乌东德左岸地下电站室群施工期通风 技术研究与应用
齐界夷，宋海杰
（中国葛洲坝集团三峡建设工程有限公司，湖北宜昌443002）
[摘要]我国西南地区地形地貌复杂，河谷狭窄，水电工程通常在两岸山体内开挖确室群布置地下电站.确室群理深大、洞口少，施工期通风十分困难，直接影响工程成本、进度及人员健康.依托乌东德电站左岸地下电站工程，本 文对地下响室群施工期通风技术进行了研究，提出了响室通风“临界风速”的重要参数，并根据理论计算成果指导现场通风布置，有效改善了通风效果，为其他类似工程提供了参考和借鉴.
[关键词]水电站；地下确室群；通风；临界风速；水电站
[中图分类号]TV735 [文献标识码]A
[文章编号]1002-8498(2016)22-0119-07
VentilationTechnology Research andApplication for WudongdeHydropowerStation Construction
Qi Jieyi Song Haijie
( China Gezhoubo Group Taree Gorges Construction Engineering Go. Izd. Yichang Hfubei 443002 Chine)
Abstraet ;In the southwest of china the landform is plex the valley is narrow. The undergroundpower stations are usually decorated in the cavities on both sides of the mountain. The cavities buried depth and ventilation during the construetion is very dificult which directly affect the project cost schedule and employees health. Relying on the Wudongde Hydropower Station during the constructionof underground cavern group ventilation technology was studied. This article presented a importantparameters; critical wind speed. According to the study we optimize the method of ventilation andeflectively improve the ventilation effect at the same time it provided reference for other similar projects.
Key words: hydroelectric power stations; underground cavems; ventilation; critical wind speed;hydropower station
采用自然通风和机械通风2种方法.对于直接出露的明室一般采用自然通风，对于理深大、通风距离 长的确室一般采用机械通风.另外，对断面尺寸较大的确室（如主厂房、主变洞）往往还增设通风竖井或通气支洞，采用自然通风和机械通风相结合.
大型地下明室群施工因其埋深大、通风困难等原因，导致润内温度高，湿度大，粉尘含量高，施工 环境恶劣，对工程进度和施工人员健康影响甚大.为解决大型地下酮室群施工环境恶劣的问题，通常
目前，国内外对于工程施工通风技术研究主要
[3]徐风某深基坑工程事故分析[J].岩土工程界，2007.10 (2) ; 76-77.[4]孙强，李厚恩，秦四清，等，地下水引起的基坑破坏分析[5]张小平，胡明亮，吴庆令，等.南京地区典型失稳基坑分析 [J].岩土工程学报，2007 28(B11) ：1428-1432.及预警系统的探讨[J].岩土工程学报，2006，28（B11）：[6］]李荐华.吉茂林、深基坑的环境土工间题及其对策[J].地 1880-1884.下水 2006 27(6) : 482-485.
需制定恢复施工方案，减小对基坑漏水部位的影响，以 4）后续施工要注意.险情得到控制后，后续施工预防二次事故发生.
参考文献：
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表1主要部位通风特性
Table 1Ventilation characteristis of the main parts
部位 工程特性 最大通 风距离/m 通风特性引水隧词 共6条 单机单润，断面直径16.1m，主要分上平段、竖井段，下 1 215 下平段工作面较多（共6个）对供风量需求平段3部分进行开挖支护 共布置6台机组，断面尺寸333.00m×30.50m×89.80m（长× 大.竖井贯通前均为独头提进宽×高）水平埋深约80m.上下游分别与引水润和母线润等 连接，左端墙上部布置有1号施工支洞，顶拱布置有通风整井 360 施工作业繁杂，通风难度大 断面尺寸大，与之相连的响室较多，厂房内及天错竖井 断面尺寸为272.00m×18.80m×35.00m（长×宽×高），水平 断面尺寸大，与之相连的响室较多，厂房内主变室 埋深约72m.上下游分别与母线润和出线竖井相连，左编墙上 部布置有2号施工支洞，右端墙与主变交通润相连 450 施工作业繁杂，通风难度大尾调室 半网商型，开挖半径26.5m，高113.5m，面积1420/1320m² 上游侧布置有 8号施工支润 下游布置有 Z7~29 号施工支润 540 断面尺寸大，高度较高，施工支润少其布置有3条，开挖断面尺寸16.20m×25.10m~17.20m× 通风竖井贯通之前通过左厂5号支铜供尾水主润 29.20m，单条润最长约800m，共布置有4条通风竖井.6号，6- 1号施工支润作为施工通道贯穿1号~3号尾水主润 1 520 风，路径校长出线竖井 总高度约290m，直径14.2m，分两段施工 300 高度大，井口上部为临空面
根据以上响室特性并结合以往施工经验，在响室开挖初期进行了专项通风规划和布置，通风方式 主要为机械压人式通风，高峰期共投人约16台轴流式风机和8台射流风机，但实际通风效果没有达到预期.为此，结合乌东德左岸地下电站通风需要，针对大型地下室群施工通风技术进行了深入的研究和试验，首次在水电工程地下确室施工期通风 设计中提出了“临界风速”这一重要参数，改进了现场通风模型，最终取得了良好效果.
