白鹤滩水电站地下洞室群空气环境治理关键技术

杨 帆，倪华军，张丹萍

（中国水利水电第七工程局有限公司，615421，宁南）

白鹤滩水电站地下洞室群规模巨大，由大小不等、空间交错、平面相贯的229条洞井群组成，总开挖里程约64 km，洞室群最大水平埋深约1050 m，最大垂直埋深约330 m，需要解决地下洞室群空气环境问题。

一、洞群空气环境治理难点

1.埋深大、地热高、风道长

左岸地下洞室群最大水平埋深达1050 m，洞室间立体交叉布置，部分洞段受地热影响，温度超过50°C，新鲜空气需要经过冗长的施工支洞方能到达施工掌子面，供风距离的大幅度增长，对通风设备的性能要求极高。

2.洞室施工点多面广、强度极高

洞室施工强度极高，洞内共投入各类全天候同时运行油动设备200余台套，同时作业工作面超过60个、日消耗乳化炸药5t以上。每天4个集中时间点爆破产生的烟尘及机械设备排放的尾气达350 m3/min，导致洞内施工深受粉尘和有害气体困扰。

二、通风散烟方案

1.通风设备选型

根据《水利水电工程施工组织设计手册》（第二卷），按照水电站地下洞室群施工通风量计算公式，计算左岸地下洞室群开挖施工期施工各洞室需风量，结果见表1。

结合各洞室风量需求，采用“可变频、漏风率小、通风距离长、风带端口收口摆动小、风带锐角转弯及三通液压风门调控、风带修补更换方便、节能、减噪”的变频风机作为地下洞群内通风的主要设备。

表1 各洞室需风量

2.通风散烟规划布置

（1）通风散烟分期布局规划

根据左岸引水发电系统工程结构布置特点及施工组织模式，地下洞室群通风按三期进行通风规划。

一期：主要为进水口边坡未开挖完成前、厂房及主变室排风竖井未形成前、尾水管检修闸门室溜渣竖井未形成前的洞室开挖支护施工阶段，引水系统、三大洞室相对独立，主要在相应交通洞洞口及施工支洞洞口布置高压风机，采用风筒布置到工作面压入式通风。白鹤滩左岸引水发电系统洞室群一期通风规划示意见图1。

图1 白鹤滩左岸引水发电系统洞室群一期通风规划示意图

二期：为#7、#8引水洞进水口边坡开挖完成后、厂房及主变室排风竖井形成后、尾水管检修闸门室溜渣竖井形成后洞室开挖支护施工阶段，在相应交通洞洞口及施工支洞洞口布置风机，废气通过排风竖井、溜渣竖井等排出，形成低进高出通风方式，此阶段形成自然通风与机械通风相结合通风方式。白鹤滩左岸引水发电系统洞室群二期通风规划示意见图2。

图2 白鹤滩左岸引水发电系统洞室群二期通风规划示意图

三期：为各系统洞室相互贯通，开挖基本结束，转入混凝土浇筑、金属结构安装及基础处理等施工阶段，此阶段达到自然通风条件，并保留二期部分通风设备对不能形成自然通风条件或自然通风条件差的部位、时段辅助机械通风。白鹤滩左岸引水发电系统洞室群三期通风规划示意见图3。

图3 白鹤滩左岸引水发电系统洞室群三期通风规划示意图

（2）“新污分流”通风通道规划

本工程三大洞室——主副厂房、主变洞、尾水管检修闸门室因其洞室断面尺寸大，开挖工程量大，施工工期长，空气污染源多，与周边洞室贯通点多，导致通风散烟困难。

①充分利用工程永久通风和排风洞井。本工程共设计有进排风竖井13条，排风连接平洞7条，专用排风平洞1条。施工时优先开挖永久通风排风洞井，并将其作为专用污风散出通道，不作他用。厂房、主变优先贯通中导洞，形成风流通道，同时优先提供南侧排风竖井工作面，尽早启动南侧排风竖井施工并贯通。

②结合通风设备性能布置供风线路。根据瑞典SWEDFAN轴流风机现场长距离供风试验，采用2×132 kW的轴流风机，在送风距离达到4 km的情况下，按照全开度运行，掌子面风速仍可达到3 m/s，满足本工程任何部位需风量要求，避免了因供风风量或风压不足造成在洞内设置接力风机而造成污风回流的问题。

在此前提下，将三大洞室所有取风点均设置在洞外，再利用风带沿交通洞延伸向洞内工作面供风，保证供应到工作面的风是新鲜风。厂房、主变室、尾水管检修闸门室新鲜风主要从进厂交通洞延伸洞洞口和#504洞口摄取，进厂交通洞延伸洞洞口布置两台轴流风机，采用两条直径为2.0 m风带通过进厂交通洞延伸洞将新风送入三大洞室南侧工作面；#504洞口布置两台轴流风机，采用两条直径为2.0 m风带经通风兼安全洞将新风送入三大洞室北侧工作面。风带在各洞室下挖的过程中，随层面向下延伸，将新鲜风压入至开挖工作面。

