抽水蓄能电站地下洞室群开挖及通风技术研究

马 赛/MA Sai

（中铁十四局集团大盾构工程有限公司，江苏 南京 211800）

抽水蓄能电站地下洞室群具有纵横交错、平斜竖相贯、作业面多等特点，隧洞爆破及机电设备工作时产生有害气体，严重威胁施工人员的生命健康安全。如何改善施工通风技术保护环境、促进行业发展已成为业内关注的热点问题。

林志勇等人对抽水蓄能电站机电安装期地下厂房通风系统的施工通风的规律和影响因素进行了研究；李宏宇等人对实际抽水蓄能电站的机电安装期焊接烟尘的扩散与施工通风方案进行了数值模拟；于洋采用的通风系统布置方案使得施工掌子面的环境得到很大改善；钟为等人研究不同负压风机风量对独头掘进的长大隧洞施工有害气体排放特性的影响；陈日伟等人为改善乌江渡水电站地下厂房通风效果，通过建立发电机层洞室三维模型及计算流体力学（CFD）流场仿真模型。

本研究使用CFD 仿真模拟方法分析抽水蓄能电站地下洞室群施工通风质量影响因素，研究洞室内风速、风压变化特性以及污染物扩散特性，分析其对通风效果的影响，辅以现场验证手段并提出合理施工方案，有效改善地下洞室群施工通风效果。

1 地下洞室群施工通风数值模拟方法

1）工程设计规划 以绩溪某抽水蓄能电站工程为对象，综合考虑抽蓄电站地下洞室施工程序、施工通道及施工进度等因素，抽水蓄能电站工程大致情况如图1 所示。

图1 抽水蓄能电站工程示意图

2）计算假设 地下洞室距离长、断面小，其施工通风过程为空气动力学和污染源扩散问题的研究范畴，流态复杂。把气体当作不可压缩流体，不考虑计算区域与外界发生的热量交换，把其流动状态视为紊流。

3）计算工况的确定 研究中侧重分析尾调竖井施工进度、3#隧洞独头开挖及1#、3#尾水洞同时开挖对尾水隧洞施工通风的影响，计算工况如表1。以各工况下隧洞断面风速及有害气体浓度为主要监测指标。

表1 数值模拟计算工况

2 三维模型建立

如图2 所示，本次研究中的各计算模型最少网格数48 万个，最大网格数为129 万个。均经过网格独立性验证，即网格数量对数值模拟的关键结果不会产生较大影响，以保证CFD 仿真结果的可靠性。

图2 两种独头掘进施工方案三维模型图

2.1 计算边界条件设置

根据施工通风设计方案，对应风机及通风管参数如下表2 所示。进厂交通洞及5#施工支洞设置为速度入口（Velocity-inlet）条件；尾调竖井、进厂交通洞及5#施工支洞均设置为压力出口（Pressure-outlet）条件。

表2 3#尾水隧洞独头掘进施工通风风机及风管特性

假设工作面爆破后产生的炮烟瞬间均匀充满于炮烟抛掷距离段内的空间，由抛掷长度计算公式，得到各工况的炮烟初始浓度及炮烟抛掷长度。根据经验公式，炮烟抛掷长度b及CO 的初始浓度及分别按式（1）和式（2）计算。

其中，Q为总装药量，单位kg；b为炮烟抛掷长度，单位m；G为同时爆破的炸药量，单位kg；γ为有毒气体容重，对CO 气体可取1.165kg/m3；A为断面面积，单位m2；b1为每千克炸药产生的有毒气体体积，对CO 气体可取0.04kg/m3。

2.2 现场验证

为保证仿真模拟结果的准确性，使用热线式风速仪及CO 检测仪，现场选取5 个特征隧洞断面进行测量的方法进行验证，试验实测值与仿真值比较结果如表3 所示，相对误差在可允许的范围内。

