恰木萨水电站地下洞室群施工通风方案优选

伊克拉木江·依力哈木

（新疆维吾尔自治区塔里木河流域喀什管理局，新疆 莎车844700）

中国水电站装机总量截至2015年已达3亿kW·h之多，占到世界水电站装机总量的25%以上，并且拥有着完善的规划、设计、施工、设备制造、输电供应等全产业运行链。世界上最大的10座水电站中，中国就占据了5座[1-2]。2006年5月20日全面竣工的三峡水电站是世界上最大的水电站，但是发出的电能仍然供不应求，水电建设依然前景广阔。

水电站地下洞室群合理的通风网络结构和通风设备能够为各作业面源源不断地提供新鲜空气，以供给人员呼吸，并稀释和排除生产产生的炮烟、粉尘等各种有毒、有害物质，创造安全卫生的施工环境。通过对水电站施工特点的总结可知，水电站地下洞室群由于通道多、层次多且局部通风系统较多，所以空气质量难以得到保证[3-6]。水电站地下洞室群规模复杂，主体地下洞室群埋深大，施工工期紧张，多工作面、多工序持续平行交叉作业，工作面通风散烟难度大、空气质量难以得到保证，且通风设计效果是否满足地下作业空气质量要求难以检验。通过对恰木萨水电站地下洞室群施工期通风系统的研究，完善通风系统设计，设置技术合理、安全可靠且经济适用的通风网络结构和通风设备，以改善洞室群的通风排烟条件。对水电站施工现场具有重要的理论意义和指导价值，同时该项研究对其它大型地下洞室群施工也具有指导参考价值。

1 工程概况

叶尔羌河是新疆第四大河流，发源于喀喇昆仑山北脉喀喇昆仑山冰川，由西南流向东北，河流全长1 281 km，流域面积8.577万km2。叶尔羌河干流从河源至出山口喀群断面河长576 km，天然落差3 938 m，河道平均坡降6.8‰，多年平均年径流量66.06亿m3（喀群断面）。恰木萨水电站为叶尔羌河干流山区控制性工程阿尔塔什水利枢纽工程下游的第二个梯级，阿尔塔什以下水电梯级由上至下依次为錾高、恰木萨和亚贝西。恰木萨水电站采用引水式开发，开发任务是在保证减水河段灌溉和生态用水的基础上，进行水力发电。恰木萨水电站在叶尔羌河支流霍什拉甫沟汇合口上游250 m修建拦河引水枢纽，通过发电引水系统将发电水量输送到前池和厂房以集中落差，尾水最终退入叶尔羌河。恰木萨水电站工程主要由拦河引水枢纽、发电引水系统、压力前池、压力管道、电站厂房等组成，属中型Ⅲ等工程。恰木萨水电站洞室群各系统组成结构左右岸基本对称布置，恰木萨左、右两岸各装8台单机容量100万kW·h的水轮发电机组。

恰木萨水电站引水发电系统地下洞室群洞室多、规模庞大，开挖支护及混凝土施工工程量大，开挖支护工期紧且施工强度高。根据施工设计，各洞室布置紧凑，左、右岸布置基本对称，交通干线格局类似，主要洞室均采用“双通道”进行施工。因为地下洞室群布置复杂且施工组织难度较大，所以通风风流组织比较复杂。

2 尾水系统通风工况解算

取需风量计算结果中最大值作为掘进工作面实际需风量，并考虑风筒漏风因素，计算漏风系数：

式中：L为通风距离，m；P100为百米漏风率，取2%。

则风机供风量Qt应不小于：Qt=PQ。压入风量为抽出风量的1.2倍，以使压入工作面的部分新鲜风流经两风筒间通道流出，避免相邻工作面污风由于抽出式风机负压的存在进入该工作面。尾水调压井掘进工作面通风方式布置初步方案如图1所示，初步方案布置有6个独立风筒。

图1 尾水调压井掘进工作面通风方式布置初步方案

尾水调压井区域开挖至尾调井上层时通风距离最长，为该区域通风最困难时期，为便于统一管理，各掘进工作面配风量均设定为3 100 m3/min，抽出式风筒风量设定为2 600 m3/min，计算得出该时期各风筒风量及总阻力见表1。

表1 尾水调压井区域通风困难时期风筒风量及阻力

由表1可知，1#~2#风筒风机送风量可定为6 200 m3/min，阻力定为2 624 Pa，各掘进工作面抽出式风筒风机风量定为2 600 m3/min，阻力定为141 Pa。

