黃鑫，李艷玲，鄭園媛

（四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065）

瀘定水電站大型長廊式調(diào)壓室合理施工通風(fēng)散煙時間研究

黃鑫，李艷玲，鄭園媛

（四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065）

瀘定水電站大型長廊式調(diào)壓室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，作業(yè)面多，施工通風(fēng)散煙難度大。為改善施工通風(fēng)效果，保證施工能安全、高效、快速地進(jìn)行，采用基于流體力學(xué)理論的三維數(shù)值模擬其不同通風(fēng)方案下一、二期的施工通風(fēng)流場和有害氣體擴(kuò)散特性。給出了一、二期最優(yōu)通風(fēng)方案，并提出了相應(yīng)合理的通風(fēng)散煙時間。研究成果為通風(fēng)方案優(yōu)化和通風(fēng)散煙時間的合理確定提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

瀘定水電站;長廊式調(diào)壓室;流體力學(xué);三維數(shù)值模擬;通風(fēng)散煙

瀘定水電站大型長廊式調(diào)壓室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工難度大，作業(yè)面多，鉆孔、爆破、裝渣、運(yùn)輸、噴錨支護(hù)等多工序交叉作業(yè)［1］。施工中會產(chǎn)生爆破氣體、施工機(jī)械尾氣、混凝土作業(yè)粉塵等有害氣體，通風(fēng)散煙問題十分突出。而施工期通風(fēng)散煙問題是影響施工安全，制約洞室群施工進(jìn)度、關(guān)系施工質(zhì)量和機(jī)械設(shè)備使用效率的主要因素［2-4］。為改善施工通風(fēng)效果，保證施工安全、高效、快速地進(jìn)行，本文構(gòu)建混合模型，采用Fluent軟件［5］模擬瀘定水電站長廊式調(diào)壓室施工通風(fēng)流場和通風(fēng)效果。并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化一、二期施工通風(fēng)方式，分析CO濃度的擴(kuò)散特性，并提出了合理的通風(fēng)散煙時間。

1 工程概況

瀘定水電站位于大渡河干流丹巴至瀘定段，為大渡河干流規(guī)劃調(diào)整推薦22級方案的第12級電站。最大壩高79.5 m，正常蓄水位以下庫容為2.171億m3，調(diào)節(jié)庫容0.21億m3，具有日調(diào)節(jié)能力;裝機(jī)容量4×230 MW。

瀘定水電站調(diào)壓室為長廊式結(jié)構(gòu)，開挖尺寸260 m×22 m×75.4 m（長×寬×高），中部寬16 m的巖墻將其分隔為1#調(diào)壓室及2#調(diào)壓室，設(shè)有穿墻洞相連，巖墻頂部與調(diào)壓室交通洞相通。調(diào)壓室底部上游邊墻與1#，2#引水隧洞相連，底部下游邊墻與1#—4#壓力管道相連。調(diào)1#支洞、調(diào)4#支洞由右端墻及附近分別進(jìn)入1#調(diào)壓室頂層和底層，調(diào)2#支洞、調(diào)3#支洞由左端墻及附近分別進(jìn)入2#調(diào)壓室頂層和底層。

2 瀘定水電站調(diào)壓室施工通風(fēng)三維數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建和求解

地下工程施工有害氣體主要來自于炮煙，包括一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等，其中CO濃度常作為衡量通風(fēng)效果的指標(biāo)，因此本文主要研究CO濃度的擴(kuò)散特性。計算采用混合模型，將通風(fēng)氣流視為三維黏性不可壓縮的非穩(wěn)態(tài)等溫流體，通過求解混合相的連續(xù)性、動量和能量方程，第二相的體積分?jǐn)?shù)（volume fraction）方程，以及相對速度的代數(shù)方程來模擬多相流流動，其控制方程如式（1）至式（6）。

通過有限容積法（FVM）［6］對控制方程進(jìn)行離散，再采用SIMPLE算法族［7］中的壓力隱式分裂算子（PISO）的壓力速度耦合算法求解。該方法是基于壓力速度校正之間的高度近似關(guān)系的一種算法，計算中執(zhí)行了相鄰校正和偏斜校正2個附加校正，大大提高了計算效率。

2.2 物理模型及邊界條件

本次計算采用三維模型，如圖1［8］，全計算域的單元體個數(shù)59萬，迭代運(yùn)算循環(huán)次數(shù)達(dá)數(shù)萬次，計算工作量較大。施工支洞和調(diào)壓室洞壁及通風(fēng)管壁均采用固壁條件，通風(fēng)管壁采用金屬管管壁，洞壁采用噴混凝土壁面，不同壁面采用不同的糙率系數(shù)。

圖1 瀘定水電站大型長廊式調(diào)壓室三維數(shù)值模型圖Fig.1Three-dimensional numerical model of the large gallery-type surge chamber of Luding Hydropower Station

