抽水蓄能電站地下洞室群開挖及通風(fēng)技術(shù)研究

馬 賽/MA Sai

（中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京 211800）

抽水蓄能電站地下洞室群具有縱橫交錯(cuò)、平斜豎相貫、作業(yè)面多等特點(diǎn)，隧洞爆破及機(jī)電設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生有害氣體，嚴(yán)重威脅施工人員的生命健康安全。如何改善施工通風(fēng)技術(shù)保護(hù)環(huán)境、促進(jìn)行業(yè)發(fā)展已成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

林志勇等人對(duì)抽水蓄能電站機(jī)電安裝期地下廠房通風(fēng)系統(tǒng)的施工通風(fēng)的規(guī)律和影響因素進(jìn)行了研究；李宏宇等人對(duì)實(shí)際抽水蓄能電站的機(jī)電安裝期焊接煙塵的擴(kuò)散與施工通風(fēng)方案進(jìn)行了數(shù)值模擬；于洋采用的通風(fēng)系統(tǒng)布置方案使得施工掌子面的環(huán)境得到很大改善；鐘為等人研究不同負(fù)壓風(fēng)機(jī)風(fēng)量對(duì)獨(dú)頭掘進(jìn)的長(zhǎng)大隧洞施工有害氣體排放特性的影響；陳日偉等人為改善烏江渡水電站地下廠房通風(fēng)效果，通過建立發(fā)電機(jī)層洞室三維模型及計(jì)算流體力學(xué)（CFD）流場(chǎng)仿真模型。

本研究使用CFD 仿真模擬方法分析抽水蓄能電站地下洞室群施工通風(fēng)質(zhì)量影響因素，研究洞室內(nèi)風(fēng)速、風(fēng)壓變化特性以及污染物擴(kuò)散特性，分析其對(duì)通風(fēng)效果的影響，輔以現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證手段并提出合理施工方案，有效改善地下洞室群施工通風(fēng)效果。

1 地下洞室群施工通風(fēng)數(shù)值模擬方法

1）工程設(shè)計(jì)規(guī)劃 以績(jī)溪某抽水蓄能電站工程為對(duì)象，綜合考慮抽蓄電站地下洞室施工程序、施工通道及施工進(jìn)度等因素，抽水蓄能電站工程大致情況如圖1 所示。

圖1 抽水蓄能電站工程示意圖

2）計(jì)算假設(shè) 地下洞室距離長(zhǎng)、斷面小，其施工通風(fēng)過程為空氣動(dòng)力學(xué)和污染源擴(kuò)散問題的研究范疇，流態(tài)復(fù)雜。把氣體當(dāng)作不可壓縮流體，不考慮計(jì)算區(qū)域與外界發(fā)生的熱量交換，把其流動(dòng)狀態(tài)視為紊流。

3）計(jì)算工況的確定 研究中側(cè)重分析尾調(diào)豎井施工進(jìn)度、3#隧洞獨(dú)頭開挖及1#、3#尾水洞同時(shí)開挖對(duì)尾水隧洞施工通風(fēng)的影響，計(jì)算工況如表1。以各工況下隧洞斷面風(fēng)速及有害氣體濃度為主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算工況

2 三維模型建立

如圖2 所示，本次研究中的各計(jì)算模型最少網(wǎng)格數(shù)48 萬(wàn)個(gè)，最大網(wǎng)格數(shù)為129 萬(wàn)個(gè)。均經(jīng)過網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，即網(wǎng)格數(shù)量對(duì)數(shù)值模擬的關(guān)鍵結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生較大影響，以保證CFD 仿真結(jié)果的可靠性。

圖2 兩種獨(dú)頭掘進(jìn)施工方案三維模型圖

2.1 計(jì)算邊界條件設(shè)置

根據(jù)施工通風(fēng)設(shè)計(jì)方案，對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)及通風(fēng)管參數(shù)如下表2 所示。進(jìn)廠交通洞及5#施工支洞設(shè)置為速度入口（Velocity-inlet）條件；尾調(diào)豎井、進(jìn)廠交通洞及5#施工支洞均設(shè)置為壓力出口（Pressure-outlet）條件。

表2 3#尾水隧洞獨(dú)頭掘進(jìn)施工通風(fēng)風(fēng)機(jī)及風(fēng)管特性

假設(shè)工作面爆破后產(chǎn)生的炮煙瞬間均勻充滿于炮煙拋擲距離段內(nèi)的空間，由拋擲長(zhǎng)度計(jì)算公式，得到各工況的炮煙初始濃度及炮煙拋擲長(zhǎng)度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，炮煙拋擲長(zhǎng)度b及CO 的初始濃度及分別按式（1）和式（2）計(jì)算。

其中，Q為總裝藥量，單位kg；b為炮煙拋擲長(zhǎng)度，單位m；G為同時(shí)爆破的炸藥量，單位kg；γ為有毒氣體容重，對(duì)CO 氣體可取1.165kg/m3；A為斷面面積，單位m2；b1為每千克炸藥產(chǎn)生的有毒氣體體積，對(duì)CO 氣體可取0.04kg/m3。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

為保證仿真模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，使用熱線式風(fēng)速儀及CO 檢測(cè)儀，現(xiàn)場(chǎng)選取5 個(gè)特征隧洞斷面進(jìn)行測(cè)量的方法進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與仿真值比較結(jié)果如表3 所示，相對(duì)誤差在可允許的范圍內(nèi)。

