李 根，霍志紅，許 昌，李林敏，胡代清，薛飛飛，韓星星

（1.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100； 2.安徽金寨抽水蓄能有限公司，安徽 六安 237300）

0 引言

近年我國規(guī)劃建設(shè)多座抽蓄電站，大型抽蓄電站地下洞室群在施工過程中，鉆孔、爆破以及出渣作業(yè)產(chǎn)生了眾多污染物，這些污染物將會(huì)嚴(yán)重威脅作業(yè)人員的身體健康，甚至生命安全[1]。

抽蓄電站地下廠房污染物的快速消除，通常需要有效的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行。通過對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值建模并改進(jìn)是通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行優(yōu)化的有效措施。 郭俊勛[2]通過改變宜興抽蓄電站進(jìn)風(fēng)口的位置和層間換風(fēng)次序，在不改變新風(fēng)總量的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬對(duì)比了兩種工況，后者的散濕散熱比原方案有一定的提高。 程飛[3]對(duì)二灘水電站豎井平洞通風(fēng)氣流參數(shù)的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，分析了氣流流經(jīng)地下風(fēng)道時(shí)的能量變化，討論了地下風(fēng)道在空調(diào)設(shè)計(jì)中的利用效率。 朱斌[4]通過數(shù)值模擬對(duì)錦屏二級(jí)水電站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，提出了合理的改進(jìn)建議，為后續(xù)同類型水電站通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了借鑒。鑒于水電站地下洞室施工對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)要求不同，朱少俊[5]通過選擇合理的通風(fēng)機(jī)械與排風(fēng)豎井相結(jié)合，提高了巖灘水電站擴(kuò)建工程施工支洞的通風(fēng)效率。針對(duì)白鶴灘水電站地下廠房洞室群施工期通風(fēng)問題，樊啟祥[6]提出了正壓和負(fù)壓混合式通風(fēng)等改進(jìn)方案，有效解決了超大規(guī)模和埋深條件下的地下洞室群通風(fēng)散煙難題。

目前的研究大部分針對(duì)個(gè)別的洞室或者系統(tǒng)，對(duì)全廠整體通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)值研究還較少。 而通過建立準(zhǔn)確的通風(fēng)模型并對(duì)整體通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)研究，改進(jìn)通風(fēng)系統(tǒng)和方案，對(duì)抽蓄電站的安全施工具有重要意義。本文以在建安徽金寨抽蓄電站為研究對(duì)象，建立地下施工洞室群的三維物理模型，運(yùn)用RNG k-ε 湍流模型對(duì)其地下施工洞室的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，基于現(xiàn)場風(fēng)速測量數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型可靠性的基礎(chǔ)上，通過仿真提出通風(fēng)改進(jìn)方案。本文研究可為抽水蓄能電站地下施工洞室通風(fēng)設(shè)計(jì)和安全施工提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)測量

1.1 工況及物理模型

本文所研究的在建抽蓄電站由交通洞、5，6# 支洞、7，8# 支洞、 主廠房、 主變洞、 尾閘洞、 排風(fēng)豎井和通風(fēng)兼安全洞構(gòu)成。 選取主廠房、 主變洞、 尾閘洞向下開挖施工工況進(jìn)行研究，此時(shí)地下洞室處于二期通風(fēng)階段，永久排風(fēng)豎井等排風(fēng)通道已形成，施工通風(fēng)已具備“下進(jìn)上排”的巷道式通風(fēng)條件。地下洞室施工工況下的幾何結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 其中，交通洞、通風(fēng)兼安全洞、 排風(fēng)豎井與自然環(huán)境連通，5，6# 支洞和7，8# 支洞為與交通洞連通的獨(dú)頭支洞，主廠房、 主變洞和尾閘洞兩端分別與交通洞和通風(fēng)兼安全洞相連。

