白鹤滩水电站尾水隧洞施工通风效果研究

孙会想，汪海平，徐进鹏

(中国三峡建设管理有限公司， 四川 成都 610000)

大型水电站尾水隧洞施工多采用新奥法或矿山法。具有通排风竖井前期不具备形成条件、隧洞独头掘进距离远、所需风量和风压大、爆破污染物浓度大且不易消散等特点。洞内污染物浓度一旦超标，将会对施工人员安全和健康造成严重威胁，因此施工通风是影响尾水隧洞施工安全且关系到工程进度的关键因素之一[1-2]。

1 研究现状及工程概况

1.1 研究现状

对水电站地下洞室施工通风研究目前多集中于主厂房等有专用通排风竖井或通道的较大洞室通风计算分析或洞室群施工通风方案及理论等方面。刘雪朋[3]对水电站地下主厂房施工通风进行了数值模拟；马德萍等[4]分析了向家坝地下洞室群混合式通风、串联风机布置和通风竖井等因素对通风效果的作用, 但未研究无通风竖井工况下风场形态；徐蒯东等[5]基于洞室设计的角度，对地下厂房洞室群各阶段通风方案进行了论述和探讨，但未进行试验验证；卢文波等[6]提出了地下洞室群施工通风理论计算过程和优化思路。对于水电站独头隧洞施工通风研究多集中于通道较好的引水隧洞[7-9]，而结合三维数值模拟[10]和现场污染物测试[11]，对大型水电站尾水隧洞独头开挖施工通风研究的较少，缺乏相应的分析。

本文以白鹤滩水电站右岸尾水隧洞施工通风为研究对象，计算了隧道各施工工序需风量，采用Fluent[12]流体数值软件，分析了空气流场形态和爆破污染物逸散、分布规律。对解决大型水电站尾水隧洞施工通风难题有一定参考意义。

1.2 工程概况

白鹤滩水电站位于金沙江下游川滇交界处，总装机容量16 000 MW，是国家十三五规划的重点工程，西电东送的骨干电源点之一。地下洞室群规模巨大，在目前世界上已建、在建或拟建的工程中位居前列[13]。两岸各近平行布置4条尾水隧洞，中心线间距60 m。开挖体型为城门洞型，开挖断面为16.7 m×20.2 m和17.5 m×21 m(宽×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层开挖阶段，排风竖井不具备形成条件，一站式最远通风距离达3 700 m，施工通风问题突出。

1.3 开挖方案

尾水隧洞分3层开挖，其中第Ⅰ层分层高度10.2～11 m，第Ⅱ分层高度7 m,第Ⅲ层为保护层开挖，分层高度3 m。4条尾水隧洞总体采用隔洞、错距方法施工，相邻洞室错距大于30 m，第Ⅰ层开挖施工采用独头送风方式通风。

2 通风量计算和通风方案

2.1 通风量计算

地下洞室各主要施工工序需风量取满足爆破散烟、人员呼吸、稀释内燃机排放废气和工作面最小风速中的最大值[14]。

2.1.1 爆破散烟需风量 爆破散烟需风量根据洞室埋深和装药结构特点，按照最大单响药量、稀释CO至允许浓度、爆破产尘所需风量三者中的最大值取值。

按最大单响药量计算：

(1)

式中:A为单响药量，kg；b为每公斤炸药爆破所产生的有害气体体积，L；t为通风时间，min。

按稀释CO至许可浓度计算

(2)

式中：K为风量备用系数。

按爆破产尘所需通风量计算

(3)

式中：me为单次爆破所需炸药量，kg；ρr为岩石密度，kg/m3；ked为爆破产尘量与岩石量之比；kd为降尘措施对应系数；t为排出粉尘所用时间，min；ker为炸药量与爆破岩石体积之比，kg/m3；Cp为时间加权平均容许浓度，mg/m3；C0为基底粉尘浓度，mg/m3。

2.1.2 按洞内同时工作人数呼吸所需风量

Qworker=3k·m

(4)

式中：m为同时工作的人数。

2.1.3 按稀释内燃机有害气体所需风量

Qce=v0N

(5)

式中:v0为单位功率需风量指标,m3/(kW·min)；N为同时工作的内燃机总额定功率,kW。

2.1.4 满足掌子面最小风速所需风量

Qmin v=60V·S

(6)