計算中，調(diào)壓室交通洞設(shè)置為主進(jìn)口條件，施工平洞設(shè)置為主出口條件。調(diào)1#施工支洞及調(diào)2#施工支洞岔口按風(fēng)機(jī)功率給定氣流壓力。假定所有出口均接入大氣，內(nèi)部流場設(shè)置為受限流動，采用無滑移條件的固體邊界。根據(jù)施工方案，計算其最大炮煙擴(kuò)散區(qū)域?yàn)?5 m×11 m×7 m，CO濃度初始值為4 280×10-6。

CO初始濃度C0按式（7）計算。

式中:Q為總裝藥量（kg）;b為炮煙拋擲長度（m），b=15+G/5;G為同時爆破的炸藥量;γ為有毒氣體容重，對CO氣體可取1.165 kg/m3;A為斷面面積; b1為1 kg炸藥產(chǎn)生的有毒氣體體積，對CO氣體可取0.04 kg/m3。

3 一期施工通風(fēng)合理通風(fēng)散煙時間研究

一期通風(fēng)主要考慮調(diào)壓室頂層工作面施工，本文主要對比了純正壓和混合2種通風(fēng)方案，如表1。采用正壓通風(fēng)，調(diào)壓室頂部較大區(qū)域的風(fēng)速明顯小于規(guī)范要求的最低風(fēng)速0.15 m/s［9］，采用混合方案后，調(diào)壓室頂部風(fēng)流速度顯著加快，不滿足規(guī)范規(guī)定風(fēng)速的范圍明顯減小，極大地改善了通風(fēng)散煙效果，如圖2。2種方案的CO擴(kuò)散特性均整體呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)規(guī)律，混合方案的CO濃度擴(kuò)散至規(guī)范允許值24×10-6［9］所需時間為13 min，較純正壓方案約短7 min，如圖3。

表1 通風(fēng)方案設(shè)置簡表Table 1Description of ventilation schemes

圖2 一期施工通風(fēng)調(diào)壓室頂拱中部Y=3.75 m風(fēng)速分布等值線圖Fig.2Isogram of wind speed distribution in the center of the surge chamber vault（Y=3.75 m） during the first construction stage

圖3 一期施工通風(fēng)CO濃度變化歷時過程線Fig.3Graph of CO concentration in the first construction stage

4 二期施工通風(fēng)合理通風(fēng)散煙時間研究

4.1 通風(fēng)方案優(yōu)選

當(dāng)調(diào)壓室與下部壓力管道、引水隧洞及調(diào)3#、調(diào)4#施工支洞貫通后，通風(fēng)條件相對較好，可以自然通風(fēng)為主。因此，二期通風(fēng)主要考慮調(diào)壓室頂層斜拱貫通至底部通道貫通階段的工作面施工。本文側(cè)重研究了純正壓、純負(fù)壓和混合式3種通風(fēng)方案，如表1，各風(fēng)機(jī)布置的具體位置如圖1。

混合方案與純正壓方案相比，調(diào)壓室內(nèi)風(fēng)速變化不明顯，2#調(diào)壓室洞頂?shù)惋L(fēng)速范圍略有減小，如圖4（a）。分析其原因在于初期洞內(nèi)負(fù)壓大，風(fēng)流流向順暢，隨時間推移，洞內(nèi)負(fù)壓略有減小，在負(fù)壓吸風(fēng)和正壓供風(fēng)同時作用下，在工作面附近形成較大渦流區(qū)，流線封閉，氣體流動速度減小，如圖5（a）。純負(fù)壓方案與其他2方案比較，由于負(fù)壓風(fēng)機(jī)的設(shè)置保證了通風(fēng)平洞和調(diào)壓室內(nèi)氣體的壓差，風(fēng)流流向順暢，未出現(xiàn)較大渦流區(qū)，加快了有害氣體的排出，如圖5（b）。低風(fēng)速范圍大大減小，除邊墻及底部附近局部區(qū)域外，大部分滿足規(guī)范規(guī)定的最低風(fēng)速0.15 m/s［9］，如圖4（b）。從氣體流態(tài)和風(fēng)速來看，純負(fù)壓方案為最優(yōu)方案。

圖4 二期施工通風(fēng)調(diào)壓室中剖面Y=3.75 m的風(fēng)速分布等值線圖Fig.4Isogram of wind speed distribution in the middle section of the surge chamber（Y=3.75 m）during the second construction stage

圖5 2#調(diào)壓室中部縱剖面風(fēng)流流線圖（30 min）Fig.5Airflow streamlines in the central profile of No.2 surge chamber（30 min）

4.2 合理通風(fēng)散煙時間研究

調(diào)壓室下部開挖時，洞室空間效應(yīng)作用明顯，其CO擴(kuò)散特性則有較大差異，以下分析以最底層開挖為例。純正壓方案未設(shè)置負(fù)壓排風(fēng)，不利于廢煙的排除，45 min后工作面CO平均濃度仍偏高，并且呈現(xiàn)波動趨勢，如圖6和圖7（a）?；旌鲜酵L(fēng)方案初期CO擴(kuò)散快，約16 min后工作面CO降至規(guī)范規(guī)定值24×10-6，但隨后，其濃度不降反升，且工作面平均濃度長時間穩(wěn)定在規(guī)定允許值以上，如圖6和圖7（b），對施工安全危害極大。純負(fù)壓通風(fēng)方案下，調(diào)壓室內(nèi)風(fēng)流速度較混合方案低，其CO擴(kuò)散稍慢，但其工作面CO平均濃度一直呈下降趨勢，約21 min降至規(guī)范規(guī)定值24×10-6［9］，30 min后基本穩(wěn)定在1×10-6，如圖6。