3 通风方案优化

3.1 专用排风洞通风设施布置

水电站地下洞室群内洞室断面大，形成了整体网络“风量大，阻力小”的特点。根据整体网络的特点及现场实际情况，提出三种专用排风洞通风布置方案：

1）采用一台大功率风机负责整个网络的通风。

2）在专用排风洞洞口并排布置两台相同型号的轴流式风机，两台风机同时运转过程中，应尽量保证其工况一致，否则风量较小的风机会因风量较大风机的负压作用造成风机反风。

3）整体通风网络存在“主厂、主变排风分支”和“尾水系统分支”两条主要分支，在两分支内分别布置风机。交通联系洞位于右岸专用排风洞与603#交通洞之间。该通道增设原因如下：右岸专用排风洞洞口便道跨F17沟，沟内松散堆积物在暴雨情况下，松散堆积体边坡容易失稳形成泥石流，且便道上方边坡柱状节理发育，并与缓倾角结构面切割，多处存在不稳定块体，在暴雨情况下存在失稳的风险。为此，在右岸专用排风洞至603#交通洞增设一条交通联系洞，保证右岸尾调通气洞的通行安全。由于该通道会使进入通风兼安全洞的新鲜风流未经工作面利用直接进入排风洞造成风流短路，在该通道内设置红外启动自动控制双风门联动系统，隔断风流。

3.2 尾水调压井掘进工作面通风方案优化

尾水调压井通风方式布置优化后的方案如图2所示。考虑到现场爆破作业一般不会在4个掘进工作面同时进行，在每个掘进工作面的压入风筒中安装阀门作为风量调节装置，当某工作面进行爆破作业时，可通过风量调节装置减小与之共用压入风筒的工作面风量，增大爆破作业工作面风量，以利于爆破作业工作面炮烟快速排出洞外。如，7#尾调通气上室掘进工作面进行爆破作业时，可通过调节8#尾调通气支洞压入风筒内的风量调节装置，减小8#尾调通气支洞掘进工作面送风量，增大7#尾调通气上室掘进工作面送风量。在风筒内设置风量调节装置是为了将爆破工作面炮烟尽快排出洞外，但在调节过程中不能将相邻非爆破工作面风筒全部关闭，因为非爆破工作面风量为0时爆破工作面炮烟会进入相邻非爆破工作面造成污染。风量调节时，相邻非爆破工作面最小风量可确定为工作面需风量计算数值中的最小值，即相邻非爆破工作面风量不得低于该工作面“满足人员呼吸所需风量”值（103.5 m3/min），考虑安全余量及现场操作的便捷性可将其设定为200 m3/min。则尾水调压井区域相邻掘进工作面风量调节最大值为1 400 m3/min。

图2 尾水调压井掘进工作面通风方式布置优化方案

为验证“满足人员呼吸所需风量”能否保证相邻非爆破工作面不被爆破工作面污风污染，可采用FLUENT进行数值模拟。为简化模型，只选取相邻两个掘进工作面进行模拟，且由于FLUENT模拟中对“风量调节”过程实现困难，将原来一个压入式风筒分为两个风筒分别向两相邻工作面供风。

通风初始阶段会有少量污风进入相邻非爆破工作面，但非爆破工作面的风流会逐渐稀释污风将其排出洞外，因此，相邻非爆破工作面风量设定为“满足人员呼吸需风量”时可以保证爆破工作面污风不污染其工作环境。

3.3 尾水洞上游掘进工作面通风方案优化

尾水洞上游掘进工作面通风布置初步方案是在每个工作面分别布置一台压入式风机和一台抽出式风机，考虑到尾水系统距专用排风洞主风机较远，压入式通风在尾水排风竖井内负压不大的情况下难以保证污风的及时排出，因此在与尾水排风竖井相连的排风平洞内安设抽出式风机，连接刚性风筒至所掘进工作面抽排污风。为便于尾水施工通风时风量的灵活调节，保证尾水掘进工作面所需风量，在每个尾水排风平洞内加装调节风窗根据施工需要进行风量调节。

3.4 尾水管掘进工作面通风方案优化

每条压入风筒分别向两个相邻掘进工作面送风，每个工作面再分别布置一台抽出式风机，考虑到尾水管掘进工作面距专用排风洞主风机较远，压入式通风在尾水排风竖井内负压不大的情况下难以保证污风的及时排出，因此在与尾水排风竖井相连的排风平洞内安设抽出式风机，连接刚性风筒至所掘进工作面抽排污风。为便于尾水管施工通风时风量的灵活调节，保证尾水掘进工作面所需风量，在每个尾水排风平洞内加装调节风窗根据施工需要进行风量调节。

4 结语

1）本文对主要洞室和尾水系统进行了需风量的计算，并针对通风初步方案进行了优化设计。通风网络计算结果表明整体通风网络具有“风量大，阻力小”的特点。根据整体网络的特点及现场实际情况提出了三个专用排风洞风机布置方案，优选方案为“专用排风洞洞口并排布置两台相同型号的轴流式风机”。

2）运用FLUENT软件模拟各洞室通风排烟效果表明主厂房爆破后20 min内可将大部分粉尘排出洞室，主变室爆破后35 min可将大部分粉尘排出洞室。尾水洞爆破100 s后可将大部分粉尘排出洞室，尾水管检修闸门室爆破15 min后可将大部分粉尘排出洞室，因此所给技术方案符合水电站现场施工要求。