泸定水电站大型长廊式调压室合理施工通风散烟时间研究

黄鑫，李艳玲，郑园媛

（四川大学水利水电学院，成都 610065）

泸定水电站大型长廊式调压室合理施工通风散烟时间研究

黄鑫，李艳玲，郑园媛

（四川大学水利水电学院，成都 610065）

泸定水电站大型长廊式调压室结构复杂，作业面多，施工通风散烟难度大。为改善施工通风效果，保证施工能安全、高效、快速地进行，采用基于流体力学理论的三维数值模拟其不同通风方案下一、二期的施工通风流场和有害气体扩散特性。给出了一、二期最优通风方案，并提出了相应合理的通风散烟时间。研究成果为通风方案优化和通风散烟时间的合理确定提供理论依据和技术支持。

泸定水电站;长廊式调压室;流体力学;三维数值模拟;通风散烟

泸定水电站大型长廊式调压室结构复杂，施工难度大，作业面多，钻孔、爆破、装渣、运输、喷锚支护等多工序交叉作业［1］。施工中会产生爆破气体、施工机械尾气、混凝土作业粉尘等有害气体，通风散烟问题十分突出。而施工期通风散烟问题是影响施工安全，制约洞室群施工进度、关系施工质量和机械设备使用效率的主要因素［2-4］。为改善施工通风效果，保证施工安全、高效、快速地进行，本文构建混合模型，采用Fluent软件［5］模拟泸定水电站长廊式调压室施工通风流场和通风效果。并在此基础上优化一、二期施工通风方式，分析CO浓度的扩散特性，并提出了合理的通风散烟时间。

1 工程概况

泸定水电站位于大渡河干流丹巴至泸定段，为大渡河干流规划调整推荐22级方案的第12级电站。最大坝高79.5 m，正常蓄水位以下库容为2.171亿m3，调节库容0.21亿m3，具有日调节能力;装机容量4×230 MW。

泸定水电站调压室为长廊式结构，开挖尺寸260 m×22 m×75.4 m（长×宽×高），中部宽16 m的岩墙将其分隔为1#调压室及2#调压室，设有穿墙洞相连，岩墙顶部与调压室交通洞相通。调压室底部上游边墙与1#，2#引水隧洞相连，底部下游边墙与1#—4#压力管道相连。调1#支洞、调4#支洞由右端墙及附近分别进入1#调压室顶层和底层，调2#支洞、调3#支洞由左端墙及附近分别进入2#调压室顶层和底层。

2 泸定水电站调压室施工通风三维数值模拟

2.1 数学模型的构建和求解

地下工程施工有害气体主要来自于炮烟，包括一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等，其中CO浓度常作为衡量通风效果的指标，因此本文主要研究CO浓度的扩散特性。计算采用混合模型，将通风气流视为三维黏性不可压缩的非稳态等温流体，通过求解混合相的连续性、动量和能量方程，第二相的体积分数（volume fraction）方程，以及相对速度的代数方程来模拟多相流流动，其控制方程如式（1）至式（6）。

通过有限容积法（FVM）［6］对控制方程进行离散，再采用SIMPLE算法族［7］中的压力隐式分裂算子（PISO）的压力速度耦合算法求解。该方法是基于压力速度校正之间的高度近似关系的一种算法，计算中执行了相邻校正和偏斜校正2个附加校正，大大提高了计算效率。

2.2 物理模型及边界条件

本次计算采用三维模型，如图1［8］，全计算域的单元体个数59万，迭代运算循环次数达数万次，计算工作量较大。施工支洞和调压室洞壁及通风管壁均采用固壁条件，通风管壁采用金属管管壁，洞壁采用喷混凝土壁面，不同壁面采用不同的糙率系数。

图1 泸定水电站大型长廊式调压室三维数值模型图Fig.1Three-dimensional numerical model of the large gallery-type surge chamber of Luding Hydropower Station

计算中，调压室交通洞设置为主进口条件，施工平洞设置为主出口条件。调1#施工支洞及调2#施工支洞岔口按风机功率给定气流压力。假定所有出口均接入大气，内部流场设置为受限流动，采用无滑移条件的固体边界。根据施工方案，计算其最大炮烟扩散区域为15 m×11 m×7 m，CO浓度初始值为4 280×10-6。

CO初始浓度C0按式（7）计算。

式中:Q为总装药量（kg）;b为炮烟抛掷长度（m），b=15+G/5;G为同时爆破的炸药量;γ为有毒气体容重，对CO气体可取1.165 kg/m3;A为断面面积; b1为1 kg炸药产生的有毒气体体积，对CO气体可取0.04 kg/m3。

3 一期施工通风合理通风散烟时间研究

一期通风主要考虑调压室顶层工作面施工，本文主要对比了纯正压和混合2种通风方案，如表1。采用正压通风，调压室顶部较大区域的风速明显小于规范要求的最低风速0.15 m/s［9］，采用混合方案后，调压室顶部风流速度显著加快，不满足规范规定风速的范围明显减小，极大地改善了通风散烟效果，如图2。2种方案的CO扩散特性均整体呈现负指数规律，混合方案的CO浓度扩散至规范允许值24×10-6［9］所需时间为13 min，较纯正压方案约短7 min，如图3。

表1 通风方案设置简表Table 1Description of ventilation schemes

图2 一期施工通风调压室顶拱中部Y=3.75 m风速分布等值线图Fig.2Isogram of wind speed distribution in the center of the surge chamber vault（Y=3.75 m） during the first construction stage

