白鶴灘水電站尾水隧洞施工通風效果研究

孫會想，汪海平，徐進鵬

(中國三峽建設管理有限公司， 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。具有通排風豎井前期不具備形成條件、隧洞獨頭掘進距離遠、所需風量和風壓大、爆破污染物濃度大且不易消散等特點。洞內污染物濃度一旦超標，將會對施工人員安全和健康造成嚴重威脅，因此施工通風是影響尾水隧洞施工安全且關系到工程進度的關鍵因素之一[1-2]。

1 研究現狀及工程概況

1.1 研究現狀

對水電站地下洞室施工通風研究目前多集中于主廠房等有專用通排風豎井或通道的較大洞室通風計算分析或洞室群施工通風方案及理論等方面。劉雪朋[3]對水電站地下主廠房施工通風進行了數值模擬；馬德萍等[4]分析了向家壩地下洞室群混合式通風、串聯風機布置和通風豎井等因素對通風效果的作用, 但未研究無通風豎井工況下風場形態；徐蒯東等[5]基于洞室設計的角度，對地下廠房洞室群各階段通風方案進行了論述和探討，但未進行試驗驗證；盧文波等[6]提出了地下洞室群施工通風理論計算過程和優化思路。對于水電站獨頭隧洞施工通風研究多集中于通道較好的引水隧洞[7-9]，而結合三維數值模擬[10]和現場污染物測試[11]，對大型水電站尾水隧洞獨頭開挖施工通風研究的較少，缺乏相應的分析。

本文以白鶴灘水電站右岸尾水隧洞施工通風為研究對象，計算了隧道各施工工序需風量，采用Fluent[12]流體數值軟件，分析了空氣流場形態和爆破污染物逸散、分布規律。對解決大型水電站尾水隧洞施工通風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，總裝機容量16 000 MW，是國家十三五規劃的重點工程，西電東送的骨干電源點之一。地下洞室群規模巨大，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，排風豎井不具備形成條件，一站式最遠通風距離達3 700 m，施工通風問題突出。

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層為保護層開挖，分層高度3 m。4條尾水隧洞總體采用隔洞、錯距方法施工，相鄰洞室錯距大于30 m，第Ⅰ層開挖施工采用獨頭送風方式通風。

2 通風量計算和通風方案

2.1 通風量計算

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

2.1.1 爆破散煙需風量 爆破散煙需風量根據洞室埋深和裝藥結構特點，按照最大單響藥量、稀釋CO至允許濃度、爆破產塵所需風量三者中的最大值取值。

按最大單響藥量計算：

(1)

式中:A為單響藥量，kg；b為每公斤炸藥爆破所產生的有害氣體體積，L；t為通風時間，min。

按稀釋CO至許可濃度計算

(2)

式中：K為風量備用系數。

按爆破產塵所需通風量計算

(3)

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

2.1.2 按洞內同時工作人數呼吸所需風量

Qworker=3k·m

(4)

式中：m為同時工作的人數。

2.1.3 按稀釋內燃機有害氣體所需風量

Qce=v0N

(5)

式中:v0為單位功率需風量指標,m3/(kW·min)；N為同時工作的內燃機總額定功率,kW。

2.1.4 滿足掌子面最小風速所需風量

Qmin v=60V·S

(6)

式中：V為掌子面最小風速，m/s；S為洞室斷面尺寸，m2。

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

表1 單掌子面爆破開挖需風量表 m3/min

單掌子面開挖最大需風量為1 004.8 m3/min，出渣及噴混凝土最大需風量為806.6 m3/min，鉆孔及掛網最大需風量為584.1 m3/min。開挖作業爆破散煙為風機選型的控制性因素。

2.2 通風方案

根據地下洞室群布置特點，洞外取風，支洞頂拱布置主送風管，通過風門和三通分別向相鄰兩個掌子面供風。通過調節風門開度，實現一臺風機根據兩個掌子面不同工序需要供風。

調研國內外風機產品，選定SWEDVENT變頻風機。該風機一站式通風距離超過4 km；單機最大流量220 m3/s，最大風壓達5 200 Pa，0～50 Hz可變頻控制風機風量，節省能耗。風機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管，右岸尾水隧洞風機配置見表2。

圖1 右岸尾水隧洞通風線路

表2 右岸尾水隧洞風機配置

尾水隧洞隔洞開挖最不利工況為兩個掌子面同時爆破，剩余兩個掌子面進行出渣等其他工序施工，因一臺風機控制相鄰兩個掌子面，每臺風機供風量取開挖和出渣及噴混凝土最大需風量之和，不應小于18 11.4 m3/min。

考慮通風過程中的摩擦風阻和漏風率，掌子面空氣流量為：

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

(7)

式中：Q1為風管末端風量，取1 811.4 m3/min;Q0為風機出口風量，m3/min；L為風帶長度，m；Leakage為漏風率(每100 m漏風率為1.0%～2.0%)。

由公式(7)反算風機出口流量Q0，進而確定風機配置(見表2)。

3 通風流場形態與污染物逸散分析

3.1 控制方程

洞室施工通風屬于氣固湍流問題，可采用三維非穩態單相流模型，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，其擴散與流體組分的擴散相同。控制方程包括：

