大型復雜地下洞室群通風特性研究

摘 要：地下洞室群施工作業(yè)面多，結(jié)構(gòu)復雜，施工中會產(chǎn)生爆破氣體、施工機械尾氣、混凝土作業(yè)粉塵等。為解決地下洞室群內(nèi)的通風布置優(yōu)化問題，基于RNGk-ε湍流模型采用CFD軟件對績溪抽水蓄能電站地下洞室群的施工期通風進行數(shù)值模擬，研究地下洞室群內(nèi)的實際通風效果以及入口風機風速對洞室內(nèi)通風流場的影響。結(jié)果表明：現(xiàn)有通風方案下，洞室群內(nèi)氣流控制合理，主廠房與主變洞內(nèi)均能形成下部送風、頂部排風，實現(xiàn)洞內(nèi)空氣的置換；當入口風機風速為20m/s時，洞內(nèi)流場分布均勻，空氣流動速度適中，通風效果良好。

關鍵詞：地下洞室群；施工通風；數(shù)值模擬；流速分布；通風監(jiān)測；績溪抽水蓄能電站

關鍵詞：TV554 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.030

引用格式：張亞洲.大型復雜地下洞室群通風特性研究[J].人民黃河，2022，44（1）：144-148.

ResearchonVentilationCharacteristicsofLarge ScaleComplicatedUndergroundCavernGroup

ZHANGYazhou

（ChinaRailway14thBureauGroupShieldEngineeringCo.，Ltd.，Nanjing211800，China）

Abstract：Theundergroundcaverngrouphasmanyconstructionworksurfaceandcomplexstructure，whichwillgenerateblastinggas，con structionmachineryexhaustgas，concreteoperationdustduringconstruction.Inordertooptimizetheventilationlayoutinundergroundcav erns，basedontheRNGk-εturbulencemodel，CFDsoftwarewasusedtosimulatetheactualventilationperformanceandstudytheeffectof thedifferentvelocityoftheinletfanontheflowfieldinJixiPumpedStoragePowerStation.Theresearchresultsshowthatthewindflowcon trolisreasonableandthereplacementflowisformedinthemainpowerhouseandthemaintransformedcavern，whichisthatthefreshairis suppliedfromthebottomandthepollutedairisexhaustedfromthetop.Theflowfieldinthecavernsisevenlydistributedandtheflowrateis moderatewhenthevelocityoftheinletfanis20m/s.

Keywords：undergroundcaverngroup；constructionventilation；numericalsimulation；velocitydistribution；ventilationmonitoring；Jixi PumpedStoragePowerStation

1 引 言

地下洞室群施工作業(yè)面多，鉆孔、爆破、裝渣、運輸、噴錨支護等多工序交叉作業(yè)，施工中會產(chǎn)生爆破氣體、施工機械尾氣等有害氣體和混凝土作業(yè)粉塵，因此通風防塵問題十分突出，歷來是地下工程施工中的技術難題，也是業(yè)界關注的熱點問題[1-3]。近年來，基于計算流體動力學的三維數(shù)值模擬方法逐漸運用于地下洞室群施工期通風優(yōu)化設計[4-5]。該方法能考慮實際通風流場中存在射流、回流、紊流等區(qū)域的各向異性，模擬不同通風方案、施工參數(shù)和開挖空間條件下地下洞室群通風的風流結(jié)構(gòu)，以達到風流路徑的可視化研究的目的[6]。何坤等[7]通過構(gòu)建交叉隧洞的三維模型，采用數(shù)值計算方法模擬交叉隧洞通風流場，定量分析交叉角度、施工順序、串聯(lián)風機位置等因素對通風流場的影響特性，并提出了改善通風效果的建議。王曉玲等[8]基于Realizablek-ε兩方程湍流模型建立引水隧洞施工通風三維非穩(wěn)態(tài)混合LES/RANS模型，研究結(jié)果表明，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)平均相對誤差僅為4.9%。鐘為等[9]研究了不同負壓風機風量對獨頭掘進的長大隧洞施工有害氣體排放特性的影響，確定了隧洞負壓風機流量與正壓風機流量之比為1.1～1.3時對有害氣體排出最為有利。目前，對地下工程通風問題的研究多集中于開挖過程中洞室內(nèi)的通風情況，且研究對象主要針對單一洞室，未從整體上考慮地下洞室群完全貫通后各洞室間氣流的相互干擾作用[10]。