图3 一期施工通风CO浓度变化历时过程线Fig.3Graph of CO concentration in the first construction stage

4 二期施工通风合理通风散烟时间研究

4.1 通风方案优选

当调压室与下部压力管道、引水隧洞及调3#、调4#施工支洞贯通后，通风条件相对较好，可以自然通风为主。因此，二期通风主要考虑调压室顶层斜拱贯通至底部通道贯通阶段的工作面施工。本文侧重研究了纯正压、纯负压和混合式3种通风方案，如表1，各风机布置的具体位置如图1。

混合方案与纯正压方案相比，调压室内风速变化不明显，2#调压室洞顶低风速范围略有减小，如图4（a）。分析其原因在于初期洞内负压大，风流流向顺畅，随时间推移，洞内负压略有减小，在负压吸风和正压供风同时作用下，在工作面附近形成较大涡流区，流线封闭，气体流动速度减小，如图5（a）。纯负压方案与其他2方案比较，由于负压风机的设置保证了通风平洞和调压室内气体的压差，风流流向顺畅，未出现较大涡流区，加快了有害气体的排出，如图5（b）。低风速范围大大减小，除边墙及底部附近局部区域外，大部分满足规范规定的最低风速0.15 m/s［9］，如图4（b）。从气体流态和风速来看，纯负压方案为最优方案。

图4 二期施工通风调压室中剖面Y=3.75 m的风速分布等值线图Fig.4Isogram of wind speed distribution in the middle section of the surge chamber（Y=3.75 m）during the second construction stage

图5 2#调压室中部纵剖面风流流线图（30 min）Fig.5Airflow streamlines in the central profile of No.2 surge chamber（30 min）

4.2 合理通风散烟时间研究

调压室下部开挖时，洞室空间效应作用明显，其CO扩散特性则有较大差异，以下分析以最底层开挖为例。纯正压方案未设置负压排风，不利于废烟的排除，45 min后工作面CO平均浓度仍偏高，并且呈现波动趋势，如图6和图7（a）。混合式通风方案初期CO扩散快，约16 min后工作面CO降至规范规定值24×10-6，但随后，其浓度不降反升，且工作面平均浓度长时间稳定在规定允许值以上，如图6和图7（b），对施工安全危害极大。纯负压通风方案下，调压室内风流速度较混合方案低，其CO扩散稍慢，但其工作面CO平均浓度一直呈下降趋势，约21 min降至规范规定值24×10-6［9］，30 min后基本稳定在1×10-6，如图6。

图6 二期施工通风CO浓度变化历时过程线Fig.6Graph of CO concentration in the second construction stage

图7 二期施工通风工作面CO浓度等值线图（45 min）Fig.7Isogram of CO concentration in the ventilation face in the second construction stage（45 min）

5 结语

（1）采用混合模型，将通风气流视为三维黏性不可压缩的非稳态等温流体，通过数值模拟方法来研究大型长廊式调压室的施工通风散烟问题是可行的。

（2）泸定水电站调压室上部开挖时，采用混合方案能使风流速度明显加快，大部分区域满足规范0.15 m/s最低风速值要求，且CO平均浓度约13 min后降至规范规定值24×10-6，较纯正压方案约短7 min，为一期通风最优方案。

（3）泸定水电站调压室下部开挖时，混合方案初期CO扩散快，约15 min工作面CO平均浓度降至规范规定值24×10-6，但随后由于在工作面附近形成较大涡流区，流线封闭，气体流动速度慢，其浓度不降反升，且工作面平均浓度长时间稳定在规定允许值以上，对施工安全危害极大。

（4）泸定水电站调压室下部开挖时，纯负压方案流态稳定，大部分区域满足规范0.15 m/s最低风速值要求，工作面CO平均浓度约24 min降至规范规定值24×10-6，30 min后基本稳定在1×10-6，有害气体可及时排出，为二期通风最优方案。

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（编辑:陈敏）

Reasonable Time of Ventilation and Smoke Dissipation During the Construction of Large Gallery-type Surge Chamber of Luding Hydropower Station

HUANG Xin，LI Yan-ling，ZHENG Yuan-yuan
（College of Water Resource and Hydropower，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

Because of complex shape and multiple working faces，it’s difficult to ventilate and dissipate smoke in the large gallery-type surge chamber of Luding Hydropower Station.To improve the ventilation and secure the construction，a numerical simulation method based on fluid mechanics theory is applied to the research of airflow distribution and harmful gas diffusion of different ventilation options in the first and second construction stage.The optimum ventilation scheme of the first and second construction stage is given，and the corresponding reasonable time of ventilation and smoke dissipation is put forward.The research result serves as a theoretical basis and technical support for the determination of ventilation time in the construction of hydropower station.

Luding hydropower station;large gallery-type surge chamber;fluid mechanics;3-D numerical simulation;ventilation and smoke dissipation

TV 554.15

A

1001-5485（2013）07-0122-05

10.3969/j.issn.1001-5485.2013.07.024

2013，30（07）:122-126

2013-04-01;

2013-05-08

黄鑫（1989-），男，重庆开县人，硕士研究生，主要从事水工结构工程及基础工程的研究，（电话）15882415945（电子信箱）alex_ huang2009@qq.com。

李艳玲（1975-），女，四川蒲江人，副教授，博士，主要从事水工结构工程及水利工程施工的研究，（电话）13540015568（电子信箱） 396184191@qq.com。