恰木薩水電站地下洞室群施工通風(fēng)方案優(yōu)選

伊克拉木江·依力哈木

（新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域喀什管理局，新疆 莎車844700）

中國水電站裝機總量截至2015年已達(dá)3億kW·h之多，占到世界水電站裝機總量的25%以上，并且擁有著完善的規(guī)劃、設(shè)計、施工、設(shè)備制造、輸電供應(yīng)等全產(chǎn)業(yè)運行鏈。世界上最大的10座水電站中，中國就占據(jù)了5座[1-2]。2006年5月20日全面竣工的三峽水電站是世界上最大的水電站，但是發(fā)出的電能仍然供不應(yīng)求，水電建設(shè)依然前景廣闊。

水電站地下洞室群合理的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通風(fēng)設(shè)備能夠為各作業(yè)面源源不斷地提供新鮮空氣，以供給人員呼吸，并稀釋和排除生產(chǎn)產(chǎn)生的炮煙、粉塵等各種有毒、有害物質(zhì)，創(chuàng)造安全衛(wèi)生的施工環(huán)境。通過對水電站施工特點的總結(jié)可知，水電站地下洞室群由于通道多、層次多且局部通風(fēng)系統(tǒng)較多，所以空氣質(zhì)量難以得到保證[3-6]。水電站地下洞室群規(guī)模復(fù)雜，主體地下洞室群埋深大，施工工期緊張，多工作面、多工序持續(xù)平行交叉作業(yè)，工作面通風(fēng)散煙難度大、空氣質(zhì)量難以得到保證，且通風(fēng)設(shè)計效果是否滿足地下作業(yè)空氣質(zhì)量要求難以檢驗。通過對恰木薩水電站地下洞室群施工期通風(fēng)系統(tǒng)的研究，完善通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)置技術(shù)合理、安全可靠且經(jīng)濟適用的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通風(fēng)設(shè)備，以改善洞室群的通風(fēng)排煙條件。對水電站施工現(xiàn)場具有重要的理論意義和指導(dǎo)價值，同時該項研究對其它大型地下洞室群施工也具有指導(dǎo)參考價值。

1 工程概況

葉爾羌河是新疆第四大河流，發(fā)源于喀喇昆侖山北脈喀喇昆侖山冰川，由西南流向東北，河流全長1 281 km，流域面積8.577萬km2。葉爾羌河干流從河源至出山口喀群斷面河長576 km，天然落差3 938 m，河道平均坡降6.8‰，多年平均年徑流量66.06億m3（喀群斷面）。恰木薩水電站為葉爾羌河干流山區(qū)控制性工程阿爾塔什水利樞紐工程下游的第二個梯級，阿爾塔什以下水電梯級由上至下依次為鏨高、恰木薩和亞貝西。恰木薩水電站采用引水式開發(fā)，開發(fā)任務(wù)是在保證減水河段灌溉和生態(tài)用水的基礎(chǔ)上，進行水力發(fā)電。恰木薩水電站在葉爾羌河支流霍什拉甫溝匯合口上游250 m修建攔河引水樞紐，通過發(fā)電引水系統(tǒng)將發(fā)電水量輸送到前池和廠房以集中落差，尾水最終退入葉爾羌河。恰木薩水電站工程主要由攔河引水樞紐、發(fā)電引水系統(tǒng)、壓力前池、壓力管道、電站廠房等組成，屬中型Ⅲ等工程。恰木薩水電站洞室群各系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)左右岸基本對稱布置，恰木薩左、右兩岸各裝8臺單機容量100萬kW·h的水輪發(fā)電機組。

恰木薩水電站引水發(fā)電系統(tǒng)地下洞室群洞室多、規(guī)模龐大，開挖支護及混凝土施工工程量大，開挖支護工期緊且施工強度高。根據(jù)施工設(shè)計，各洞室布置緊湊，左、右岸布置基本對稱，交通干線格局類似，主要洞室均采用“雙通道”進行施工。因為地下洞室群布置復(fù)雜且施工組織難度較大，所以通風(fēng)風(fēng)流組織比較復(fù)雜。

2 尾水系統(tǒng)通風(fēng)工況解算

取需風(fēng)量計算結(jié)果中最大值作為掘進工作面實際需風(fēng)量，并考慮風(fēng)筒漏風(fēng)因素，計算漏風(fēng)系數(shù)：

式中：L為通風(fēng)距離，m；P100為百米漏風(fēng)率，取2%。

則風(fēng)機供風(fēng)量Qt應(yīng)不小于：Qt=PQ。壓入風(fēng)量為抽出風(fēng)量的1.2倍，以使壓入工作面的部分新鮮風(fēng)流經(jīng)兩風(fēng)筒間通道流出，避免相鄰工作面污風(fēng)由于抽出式風(fēng)機負(fù)壓的存在進入該工作面。尾水調(diào)壓井掘進工作面通風(fēng)方式布置初步方案如圖1所示，初步方案布置有6個獨立風(fēng)筒。

