抽水蓄能電站地下洞室群開挖及通風技術研究

馬 賽/MA Sai

（中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，江蘇 南京 211800）

抽水蓄能電站地下洞室群具有縱橫交錯、平斜豎相貫、作業面多等特點，隧洞爆破及機電設備工作時產生有害氣體，嚴重威脅施工人員的生命健康安全。如何改善施工通風技術保護環境、促進行業發展已成為業內關注的熱點問題。

林志勇等人對抽水蓄能電站機電安裝期地下廠房通風系統的施工通風的規律和影響因素進行了研究；李宏宇等人對實際抽水蓄能電站的機電安裝期焊接煙塵的擴散與施工通風方案進行了數值模擬；于洋采用的通風系統布置方案使得施工掌子面的環境得到很大改善；鐘為等人研究不同負壓風機風量對獨頭掘進的長大隧洞施工有害氣體排放特性的影響；陳日偉等人為改善烏江渡水電站地下廠房通風效果，通過建立發電機層洞室三維模型及計算流體力學（CFD）流場仿真模型。

本研究使用CFD 仿真模擬方法分析抽水蓄能電站地下洞室群施工通風質量影響因素，研究洞室內風速、風壓變化特性以及污染物擴散特性，分析其對通風效果的影響，輔以現場驗證手段并提出合理施工方案，有效改善地下洞室群施工通風效果。

1 地下洞室群施工通風數值模擬方法

1）工程設計規劃 以績溪某抽水蓄能電站工程為對象，綜合考慮抽蓄電站地下洞室施工程序、施工通道及施工進度等因素，抽水蓄能電站工程大致情況如圖1 所示。

圖1 抽水蓄能電站工程示意圖

2）計算假設 地下洞室距離長、斷面小，其施工通風過程為空氣動力學和污染源擴散問題的研究范疇，流態復雜。把氣體當作不可壓縮流體，不考慮計算區域與外界發生的熱量交換，把其流動狀態視為紊流。

3）計算工況的確定 研究中側重分析尾調豎井施工進度、3#隧洞獨頭開挖及1#、3#尾水洞同時開挖對尾水隧洞施工通風的影響，計算工況如表1。以各工況下隧洞斷面風速及有害氣體濃度為主要監測指標。

表1 數值模擬計算工況

2 三維模型建立

如圖2 所示，本次研究中的各計算模型最少網格數48 萬個，最大網格數為129 萬個。均經過網格獨立性驗證，即網格數量對數值模擬的關鍵結果不會產生較大影響，以保證CFD 仿真結果的可靠性。

圖2 兩種獨頭掘進施工方案三維模型圖

2.1 計算邊界條件設置

根據施工通風設計方案，對應風機及通風管參數如下表2 所示。進廠交通洞及5#施工支洞設置為速度入口（Velocity-inlet）條件；尾調豎井、進廠交通洞及5#施工支洞均設置為壓力出口（Pressure-outlet）條件。

表2 3#尾水隧洞獨頭掘進施工通風風機及風管特性

假設工作面爆破后產生的炮煙瞬間均勻充滿于炮煙拋擲距離段內的空間，由拋擲長度計算公式，得到各工況的炮煙初始濃度及炮煙拋擲長度。根據經驗公式，炮煙拋擲長度b及CO 的初始濃度及分別按式（1）和式（2）計算。

其中，Q為總裝藥量，單位kg；b為炮煙拋擲長度，單位m；G為同時爆破的炸藥量，單位kg；γ為有毒氣體容重，對CO 氣體可取1.165kg/m3；A為斷面面積，單位m2；b1為每千克炸藥產生的有毒氣體體積，對CO 氣體可取0.04kg/m3。

2.2 現場驗證

為保證仿真模擬結果的準確性，使用熱線式風速儀及CO 檢測儀，現場選取5 個特征隧洞斷面進行測量的方法進行驗證，試驗實測值與仿真值比較結果如表3 所示，相對誤差在可允許的范圍內。

