水電站樞紐工程區交通隧道群通風設計研究

陳勇良，張子晗，王瑛琢，吳玥含

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

隨著我國水電建設事業的發展，青藏高原及川西高原各主要干流的梯級電站逐漸向高原、高海拔地域推進，這些區域地表地貌呈現高山峽谷的形態，水電站建設中不可避免的較多采用地下廠房的形式，在地貌和形式限制下，水電站樞紐工程區難以避免的會存在距離長、規模大的交通隧道群和復雜的水電站地下洞室群開挖。此種情況下水電站交通隧道群通風問題成為了一個難點，對水電站施工的順利進行有較大的影響。目前，國內針對此類型隧道群的綜合研究較少，水電站復雜交通隧道群的通風問題還處于研究探索階段。

由于水電站樞紐工程區交通隧道群與普通公路隧道存在著巨大差異，參照專門針對公路隧道通風設計的規范JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風設計細則》[1]，在水電站交通隧道群通風設計中難以滿足實際工程的需要，導致隧道群內污染物濃度大、可見度不足，嚴重時會影響場內交通運輸和電站主體工程建設。為更好的服務于水電工程建設，保證隧道內車輛安全正常通行，滿足職業健康衛生標準，必須進行相關的研究，在設計思路、計算參數、研究方法等方面進行創新，才能解決現有規范的局限性，做出貼合水電站工程建設實際的通風設計，更好的滿足工程實踐需求。

1 水電站樞紐工程區交通隧道群特點與通風設計分析

1.1 樞紐工程區交通隧道群特點分析

水電站樞紐工程區交通隧道群是水電站地下廠房、大壩施工運輸車輛的主要通道，如圖1所示。

圖1 某水電站樞紐工程區交通隧道群示意

區別于普通公路隧道，水電站樞紐工程區交通隧道群具有以下特點：

(1)水電站樞紐工程區場內交通線路布置受制于電站樞紐布置、施工總布置、主體工程施工要求及區域陡峭地形地質條件，不可避免會采用超過現行公路隧道規范要求的大縱坡曲線隧道。普通公路隧道內污染物計算時，設計細則內車輛排放的煙霧縱坡系數最大僅包含到4%，而水電站內大縱坡隧道縱坡可能會大于6%，已超越現行通風設計細則規定的范圍，無相應排放縱坡系數可選。必須采取新的研究方式，取得符合實際情況的計算參數。

(2)水電站主體工程建設施工運輸車型為大型載重汽車，車輛載重量大，運輸強度高，污染物排放量大。車輛排放與普通公路隧道交通車輛差別巨大，無相應車型系數可選。另外，大型重載車輛通行產生的顆粒和揚塵是也是洞室群內污染物組成的重要部分，應當在通風計算中考慮?；谝陨蠀档乃淼赖男栾L量計算無依據可查，必須結合實際計算參數，研究新的計算方法。

(3)水電站樞紐區交通隧道與電站地下廠房洞室群相結合，形成地下洞室群，其連接交叉關系復雜，水電站地下廠房施工產生的污染物不可避免會通過支洞排入隧道主洞。在普通公路隧道通風計算時，僅需考慮隧道內交通污染物排放，而在水電站樞紐區交通隧道群內，隧道交通產生的污染物與電站施工產生的污染物同時存在，必須采取新的研究思路，研究其相互影響關系，綜合兼顧考慮。

(4)隧道內雙向行車和單向行車并用，風流的進出口多、高差大，行車組織復雜，風流組織困難。普通公路隧道通風計算，僅有單一隧道計算方法可以參考，而水電站樞紐區交通隧道與電站地下廠房洞室群相結合，連接交叉關系復雜，隧道內的風流組織困難，各個隧道與洞室之間形成網絡關系，相互影響，必須采用新的設計思路，進行整體分析研究。

