恰木薩水電站地下洞室群施工通風方案優選

伊克拉木江·依力哈木

（新疆維吾爾自治區塔里木河流域喀什管理局，新疆 莎車844700）

中國水電站裝機總量截至2015年已達3億kW·h之多，占到世界水電站裝機總量的25%以上，并且擁有著完善的規劃、設計、施工、設備制造、輸電供應等全產業運行鏈。世界上最大的10座水電站中，中國就占據了5座[1-2]。2006年5月20日全面竣工的三峽水電站是世界上最大的水電站，但是發出的電能仍然供不應求，水電建設依然前景廣闊。

水電站地下洞室群合理的通風網絡結構和通風設備能夠為各作業面源源不斷地提供新鮮空氣，以供給人員呼吸，并稀釋和排除生產產生的炮煙、粉塵等各種有毒、有害物質，創造安全衛生的施工環境。通過對水電站施工特點的總結可知，水電站地下洞室群由于通道多、層次多且局部通風系統較多，所以空氣質量難以得到保證[3-6]。水電站地下洞室群規模復雜，主體地下洞室群埋深大，施工工期緊張，多工作面、多工序持續平行交叉作業，工作面通風散煙難度大、空氣質量難以得到保證，且通風設計效果是否滿足地下作業空氣質量要求難以檢驗。通過對恰木薩水電站地下洞室群施工期通風系統的研究，完善通風系統設計，設置技術合理、安全可靠且經濟適用的通風網絡結構和通風設備，以改善洞室群的通風排煙條件。對水電站施工現場具有重要的理論意義和指導價值，同時該項研究對其它大型地下洞室群施工也具有指導參考價值。

1 工程概況

葉爾羌河是新疆第四大河流，發源于喀喇昆侖山北脈喀喇昆侖山冰川，由西南流向東北，河流全長1 281 km，流域面積8.577萬km2。葉爾羌河干流從河源至出山口喀群斷面河長576 km，天然落差3 938 m，河道平均坡降6.8‰，多年平均年徑流量66.06億m3（喀群斷面）。恰木薩水電站為葉爾羌河干流山區控制性工程阿爾塔什水利樞紐工程下游的第二個梯級，阿爾塔什以下水電梯級由上至下依次為鏨高、恰木薩和亞貝西。恰木薩水電站采用引水式開發，開發任務是在保證減水河段灌溉和生態用水的基礎上，進行水力發電。恰木薩水電站在葉爾羌河支流霍什拉甫溝匯合口上游250 m修建攔河引水樞紐，通過發電引水系統將發電水量輸送到前池和廠房以集中落差，尾水最終退入葉爾羌河。恰木薩水電站工程主要由攔河引水樞紐、發電引水系統、壓力前池、壓力管道、電站廠房等組成，屬中型Ⅲ等工程。恰木薩水電站洞室群各系統組成結構左右岸基本對稱布置，恰木薩左、右兩岸各裝8臺單機容量100萬kW·h的水輪發電機組。

恰木薩水電站引水發電系統地下洞室群洞室多、規模龐大，開挖支護及混凝土施工工程量大，開挖支護工期緊且施工強度高。根據施工設計，各洞室布置緊湊，左、右岸布置基本對稱，交通干線格局類似，主要洞室均采用“雙通道”進行施工。因為地下洞室群布置復雜且施工組織難度較大，所以通風風流組織比較復雜。

2 尾水系統通風工況解算

取需風量計算結果中最大值作為掘進工作面實際需風量，并考慮風筒漏風因素，計算漏風系數：

式中：L為通風距離，m；P100為百米漏風率，取2%。

則風機供風量Qt應不小于：Qt=PQ。壓入風量為抽出風量的1.2倍，以使壓入工作面的部分新鮮風流經兩風筒間通道流出，避免相鄰工作面污風由于抽出式風機負壓的存在進入該工作面。尾水調壓井掘進工作面通風方式布置初步方案如圖1所示，初步方案布置有6個獨立風筒。

圖1 尾水調壓井掘進工作面通風方式布置初步方案

尾水調壓井區域開挖至尾調井上層時通風距離最長，為該區域通風最困難時期，為便于統一管理，各掘進工作面配風量均設定為3 100 m3/min，抽出式風筒風量設定為2 600 m3/min，計算得出該時期各風筒風量及總阻力見表1。

表1 尾水調壓井區域通風困難時期風筒風量及阻力

由表1可知，1#~2#風筒風機送風量可定為6 200 m3/min，阻力定為2 624 Pa，各掘進工作面抽出式風筒風機風量定為2 600 m3/min，阻力定為141 Pa。