圖1 尾水調(diào)壓井掘進工作面通風(fēng)方式布置初步方案

尾水調(diào)壓井區(qū)域開挖至尾調(diào)井上層時通風(fēng)距離最長，為該區(qū)域通風(fēng)最困難時期，為便于統(tǒng)一管理，各掘進工作面配風(fēng)量均設(shè)定為3 100 m3/min，抽出式風(fēng)筒風(fēng)量設(shè)定為2 600 m3/min，計算得出該時期各風(fēng)筒風(fēng)量及總阻力見表1。

表1 尾水調(diào)壓井區(qū)域通風(fēng)困難時期風(fēng)筒風(fēng)量及阻力

由表1可知，1#~2#風(fēng)筒風(fēng)機送風(fēng)量可定為6 200 m3/min，阻力定為2 624 Pa，各掘進工作面抽出式風(fēng)筒風(fēng)機風(fēng)量定為2 600 m3/min，阻力定為141 Pa。

3 通風(fēng)方案優(yōu)化

3.1 專用排風(fēng)洞通風(fēng)設(shè)施布置

水電站地下洞室群內(nèi)洞室斷面大，形成了整體網(wǎng)絡(luò)“風(fēng)量大，阻力小”的特點。根據(jù)整體網(wǎng)絡(luò)的特點及現(xiàn)場實際情況，提出三種專用排風(fēng)洞通風(fēng)布置方案：

1）采用一臺大功率風(fēng)機負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的通風(fēng)。

2）在專用排風(fēng)洞洞口并排布置兩臺相同型號的軸流式風(fēng)機，兩臺風(fēng)機同時運轉(zhuǎn)過程中，應(yīng)盡量保證其工況一致，否則風(fēng)量較小的風(fēng)機會因風(fēng)量較大風(fēng)機的負(fù)壓作用造成風(fēng)機反風(fēng)。

3）整體通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)存在“主廠、主變排風(fēng)分支”和“尾水系統(tǒng)分支”兩條主要分支，在兩分支內(nèi)分別布置風(fēng)機。交通聯(lián)系洞位于右岸專用排風(fēng)洞與603#交通洞之間。該通道增設(shè)原因如下：右岸專用排風(fēng)洞洞口便道跨F17溝，溝內(nèi)松散堆積物在暴雨情況下，松散堆積體邊坡容易失穩(wěn)形成泥石流，且便道上方邊坡柱狀節(jié)理發(fā)育，并與緩傾角結(jié)構(gòu)面切割，多處存在不穩(wěn)定塊體，在暴雨情況下存在失穩(wěn)的風(fēng)險。為此，在右岸專用排風(fēng)洞至603#交通洞增設(shè)一條交通聯(lián)系洞，保證右岸尾調(diào)通氣洞的通行安全。由于該通道會使進入通風(fēng)兼安全洞的新鮮風(fēng)流未經(jīng)工作面利用直接進入排風(fēng)洞造成風(fēng)流短路，在該通道內(nèi)設(shè)置紅外啟動自動控制雙風(fēng)門聯(lián)動系統(tǒng)，隔斷風(fēng)流。

3.2 尾水調(diào)壓井掘進工作面通風(fēng)方案優(yōu)化

尾水調(diào)壓井通風(fēng)方式布置優(yōu)化后的方案如圖2所示。考慮到現(xiàn)場爆破作業(yè)一般不會在4個掘進工作面同時進行，在每個掘進工作面的壓入風(fēng)筒中安裝閥門作為風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置，當(dāng)某工作面進行爆破作業(yè)時，可通過風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置減小與之共用壓入風(fēng)筒的工作面風(fēng)量，增大爆破作業(yè)工作面風(fēng)量，以利于爆破作業(yè)工作面炮煙快速排出洞外。如，7#尾調(diào)通氣上室掘進工作面進行爆破作業(yè)時，可通過調(diào)節(jié)8#尾調(diào)通氣支洞壓入風(fēng)筒內(nèi)的風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置，減小8#尾調(diào)通氣支洞掘進工作面送風(fēng)量，增大7#尾調(diào)通氣上室掘進工作面送風(fēng)量。在風(fēng)筒內(nèi)設(shè)置風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置是為了將爆破工作面炮煙盡快排出洞外，但在調(diào)節(jié)過程中不能將相鄰非爆破工作面風(fēng)筒全部關(guān)閉，因為非爆破工作面風(fēng)量為0時爆破工作面炮煙會進入相鄰非爆破工作面造成污染。風(fēng)量調(diào)節(jié)時，相鄰非爆破工作面最小風(fēng)量可確定為工作面需風(fēng)量計算數(shù)值中的最小值，即相鄰非爆破工作面風(fēng)量不得低于該工作面“滿足人員呼吸所需風(fēng)量”值（103.5 m3/min），考慮安全余量及現(xiàn)場操作的便捷性可將其設(shè)定為200 m3/min。則尾水調(diào)壓井區(qū)域相鄰掘進工作面風(fēng)量調(diào)節(jié)最大值為1 400 m3/min。