表3 風(fēng)速及CO濃度的仿真值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

3 尾調(diào)豎井開挖進(jìn)度的影響分析

若尾調(diào)豎井滯后開挖，則無(wú)法設(shè)置負(fù)壓排風(fēng)設(shè)備，這對(duì)尾水隧洞施工的掌子面通風(fēng)影響較小，但對(duì)靠近尾調(diào)豎井的尾水隧洞洞內(nèi)流速和有害氣體排放產(chǎn)生較大影響。

3.1 通風(fēng)流場(chǎng)分析

如圖3 所示，尾調(diào)豎井投入使用前后，3#尾水隧洞施工掌子面及洞內(nèi)沿線流速分布變化明顯，此時(shí)1-1-1 工況下掌子面斷面平均流速為3.20m/s，而受風(fēng)壓衰減影響1-1-3 工況掌子面斷面平均流速2.30m/s。而1-1-2 與1-1-4 兩工況下與尾調(diào)豎井投入使用前的掌子面及洞內(nèi)沿線流速分布相比變化不大。如圖4 所示，尾調(diào)豎井投入使用前污風(fēng)經(jīng)進(jìn)廠交通洞排出，存在洞內(nèi)沿程污染風(fēng)險(xiǎn)。負(fù)壓排風(fēng)投入使用后，尾水洞內(nèi)風(fēng)速均有顯著提高，而5#施工支洞風(fēng)速有所減弱，開啟負(fù)壓排風(fēng)后可保證90%污風(fēng)進(jìn)入尾調(diào)豎井排放，通風(fēng)效果有明顯改善。

圖3 尾調(diào)豎井投入使用前后掌子面斷面流速分布圖

圖4 尾調(diào)豎井投入使用前后支洞連接處流速分布圖

3.2 有害氣體擴(kuò)散特性分析

圖5（a）為各工況掌子面CO 濃度擴(kuò)散過程線圖，其中隧洞斷面CO 濃度為掌子面位置橫截面的CO 平均濃度，并換算成ppm 單位。尾調(diào)豎井投入使用前后，均能在10min 內(nèi)降低至施工規(guī)范內(nèi)規(guī)定值24ppm 以下，保證通風(fēng)環(huán)境的安全。

若尾調(diào)豎井未按期投入使用，如圖5（b），大量污風(fēng)約10min 擴(kuò)散至3#隧洞與5#施工支洞連接處，CO 平均濃度高達(dá)536ppm 和447ppm。5#施工支洞斷面CO 平均濃度達(dá)到149ppm 和77ppm。

4 尾水隧洞開挖順序的影響分析

1#尾水隧洞與3#尾水隧洞同時(shí)施工時(shí)，2 個(gè)掌子面及洞內(nèi)的流速分布如圖6。洞內(nèi)沿線風(fēng)流流場(chǎng)未出現(xiàn)明顯漩渦，風(fēng)流流速分布均勻，1#尾水隧洞掌子面斷面平均流速1.24m/s，3#尾水隧洞掌子面斷面平均流速1.41m/s，較單獨(dú)施工時(shí)降低約50%，洞內(nèi)流速明顯降低，但仍達(dá)到0.6m/s，滿足規(guī)范要求。

圖6 隧洞掌子面斷面流速分布圖（1-1-5工況）

兩條尾水隧洞同時(shí)施工時(shí)，如圖7 所示，正壓送風(fēng)風(fēng)量不變，而負(fù)壓排風(fēng)風(fēng)機(jī)增加為2 臺(tái)，因此其污風(fēng)排放效果較好，全部污風(fēng)通過尾調(diào)豎井排放，不再進(jìn)入5#施工支洞及進(jìn)廠交通洞。

圖7 1.5m高平面流速局部分布圖（1-1-5工況）

如圖8 所示，兩條隧洞同時(shí)施工時(shí)，掌子面CO 氣體的擴(kuò)散速度較單洞施工時(shí)略慢。3#尾水隧洞內(nèi)CO 氣體的斷面平均濃度完全降低至規(guī)范允許值所需的時(shí)間為35min，較單洞施工時(shí)增加17min。該工況下，所有的CO 直接經(jīng)1#和3#尾調(diào)豎井排放，可完全避免對(duì)5#施工支洞和進(jìn)廠交通洞的污染。

圖8 1.5m高平面CO濃度分布圖（1-1-5工況）

綜上所述，尾調(diào)豎井投入使用設(shè)置負(fù)壓排風(fēng)后，大量有害氣體CO 從尾調(diào)豎井排放，有效減弱了對(duì)5#施工支洞和進(jìn)廠交通洞的污染。

5 結(jié)論

1）若尾調(diào)豎井滯后開挖，無(wú)法設(shè)置負(fù)壓排風(fēng)設(shè)備會(huì)對(duì)靠近尾調(diào)豎井的洞內(nèi)流速和有害氣體的排放造成負(fù)面影響。

2）若尾調(diào)豎井未能按期投入使用，則大量污風(fēng)CO 緩慢擴(kuò)散至5#施工支洞和主廠房交通洞。若經(jīng)多次爆破排煙，其施工環(huán)境條件將更加惡化。建議保證尾調(diào)豎井在尾水隧洞開挖前投入使用。

3）兩條尾水隧洞同時(shí)施工時(shí)，3#尾水隧洞掌子面斷面平均流速較其單獨(dú)施工時(shí)降低約50%。掌子面CO 氣體擴(kuò)散速度較單洞施工時(shí)略慢，洞內(nèi)CO 氣體斷面平均濃度降低至規(guī)范允許值所需時(shí)間較單洞施工時(shí)增加17min。