1.2 樞紐區交通隧道群通風設計思路分析

在公路隧道通風設計中，隧道設計需風量取稀釋煙塵需風量Q(req)VI、稀釋CO需風量Q(req)CO及隧道換氣需風量Q(req)ac取三者之間的最大值[1]。而水電站樞紐工程區內的交通隧道具有隧道縱坡大、車輛污染物排放量大、車輛運行過程會產生大量非排放顆粒污染物(揚塵)及水電站地下廠房施工產生的煙霧會通過支洞進入隧道主洞的特點[2]。稀釋煙塵需風量Q(req)VI為水電站樞紐工程區內交通隧道通風設計的控制因素，其計算值遠大于其他兩者。水電站樞紐工程區內交通隧道設計需風量應在公路隧道設計需風量的基礎上進行的改進，主要考慮以下幾點：

(1)考慮水電站樞紐區交通隧道縱坡大、車輛載重大，按《公路隧道通風設計細則》計算得到的稀釋汽車煙塵需風量應乘以修正系數ω1進行修正。

(2)水電站樞紐工程區交通隧道主要通行車輛為工程運輸車，在車輛運行過程中會產生大量的非排放顆粒污染物(揚塵)，應考慮稀釋揚塵需風量QF作為稀釋煙塵需風量Q(req)VI的一部分。

(3)應考慮水電站施工排煙對隧道主洞需風量的影響，將交通運行污染和施工污染綜合考慮。

(4)應將隧道群整體考慮，形成網絡通風的解決思路和方法。

2 水電站樞紐工程區交通隧道群交通運行污染物研究

2.1 汽車煙霧排放量的測試

柴油車煙霧排放量與尾氣中顆粒物的濃度、體積及廢氣流量等有關。根據現行國家標準，柴油車煙霧排放水平是通過測量光吸收系數值來評價，光吸收系數值既反映了煙霧顆粒的數量、粒徑，又反映了光衰減系數[3]。車載測試原理如圖2所示。

圖2 車載煙霧測試系統

規范計算汽車煙霧排放量按最不利工況進行取值，當縱坡坡率超過4%時，按4%計算。將現場實測煙霧排放量和規范計算煙霧排放量進行比較，如圖3所示。

圖3 貨車煙霧排放量實測值與計算值對比

2.2 汽車煙霧排放量修正系數ω1取值研究

水電站樞紐工程區交通隧道通內稀釋汽車煙霧排放量QVI′大于按《公路隧道通風設計細則》計算所得的稀釋汽車煙霧排放量QVI，在實際設計工程中，稀釋汽車煙霧排放量應乘以修正系數ω1，即

QVI′=ω1QVI

(1)

將現場實測結果和規范計算結果進行比較，QVI′與QVI比值介于1.05～2.15之間。在實際設計過程中，建議汽車煙霧排放量修正系數ω1取值如表1所示。

表1 水電站樞紐工程區交通隧道汽車煙霧排放量修正系數取值

2.3 稀釋汽車非排放顆粒物需風量QF

《公路隧道通風設計細則》中，隧道內非排放因素引起的粉塵等不作為設計需風量的依據。由于水電站樞紐區交通隧道群運營中，隧道內通行的車輛大多為施工現場的工程車輛，這樣的車輛引起的粉塵濃度比一般的公路隧道要大很多。根據世界道路協會2004年發布的《公路隧道汽車尾排和需風量》報告，隧道內的非廢氣排放污染源有多種，主要是輪胎和制動磨損、道路路面磨耗和揚塵等。大部分非排氣管排出的顆粒物在大于10 μm(>PM10)的范圍。這些顆粒在可見光的波長范圍內，因而對于隧道內能見度有重要影響[4-5]。

在某水電站樞紐工程區內，采用的儀器P-5L2C型數字粉塵儀，在已經通車運行的隧道中選擇若干斷面，當有車輛經過時，開啟粉塵儀，測試車輛經過時引起的粉塵。按照世界道路協會2004年發布的《公路隧道汽車尾排和需風量》報告，對隧道內非排放顆粒物按照圖4進行擬合。