筆者依托我國績溪抽水蓄能電站地下洞室群工程，建立地下洞室群內(nèi)流場分布的仿真模型，運用數(shù)值模擬方法研究了地下洞室群貫通后的通風效果，分析主要洞室內(nèi)的通風流場，并利用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證了模型的正確性，通過改變?nèi)肟陲L機風速，研究風機風速對地下洞室群內(nèi)風場分布的影響，以期為地下洞室群內(nèi)的通風布置優(yōu)化提供參考。

2 工程概況

績溪抽水蓄能電站地下洞室群建筑物主要由引水隧洞、引水調(diào)壓室、壓力管道、引水岔管、引水支管、主副廠房洞、主變洞、母線洞和出線洞、排水廊道、尾閘洞、尾水支管、尾水岔管、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞、進廠交通洞和通風兼安全洞等組成。地下廠房采用中部偏尾開發(fā)方式，引水及尾水系統(tǒng)為三洞六機布置。地下洞室群三維模型如圖1所示，主要洞室的截面形狀及尺寸如圖2所示。

績溪抽水蓄能電站地下洞室群三期工程施工目前已基本完成開挖，進入混凝土襯砌、灌漿和機電設備安裝階段，母線洞、引水下平洞和通風豎井已貫通，主廠房和尾調(diào)室底部的溜渣井已形成，尾水隧洞洞挖基本結(jié)束并進入混凝土襯砌階段，引水系統(tǒng)、主廠房、主變洞、尾閘洞等三大洞室、尾水系統(tǒng)已相互貫通。該階段的污風以施工機械、運輸車輛等產(chǎn)生的廢氣以及混凝土施工產(chǎn)生的粉塵為主，污染物產(chǎn)生量遠小于爆破施工過程中產(chǎn)生量，因此通風問題主要考慮流場分布是否均勻、風速是否適宜。由于地下洞室群規(guī)模較大，各洞室交叉相連，通風距離長，風流組織復雜，僅靠自然通風難以滿足要求，因此需輔以機械通風來改善洞室群內(nèi)通風效果。根據(jù)工程通風設計方案，把進廠交通洞進口作為主進風口，向洞室群內(nèi)補充新鮮空氣，把通風豎井作為污風排出的主要通道，并在4#施工支洞與主廠房相連處附近設置一臺110kW的SD-Ⅱ型正壓風機進行供風，在排風下平洞內(nèi)設置一臺75kW的DTF（R）-16-6P型負壓抽風機排出污風。

3 數(shù)值模擬模型

利用ANSYS軟件中Fluent模塊對地下洞室群貫通后的通風情況進行數(shù)值模擬，由于洞室群內(nèi)存在射流、回流、紊流等氣體流動，因此采用RNGk-ε模型進行計算分析[11-13]。仿真模型建立過程中作出以下假設：仿真計算過程中氣體按非定常的三維不可壓紊流流動；通風通道各進出風口風速分布均勻；各洞壁絕熱，計算模型中無內(nèi)熱源。

3.1 計算模型與網(wǎng)格劃分

地下洞室群三維模型按1∶1建立，坐標原點位于主廠房左側(cè)洞壁中心，為便于實體建模和網(wǎng)格劃分，對模型進行適當簡化：風機近似為標準的圓柱體；由于運輸車輛及施工設備外形相對較小，且本文主要關注洞室群貫通后的整體通風效果，因此建模時忽略。