是围绕矿井施工进行的，对水利水电工程施工通风技术研究成果较少，现有且对大型地下确室群的施 工通风技术研究存在以下问题：①根据流体力学、空气动力学、污染物扩散理论等建立方程组，求解空气中颗粒物及有毒有害气体的运动方程.该类研究假设条件均为完全理想状态，缺乏现场应用指导意义.②按照稀释理论，依据风机供、排风量及 工作效率计算各工作面完成一次“换气”所需时间，确定风机型号.该方法对于有毒有害气体稀释计算是适用的，但对于重质矿物粉尘却不适用.现场施工过程中往往发现，风机抽排出的空气含尘量极 小，粉尘依旧停留在工作面.该问题亦是目前大型地下工程中通风设计存在的主要问题.
2基本理论及研究方法
2.1研究对象
水电工程大型地下雨室群多采用爆破方式开挖，内燃机设备出渣，钻机钻孔支护.润内污染主要来自2个方面：一是粉尘，来源于爆破、喷锚及钻一般采用PM10作为衡量指标，即当测量直径 孔产生的岩尘、炮烟、水泥尘等.粉尘对人体危害10um的颗粒物，也称可吸人颗粒物或飘尘；二是有害气体，如SO，NO等，主要源于炮烟、围岩和内燃机设备废气.
为解决大型确室通风问题，结合乌东德地下电站通风设计情况，提出“临界风速”的设计参数.该参数的含义为：当洞内风速增大到某一网值时恰 能启动粉尘颗粒定向移动，该风速即为临界风速"c.为提供一种切合实际、可操作性强的通风技术方案，本文针对临界风速u进行深人研究，分析不同条件下的地下确室通风设计效果.
及粒径的影响，其扩散速度一般为0.2-2m/s.对 地下确室施工过程中，PM10扩散主要受风速于有害气体，根据气体分子运动理论及气体扩散理论可知，其扩散速度一般为200-400m/s.通过对比可知，空气中气体扩散速度是粉尘扩散速度的体抽排难度. 100倍以上，也就是说粉尘抽排难度远大于有害气
1工程概况
乌东德水电站位于金沙江下游河段，为I等大（1）型工程，枢纽工程主体建筑物由挡水建筑物、泄水建筑物、引水发电建筑物等组成.电站厂房布置 于左右两岸山体中，均靠河床侧布置，各安装6台单机容量为850MW的混流式水轮发电机组，总装机容量10200MW，多年平均发电量389.3亿kWh.电站各大型响室、施工支润及竖井等共同组成一个错综复杂的大型地下胡室群，该明室群理深大，通 风润口少，施工支润断面小，拐弯及交叉口多，且前期多为独头掘进，无法形成空气循环通道，通风十分困难.客整要部位通风特性如表1所示.
水电工程施工中，由于地下爾室理深一般在100m左右，山体中有毒有害气体浓度相对较低，且排放相对容易，所以通风设计主要以PM10浓度为 主.通过抽排，当PM10浓度满足要求时可认为有害气体浓度得到有效控制.
2.2研究方法
为研究解决地下确室通风问题，需对粉尘颗粒的运动状态和受力情况进行深人分析：当空气流动 速度很小或者处于静止状态时，空气中粉尘颗粒运动类似布朗运动，处于无规则碰撞过程中，其扩散速度较缓慢.为降低空气中粉尘含量，必须给粉尘颗粒提供一个动力，使其水平定向移动，从而排出润外.目前普遍采用风机进行通风，依靠风机产生 的动压力和静压力为粉尘运动提供动力.
图2临界速度试验示意
Fig. 2 The critical speed experimental schematic
应的B点风速、PM10浓度，现场实测数据如表2所示.
粉尘在空气中定向运动时受力情况十分复杂，主要受重力、黏性阻力、动压力、静压力、hasset力、saffman力等，考虑到后两者数量级较小可忽略不 计.空气中粉尘水平运动时主要受力情况如图1所示.