圖4 非排放顆粒物質量密度和衰減系數的相關關系

根據水電站交通隧道群運營車輛和隧道群自身的特點，對非排放顆粒物按照圖4的方法擬合的結果如圖5所示。

圖5 非排放顆粒物密度擬合結果

根據現場實測數據分析，擬合出水電站樞紐區隧道群在交通運行情況下，重車單車引起的粉塵轉換為非排放因子qVI′取值在2.4～2.6 m2/km之間。

汽車非排放污染物排放量QVI-F計算公式為

(2)

式中，qVI′為現場實測非排放顆粒物因子，計算時取2.5 m2/(輛·km)；fd為車密度系數，當行車速度為30 km/h時取2，當行車速度為20 km/h時取3；Nm為相應車型設計交通量。

隧道群內稀釋汽車非排放顆粒物需風量QF計算公式為

(3)

式中，k為隧道煙塵設計濃度。

3 水電站樞紐工程區地下洞室群施工排煙對交通隧道通風影響分析研究

水電站地下洞室群施工通風與交通隧道群連接關系如圖6所示。

圖6 某水電站地下洞室群與交通隧道群連接關系示意

地下洞室群施工通風較多的采用壓入式通風，其模型如圖7所示。爆破污染物會擴散到整個洞室斷面，然后緩慢地向出口擴散，污風管收集污染物效率低，難以避免施工污染物通過與交通隧道群的平交口進入交通隧道群，并逐漸在通風不利的位置聚集，影響交通行車安全。

圖7 壓入式施工通風模型

洞室群系統單次爆破后排出的污風，污染物濃度呈逐步下降的曲線，污染物初次排入交通隧道的時間點時為該情況下隧道內施工污染物的最高濃度時間點，其后隨施工送風量逐漸遞增，污染物濃度逐漸下降[6]。在分析計算過程中，需要分析計算出施工爆破污染物初次進入交通隧道的時間點。

由于水電站引水發電系統地下洞室結構復雜，對通風的影響難以選取參數，分析計算時簡化濃度變化計算方式，僅考慮持續的施工供風不斷稀釋爆破產生的有害氣體，通過建模計算，估算出爆破排煙排入交通隧道的時間點，計算出此時間點的污染物濃度，從而得到交通隧道內的稀釋施工污染物需風量[7]。

根據實際尺寸建立壓入式通風的三維數值模型，估算隧道內排出污染物風速大小，洞室群通道斷面污風風速大小如圖8所示，縱向風速分布如圖9所示。

圖8 壓入式通風橫斷面風速分布

圖9 壓入式通風縱向風速分布

根據建模計算結果及相關資料中施工斷面內風速的數據，綜合考慮后可以得到地下洞室群爆破后煙霧進交通隧道群的時間，由此確定施工污風初值時間點和濃度，從而確定稀釋水電站地下洞室群施工污染物的需風量QS。

參考實際項目三維數值模擬結果，壓入式通風風速為0.5～1 m/s左右，可得出爆破污染物進入交通隧道時間tb為

tb=L/v風

(4)

式中，L為交通隧道長度；v風為通風風速。

在此時間段內，爆破污染物稀釋后濃度為

(5)

此時與交通隧道標準CO濃度要求對比，將爆破污染物稀釋到100ppm標準，則可計算稀釋水電站地下洞室群施工污染物的需風量QS，即

(6)

4 水電站樞紐工程區內交通隧道群設計需風量

通過以上分析，可以得到水電站樞紐工程區交通隧道群設計需風量計算流程，如圖10所示。

圖10 水電站樞紐工程區內交通隧道設計需風量計算流程

取修正后的稀釋交通污染物需風量Q(req)VI為

(7)

水電站樞紐工程區交通隧道設計需風量Qreq取修正后的稀釋交通污染物需風量Q(req)VI和水電站地下廠房稀釋施工排煙污染物影響需風量QS之間的較大值，并乘以同時系數β，計算公式為

Qreq=βMAX[Q(req)VI，Qs]

(8)