地下洞室群整體結(jié)構(gòu)復雜，各洞室形狀不規(guī)則，計算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，根據(jù)實際結(jié)構(gòu)將計算區(qū)域劃分為若干子區(qū)域，針對不同洞室分別設置不同的網(wǎng)格劃分參數(shù)，各洞室交叉口位置以及風機出口位置流場形態(tài)復雜，對該區(qū)域進行局部網(wǎng)格加密。然后，進行模型的網(wǎng)格獨立性驗證，綜合考慮計算精度和計算時間后最終確定的模型總網(wǎng)格數(shù)為2963866個，節(jié)點數(shù)為576951個，如圖3所示。

3.2 邊界條件及網(wǎng)格劃分

績溪電站地下洞室群中通風的進出口眾多，且各進出口附近的空氣流動特性不相同，因此需要結(jié)合實際情況合理設置邊界條件。數(shù)值模型中邊界條件具體設置如下：地下洞室洞壁采用無滑移壁面邊界條件，依據(jù)經(jīng)驗，粗糙度系數(shù)取0.5，粗糙度絕對高度值設為0.01μm；進廠交通洞洞口、通風兼安全洞洞口以及CPD1探洞下游洞口采用速度入口邊界條件，由現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，風速分別設為1.18、1.36、1.75m/s；風機出口采用速度入口邊界條件，風速設為15m/s；排風豎井頂部作為出風口，采用壓力出口邊界條件。

4 現(xiàn)場測試與仿真結(jié)果驗證

4.1 測試方案

在完成洞室群開挖后，進入混凝土襯砌、灌漿和機電設備安裝階段，即施工三期通風階段，依據(jù)現(xiàn)代測試技術理論，沿進廠交通洞—主廠房—通風安全洞方向，在各洞室交叉處附近選取特征點，特征點位于洞室中間距地面1.5m處（具體位置見圖1），在施工現(xiàn)場多次測量風速并取平均值。測試儀器為AR866熱線式風速風量計，風速測量范圍為0～30m/s，精度約為±5%，測試儀器與測試現(xiàn)場見圖4。

4.2 仿真結(jié)果驗證

通過建立的仿真模型計算各特征點風速，并與實測數(shù)據(jù)進行對比，以驗證仿真模型的可行性與準確性。特征點風速數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比見圖5。

由圖5可以看出，沿進廠交通洞—主廠房—通風安全洞方向，風速的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果變化規(guī)律大致相同，仿真值與實測值基本吻合，1～8號特征點誤差均小于0.2m/s，平均相對誤差為14.54%，證明了筆者建立的數(shù)值分析模型的準確性；9、10號特征點仿真結(jié)果與實測結(jié)果相差較大，主要是由于兩點位于兩股方向相反的氣流交匯處，氣流形態(tài)復雜，速度有較大波動，因此誤差較大。

5 結(jié)果討論與分析

5.1 通風方案仿真結(jié)果

利用上述模型進行地下洞室群內(nèi)風場的數(shù)值模擬，研究通風方案下主要洞室內(nèi)氣流的速度及分布特征。

流場是進行計算流體力學分析的重要依據(jù)之一，在地下洞室群幾何模型中X方向上取X=-5m截面處氣體流動的模擬結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，射流自風機出口射出后沿主廠房底部向前流動，流動過程中射流截面不斷增大，對洞室內(nèi)原流場的影響范圍不斷擴大。當氣流運動受到主廠房壁面阻擋后向上流動，一部分經(jīng)與主廠房上層相連的通風兼安全洞排出，另一部分受洞壁頂部阻礙后形成回流，由于上下兩股氣流方向相反，因此在X=50m到X=100m范圍內(nèi)形成旋渦。由于洞室底部形狀不規(guī)則，因此氣流在經(jīng)過這些區(qū)域時流動較為紊亂。整體上看，洞室內(nèi)的氣體流動能形成“下進上出”的良好通風循環(huán)。

