水電站地下廠房爆破施工煙塵擴散規律模擬研究

劉 存，郭芹慶，楊 慶，馬博洋，李浩天，徐榮吉，許淑惠

(1.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024；2.北京建筑大學 環境與能源工程學院，北京 100044)

0 前 言

水電站地下洞室進行施工時，會因爆破產生大量粉塵及有害氣體，當粉塵及有害氣體積聚時，會對施工環境及現場施工人員的身心安全造成極大的威脅[1-2]。規范規定CO在空氣中最高容許濃度為0.002 4%，換算為質量分數為2.33×10-5，粉塵達標濃度為2 mg/m3[3-4]。本文根據Fluent模擬軟件以山東某水電站工程為模型，結合現場施工條件，模擬粉塵及有害氣體在洞室中產生擴散的過程，并從模擬結果中分析爆破后粉塵及有害氣體的運移規律。

1 數值模型選取

1.1 物理模型

山東某地下水電站廠房開挖爆破第二層為物理模型，末端設置為爆破面，進行1:1建模，采用壓入式通風，根據規范[5]計算可知，施工過程風機提供風量為 292 524 m3/h，新風通過直徑為1.4 m的風管從通風洞洞口經通風洞廊道通入廠房，風管距地面10.9 m，爆破后產生的CO與粉塵等廢物廢氣通過通風洞排出，通風洞總長1 059 m，截面為門洞型寬6.5 m，高7.5 m，廠房長185 m，截面為門洞型寬26.8 m，高12.5 m，廠房模型如圖1所示。

圖1 廠房模型示意(單位：m)

1.2 模擬模型

模型采用fluent軟件進行數值模擬，選用雙方程模型中的標準k-ε模型。其中設置組分傳輸模型及歐拉-拉格朗日的離散相模型(DPM)，用歐拉觀點描述連續相流場即巷道內通風，用拉格朗日觀點描述離散相即爆破產生粉塵。模擬軟件中同時設置組分傳輸模型，由于其他有害氣體相比CO數量級較少[6]，因此將有害氣體設為CO進行模擬分析。

1.3 邊界條件設置

數值模擬過程，施工爆破時長為2 s，此時產生粉塵及CO，在爆破的同時進行通風，施工爆破完成后繼續通風，通過監測點觀察主副廠房內不同位置的粉塵與CO的濃度。模擬計算邊界條件設置如表1所示[6-7]：

表1 邊界條件設置

2 模型搭建分析

結合陳舉師[6]實驗內容進行數值模擬，根據規范[8]及相關文獻要求，在聯絡巷回風處距離工作面15 m，高度為1.5 m的位置布置檢測點，聯絡巷通風速度為0.5 m/s，并使用激光粉塵儀及氣體檢測儀測定粉塵與CO濃度，實驗及模擬結果如圖2～3所示。

對比模擬數據與實驗數據，從圖2～3可以看到，粉塵及CO濃度的數值及趨勢接近相同，產生誤差的主要原因可能是實驗現場因素的干擾引起的，證明采用模型方法對于研究粉塵及CO擴散分布規律的可行性。

圖2 粉塵實測濃度與模擬濃度對比

圖3 CO實測濃度與模擬濃度對比

3 粉塵擴散分布規律

3.1 粉塵云圖分析

垂直于地面過風管中心建立一個觀測面觀察粉塵的擴散分布情況，粉塵擴散情況如圖4所示。

圖4 廠房內粉塵分布云圖

從圖4可以看出，在2 s時爆破結束粉塵在爆破沖擊波的作用下從工作面噴入廠房內，在初速度和風力的作用下繼續向外擴散，在294 s(5min)粉塵粒子擴散距離為120 m左右，此時廠房上中下三部分充滿粉塵；隨著擴散時間延長至694 s(11.6 min)由于重力的作用部分粒徑較大的粉塵粒子沉降到地面，剩余部分粒徑較小的粉塵粒子漂浮在廠房的中上部；在894 s(15 min)時廠房內無粉塵出現，達到規范要求。