圖2 尾水調(diào)壓井掘進工作面通風(fēng)方式布置優(yōu)化方案

為驗證“滿足人員呼吸所需風(fēng)量”能否保證相鄰非爆破工作面不被爆破工作面污風(fēng)污染，可采用FLUENT進行數(shù)值模擬。為簡化模型，只選取相鄰兩個掘進工作面進行模擬，且由于FLUENT模擬中對“風(fēng)量調(diào)節(jié)”過程實現(xiàn)困難，將原來一個壓入式風(fēng)筒分為兩個風(fēng)筒分別向兩相鄰工作面供風(fēng)。

通風(fēng)初始階段會有少量污風(fēng)進入相鄰非爆破工作面，但非爆破工作面的風(fēng)流會逐漸稀釋污風(fēng)將其排出洞外，因此，相鄰非爆破工作面風(fēng)量設(shè)定為“滿足人員呼吸需風(fēng)量”時可以保證爆破工作面污風(fēng)不污染其工作環(huán)境。

3.3 尾水洞上游掘進工作面通風(fēng)方案優(yōu)化

尾水洞上游掘進工作面通風(fēng)布置初步方案是在每個工作面分別布置一臺壓入式風(fēng)機和一臺抽出式風(fēng)機，考慮到尾水系統(tǒng)距專用排風(fēng)洞主風(fēng)機較遠(yuǎn)，壓入式通風(fēng)在尾水排風(fēng)豎井內(nèi)負(fù)壓不大的情況下難以保證污風(fēng)的及時排出，因此在與尾水排風(fēng)豎井相連的排風(fēng)平洞內(nèi)安設(shè)抽出式風(fēng)機，連接剛性風(fēng)筒至所掘進工作面抽排污風(fēng)。為便于尾水施工通風(fēng)時風(fēng)量的靈活調(diào)節(jié)，保證尾水掘進工作面所需風(fēng)量，在每個尾水排風(fēng)平洞內(nèi)加裝調(diào)節(jié)風(fēng)窗根據(jù)施工需要進行風(fēng)量調(diào)節(jié)。

3.4 尾水管掘進工作面通風(fēng)方案優(yōu)化

每條壓入風(fēng)筒分別向兩個相鄰掘進工作面送風(fēng)，每個工作面再分別布置一臺抽出式風(fēng)機，考慮到尾水管掘進工作面距專用排風(fēng)洞主風(fēng)機較遠(yuǎn)，壓入式通風(fēng)在尾水排風(fēng)豎井內(nèi)負(fù)壓不大的情況下難以保證污風(fēng)的及時排出，因此在與尾水排風(fēng)豎井相連的排風(fēng)平洞內(nèi)安設(shè)抽出式風(fēng)機，連接剛性風(fēng)筒至所掘進工作面抽排污風(fēng)。為便于尾水管施工通風(fēng)時風(fēng)量的靈活調(diào)節(jié)，保證尾水掘進工作面所需風(fēng)量，在每個尾水排風(fēng)平洞內(nèi)加裝調(diào)節(jié)風(fēng)窗根據(jù)施工需要進行風(fēng)量調(diào)節(jié)。

4 結(jié)語

1）本文對主要洞室和尾水系統(tǒng)進行了需風(fēng)量的計算，并針對通風(fēng)初步方案進行了優(yōu)化設(shè)計。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計算結(jié)果表明整體通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)具有“風(fēng)量大，阻力小”的特點。根據(jù)整體網(wǎng)絡(luò)的特點及現(xiàn)場實際情況提出了三個專用排風(fēng)洞風(fēng)機布置方案，優(yōu)選方案為“專用排風(fēng)洞洞口并排布置兩臺相同型號的軸流式風(fēng)機”。

2）運用FLUENT軟件模擬各洞室通風(fēng)排煙效果表明主廠房爆破后20 min內(nèi)可將大部分粉塵排出洞室，主變室爆破后35 min可將大部分粉塵排出洞室。尾水洞爆破100 s后可將大部分粉塵排出洞室，尾水管檢修閘門室爆破15 min后可將大部分粉塵排出洞室，因此所給技術(shù)方案符合水電站現(xiàn)場施工要求。