式中，β為考慮水電站施工影響和隧道運營通風的同時系數及機械預留，取1.15。

5 水電站樞紐區交通隧道群風機選型及風流組織

5.1 隧道群風機選型比較

水電站場內交通隧道射流風機常選用公路隧道用雙向射流風機，經過現場實際運行以及相關隧道通風研究實測：高原地區由于海拔較高，空氣密度較低，存在射流風機出力不足，不能按照額定運行狀態工作，應考慮高原射流風機降效問題。

幾種水電站場內交通隧道常見的通風設備對比計算結果如表2所示。

表2 水電站樞紐工程區交通隧道群常見風機選型對比

根據工程經驗和計算研究，綜合考慮風機的功率、安裝方便程度、以及供電設施經濟性，水電站場內交通隧道群宜選擇適合高原施工條件下使用的強力射流風機。

5.2 隧道群風流組織方案研究

水電站樞紐區交通隧道群與電站地下廠房洞室群形成網絡關系，現行《公路隧道通風設計細則》中的單一隧道通風計算模型已經不能滿足實際需要。經過分析研究，應按照網絡通風的模型進行考慮，模型中各個隧道支洞之間有機結合，在通風計算時，按照以下步驟形成網絡通風風流組織[8]：

(1)將各個平交點或者污染物排放點，作為通風節點，對隧道群整體劃分區段。

(2)根據水電站施工組織計劃，調查出各個施工時間段內隧道群各個區段的最大交通量，結合修正計算系數和該區段隧道線路情況，計算出該區段的交通污染物需風量。

(3)研究交通隧道群與地下洞室開挖施工的相互銜接情況，調查出開挖施工污染物排放情況，通過三維數值模擬計算得出開挖施工污染物進入交通隧道位置點的開挖污染物需風量。

(4)研究各個網絡區段內的交通污染物需風量和開挖污染物需風量，結合車輛運行路線和時間等參數，確定該網絡區段設計需風量。

(5)研究風機在隧道群內的布置情況和參數，根據各個網絡區段提出合理的風流組織模型，然后通過三維數值計算，得出整體的網絡通風布置方案，如圖11所示。圖11中，左右方向的交通主隧洞通過2條聯絡隧道連接水電站地下廠房施工工作面，在采用本方法之前交通主隧道內存在局部區域氣流無法有效組織，爆破煙塵聚集嚴重影響行車能見度，造成延誤施工進度的情況。通過采用本方法計算修正，綜合考慮行車與洞室群施工爆破影響，并網絡化進行風流組織，設定參數進行模擬，通過模擬結果可以看到該方法能在隧道內形成持續有效的通風氣流，可控制煙塵彌漫聚集，有效解決隧道內行車安全問題，保障施工順利推進。

圖11 某項目隧道群通風方案三維模型數值計算結果示意

6 結 論

通過對水電站樞紐區交通隧道群的分析和研究得到以下結論：

(1)水電站樞紐工程區交通隧道設計需風量應在按照公路隧道相關規范計算得到的需風量基礎上，對稀釋煙塵需風量進行修正，并考慮行車揚塵及水電站地下廠房施工對主洞通風排煙的影響。

(2)水電站樞紐工程區交通隧道群通風設計中，汽車污染物排放量的計算應根據現行公路隧道通風設計規范計算得到污染物排放量乘以修正系數ω1，ω1取值根據隧道縱坡坡率不同，介于1.05～2.15之間。

(3)水電站樞紐工程區交通隧道群通風設計中，應考慮稀釋汽車非排放顆粒物(揚塵)需風量QF，重車單車引起的粉塵轉換為非排放因子取值在2.4～2.6 m2/km之間。

(4)水電站地下廠房施工污染物對隧道主洞的影響，可通過三維數值模擬的方法估算稀釋施工煙霧濃度的需風量。取修正后的稀釋煙塵需風量和水電站地下廠房施工排煙對主洞影響需風量之間的較大值，并乘以同時系數β作為最終的設計需風量。

(5)對于水電站樞紐工程區內交通隧道，風機宜選擇適合高原施工條件下使用的強力射流風機，在風流組織時應按照網絡通風的模型進行考慮，形成整體的網絡通風方案。