表2风速-粉尘浓度关系
Table 2 The relationship between wind speed
风机状态 and dust concentration B点 PM10浓度/风机1 风机2 风建 （ngm²) 备注未启动 低速 未启动 未启动 0.20 0 116 112 按照（环境空气低速 低速 0.38 105 质量标准）， PM0颗粒物日低速 中速 中速 中速 0.80 1.21 100 94 标准值为 平均浓度限定中速 高速 高速 高速 2.30 3.40 55 30 75g/m²
图1粉尘水平运动受力情况示意
Fig. 1 The bearing model of horizontal movement dust
移动测点B点的位置，重复上述过程，得到一系列有关B点的风速和PM10平均浓度关系，绘制成关系曲线如图3所示.
图1中动压力（F）是由于粉尘受风速影响面产生的压力，大小等于pv²/2（p为空气密度，v为风速）；静压力（F）是由压力梯度产生的，按照流体力 学理论，在确室通风过程中，风道中心风速大，压力小，周围风速小，压力大，因此产生垂直于风速方向的静压力.重力和黏性阻力为阻碍粉尘定向移动的力.当F>f，且F>G时，粉尘将发生定向移动.
通过上述分析可知：粉尘颗粒运动主要受到动压力和静压力大小影响，而动压力和静压力大小均与风速成正比，即风速越大，对粉尘扩散运动越有利.
图3风速一粉尘浓度关系曲线Fig. 3 The relationship between wind speedand dust concentration
动的风速定义为“临界风速v”.因为颗粒运动时 为方便研究，将恰好能使洞内粉尘颗粒定向移受力情况十分复杂，且各力的数量级均很小，理论方法求解“临界风速”误差过大，不适合指导现场施工，所以需通过试验推求v的数值，从而确定风机 的型号参数及布置形式.
根据上述曲线可知，当风速较小时，润内PM10的质量浓度变化不大，粉尘排出量很少.当风速增 加到一定值时，粒径较大的粉尘将发生定向移动，PM10质量浓度急剧下降，曲线出现上拐点.拐点对应的风速称为"临界风速v”，随后曲线斜率较大的区间称为"最佳风速区间”.当风速大于“最佳风速区间”的上限值时，此时空气中粉尘含量较低，增 大风速对PM10浓度变化速度影响不大，曲线出现下拐点.通过本工程大量数据统计分析得出：v1.2m/s，最佳风速区间为1.0-1.8m/s.
2.3临界速度的推求
试验选定的施工支洞内布置2台三速轴流风机，风机型号为SFDI-III，功率可调，分低速、中速、高速三档，通过调节2台风机的功率控制润内空气 流动速度.具体布置如图2所示.
试验开始前，先测定B点PMI0的浓度，然后启动风机，调布风机功率，采用仪器分别测出对
进行通风设计时应使风速处于最佳风速区间，
因为当风速小于v时，风机只能抽排出有害气体及部分粒径较小的粉尘（如PM2.5），大部分粉尘颗粒 仍然存留在工作面上，通风效果差.而当风速大于1.8m/s时，风速对粉尘排出速度的影响减弱，过度提高风速只会增加资源、设备投人，经济效益降低.
风机供风量计算如下：
压人确室风量与排出风量相等，则： 根据质量守恒原理，假设润内气体不可压缩，
(1)
式中：Q.为压入硼室风量（风管出口风量，m/min）；u为临界风速，取为1.2m/s；S，为隧润断面积（㎡²）.
3通风设计及实施
型：①恒定断面水平向通风：②变化断面水平向通 大型地下室施工通风一般可分为3种基本类风：③竖井通风.针对上述不同情况下的通风设计如下.
布作风管材料，百米漏风率正常时可控制在2%以 据风管厂提供的技术指标，采用PVC增强塑纤内.通风距离最长按650m计算，据此计算漏风系数：
3.1恒定断面情况下的通风设计
= 1. 15 (2)
对于恒定断面的隧润通风，一般采用压人式通风，将风机布置在润口，通过风管将新鲜空气压入洞内.传统工程均采用污染物稀释的方法进行通风计算，其通风模型如图4所示.
取1.5%. 式中：L为通风距离，650m；P为百米漏风率，
则风机供风量应不小于：
Q = PQ = 1. 5 × Q = 1. 15 × 60 x vc × S
(3)
将S，uc=1.2m/s代人上式可推导出风管出口所需风量Q的数值（见表3）.
图4传统通风计算模型
Fig. 4 The traditional ventilation calculation model
由表3可知，仅通过压人式通风，要使隧润全断面风速均达到临界速度所需的风量十分庞大，特别是当断面较大时，所需风量甚至超过10000m/min.而目前普通风机供风量一般为500-3000m²/min， 单台风机根本无法满足通风需求，面由于洞内空间问题，又难以同时布置多台风机进行压人式通风.为此，重新设计了一种新的通风模型，如图5所示.