圖1 抽蓄電站三維幾何模型Fig.1 Three-dimensional geometric model of pumped storage station

1.2 實(shí)驗(yàn)測量

通過對(duì)施工洞室不同測點(diǎn)位置的風(fēng)速進(jìn)行測量來獲得實(shí)測數(shù)據(jù)，對(duì)于每個(gè)測點(diǎn)，在其所在截面上選取5 個(gè)位置進(jìn)行測量，得到該截面的平均風(fēng)速。 采用人工手持風(fēng)速儀進(jìn)行測量，其中，3 個(gè)測量位置在中心線的不同高度上，另外兩個(gè)位置與中間高程的測點(diǎn)等高且位于其兩側(cè)。 每個(gè)測點(diǎn)的測量持續(xù)時(shí)間為3 min，并取時(shí)間平均值。 該截面的平均風(fēng)速取5 個(gè)測量位置的平均值。 測量時(shí)主廠房、主變洞和尾閘洞處于向下開挖階段，其中主變洞和尾閘洞因無法進(jìn)入而沒有設(shè)置測點(diǎn)。 共設(shè)置 20 個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn) a，b，c，6，cc，d 位于交通洞，測點(diǎn) 5 和測點(diǎn) 7 分別位于 5，6# 支洞和 7，8# 支洞，測點(diǎn)4 位于主變洞洞口處，測點(diǎn)1，3 位于主廠房內(nèi)，測點(diǎn)2 位于主廠房與主變洞連接處，測點(diǎn)g，f位于主廠房排風(fēng)洞內(nèi)，測點(diǎn)ff 位于主變洞排風(fēng)洞內(nèi)，測點(diǎn) ee，e 位于通風(fēng)兼安全洞內(nèi)，測點(diǎn) jtd，tfa，sj 分別位于為交通洞出口、通風(fēng)兼安全洞出口、排風(fēng)豎井出口。 測點(diǎn)具體位置和對(duì)應(yīng)的實(shí)測風(fēng)速值如圖2 所示。

圖2 風(fēng)速實(shí)測值和測點(diǎn)位置示意圖Fig.2 Map of measuring point position and measured wind velocity

2 數(shù)學(xué)模型

抽蓄電站地下施工洞室空氣流動(dòng)遵循連續(xù)性方程和動(dòng)量方程。由于地下廠房幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在較多快速應(yīng)變流動(dòng)，因此，選用RNG k-ε 湍流模型進(jìn)行計(jì)算。

2.1 連續(xù)性方程

任何氣體的運(yùn)動(dòng)遷移都遵循質(zhì)量守恒定律，即單位時(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加等于同一時(shí)間流入該微元體的凈質(zhì)量，其一般矢量形式為[7]

2.2 動(dòng)量方程

動(dòng)量方程是任何流動(dòng)系統(tǒng)都必須滿足的基本方程，它可以描述為系統(tǒng)中流體微元的動(dòng)量變化率等于作用在該系統(tǒng)上的合外力。 據(jù)此可以推導(dǎo)出描述粘性不可壓縮流體動(dòng)量守恒方程（Navier-Stokes 方程），其矢量形式為[8]

2.3 湍流模型

RNG k-ε 湍流模型是由一種被稱為“重整化群”（RNG）的數(shù)學(xué)方法導(dǎo)出的。它在形式上與標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型相似，由于模型在其方程中增加了一項(xiàng)，提高了快速應(yīng)變流動(dòng)的計(jì)算精度，因此可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)問題[9]，針對(duì)本文研究對(duì)象具有更好的適應(yīng)性。 其形式為[10]

式中：Gk為由平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能；YM為可壓縮湍流中的波動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的貢獻(xiàn)；Sk為用戶定義的源項(xiàng)。

2.4 仿真模型

根據(jù)廠房實(shí)際通風(fēng)系統(tǒng)，整個(gè)模型共設(shè)置5個(gè)速度入口、1 個(gè)速度出口和兩個(gè)壓力出口。 其中，5，6#支洞洞底、7，8#支洞洞底、主廠房風(fēng)管入口、 主變洞風(fēng)管入口和尾閘洞風(fēng)管入口為速度入口，排風(fēng)豎井為速度出口，交通洞出口和通風(fēng)兼安全洞出口為壓力出口。 由于現(xiàn)場測量時(shí)排風(fēng)豎井下方通風(fēng)面堆有堵塞物，排風(fēng)豎井通風(fēng)效果不好，測量值為0.1 m/s，將其設(shè)置為速度出口。 具體邊界條件見表1。

表1 全廠模型邊界條件設(shè)置情況Table 1 The setting of boundary conditions for plant-wide model