三大洞室施工产生的污风通过各洞室顶拱布置的排风竖井及其井口安装的强力排风机抽排至#1、#2排风连接平洞。进厂交通洞延伸洞沿线的污风主要通过#3公路排风竖井及其井口布置的强力排风机抽排至#3公路排风上平洞。厂区污风汇集到#1、#2排风连接平洞及#3公路排风上平洞后，通过排风主通道至尾调通气洞沉淀后排出洞外。

③增设排风通道。在进厂交通洞与厂房、主变施工排风平洞立体交叉部位，施工1条直径为1.4 m及1条直径为2.0 m竖井贯穿上下，作为通风竖井，并在竖井上部采用砖砌体密封后布置1台排风机抽排，使进厂交通洞进厂段形成循环通风的条件，满足进厂交通洞线路长、洞室多、最多时有7个工作面同步施工空气环境要求。

通过以上布置，洞外的新鲜风利用各洞室施工支洞、交通洞作为通道，通过风带压入至工作面；洞内污浊空气则通过强力排风机抽排到专用的排风、集风通道，经降尘处理后排入大气中，实现空气清浊分流，各行其道，循环有序。

（3）“排送结合”规划

在做好通风通道的规划后，还需要合理地布置送风系统以及排风系统才能更好地保证通风散烟达到预期效果。对于送风系统，施工时要求风机安装位置、角度符合安装要求和风带走线标准，洞内转弯段采用与之配套的弯管，三通部位的衔接以及风门做好密封，尽量减少沿途风量损失。针对排风系统，在各排风竖井井口布置排风机，并采用挡风墙将排风机排风口进行密闭，使排风口的风流不发生紊乱，达到理想的排风效果。

（4）标准化运行管理

①变频风机运行管理。运行的任务主要包括操作风机按照不同工况下的开度运行，如在爆破散烟工况下，风机按照50Hz全开度运行；出渣及喷混凝土工况下，风机按照40Hz开度运行；钻孔工况下，风机按照30Hz开度运行；其他工况下按照20Hz、15Hz开度运行。

②三通部位运行管理。根据现场实际情况控制洞内三通部位风门供风量，使之与现场需求匹配，能有效提高风机使用能效。如主变洞与尾水管检修闸门室单侧共用1台风机，主风带设置了三通分别通往主变洞和尾水管检修闸门室，并在两条风带支路上设置了调节风门，在主变洞需风量大、尾水管检修闸门室需风量小的情况下，将主变洞风带支路上的风门开大，将尾水管检修闸门室风带支路上的风门关小，反之则进行相反的操作。

③风机维护保养及风带维修管理。成立风机运行班组，每日对风机运行情况进行检查和维护保养。在洞内外设置限高标识和限高装置避免风带被超高设备刮破，在风带易损部位设置铁皮外套等防护，防止二次损坏。同时，针对已损坏部位采用厂家配备的修补套，根据破损的大小采用合适的修补套进行修补。

3.通风散烟规划布置仿真及实测验证

（1）方案有效性仿真验证

通过三维数值计算，在高峰期，主厂房南北侧及主变洞南北侧8个爆破作业面同时爆破时，主厂房、主变室、尾水管检修闸门室排风量分别为 6970、3090、4000 m3/min。

厂房南北侧各布置1台2×AVH 140.132.4.8变频风机供风，出口供风风量3576 m3/min，供风压力5824 Pa。主变室及尾水管检修闸门室南北侧各布置 1台 2×AVH140.132.4.8变频风机供风，出口供风风量3576 m3/min，供风压力5824 Pa，供风风量满足需风量要求。

经仿真模拟验证，洞室内的空气都顺利的通过排风竖井或通气洞排至排风隧道，再通过排风隧道排至洞外，满足通风散烟要求。

（2）方案有效实测验证

根据现场不同施工工况，结合变频风机特点及现场试验，在爆破散烟工况下风机按照50 Hz全开度运行，经测试洞室内中部风速可达到3.0 m/s以上；出渣及喷混凝土工况下风机按照40 Hz开度运行，工作面风速可达到2.0 m/s以上；钻孔工况下风机按照30 Hz开度运行，工作面风速可达到1.5 m/s以上；其他工况下按照20 Hz、15 Hz开度运行，工作面风速可达到1.0 m/s以上。

爆破后，通风散烟半小时，洞内可吸入颗粒PM10浓度最大仅为0.8 mg/m3；平时正常工作状况下，洞内可吸入颗粒PM10浓度不足0.4 mg/m3，均小于国标“不大于2 mg/m3”的要求。

三、结 语

在白鹤滩左岸引水发电系统地下洞室群工程施工中，通过对通风设备进行充分调研，根据地下厂房施工特点及需求进行设备选型，结合地下洞室群结构布置特点，制定了“分期布局、新污分流、送排结合、变频节能”的空气环境综合治理方案，经三维建模仿真计算及现场实测数据证明，该方案在高埋深复杂布局条件下的白鹤滩地下厂房洞室群取得了显著成效，达到了预期目标。