表3 风速及CO浓度的仿真值与实测值对比

3 尾调竖井开挖进度的影响分析

若尾调竖井滞后开挖，则无法设置负压排风设备，这对尾水隧洞施工的掌子面通风影响较小，但对靠近尾调竖井的尾水隧洞洞内流速和有害气体排放产生较大影响。

3.1 通风流场分析

如图3 所示，尾调竖井投入使用前后，3#尾水隧洞施工掌子面及洞内沿线流速分布变化明显，此时1-1-1 工况下掌子面断面平均流速为3.20m/s，而受风压衰减影响1-1-3 工况掌子面断面平均流速2.30m/s。而1-1-2 与1-1-4 两工况下与尾调竖井投入使用前的掌子面及洞内沿线流速分布相比变化不大。如图4 所示，尾调竖井投入使用前污风经进厂交通洞排出，存在洞内沿程污染风险。负压排风投入使用后，尾水洞内风速均有显著提高，而5#施工支洞风速有所减弱，开启负压排风后可保证90%污风进入尾调竖井排放，通风效果有明显改善。

图3 尾调竖井投入使用前后掌子面断面流速分布图

图4 尾调竖井投入使用前后支洞连接处流速分布图

3.2 有害气体扩散特性分析

图5（a）为各工况掌子面CO 浓度扩散过程线图，其中隧洞断面CO 浓度为掌子面位置横截面的CO 平均浓度，并换算成ppm 单位。尾调竖井投入使用前后，均能在10min 内降低至施工规范内规定值24ppm 以下，保证通风环境的安全。

若尾调竖井未按期投入使用，如图5（b），大量污风约10min 扩散至3#隧洞与5#施工支洞连接处，CO 平均浓度高达536ppm 和447ppm。5#施工支洞断面CO 平均浓度达到149ppm 和77ppm。

4 尾水隧洞开挖顺序的影响分析

1#尾水隧洞与3#尾水隧洞同时施工时，2 个掌子面及洞内的流速分布如图6。洞内沿线风流流场未出现明显漩涡，风流流速分布均匀，1#尾水隧洞掌子面断面平均流速1.24m/s，3#尾水隧洞掌子面断面平均流速1.41m/s，较单独施工时降低约50%，洞内流速明显降低，但仍达到0.6m/s，满足规范要求。

图6 隧洞掌子面断面流速分布图（1-1-5工况）

两条尾水隧洞同时施工时，如图7 所示，正压送风风量不变，而负压排风风机增加为2 台，因此其污风排放效果较好，全部污风通过尾调竖井排放，不再进入5#施工支洞及进厂交通洞。

图7 1.5m高平面流速局部分布图（1-1-5工况）

如图8 所示，两条隧洞同时施工时，掌子面CO 气体的扩散速度较单洞施工时略慢。3#尾水隧洞内CO 气体的断面平均浓度完全降低至规范允许值所需的时间为35min，较单洞施工时增加17min。该工况下，所有的CO 直接经1#和3#尾调竖井排放，可完全避免对5#施工支洞和进厂交通洞的污染。

图8 1.5m高平面CO浓度分布图（1-1-5工况）

综上所述，尾调竖井投入使用设置负压排风后，大量有害气体CO 从尾调竖井排放，有效减弱了对5#施工支洞和进厂交通洞的污染。

5 结论

1）若尾调竖井滞后开挖，无法设置负压排风设备会对靠近尾调竖井的洞内流速和有害气体的排放造成负面影响。

2）若尾调竖井未能按期投入使用，则大量污风CO 缓慢扩散至5#施工支洞和主厂房交通洞。若经多次爆破排烟，其施工环境条件将更加恶化。建议保证尾调竖井在尾水隧洞开挖前投入使用。

3）两条尾水隧洞同时施工时，3#尾水隧洞掌子面断面平均流速较其单独施工时降低约50%。掌子面CO 气体扩散速度较单洞施工时略慢，洞内CO 气体断面平均浓度降低至规范允许值所需时间较单洞施工时增加17min。