全廠模型共包含315 萬個(gè)網(wǎng)格，最小網(wǎng)格體積為 0.013 m3，最大網(wǎng)格體積為 0.591 m3，網(wǎng)格質(zhì)量為 0.35。

3 結(jié)果與討論

3.1 模型驗(yàn)證

計(jì)算收斂后，取接近于普通人身高處的截面z=1.75 m，得到如圖3 所示的全廠風(fēng)速分布圖。

圖3 通風(fēng)模型風(fēng)速分布圖Fig.3 Distribution map of wind velocity in ventilation model

從圖3 可以看出：金寨抽蓄電站施工階段通風(fēng)系統(tǒng)有待改進(jìn)，主廠房平均通風(fēng)速度為0.46 m/s，0～0.32 m/s 風(fēng)速區(qū)占總區(qū)域的 50%； 主變洞情況略好于主廠房，主廠房內(nèi)有毒有害氣體無法沿排風(fēng)豎井和通風(fēng)兼安全洞高效排出。

施工洞室內(nèi)的氣體流向如圖4 所示。 從圖中可以清楚地看到全廠通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)向情況，主廠房、 主變洞、 尾閘洞一部分氣流與5，6# 支洞和7，8# 支洞的氣流一同由交通洞洞口排出，另一部分由排風(fēng)豎井和通風(fēng)兼安全洞排出。 主廠房排風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)速較低，由主廠房流向排風(fēng)豎井和通風(fēng)兼安全洞的通風(fēng)情況并不理想。

圖4 洞室內(nèi)氣體流向Fig.4 Gas flow diagram in cavern

將仿真結(jié)果與實(shí)測風(fēng)速進(jìn)行對(duì)比，測點(diǎn)a，b，5，3，2，ff，ee 相對(duì)誤差小于 10%，測點(diǎn) 7，cc，d，g，e，sj 相對(duì)誤差為10%～20%，其余測點(diǎn)相對(duì)誤差為20%～30%。 由此可以證明，該通風(fēng)模型具有較高的準(zhǔn)確性，較好地還原了實(shí)際抽蓄電站地下施工洞室的通風(fēng)情況。

針對(duì)仿真結(jié)果中現(xiàn)行通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，本文對(duì)現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)提出以下兩種通風(fēng)改進(jìn)方案： ①增加主廠房和主變洞入口處風(fēng)管的入流風(fēng)速，即提高風(fēng)管通風(fēng)流量；②在排風(fēng)豎井出口處增置排風(fēng)機(jī)，增加排風(fēng)豎井通風(fēng)換氣率。

3.2 流量改進(jìn)方案

增加現(xiàn)有風(fēng)管的通風(fēng)流量是改善廠房通風(fēng)質(zhì)量的有效途徑。根據(jù)前述全廠通風(fēng)情況，增加了主廠房和主變洞入口處的風(fēng)管流量，改進(jìn)前后具體設(shè)置情況如表2 所示。

表2 主廠房、主變洞風(fēng)管入口流量改進(jìn)情況Table 2 Improvement of inlet flow of wind pipe in powerhouse and main-transformed cavern

仿真得到的關(guān)鍵測點(diǎn)改進(jìn)前后風(fēng)速對(duì)比如表3 所示。

表3 風(fēng)管流量改進(jìn)前后風(fēng)速對(duì)比Table 3 Wind speed contrast table before and after air tube flow improvement

從表3 可以看出，絕大部分測點(diǎn)在改進(jìn)后風(fēng)速均有不同程度的增加，說明改進(jìn)后抽蓄電站整體通風(fēng)效果有所改善。風(fēng)管流量改進(jìn)前后7，8#支洞與交通洞交匯處局部風(fēng)速分布對(duì)比如圖5 所示。

圖5 流量改進(jìn)前后局部風(fēng)速分布對(duì)比Fig.5 Local wind velocity distribution map before and after flow Improvement