表3 風速及CO濃度的仿真值與實測值對比

3 尾調豎井開挖進度的影響分析

若尾調豎井滯后開挖，則無法設置負壓排風設備，這對尾水隧洞施工的掌子面通風影響較小，但對靠近尾調豎井的尾水隧洞洞內流速和有害氣體排放產生較大影響。

3.1 通風流場分析

如圖3 所示，尾調豎井投入使用前后，3#尾水隧洞施工掌子面及洞內沿線流速分布變化明顯，此時1-1-1 工況下掌子面斷面平均流速為3.20m/s，而受風壓衰減影響1-1-3 工況掌子面斷面平均流速2.30m/s。而1-1-2 與1-1-4 兩工況下與尾調豎井投入使用前的掌子面及洞內沿線流速分布相比變化不大。如圖4 所示，尾調豎井投入使用前污風經進廠交通洞排出，存在洞內沿程污染風險。負壓排風投入使用后，尾水洞內風速均有顯著提高，而5#施工支洞風速有所減弱，開啟負壓排風后可保證90%污風進入尾調豎井排放，通風效果有明顯改善。

圖3 尾調豎井投入使用前后掌子面斷面流速分布圖

圖4 尾調豎井投入使用前后支洞連接處流速分布圖

3.2 有害氣體擴散特性分析

圖5（a）為各工況掌子面CO 濃度擴散過程線圖，其中隧洞斷面CO 濃度為掌子面位置橫截面的CO 平均濃度，并換算成ppm 單位。尾調豎井投入使用前后，均能在10min 內降低至施工規范內規定值24ppm 以下，保證通風環境的安全。

若尾調豎井未按期投入使用，如圖5（b），大量污風約10min 擴散至3#隧洞與5#施工支洞連接處，CO 平均濃度高達536ppm 和447ppm。5#施工支洞斷面CO 平均濃度達到149ppm 和77ppm。

4 尾水隧洞開挖順序的影響分析

1#尾水隧洞與3#尾水隧洞同時施工時，2 個掌子面及洞內的流速分布如圖6。洞內沿線風流流場未出現明顯漩渦，風流流速分布均勻，1#尾水隧洞掌子面斷面平均流速1.24m/s，3#尾水隧洞掌子面斷面平均流速1.41m/s，較單獨施工時降低約50%，洞內流速明顯降低，但仍達到0.6m/s，滿足規范要求。

圖6 隧洞掌子面斷面流速分布圖（1-1-5工況）

兩條尾水隧洞同時施工時，如圖7 所示，正壓送風風量不變，而負壓排風風機增加為2 臺，因此其污風排放效果較好，全部污風通過尾調豎井排放，不再進入5#施工支洞及進廠交通洞。

圖7 1.5m高平面流速局部分布圖（1-1-5工況）

如圖8 所示，兩條隧洞同時施工時，掌子面CO 氣體的擴散速度較單洞施工時略慢。3#尾水隧洞內CO 氣體的斷面平均濃度完全降低至規范允許值所需的時間為35min，較單洞施工時增加17min。該工況下，所有的CO 直接經1#和3#尾調豎井排放，可完全避免對5#施工支洞和進廠交通洞的污染。

圖8 1.5m高平面CO濃度分布圖（1-1-5工況）

綜上所述，尾調豎井投入使用設置負壓排風后，大量有害氣體CO 從尾調豎井排放，有效減弱了對5#施工支洞和進廠交通洞的污染。

5 結論

1）若尾調豎井滯后開挖，無法設置負壓排風設備會對靠近尾調豎井的洞內流速和有害氣體的排放造成負面影響。

2）若尾調豎井未能按期投入使用，則大量污風CO 緩慢擴散至5#施工支洞和主廠房交通洞。若經多次爆破排煙，其施工環境條件將更加惡化。建議保證尾調豎井在尾水隧洞開挖前投入使用。

3）兩條尾水隧洞同時施工時，3#尾水隧洞掌子面斷面平均流速較其單獨施工時降低約50%。掌子面CO 氣體擴散速度較單洞施工時略慢，洞內CO 氣體斷面平均濃度降低至規范允許值所需時間較單洞施工時增加17min。