主變洞在X=66m處的氣流分布的模擬結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，新鮮空氣自主變進風洞進入后沿洞室長度方向平穩(wěn)向前流動，到達洞室盡頭后由上層的通風兼安全洞排出。從整體來看，主變洞形狀較為規(guī)則，氣流運動過程中受到的擾動較少，且左右兩端均只與一條支洞相連，因此洞室內(nèi)流場分布相較于主廠房內(nèi)流場分布更為均勻。由于主變洞底部通過母線洞、主變運輸洞和交通電纜洞等洞室與主廠房相連，且兩大洞室間氣體流動存在速度差，因此通風過程中氣流相互匯入對洞室內(nèi)原流場造成一定的干擾，導致局部流場分布相對紊亂。

通風氣流流經(jīng)主廠房、主變洞和尾閘洞等主要施工區(qū)域后進入通風兼安全洞，最后由通風豎井排出，如圖8所示。由圖8可以看出，來自各洞室的污風匯入通風兼安全洞后，在出口風機的作用下，以較快流速流向通風豎井下平洞，同時，來自通風兼安全洞洞口處的自然通風氣流與污風排出方向相反，最終兩股氣流在通風兼安全洞和通風豎井下平洞岔口處交匯后流向通風豎井方向（排出），可以有效地阻止污風繼續(xù)沿通風兼安全洞向前流動污染沿程洞室。

5.2 風機參數(shù)影響分析

該工程地下洞室群規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復雜，洞室內(nèi)通風主要依靠入口風機補充新鮮空氣，排風豎井處的出口風機排出污風，因此當風機位置一定時，風機風量對洞內(nèi)通風有較大影響。為研究風機風量對地下洞室群整體通風情況的影響，分別進行入口風機風速設置為10、15、20、25m/s時地下洞室群通風的數(shù)值模擬。

洞內(nèi)施工主要集中在近地面處，人員活動較為頻繁，因此對距地面1.5m高度處流場進行研究，圖9為不同入口風機風速下主廠房1.5m高度的流速分布云圖。由圖9可以看出，氣流整體呈左端（靠近入口風機一端）流速慢，中部和右端流速快的特征。這是由于入口風機布置在4#施工支洞與主廠房連接處，位于主廠房一側(cè)，射流在流動初期，發(fā)散程度低，對洞內(nèi)流場影響范圍小，而在射流流經(jīng)主廠房中部位置時經(jīng)過充分發(fā)展，影響范圍擴大，使得平面中部與右端風速較快。受風機射流影響，風機所處一側(cè)風速明顯快于另一側(cè)。隨風機風速的加快，主廠房內(nèi)風速也加快，按入口風機風速由慢到快，4種工況下平面的平均流速分別為0.31、0.34、0.61、0.70m/s。其中在入口風機風速v=10m/s和v=15m/s工況下，平面流速分布以及平均流速數(shù)值相近，左端流場存在較大范圍低速區(qū)域；在v=20m/s和v=25m/s工況下，風速呈階躍性加快，分布更為均勻，但在v=25m/s工況下，工作面上局部風速超過4m/s，而風速過快可能會導致感冒并激起塵土，對施工人員的健康和洞內(nèi)空氣質(zhì)量狀況造成不利影響。

圖10為不同入口風機風速下主變洞1.5m高度的速度分布云圖。由圖10可以看出，主變洞內(nèi)按入口風機風速由慢到快，4種工況下平面平均流速分別為0.09、0.10、0.15、0.19m/s。當風機風速v=10m/s和v=15m/s時，主變洞內(nèi)存在較大范圍的慢速區(qū)，通風效果較差；當風機風速v=20m/s和v=25m/s時，洞內(nèi)風速明顯加快，流場分布趨于均勻。主變洞內(nèi)工作面平均流速明顯慢于主廠房內(nèi)工作面平均流速，主要是由于入口風機布置在主廠房內(nèi)與4#施工支洞交匯處附近，離主變洞較遠，主變洞內(nèi)通風流場受風機射流影響較小，那里由主變進風洞供給新鮮空氣，以自然通風為主，因此主變洞內(nèi)風速較慢。而由《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》中規(guī)定的0.15m/s的施工區(qū)域最慢風速可知，當風機風速為20m/s和25m/s時，主變洞內(nèi)風速分布滿足要求。