由圖5 可知，改進(jìn)前后交匯處均出現(xiàn)了風(fēng)速疊加區(qū)，改進(jìn)后交通洞整體平均風(fēng)速由0.61 m/s增加為 0.89 m/s，風(fēng)速疊加區(qū)由 1.05～1.2 m/s 增加為 1.17～1.5 m/s。 分析原因，風(fēng)管流量改進(jìn)后主廠房和主變洞入口處風(fēng)管流量增加，更多來自主廠房和主變洞的氣流匯入交通洞，這時(shí)交通洞內(nèi)的高速氣流與來自7，8#支洞的氣流疊加摻混，形成了高速疊加區(qū)。 風(fēng)管流量改進(jìn)前后主廠房-主變洞-尾閘洞局部風(fēng)速云圖對(duì)比如圖6 所示。

圖6 流量改進(jìn)前后局部風(fēng)速分布圖Fig.6 Local wind velocity distribution map before and after flow Improvement

由圖6 可以看出，風(fēng)管流量改進(jìn)后主廠房和主變洞內(nèi)風(fēng)速有了明顯提高，中高風(fēng)速區(qū)占據(jù)了大部分洞室，0～0.35 m/s 風(fēng)速區(qū)明顯減少，主廠房排風(fēng)洞內(nèi) 0.32～0.64 m/s 風(fēng)速區(qū)較改進(jìn)前有一定增加，風(fēng)速水平較改進(jìn)前有較大提升。

風(fēng)管流量改進(jìn)后全廠風(fēng)速方向與改進(jìn)前一致，5，6，7，8# 支洞空氣匯入交通洞并由交通洞洞口排出；主廠房、主變洞和尾閘洞的一部分氣流由交通洞排出，另一部分氣流沿主廠房排風(fēng)洞及主變洞排風(fēng)洞流入通風(fēng)兼安全洞，并由排風(fēng)豎井和通風(fēng)兼安全洞排出。

通過對(duì)比風(fēng)速云圖可以看到，增加主廠房和主變洞入口處風(fēng)管流量的改進(jìn)方案明顯改善了整個(gè)洞室的通風(fēng)質(zhì)量，主廠房平均風(fēng)速提高了15%，主變洞平均風(fēng)速提高了21%。

3.3 排風(fēng)豎井改進(jìn)方案

排風(fēng)豎井改進(jìn)方案對(duì)排風(fēng)機(jī)進(jìn)行選型，放置于排風(fēng)豎井出口處，增加排風(fēng)豎井通風(fēng)換氣率，提高主廠房和主變洞通風(fēng)質(zhì)量。 在現(xiàn)有通風(fēng)布置方案的基礎(chǔ)上，增置一臺(tái)排風(fēng)機(jī)，排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為750 r/min，排風(fēng)流量為110 000 m3/h。 根據(jù)排風(fēng)豎井出口直徑為6 m，換算得到改進(jìn)后豎井出口風(fēng)速為1.06 m/s。

仿真得到位于主廠房、 主變洞至通風(fēng)兼安全洞的關(guān)鍵測點(diǎn)與改進(jìn)前風(fēng)速對(duì)比，如表4 所示。

表4 排風(fēng)豎井改進(jìn)前后風(fēng)速對(duì)比Table 4 Comparison table of air speed before and after improvement of exhaust shaft

由表4 可知，改進(jìn)后位于主廠房的測點(diǎn)1，3風(fēng)速分別較改進(jìn)前增加了 3.23%，14.81%，主廠房排風(fēng)洞兩測點(diǎn)風(fēng)速增幅超過100%，豎井處風(fēng)速增大了5 倍。

排風(fēng)豎井改進(jìn)前后主廠房-主變洞-尾閘洞局部風(fēng)速分布如圖7 所示。由圖可以看出，主廠房和主變洞的通風(fēng)情況有所改善，洞內(nèi)低速區(qū)進(jìn)一步減小，整個(gè)廠房內(nèi)空氣流動(dòng)更加均勻。改進(jìn)后主廠房排風(fēng)洞和主變洞的通風(fēng)質(zhì)量有明顯提升，主廠房排風(fēng)洞風(fēng)速水平較改進(jìn)前有較大提升，洞內(nèi)風(fēng)速分布由局部 0.15～0.45 m/s 風(fēng)速區(qū)、其余大部分 0～0.15 m/s 風(fēng)速區(qū)改善為以 0.15～0.45 m/s 風(fēng)速區(qū)為主。改進(jìn)后，更多主廠房內(nèi)產(chǎn)生的有毒有害氣體沿主廠房排風(fēng)洞流出，主廠房通風(fēng)換氣率得到進(jìn)一步改善。 排風(fēng)豎井處局部風(fēng)速分布對(duì)比如圖8 所示。