3.2 粉塵監測點分析

為觀察粉塵濃度隨時間變化情況，在模型內設置監測點，監測點分別距爆破面5 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m，高度為距離地面1.5 m的廠房截面中心位置，粉塵濃度隨時間變化如下圖5所示。

圖5 粉塵濃度隨時間變化情況

從圖5可以發現，0～22 s時距離爆破面5 m處的粉塵濃度迅速升高至3 222 mg/m3，證明爆破發生后迅速產生大量粉塵，隨后粉塵濃度隨時間的逐漸降低，并在180 s之后粉塵濃度逐漸小于100 mg/m3；觀察距爆破面較遠處的監測點粉塵濃度可以發現，粉塵濃度峰值產生的時間隨距離的遠近逐漸推移，且濃度峰值的大小隨距離逐漸降低；在爆破發生300 s后，各監測點粉塵濃度接近至0，證明廠房通風對抑制粉塵聚集的有效性。

4 有害氣體擴散分布規律

4.1 CO云圖分析

垂直于地面過風管中心建立觀測面觀察CO擴散分布情況，CO擴散情況如圖6所示。

從圖6可以看出，爆破產生的CO在2 s爆破結束后充滿掌頭區，此時CO質量百分數為3.4×10-3遠遠大于規范要求；風管出口區域新風量較大，所以CO質量分數較小，由于采用壓入式通風形式，從外界進來新風首先到達廠房的爆破面附近區域，所以此處CO質量分數首先降低，由于進風的運動方向是從爆破面附近到廠房出口，所以CO質量分數從爆破面附近到廠房出口先后降低，廠房內CO整體質量分數從2～2 294 s(38.2 min)也在逐漸降低，在2 294 s時廠房內CO質量分數達到規范要求。

圖6 廠房內CO分布云圖

4.2 CO監測點分析

為觀察CO濃度隨時間變化情況，在模型內設置監測點，監測點分別距爆破面20 m、40 m、60 m、120 m、180 m，高度為距離地面1.5 m的廠房截面中心位置，CO濃度隨時間變化如圖7所示。

圖7 CO濃度隨時間變化情況

從圖7可以觀察到，爆破后2 s時，CO迅速充滿至廠房掌頭區，20 m、40 m、60 m處的監測點CO質量分數為3.4×10-3，而120 m、180 m處監測點CO質量分數逐漸上升，這是因為廠房采用壓入式通風方式，將距離爆破面較近處的CO向外排出的原因；隨著廠房內繼續通風，20 m、40 m、60 m監測點CO濃度逐漸降低，距離爆破面越遠CO質量分數下降速度越快，而120 m、180 m處的CO質量分數在450 s左右時到達峰值，隨后逐漸降低；當爆破發生后1 350 s時各測點濃度基本相同，這是因為廠房內通風方式采用壓入式通風，因此監測點各濃度逐漸相同。

5 結 論

通過對水電站廠房內爆破通風的模擬分析，得出以下結論：

(1)爆破結束后，由于沖擊波和風力作用，爆破面產生的粉塵向廠房內擴散，由于重力作用，大部分粉塵沉降到了廠房地面，小部分粒徑較小粉塵通過廠房出口排出廠房。

(2)廠房內通風可起到抑塵作用，防止粉塵在空間中積聚。

(3)采用壓入式通風，可降低爆破產生的CO濃度，并優先減小靠近爆破面處CO濃度，從爆破結束至CO濃度達到規范要求時間段內，廠房內CO整體質量分數也在逐漸降低。

(4)采用壓入式通風，廠房內爆破施工產生粉塵在894 s后達到規范要求，CO在2 294 s后達到規范要求，2 294 s后廠房內空氣品質達到規范要求，施工人員可進入廠房內部進行下一步施工。