式中：V为掌子面最小风速，m/s；S为洞室断面尺寸，m2。

开挖所需风量按公式(1)～公式(6)中的最大值计算；出渣及喷混凝土等需要柴油机械的作业需风量取公式(4)、公式(5)叠加和公式(6)中的最大值；使用湿式凿岩机(多臂钻)造孔及挂网作业需风量取公式4、6中的最大值，结果如表1所示。

表1 单掌子面爆破开挖需风量表 m3/min

单掌子面开挖最大需风量为1 004.8 m3/min，出渣及喷混凝土最大需风量为806.6 m3/min，钻孔及挂网最大需风量为584.1 m3/min。开挖作业爆破散烟为风机选型的控制性因素。

2.2 通风方案

根据地下洞室群布置特点，洞外取风，支洞顶拱布置主送风管，通过风门和三通分别向相邻两个掌子面供风。通过调节风门开度，实现一台风机根据两个掌子面不同工序需要供风。

调研国内外风机产品，选定SWEDVENT变频风机。该风机一站式通风距离超过4 km；单机最大流量220 m3/s，最大风压达5 200 Pa，0～50 Hz可变频控制风机风量，节省能耗。风机布置在距施工支洞洞口30 m部位(见图1)，沿施工支洞顶拱布置两趟风管，右岸尾水隧洞风机配置见表2。

图1 右岸尾水隧洞通风线路

表2 右岸尾水隧洞风机配置

尾水隧洞隔洞开挖最不利工况为两个掌子面同时爆破，剩余两个掌子面进行出渣等其他工序施工，因一台风机控制相邻两个掌子面，每台风机供风量取开挖和出渣及喷混凝土最大需风量之和，不应小于18 11.4 m3/min。

考虑通风过程中的摩擦风阻和漏风率，掌子面空气流量为：

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

(7)

式中：Q1为风管末端风量，取1 811.4 m3/min;Q0为风机出口风量，m3/min；L为风带长度，m；Leakage为漏风率(每100 m漏风率为1.0%～2.0%)。

由公式(7)反算风机出口流量Q0，进而确定风机配置(见表2)。

3 通风流场形态与污染物逸散分析

3.1 控制方程

洞室施工通风属于气固湍流问题，可采用三维非稳态单相流模型，气固两相流作为单相流处理，不考虑流体和颗粒间滑移，假定颗粒温度等于流体温度，污染物颗粒作为流体中的组分，其扩散与流体组分的扩散相同。控制方程包括：

连续性方程：

(8)

动量方程：

(9)

动能方程:

(10)

式中：μi为速度矢量，m/s；p为压力，Pa；ν为运动黏性系数，m2/s；νt为紊流黏性系数，m2/s；Ck为常数。

采用标准的k-ε双方程模型。

湍动能k方程:

(11)

湍动能ε方程:

(12)

式中：σk、σε分别为k、ε方程紊流Prandtl数；c1、c2为k-ε返程常数；Gk为紊流能量生成率。

3.2 模型简化和假设

利用Fluent流体数值软件，将所有污染物作为三维单相连续流体处理，有害气体及粉尘颗粒作为气体组分，其扩散量按爆破产生的CO流量计算。模型简化和基本假设有：

(1)不考虑温差引起的浮升效应和质量力。

(2)忽略洞室内机械设备对流场的扰动。

(3)假定爆破时间(即粉尘源喷尘时间)为1 s，粉尘颗粒粒径服从Rosin-Rammler分布，粉尘源设定为面源。

(4)边界条件：隧道进出口设定为escape，其他壁面设定为reflect，压力设定为标准大气压力，温度设定为25℃。

3.3 网格划分

尾水隧道通风网络结构复杂，流体区域大，网格划分采用结构化网格，对支洞与洞室连接处、掌子面等流动复杂的区域进行加密(图2、3)。

图2洞室连接处网格 图3主洞网格

3.4 流场分析

通风运行后不同时间尾水隧洞内空气流畅速度云图如图4所示,隧洞中部空气在射流卷吸作用下向前流动，底部空气向隧洞外流动，在隧洞中下部形成一个回流区，在射流未到掌子面时，回流区随射流不断向掌子面移动，直至稳定在距掌子面一定距离的部位，2 min左右流场基本稳定。