圖7 排風(fēng)豎井改進(jìn)前后局部風(fēng)速分布圖Fig.7 Local wind velocity distribution map of exhaust shaft before and after Improvement

圖8 排風(fēng)豎井改進(jìn)前后局部風(fēng)速分布圖Fig.8 Local wind velocity distribution map of exhaust shaft before and after Improvement

由圖8 可以看到： 改進(jìn)前受排風(fēng)豎井入口堆放石方土方影響，風(fēng)速最終穩(wěn)定在0.1 m/s，沒有達(dá)到預(yù)期的通風(fēng)效果； 排風(fēng)豎井改進(jìn)方案中去除了堵塞物，并在豎井出口處增置一臺(tái)排風(fēng)機(jī)以增加排風(fēng)豎井的通風(fēng)換氣率，排風(fēng)豎井處整體風(fēng)速水平較改進(jìn)前有明顯提升；在到達(dá)排風(fēng)豎井前，貼近排風(fēng)豎井一側(cè)的部分通風(fēng)兼安全洞上游來流氣流在通風(fēng)兼安全洞內(nèi)開始加速，淺色風(fēng)速區(qū)逐漸變深，最大氣流速度超過1.5 m/s，形成一道明顯的高速轉(zhuǎn)向區(qū)域，這部分有毒有害氣體進(jìn)入排風(fēng)豎井由排風(fēng)豎井出口排出，遠(yuǎn)離排風(fēng)豎井一側(cè)的氣流會(huì)繼續(xù)沿通風(fēng)兼安全洞洞口排出。

排風(fēng)豎井改進(jìn)前后全廠氣流流動(dòng)方向基本一致，5，6，7，8# 支洞有毒有害氣體和濕氣由交通洞洞口排出，主廠房、主變洞和尾閘洞一部分氣體由交通洞洞口排出，剩余部分由排風(fēng)豎井和通風(fēng)兼安全洞排出。

通過對(duì)排風(fēng)豎井方案改進(jìn)前后風(fēng)速云圖進(jìn)行對(duì)比分析，改進(jìn)后主廠房、主廠房排風(fēng)洞、主變洞和排風(fēng)豎井處的速度較改進(jìn)前明顯提高。 排風(fēng)豎井出口增置排風(fēng)機(jī)有效增加了排風(fēng)豎井的通風(fēng)換氣率，改善了主廠房和主變洞的通風(fēng)質(zhì)量和豎井的通風(fēng)效果，增強(qiáng)了排風(fēng)豎井在整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)中的重要作用，是理想的通風(fēng)改進(jìn)方案。

4 結(jié)論

本文針對(duì)金寨在建抽水蓄能電站地下廠房施工區(qū)域現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)，以現(xiàn)場測量風(fēng)速數(shù)據(jù)為依據(jù)，驗(yàn)證了施工階段地下施工洞室群流場仿真模型的準(zhǔn)確性。 并針對(duì)仿真結(jié)果提出增加通風(fēng)風(fēng)管流量和排風(fēng)豎井增置排風(fēng)機(jī)兩種改進(jìn)配置方案，最終得出如下結(jié)論。

①本文建立的抽蓄電站地下施工廠房通風(fēng)模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)基本吻合，可用于研究金寨抽蓄電站地下施工洞室現(xiàn)有通風(fēng)方案的優(yōu)劣。

②增加主廠房、 主變洞入口處風(fēng)管流量的改進(jìn)方案將主廠房、 主變洞內(nèi)平均風(fēng)速分別提高了15%，21%，明顯提升了兩洞室的通風(fēng)效果。

③排風(fēng)豎井出口處增置排風(fēng)機(jī)可以提高排風(fēng)豎井的通風(fēng)換氣率，改進(jìn)后排風(fēng)豎井出口風(fēng)速增大了5 倍，進(jìn)而提高了從主廠房、主變洞至排風(fēng)豎井段整段的通風(fēng)效果。