圖6 二期施工通風(fēng)CO濃度變化歷時過程線Fig.6Graph of CO concentration in the second construction stage

圖7 二期施工通風(fēng)工作面CO濃度等值線圖（45 min）Fig.7Isogram of CO concentration in the ventilation face in the second construction stage（45 min）

5 結(jié)語

（1）采用混合模型，將通風(fēng)氣流視為三維黏性不可壓縮的非穩(wěn)態(tài)等溫流體，通過數(shù)值模擬方法來研究大型長廊式調(diào)壓室的施工通風(fēng)散煙問題是可行的。

（2）瀘定水電站調(diào)壓室上部開挖時，采用混合方案能使風(fēng)流速度明顯加快，大部分區(qū)域滿足規(guī)范0.15 m/s最低風(fēng)速值要求，且CO平均濃度約13 min后降至規(guī)范規(guī)定值24×10-6，較純正壓方案約短7 min，為一期通風(fēng)最優(yōu)方案。

（3）瀘定水電站調(diào)壓室下部開挖時，混合方案初期CO擴(kuò)散快，約15 min工作面CO平均濃度降至規(guī)范規(guī)定值24×10-6，但隨后由于在工作面附近形成較大渦流區(qū)，流線封閉，氣體流動速度慢，其濃度不降反升，且工作面平均濃度長時間穩(wěn)定在規(guī)定允許值以上，對施工安全危害極大。

（4）瀘定水電站調(diào)壓室下部開挖時，純負(fù)壓方案流態(tài)穩(wěn)定，大部分區(qū)域滿足規(guī)范0.15 m/s最低風(fēng)速值要求，工作面CO平均濃度約24 min降至規(guī)范規(guī)定值24×10-6，30 min后基本穩(wěn)定在1×10-6，有害氣體可及時排出，為二期通風(fēng)最優(yōu)方案。

［1］危寧，李力，王春燕.隧道施工通風(fēng)中的有害氣體濃度變化分析［J］.三峽大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006，28（4）:324-327.（WEI Ning，LI Li，WANG Chun-yan.Analysis of Harmful Gas Concentration Variation in Tunneling Ventilation［J］.Journal of China Three Gorges University（Natural Sciences），2006，28（4）: 324-327.（in Chinese））

［2］李艷玲，尹強(qiáng)，莫政宇，等.基于動態(tài)仿真和數(shù)值模擬的向家壩地下洞室群施工通風(fēng)方案優(yōu)化［J］.四川大學(xué)學(xué)報（工程科學(xué)版），2010，（4）:1-6.（LI Yanling，YIN Qiang，MO Zheng-yu，et al.Optimization of Construction Ventilation Scheme for Large-scale Underground Cavern Group of Xiangjiaba Hydropower Station Based on Numerical Simulation［J］.Journal of Sichuan University（Engineering Science Edition），2010，（4）: 1-6.（in Chinese））

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［9］DL/T5099—1999，水工建筑物地下開挖工程施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國電力出版社，1999.（DL/T5099—1999，Construction Technical Specifications on Underground Excavating Engineering of Hydraulic Structures［S］.Beijing:China Electric Power Press，1999.（in Chinese ））

（編輯:陳敏）

Reasonable Time of Ventilation and Smoke Dissipation During the Construction of Large Gallery-type Surge Chamber of Luding Hydropower Station

HUANG Xin，LI Yan-ling，ZHENG Yuan-yuan
（College of Water Resource and Hydropower，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

Because of complex shape and multiple working faces，it’s difficult to ventilate and dissipate smoke in the large gallery-type surge chamber of Luding Hydropower Station.To improve the ventilation and secure the construction，a numerical simulation method based on fluid mechanics theory is applied to the research of airflow distribution and harmful gas diffusion of different ventilation options in the first and second construction stage.The optimum ventilation scheme of the first and second construction stage is given，and the corresponding reasonable time of ventilation and smoke dissipation is put forward.The research result serves as a theoretical basis and technical support for the determination of ventilation time in the construction of hydropower station.

Luding hydropower station;large gallery-type surge chamber;fluid mechanics;3-D numerical simulation;ventilation and smoke dissipation

TV 554.15

A

1001-5485（2013）07-0122-05

10.3969/j.issn.1001-5485.2013.07.024

2013，30（07）:122-126

2013-04-01;

2013-05-08

黃鑫（1989-），男，重慶開縣人，碩士研究生，主要從事水工結(jié)構(gòu)工程及基礎(chǔ)工程的研究，（電話）15882415945（電子信箱）alex_ huang2009@qq.com。

李艷玲（1975-），女，四川蒲江人，副教授，博士，主要從事水工結(jié)構(gòu)工程及水利工程施工的研究，（電話）13540015568（電子信箱） 396184191@qq.com。