水电站枢纽工程区交通隧道群通风设计研究

陈勇良，张子晗，王瑛琢，吴玥含

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

随着我国水电建设事业的发展，青藏高原及川西高原各主要干流的梯级电站逐渐向高原、高海拔地域推进，这些区域地表地貌呈现高山峡谷的形态，水电站建设中不可避免的较多采用地下厂房的形式，在地貌和形式限制下，水电站枢纽工程区难以避免的会存在距离长、规模大的交通隧道群和复杂的水电站地下洞室群开挖。此种情况下水电站交通隧道群通风问题成为了一个难点，对水电站施工的顺利进行有较大的影响。目前，国内针对此类型隧道群的综合研究较少，水电站复杂交通隧道群的通风问题还处于研究探索阶段。

由于水电站枢纽工程区交通隧道群与普通公路隧道存在着巨大差异，参照专门针对公路隧道通风设计的规范JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通风设计细则》[1]，在水电站交通隧道群通风设计中难以满足实际工程的需要，导致隧道群内污染物浓度大、可见度不足，严重时会影响场内交通运输和电站主体工程建设。为更好的服务于水电工程建设，保证隧道内车辆安全正常通行，满足职业健康卫生标准，必须进行相关的研究，在设计思路、计算参数、研究方法等方面进行创新，才能解决现有规范的局限性，做出贴合水电站工程建设实际的通风设计，更好的满足工程实践需求。

1 水电站枢纽工程区交通隧道群特点与通风设计分析

1.1 枢纽工程区交通隧道群特点分析

水电站枢纽工程区交通隧道群是水电站地下厂房、大坝施工运输车辆的主要通道，如图1所示。

图1 某水电站枢纽工程区交通隧道群示意

区别于普通公路隧道，水电站枢纽工程区交通隧道群具有以下特点：

(1)水电站枢纽工程区场内交通线路布置受制于电站枢纽布置、施工总布置、主体工程施工要求及区域陡峭地形地质条件，不可避免会采用超过现行公路隧道规范要求的大纵坡曲线隧道。普通公路隧道内污染物计算时，设计细则内车辆排放的烟雾纵坡系数最大仅包含到4%，而水电站内大纵坡隧道纵坡可能会大于6%，已超越现行通风设计细则规定的范围，无相应排放纵坡系数可选。必须采取新的研究方式，取得符合实际情况的计算参数。

(2)水电站主体工程建设施工运输车型为大型载重汽车，车辆载重量大，运输强度高，污染物排放量大。车辆排放与普通公路隧道交通车辆差别巨大，无相应车型系数可选。另外，大型重载车辆通行产生的颗粒和扬尘是也是洞室群内污染物组成的重要部分，应当在通风计算中考虑。基于以上参数的隧道的需风量计算无依据可查，必须结合实际计算参数，研究新的计算方法。

(3)水电站枢纽区交通隧道与电站地下厂房洞室群相结合，形成地下洞室群，其连接交叉关系复杂，水电站地下厂房施工产生的污染物不可避免会通过支洞排入隧道主洞。在普通公路隧道通风计算时，仅需考虑隧道内交通污染物排放，而在水电站枢纽区交通隧道群内，隧道交通产生的污染物与电站施工产生的污染物同时存在，必须采取新的研究思路，研究其相互影响关系，综合兼顾考虑。

(4)隧道内双向行车和单向行车并用，风流的进出口多、高差大，行车组织复杂，风流组织困难。普通公路隧道通风计算，仅有单一隧道计算方法可以参考，而水电站枢纽区交通隧道与电站地下厂房洞室群相结合，连接交叉关系复杂，隧道内的风流组织困难，各个隧道与洞室之间形成网络关系，相互影响，必须采用新的设计思路，进行整体分析研究。