流场稳定后，气流从出风口射出，射流主流不断卷吸周围空气扩大射流面，但受限于空间和风流动量，射流到达掌子面形成回流。

从图5可看出，在出风口下方和掌子面上、下方各有一个回流区，主、回流间形成流速很小的断层区，不利于污染物排除和逸散，回流区污染物浓度较高。

图4 通风运行后不同时间尾水隧洞内空气流畅速度云图

3.5 污染物逸散分析

选取5#、7#尾水隧洞第Ⅰ层独头开挖为典型工况，风管出风口距掌子面30 m,将有害气体及粉尘颗粒作为气体组分折算为CO浓度。流场稳定后进行掌子面爆破。爆破后不同时间掌子面附近50 m范围内污染物变化情况如图6所示。

由图6可看出，爆破后污染物主要集中于掌子面附近，扩散较慢，风流到达掌子面后，开始推动污染物向远离掌子面方向流动，随着时间的增加，污染物浓度被不断稀释，15 min时掌子面附近大部分污染物已排出，残余污染物分布均匀，其浓度接近规范要求。

4 污染物测试及通风效果

4.1 污染物浓度测试

在5#尾水隧洞距离掌子面约3 m距离处的横断面上布置4个监测点，布置方式见图7；在隧洞中心线上布置4监测点,布置方式如图8所示。

图5 风管中心线处剖面速度流场图

图6 不同时间掌子面附近50 m范围内CO浓度分布图

图7 尾水隧洞横断面测点布置(单位：cm)

图8 尾水隧洞中心线测点布置(单位：cm)

选取5#、7#尾水隧洞爆破为典型工况，通风2 min空气流场稳定后，进行掌子面爆破，采用气体采样器配合气体检定管测定空气中CO气体浓度。

1#～4#测点处污染物随通风时间变化规律如图9所示。由图9可看出，测点1#～4#测点处的CO浓度变化规律基本一致：爆破后CO浓度先急剧增加，之后随着时间增加不断降低，通风12 min后，掌子面3 m附近污染物浓度降至规范允许浓度以下。通风2.4 min时CO浓度同时达到峰值，峰值随测点高度增加而稍有增加，同一高程CO浓度相近。

从图10中可看出，与施工断面距离不等的各测点CO浓度变化规律与同一断面测点变化规律相似，但不同距离各测点CO浓度达到峰值的时间不同，距离掌子面越远，达到峰值所需的时间越长，其原因是距离掌子面越远，新鲜空气达到掌子面的时间越长，污染物需要越多的新鲜空气卷吸带出隧洞，其达到峰值所需的时间也越长。

图9同一断面各测点CO浓度随时间变化规律 图10不同距离各断面CO浓度随时间变化规律

各测点污染物峰值大小随至掌子面距离增加而减小，其原因为距掌子面越远，隧道总空间越大，风流到达时压入的空气容量越大，对污染物的稀释作用也越明显。通风15 min后，掌子面附近的污染物浓度均接近规范允许范围。

4.2 现场通风效果

爆破通风15 min后，尾水隧洞现场空气状况如图11，综合数值计算和现场污染物测试可知，掌子面附近所有部位污染物浓度接近规范允许范围，通风时间小于规范要求[15]，通风效果良好。现场污染物变化规律和浓度与数值模拟结果一致，验证了数值计算结果。

图11 通风15 min后尾水隧洞现场空气状况

5 结论与建议

(1)大埋深独头隧洞施工通风各影响因素中，爆破散烟为关键因素，也是风机选型的控制性因素。

(2)通风2 min后尾水隧洞内流场基本稳定，出风口下方和掌子面上、下方等部位存在回流区，不利于污染物排除，污染物浓度较高。

(3)掌子面爆破后污染物逸散和分布规律为：污染物浓度先急剧增加，之后随着时间增加不断降低，通风12 min后，距掌子面3 m附近污染物降至规范允许浓度以下；通风15 min时掌子面附近所有部位污染物浓度均接近规范允许范围。污染物浓度随高度增加稍有增加，同一高程浓度相近，随至掌子面距离增加而减小；同一断面污染物浓度达到峰值时间一致，距离掌子面越远，污染物浓度达到峰值的时间越长。