連續性方程：

(8)

動量方程：

(9)

動能方程:

(10)

式中：μi為速度矢量，m/s；p為壓力，Pa；ν為運動黏性系數，m2/s；νt為紊流黏性系數，m2/s；Ck為常數。

采用標準的k-ε雙方程模型。

湍動能k方程:

(11)

湍動能ε方程:

(12)

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

3.2 模型簡化和假設

利用Fluent流體數值軟件，將所有污染物作為三維單相連續流體處理，有害氣體及粉塵顆粒作為氣體組分，其擴散量按爆破產生的CO流量計算。模型簡化和基本假設有：

(1)不考慮溫差引起的浮升效應和質量力。

(2)忽略洞室內機械設備對流場的擾動。

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

(4)邊界條件：隧道進出口設定為escape，其他壁面設定為reflect，壓力設定為標準大氣壓力，溫度設定為25℃。

3.3 網格劃分

尾水隧道通風網絡結構復雜，流體區域大，網格劃分采用結構化網格，對支洞與洞室連接處、掌子面等流動復雜的區域進行加密(圖2、3)。

圖2洞室連接處網格 圖3主洞網格

3.4 流場分析

通風運行后不同時間尾水隧洞內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，底部空氣向隧洞外流動，在隧洞中下部形成一個回流區，在射流未到掌子面時，回流區隨射流不斷向掌子面移動，直至穩定在距掌子面一定距離的部位，2 min左右流場基本穩定。

流場穩定后，氣流從出風口射出，射流主流不斷卷吸周圍空氣擴大射流面，但受限于空間和風流動量，射流到達掌子面形成回流。

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

圖4 通風運行后不同時間尾水隧洞內空氣流暢速度云圖

3.5 污染物逸散分析

選取5#、7#尾水隧洞第Ⅰ層獨頭開挖為典型工況，風管出風口距掌子面30 m,將有害氣體及粉塵顆粒作為氣體組分折算為CO濃度。流場穩定后進行掌子面爆破。爆破后不同時間掌子面附近50 m范圍內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，擴散較慢，風流到達掌子面后，開始推動污染物向遠離掌子面方向流動，隨著時間的增加，污染物濃度被不斷稀釋，15 min時掌子面附近大部分污染物已排出，殘余污染物分布均勻，其濃度接近規范要求。

4 污染物測試及通風效果

4.1 污染物濃度測試

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個監測點，布置方式見圖7；在隧洞中心線上布置4監測點,布置方式如圖8所示。

圖5 風管中心線處剖面速度流場圖

圖6 不同時間掌子面附近50 m范圍內CO濃度分布圖

圖7 尾水隧洞橫斷面測點布置(單位：cm)

圖8 尾水隧洞中心線測點布置(單位：cm)

選取5#、7#尾水隧洞爆破為典型工況，通風2 min空氣流場穩定后，進行掌子面爆破，采用氣體采樣器配合氣體檢定管測定空氣中CO氣體濃度。

1#～4#測點處污染物隨通風時間變化規律如圖9所示。由圖9可看出，測點1#～4#測點處的CO濃度變化規律基本一致：爆破后CO濃度先急劇增加，之后隨著時間增加不斷降低，通風12 min后，掌子面3 m附近污染物濃度降至規范允許濃度以下。通風2.4 min時CO濃度同時達到峰值，峰值隨測點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點CO濃度變化規律與同一斷面測點變化規律相似，但不同距離各測點CO濃度達到峰值的時間不同，距離掌子面越遠，達到峰值所需的時間越長，其原因是距離掌子面越遠，新鮮空氣達到掌子面的時間越長，污染物需要越多的新鮮空氣卷吸帶出隧洞，其達到峰值所需的時間也越長。

圖9同一斷面各測點CO濃度隨時間變化規律 圖10不同距離各斷面CO濃度隨時間變化規律

各測點污染物峰值大小隨至掌子面距離增加而減小，其原因為距掌子面越遠，隧道總空間越大，風流到達時壓入的空氣容量越大，對污染物的稀釋作用也越明顯。通風15 min后，掌子面附近的污染物濃度均接近規范允許范圍。

4.2 現場通風效果

爆破通風15 min后，尾水隧洞現場空氣狀況如圖11，綜合數值計算和現場污染物測試可知，掌子面附近所有部位污染物濃度接近規范允許范圍，通風時間小于規范要求[15]，通風效果良好。現場污染物變化規律和濃度與數值模擬結果一致，驗證了數值計算結果。

圖11 通風15 min后尾水隧洞現場空氣狀況

5 結論與建議

(1)大埋深獨頭隧洞施工通風各影響因素中，爆破散煙為關鍵因素，也是風機選型的控制性因素。

(2)通風2 min后尾水隧洞內流場基本穩定，出風口下方和掌子面上、下方等部位存在回流區，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律為：污染物濃度先急劇增加，之后隨著時間增加不斷降低，通風12 min后，距掌子面3 m附近污染物降至規范允許濃度以下；通風15 min時掌子面附近所有部位污染物濃度均接近規范允許范圍。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小；同一斷面污染物濃度達到峰值時間一致，距離掌子面越遠，污染物濃度達到峰值的時間越長。