1.2 枢纽区交通隧道群通风设计思路分析

在公路隧道通风设计中，隧道设计需风量取稀释烟尘需风量Q(req)VI、稀释CO需风量Q(req)CO及隧道换气需风量Q(req)ac取三者之间的最大值[1]。而水电站枢纽工程区内的交通隧道具有隧道纵坡大、车辆污染物排放量大、车辆运行过程会产生大量非排放颗粒污染物(扬尘)及水电站地下厂房施工产生的烟雾会通过支洞进入隧道主洞的特点[2]。稀释烟尘需风量Q(req)VI为水电站枢纽工程区内交通隧道通风设计的控制因素，其计算值远大于其他两者。水电站枢纽工程区内交通隧道设计需风量应在公路隧道设计需风量的基础上进行的改进，主要考虑以下几点：

(1)考虑水电站枢纽区交通隧道纵坡大、车辆载重大，按《公路隧道通风设计细则》计算得到的稀释汽车烟尘需风量应乘以修正系数ω1进行修正。

(2)水电站枢纽工程区交通隧道主要通行车辆为工程运输车，在车辆运行过程中会产生大量的非排放颗粒污染物(扬尘)，应考虑稀释扬尘需风量QF作为稀释烟尘需风量Q(req)VI的一部分。

(3)应考虑水电站施工排烟对隧道主洞需风量的影响，将交通运行污染和施工污染综合考虑。

(4)应将隧道群整体考虑，形成网络通风的解决思路和方法。

2 水电站枢纽工程区交通隧道群交通运行污染物研究

2.1 汽车烟雾排放量的测试

柴油车烟雾排放量与尾气中颗粒物的浓度、体积及废气流量等有关。根据现行国家标准，柴油车烟雾排放水平是通过测量光吸收系数值来评价，光吸收系数值既反映了烟雾颗粒的数量、粒径，又反映了光衰减系数[3]。车载测试原理如图2所示。

图2 车载烟雾测试系统

规范计算汽车烟雾排放量按最不利工况进行取值，当纵坡坡率超过4%时，按4%计算。将现场实测烟雾排放量和规范计算烟雾排放量进行比较，如图3所示。

图3 货车烟雾排放量实测值与计算值对比

2.2 汽车烟雾排放量修正系数ω1取值研究

水电站枢纽工程区交通隧道通内稀释汽车烟雾排放量QVI′大于按《公路隧道通风设计细则》计算所得的稀释汽车烟雾排放量QVI，在实际设计工程中，稀释汽车烟雾排放量应乘以修正系数ω1，即

QVI′=ω1QVI

(1)

将现场实测结果和规范计算结果进行比较，QVI′与QVI比值介于1.05～2.15之间。在实际设计过程中，建议汽车烟雾排放量修正系数ω1取值如表1所示。

表1 水电站枢纽工程区交通隧道汽车烟雾排放量修正系数取值

2.3 稀释汽车非排放颗粒物需风量QF

《公路隧道通风设计细则》中，隧道内非排放因素引起的粉尘等不作为设计需风量的依据。由于水电站枢纽区交通隧道群运营中，隧道内通行的车辆大多为施工现场的工程车辆，这样的车辆引起的粉尘浓度比一般的公路隧道要大很多。根据世界道路协会2004年发布的《公路隧道汽车尾排和需风量》报告，隧道内的非废气排放污染源有多种，主要是轮胎和制动磨损、道路路面磨耗和扬尘等。大部分非排气管排出的颗粒物在大于10 μm(>PM10)的范围。这些颗粒在可见光的波长范围内，因而对于隧道内能见度有重要影响[4-5]。

在某水电站枢纽工程区内，采用的仪器P-5L2C型数字粉尘仪，在已经通车运行的隧道中选择若干断面，当有车辆经过时，开启粉尘仪，测试车辆经过时引起的粉尘。按照世界道路协会2004年发布的《公路隧道汽车尾排和需风量》报告，对隧道内非排放颗粒物按照图4进行拟合。