按传统理论：假设工作面废气体积为V，污染物浓度为C.按污染物稀释理论，若往工作面内通入体积为V的新鲜空气，则污染物浓度降为C/2，该理 论成立的基础是，在废气中通入相同体积新鲜空气的同时，污染物体积由V扩大为2V.对于水电工程施工，空气中主要污染物为矿物粉尘，其质量较大，自由扩散困难.若洞内风速小于u，则无法引起粉尘的定向移动，污染物体积无法由V扩大为2V，上 述理论显然不适用.所以按传统理论进行通风设计，往往会造成风机24h不停向润内供风，但洞内风速小于v，粉尘一直做无规则扩散运动，浓度变化极小，起不到通风排尘的作用.
图5新型通风模型
Fig.5 New model of the ventilation
通风设计，即润内风速必须大于（1.2m/s），此时 为保证确室通风效果，需按临界风速理论进行
如图5所示，在工作面增加1台相同型号的通
表3不同断面隧润所需风量0，值
Table 3 Different sizes of the tunnel airflow required
润断面尺寸 (长×宽)/m 隧润面积S/ m² 工作面风速uc/ (mx-²) 风机压人风量Q (m²min~) 传统理论计算所得风量/ (mt” -min ~1 )3.0 ×3.5 10.2 1.2 0 694.5 ×5.2 6.0 x6.5 22.3 29.2 1.2 1.2 2 417 1 846 61 151施工支洞 7.0 x6.0 39.1 1.2 3 237 2649.0 ×7.0 11 ×8.5 84.6 57.7 1.2 1.2 7 004 4 777 572 390引水润 尾水润 16.2 ×25.1 D =16.1 203.6 1.2 1.2 16 858 31 339 1 377 2 559
万方数据
表4修正后不同断面懿洞所需风量2，值
Table 4 Different sizes of the tunnel airlow required
隧润断面尺寸 隧润面积 工作面风建 修正系数 风机压人风量 传统理论风量/（长×宽)/m 3.0 ×3.5 S/m? 10.2 /(ms-1) 1.2 K Q /(nm² min -1) 845 (m² -min ~ ) 1004.5 x5.2 22.3 1.2 - - 1 846 220施工支润 6.0 x6.5 7.0 ×6.0 29.2 39.1 1.2 1.2 - 2 418 2 890 246 3779.0 ×7.0 11 x8.5 84.6 57.7 1.2 1.2 0.4 0.32 1911 2 242 491 557引水润 尾水润 16. 2 ×25.1 D =16.1 378.5 203.6 1.2 1.2 0.15 0.08 2 529 3 065 1 360 1 777
风机进行负压通风，形成通风环路.洞口风机为洞内补充新鲜空气，而润内风机主要是为提高风速.
对于上述模型，当期室断面足够大时，风速在隧润断面上分布是不均匀的，通风设计时不需要 （也很难做到）全断面风速等于临界风速，仅需要某个断面风速达到临界风速即可.我们将该断面称为“风道”，面积用S表示.引进修正系数K，令K=S/S，S取经验值20-30m²，s为隧洞断面积，则新型通风模型所需风机供风量如表4所示.
图6变断面通风模型
Fig. 6 Cross-section ventilation modelling
实际应用：根据表4中计算所得出的数据，对左岸地下电站部分响室通风布置进行调整，使得室内通风情况得到很大改善.例如将原左厂9号施工整为2SZ-125B风机后，供风量由500m²/min提升为 支润（断面积4.5m×5.2m）润口SD-Ⅱ-60风机调2 000m²/min 洞内PM10浓度值由150μg/m²降低为58μg/m²，低于75μg/m²，满足PM10颗粒物日平均浓度限定标准值要求.并且，在扬尘作业结束后，20min内就能将润内粉尘浓度降低至规范允许 的范围，大大降低了风机运行时间.
式中：Q为风机供风量；v为施工支洞内风速；v为大型确室与支润相交位置附近的风速；S，为施工支 润断面积；S为大型瑚室断面积；K为修正断面上风速不均匀分布而引进的修正系数.
结合乌东德左岸地下厂房进行分析，假设图中施工支洞为左厂1号施工支洞，S=51.2m；右侧大使用风机为国产风机，供风量为单台3000m/min， 型确室为主厂房，S，=600m（高度方向取20m）；所通过计算可求出，=1.95m/s，=0.7m/s
根据质量守恒原理，对于变断面形式的通风，无论是正压通风还是负压通风，均满足下式：
(4)