由以上分析可知，適當增大入口風機風速，能有效加快地下洞室群內(nèi)氣體流動速度和提高流場分布均勻程度，從而有效補充新鮮空氣和促進污風排出，加快空氣的置換速度，改善后續(xù)施工過程中洞室內(nèi)空氣質(zhì)量狀況，因此選取入口風機風速v=20m/s較為合適。

6 結(jié) 論

（1）現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與仿真值的對比表明，風速的平均相對誤差為14.54%，證明了筆者建立的仿真模型的準確性。

（2）由數(shù)值模擬結(jié)果可知，現(xiàn)有通風方案下主廠房與主變洞均能由底部支洞補充新鮮空氣，頂部支洞排出污風，實現(xiàn)洞內(nèi)空氣的置換。

（3）當入口風機風速為20m/s時，主廠房和主變洞工作面平均流速分別為0.61、0.15m/s，能達到良好的通風效果。

參考文獻：

[1] 南春子，張文輝，趙曉，等.復雜洞室群施工期通風有害氣體擴散數(shù)值模擬[J].清華大學學報（自然科學版），2014，54（8）：993-998.

[2] 樊啟祥，李毅，王紅彬，等.白鶴灘水電站超大型地下洞室群施工期通風技術探討[J].水利水電技術，2018，49（9）：110-119.

[3] 洪坤，劉震，王曉玲，等.水電站地下廠房鉆爆施工工作面粉塵運移模擬[J].水力發(fā)電學報，2016，35（2）：124-130.

[4] 馬德萍，李艷玲，莫政宇，等.向家壩地下洞室群施工通風效果三維數(shù)值模擬[J].人民長江，2011，42（1）：29-32，53.

[5] 史俊杰，胡代清，郭建強，等.抽水蓄能電站地下廠房施工有毒有害氣體運移規(guī)律及通風系統(tǒng)優(yōu)化研究[J].水電能源科學，2018，36（12）：163-166.

[6] 趙曉，王瑞凱，張文輝，等.提高復雜洞室施工通風效率的措施與認識[J].長江科學院院報，2014，31（8）：117-121.

[7] 何坤，葉敏敏，李艷玲，等.交叉隧洞施工通風流場特性研究[J].四川大學學報（工程科學版），2014，46（增刊1）：20-25.

[8] 王曉玲，劉長欣，禹旺，等.基于混合LES/RANS方法的引水隧洞施工通風數(shù)值模擬[J].水利水電技術，2018，49（10）：93-99.

[9] 鐘為，李艷玲，莫政宇，等.長大隧洞施工通風三維數(shù)值模擬及優(yōu)化設計[J].人民黃河，2017，39（6）：121-124，129.

[10] 張恒，林放，孫建春.大型儲油洞庫群通風網(wǎng)絡模型優(yōu)化及計算分析[J].現(xiàn)代隧道技術，2016，53（6）：115-122.

[11] 鄧祥輝，劉釗，劉釗春.兩河口長隧道獨頭掘進壓入式施工通風三維數(shù)值模擬[J].土木建筑與環(huán)境工程，2014，36（2）：35-41.

[12] 劉釗春.獨頭掘進隧道施工通風數(shù)值模擬[D].西安：西安理工大學，2010：15-24.

[13] LIUY，WANGS，DENGY，etal.NumericalSimulationand ExperimentalStudyonVentilationSystemforPowerhouses ofDeepUndergroundHydropowerStations[J].Applied ThermalEngineering，2016，105：151-158.

【責任編輯 趙宏偉】