图4 非排放颗粒物质量密度和衰减系数的相关关系

根据水电站交通隧道群运营车辆和隧道群自身的特点，对非排放颗粒物按照图4的方法拟合的结果如图5所示。

图5 非排放颗粒物密度拟合结果

根据现场实测数据分析，拟合出水电站枢纽区隧道群在交通运行情况下，重车单车引起的粉尘转换为非排放因子qVI′取值在2.4～2.6 m2/km之间。

汽车非排放污染物排放量QVI-F计算公式为

(2)

式中，qVI′为现场实测非排放颗粒物因子，计算时取2.5 m2/(辆·km)；fd为车密度系数，当行车速度为30 km/h时取2，当行车速度为20 km/h时取3；Nm为相应车型设计交通量。

隧道群内稀释汽车非排放颗粒物需风量QF计算公式为

(3)

式中，k为隧道烟尘设计浓度。

3 水电站枢纽工程区地下洞室群施工排烟对交通隧道通风影响分析研究

水电站地下洞室群施工通风与交通隧道群连接关系如图6所示。

图6 某水电站地下洞室群与交通隧道群连接关系示意

地下洞室群施工通风较多的采用压入式通风，其模型如图7所示。爆破污染物会扩散到整个洞室断面，然后缓慢地向出口扩散，污风管收集污染物效率低，难以避免施工污染物通过与交通隧道群的平交口进入交通隧道群，并逐渐在通风不利的位置聚集，影响交通行车安全。

图7 压入式施工通风模型

洞室群系统单次爆破后排出的污风，污染物浓度呈逐步下降的曲线，污染物初次排入交通隧道的时间点时为该情况下隧道内施工污染物的最高浓度时间点，其后随施工送风量逐渐递增，污染物浓度逐渐下降[6]。在分析计算过程中，需要分析计算出施工爆破污染物初次进入交通隧道的时间点。

由于水电站引水发电系统地下洞室结构复杂，对通风的影响难以选取参数，分析计算时简化浓度变化计算方式，仅考虑持续的施工供风不断稀释爆破产生的有害气体，通过建模计算，估算出爆破排烟排入交通隧道的时间点，计算出此时间点的污染物浓度，从而得到交通隧道内的稀释施工污染物需风量[7]。

根据实际尺寸建立压入式通风的三维数值模型，估算隧道内排出污染物风速大小，洞室群通道断面污风风速大小如图8所示，纵向风速分布如图9所示。

图8 压入式通风横断面风速分布

图9 压入式通风纵向风速分布

根据建模计算结果及相关资料中施工断面内风速的数据，综合考虑后可以得到地下洞室群爆破后烟雾进交通隧道群的时间，由此确定施工污风初值时间点和浓度，从而确定稀释水电站地下洞室群施工污染物的需风量QS。

参考实际项目三维数值模拟结果，压入式通风风速为0.5～1 m/s左右，可得出爆破污染物进入交通隧道时间tb为

tb=L/v风

(4)

式中，L为交通隧道长度；v风为通风风速。

在此时间段内，爆破污染物稀释后浓度为

(5)

此时与交通隧道标准CO浓度要求对比，将爆破污染物稀释到100ppm标准，则可计算稀释水电站地下洞室群施工污染物的需风量QS，即

(6)

4 水电站枢纽工程区内交通隧道群设计需风量

通过以上分析，可以得到水电站枢纽工程区交通隧道群设计需风量计算流程，如图10所示。

图10 水电站枢纽工程区内交通隧道设计需风量计算流程

取修正后的稀释交通污染物需风量Q(req)VI为

(7)

水电站枢纽工程区交通隧道设计需风量Qreq取修正后的稀释交通污染物需风量Q(req)VI和水电站地下厂房稀释施工排烟污染物影响需风量QS之间的较大值，并乘以同时系数β，计算公式为

Qreq=βMAX[Q(req)VI，Qs]

(8)