3 通風方案優化

3.1 專用排風洞通風設施布置

水電站地下洞室群內洞室斷面大，形成了整體網絡“風量大，阻力小”的特點。根據整體網絡的特點及現場實際情況，提出三種專用排風洞通風布置方案：

1）采用一臺大功率風機負責整個網絡的通風。

2）在專用排風洞洞口并排布置兩臺相同型號的軸流式風機，兩臺風機同時運轉過程中，應盡量保證其工況一致，否則風量較小的風機會因風量較大風機的負壓作用造成風機反風。

3）整體通風網絡存在“主廠、主變排風分支”和“尾水系統分支”兩條主要分支，在兩分支內分別布置風機。交通聯系洞位于右岸專用排風洞與603#交通洞之間。該通道增設原因如下：右岸專用排風洞洞口便道跨F17溝，溝內松散堆積物在暴雨情況下，松散堆積體邊坡容易失穩形成泥石流，且便道上方邊坡柱狀節理發育，并與緩傾角結構面切割，多處存在不穩定塊體，在暴雨情況下存在失穩的風險。為此，在右岸專用排風洞至603#交通洞增設一條交通聯系洞，保證右岸尾調通氣洞的通行安全。由于該通道會使進入通風兼安全洞的新鮮風流未經工作面利用直接進入排風洞造成風流短路，在該通道內設置紅外啟動自動控制雙風門聯動系統，隔斷風流。

3.2 尾水調壓井掘進工作面通風方案優化

尾水調壓井通風方式布置優化后的方案如圖2所示。考慮到現場爆破作業一般不會在4個掘進工作面同時進行，在每個掘進工作面的壓入風筒中安裝閥門作為風量調節裝置，當某工作面進行爆破作業時，可通過風量調節裝置減小與之共用壓入風筒的工作面風量，增大爆破作業工作面風量，以利于爆破作業工作面炮煙快速排出洞外。如，7#尾調通氣上室掘進工作面進行爆破作業時，可通過調節8#尾調通氣支洞壓入風筒內的風量調節裝置，減小8#尾調通氣支洞掘進工作面送風量，增大7#尾調通氣上室掘進工作面送風量。在風筒內設置風量調節裝置是為了將爆破工作面炮煙盡快排出洞外，但在調節過程中不能將相鄰非爆破工作面風筒全部關閉，因為非爆破工作面風量為0時爆破工作面炮煙會進入相鄰非爆破工作面造成污染。風量調節時，相鄰非爆破工作面最小風量可確定為工作面需風量計算數值中的最小值，即相鄰非爆破工作面風量不得低于該工作面“滿足人員呼吸所需風量”值（103.5 m3/min），考慮安全余量及現場操作的便捷性可將其設定為200 m3/min。則尾水調壓井區域相鄰掘進工作面風量調節最大值為1 400 m3/min。

圖2 尾水調壓井掘進工作面通風方式布置優化方案

為驗證“滿足人員呼吸所需風量”能否保證相鄰非爆破工作面不被爆破工作面污風污染，可采用FLUENT進行數值模擬。為簡化模型，只選取相鄰兩個掘進工作面進行模擬，且由于FLUENT模擬中對“風量調節”過程實現困難，將原來一個壓入式風筒分為兩個風筒分別向兩相鄰工作面供風。

通風初始階段會有少量污風進入相鄰非爆破工作面，但非爆破工作面的風流會逐漸稀釋污風將其排出洞外，因此，相鄰非爆破工作面風量設定為“滿足人員呼吸需風量”時可以保證爆破工作面污風不污染其工作環境。

3.3 尾水洞上游掘進工作面通風方案優化

尾水洞上游掘進工作面通風布置初步方案是在每個工作面分別布置一臺壓入式風機和一臺抽出式風機，考慮到尾水系統距專用排風洞主風機較遠，壓入式通風在尾水排風豎井內負壓不大的情況下難以保證污風的及時排出，因此在與尾水排風豎井相連的排風平洞內安設抽出式風機，連接剛性風筒至所掘進工作面抽排污風。為便于尾水施工通風時風量的靈活調節，保證尾水掘進工作面所需風量，在每個尾水排風平洞內加裝調節風窗根據施工需要進行風量調節。

3.4 尾水管掘進工作面通風方案優化

每條壓入風筒分別向兩個相鄰掘進工作面送風，每個工作面再分別布置一臺抽出式風機，考慮到尾水管掘進工作面距專用排風洞主風機較遠，壓入式通風在尾水排風豎井內負壓不大的情況下難以保證污風的及時排出，因此在與尾水排風豎井相連的排風平洞內安設抽出式風機，連接剛性風筒至所掘進工作面抽排污風。為便于尾水管施工通風時風量的靈活調節，保證尾水掘進工作面所需風量，在每個尾水排風平洞內加裝調節風窗根據施工需要進行風量調節。

4 結語

1）本文對主要洞室和尾水系統進行了需風量的計算，并針對通風初步方案進行了優化設計。通風網絡計算結果表明整體通風網絡具有“風量大，阻力小”的特點。根據整體網絡的特點及現場實際情況提出了三個專用排風洞風機布置方案，優選方案為“專用排風洞洞口并排布置兩臺相同型號的軸流式風機”。

2）運用FLUENT軟件模擬各洞室通風排煙效果表明主廠房爆破后20 min內可將大部分粉塵排出洞室，主變室爆破后35 min可將大部分粉塵排出洞室。尾水洞爆破100 s后可將大部分粉塵排出洞室，尾水管檢修閘門室爆破15 min后可將大部分粉塵排出洞室，因此所給技術方案符合水電站現場施工要求。