站樞紐區(qū)交通隧道群的分析和研究得到以下結(jié)論：

(1)水電站樞紐工程區(qū)交通隧道設(shè)計需風(fēng)量應(yīng)在按照公路隧道相關(guān)規(guī)范計算得到的需風(fēng)量基礎(chǔ)上，對稀釋煙塵需風(fēng)量進(jìn)行修正，并考慮行車揚塵及水電站地下廠房施工對主洞通風(fēng)排煙的影響。

(2)水電站樞紐工程區(qū)交通隧道群通風(fēng)設(shè)計中，汽車污染物排放量的計算應(yīng)根據(jù)現(xiàn)行公路隧道通風(fēng)設(shè)計規(guī)范計算得到污染物排放量乘以修正系數(shù)ω1，ω1取值根據(jù)隧道縱坡坡率不同，介于1.05～2.15之間。

(3)水電站樞紐工程區(qū)交通隧道群通風(fēng)設(shè)計中，應(yīng)考慮稀釋汽車非排放顆粒物(揚塵)需風(fēng)量QF，重車單車引起的粉塵轉(zhuǎn)換為非排放因子取值在2.4～2.6 m2/km之間。

(4)水電站地下廠房施工污染物對隧道主洞的影響，可通過三維數(shù)值模擬的方法估算稀釋施工煙霧濃度的需風(fēng)量。取修正后的稀釋煙塵需風(fēng)量和水電站地下廠房施工排煙對主洞影響需風(fēng)量之間的較大值，并乘以同時系數(shù)β作為最終的設(shè)計需風(fēng)量。

(5)對于水電站樞紐工程區(qū)內(nèi)交通隧道，風(fēng)機宜選擇適合高原施工條件下使用的強力射流風(fēng)機，在風(fēng)流組織時應(yīng)按照網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)的模型進(jìn)行考慮，形成整體的網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)方案。