式中，β为考虑水电站施工影响和隧道运营通风的同时系数及机械预留，取1.15。

5 水电站枢纽区交通隧道群风机选型及风流组织

5.1 隧道群风机选型比较

水电站场内交通隧道射流风机常选用公路隧道用双向射流风机，经过现场实际运行以及相关隧道通风研究实测：高原地区由于海拔较高，空气密度较低，存在射流风机出力不足，不能按照额定运行状态工作，应考虑高原射流风机降效问题。

几种水电站场内交通隧道常见的通风设备对比计算结果如表2所示。

表2 水电站枢纽工程区交通隧道群常见风机选型对比

根据工程经验和计算研究，综合考虑风机的功率、安装方便程度、以及供电设施经济性，水电站场内交通隧道群宜选择适合高原施工条件下使用的强力射流风机。

5.2 隧道群风流组织方案研究

水电站枢纽区交通隧道群与电站地下厂房洞室群形成网络关系，现行《公路隧道通风设计细则》中的单一隧道通风计算模型已经不能满足实际需要。经过分析研究，应按照网络通风的模型进行考虑，模型中各个隧道支洞之间有机结合，在通风计算时，按照以下步骤形成网络通风风流组织[8]：

(1)将各个平交点或者污染物排放点，作为通风节点，对隧道群整体划分区段。

(2)根据水电站施工组织计划，调查出各个施工时间段内隧道群各个区段的最大交通量，结合修正计算系数和该区段隧道线路情况，计算出该区段的交通污染物需风量。

(3)研究交通隧道群与地下洞室开挖施工的相互衔接情况，调查出开挖施工污染物排放情况，通过三维数值模拟计算得出开挖施工污染物进入交通隧道位置点的开挖污染物需风量。

(4)研究各个网络区段内的交通污染物需风量和开挖污染物需风量，结合车辆运行路线和时间等参数，确定该网络区段设计需风量。

(5)研究风机在隧道群内的布置情况和参数，根据各个网络区段提出合理的风流组织模型，然后通过三维数值计算，得出整体的网络通风布置方案，如图11所示。图11中，左右方向的交通主隧洞通过2条联络隧道连接水电站地下厂房施工工作面，在采用本方法之前交通主隧道内存在局部区域气流无法有效组织，爆破烟尘聚集严重影响行车能见度，造成延误施工进度的情况。通过采用本方法计算修正，综合考虑行车与洞室群施工爆破影响，并网络化进行风流组织，设定参数进行模拟，通过模拟结果可以看到该方法能在隧道内形成持续有效的通风气流，可控制烟尘弥漫聚集，有效解决隧道内行车安全问题，保障施工顺利推进。

图11 某项目隧道群通风方案三维模型数值计算结果示意

6 结 论

通过对水电站枢纽区交通隧道群的分析和研究得到以下结论：

(1)水电站枢纽工程区交通隧道设计需风量应在按照公路隧道相关规范计算得到的需风量基础上，对稀释烟尘需风量进行修正，并考虑行车扬尘及水电站地下厂房施工对主洞通风排烟的影响。

(2)水电站枢纽工程区交通隧道群通风设计中，汽车污染物排放量的计算应根据现行公路隧道通风设计规范计算得到污染物排放量乘以修正系数ω1，ω1取值根据隧道纵坡坡率不同，介于1.05～2.15之间。

(3)水电站枢纽工程区交通隧道群通风设计中，应考虑稀释汽车非排放颗粒物(扬尘)需风量QF，重车单车引起的粉尘转换为非排放因子取值在2.4～2.6 m2/km之间。

(4)水电站地下厂房施工污染物对隧道主洞的影响，可通过三维数值模拟的方法估算稀释施工烟雾浓度的需风量。取修正后的稀释烟尘需风量和水电站地下厂房施工排烟对主洞影响需风量之间的较大值，并乘以同时系数β作为最终的设计需风量。

(5)对于水电站枢纽工程区内交通隧道，风机宜选择适合高原施工条件下使用的强力射流风机，在风流组织时应按照网络通风的模型进行考虑，形成整体的网络通风方案。