水利水电工程地下厂房洞室群通风研究

1?工程概况

地下厂房由主机间、安装间和副厂房组成。开挖尺寸为202.0?m×27?m×57.6?m（长×宽×高），地下厂房从上至下可分为8层开挖。主变洞平行布置在主厂房下游侧，与主厂房净距为40?m，主变洞断面为城门洞型，开挖尺寸为158.5?m×21.5?m×23.5?m（长× 宽×高），主变洞从上至下分为8层开挖。尾水事故 闸门室位于主变洞下游45.0?m处。开挖尺寸为115.0?m× 11.3?m×20.5?m（长×宽×高）。

地下厂房洞室群施工通道：通风兼安全洞长为1?511.0?m，断面尺寸为7.5?m×6.5?m，平均坡度为7.0?%。交通洞长为1?713.4?m，断面尺寸为8.0?m×8.5?m（宽×高），平均坡度6.5?%，从安装间右侧进厂。地下洞室群分层开挖示意如图1所示。

图1?地下洞室群分层开挖示意

排风系统建筑物主要包括副厂房排风洞、主变副厂房排风洞、排风竖井、排风上平洞和排风机房等组成，将地下厂房、主变洞废气及事故烟尘抽排至地 面。副厂房排风洞连接副厂房通风机室，长40?m，断面净尺寸4?m×3?m。主变副厂房排风洞连接主变副厂房，长50.2?m，断面净尺寸7.0?m×6.0?m。排风竖井是地下洞室群的排风通道，位于主变副厂房下游侧，尾水事故闸门室左侧，断面为圆形，内径7.0?m，高度267?m。排风上平洞连接排风竖井和排风机房，断面尺寸7.0?m×6.0?m，全长297.5?m。排风机房平台位于5号公路旁，平台高程1?570.0?m，平台尺寸45.0?m×20.0?m。

2?数值模拟

2.1?数值模拟建立

根据爆破粉尘及有毒有害气体的扩散物理模型，在Ansys Fluent软件中对数值模型进行设定，同时设定计算的边界条件，具体边界条件设置见表1。

表1?工况边界条件

2.2?通风工况分析

地下厂房洞室群施工过程中的通风系统主要有以下3种工况。

（1）第一阶段：主（副）厂房、主变洞、尾闸洞开挖初期，排风竖井贯通前。

利用通风兼安全洞洞口风机通过风管向各作业面机械送风，并根据施工强度合理分配风量。

（2）第二阶段：主（副）厂房、主变洞、尾闸洞开挖中期，排风竖井贯通前。

利用交通洞洞口风机通过风管向各作业面机械送风，地下厂房、主变洞、尾闸室同时施工，并根据施工强度合理分配风量，利用通风兼安全洞排风。

（3）第三阶段：主（副）厂房、主变洞、尾闸洞开挖后期，排风竖井贯通后。

利用交通洞洞口风机通过风管向各作业面机械送风，并根据施工强度合理分配风量，利用通风兼安全洞及排风竖井排风。

2.3?工况一：数值模拟分析

该方案主要利用柔性承压风管向作业面进行机械送风，在通风兼安全洞及交通洞设置射流风机，利用交通洞和通风兼安全洞洞室进行排风。考虑到提高散烟速度的要求，应在通风兼安全洞中间位置（距离出口500m处）设置射流风机（接力风机），以增加空气的循环换气次数，从而增加炮烟的扩散速度。

研究基于基础工况，进行了通风优化，优化方式为在通风兼安全洞中间位置上部（距离出口500m处）增加射流风机，通过射流风机的引射作用，以强化厂房通风量。

在开挖时，爆破点位置在主副厂房拱顶层，为此工况下最恶劣爆破点。交通洞、通风兼安全洞开挖初期工况见表2。工况一模拟示意如图2所示。

表2?交通洞、通风兼安全洞开挖初期工况

图2?工况一模拟示意

2.4?工况二：数值模拟分析

随着施工过程的推进，主变洞、尾闸室在开挖过程中，地下厂房洞室群需风量逐渐增大，此时地下厂房洞室群点多面面广，通风可从交通洞进入，通风兼安全洞抽出形式。根据施工进度表，主副厂房开挖到第三层，排风竖井未打通时为最不利工况（开挖初期工况）。此时，爆破烟尘只有通过交通洞和排风洞排出，通风路径最长，阻力最大。

利用交通洞洞口风机通过风管向作业面机械送风，并根据施工强度合理分配风量，利用通风兼安全洞及其他洞室进行排风。在通风兼安全洞中间位置（距离出口500?m处）加装射流风机，增加空气的循环换气次数，从而增加炮烟的扩散速度。

排风竖井贯通前，开外时爆破点位置在主副厂房第三层最深处，为此工况下最恶劣爆破点。gk1–3工况二模拟示意如图3所示。

图3?gk1–3工况二模拟示意

2.5?工况三：数值模拟分析

主（副）厂房、主变洞、尾闸洞开挖后期，排风竖井贯通后。利用交通洞和通风兼安全洞洞口风机通过风管分别向作业面机械送风或仅由交通洞洞口风机通过风管机械送风，并根据施工强度合理分配风量， 利用排风竖井进行排风。当排风竖井贯通且待总排风机房建设完成后，交通洞和通风兼安全洞配合可形成多种通风模式。

在交通洞设置风机，向3个洞室机械送风，通风兼安全洞及竖井排风，风量分配为T–F–1∶T–F–2∶J–F–1∶J–F–2∶J–F–3–1∶J–F–3–2=0∶0∶1.8∶2∶0∶0.2，其气流组织形式如图4所示。

图4?排风竖井贯通后自然排风气流组织形式

排风竖井贯通后，开外时爆破点位置在主副厂房第三、第四层最深处，为此工况下最恶劣爆破点。考虑到爆破厂房时，炮烟容易堆积在厂房右下侧的施工支洞且由于排水廊道与多处洞口相接，污染物容易聚集在排水廊道内较难排出，故可调整气流组织形式，使污染物可快速排出。

3?结论

（1）第一阶段考虑到提高散烟速度的要求，可在通风兼安全洞中间增加射流风机，增加空气的循环换气次数，从而增加炮烟的扩散速度。

（2）第二阶段（竖井未打通）工况，考虑到是单厂房（主厂房）爆破，并且母线洞未打通，故有害气体和粉尘进入不到主变室和尾闸室，主要集中在主厂房内。故可调整气流组织形式，形成单侧（交通洞室）通风，使有害气体从一侧快速排出。

（3）竖井未打通时，交通洞侧用风管送风，同时在通风兼安全洞和交通洞距出口500?m处加1台50?Pa风机的通风方式可实现CO和粉尘有效排除，避免污染物聚集。

（4）第三阶段工况均可将全部风量分配给一侧洞室（排风上游洞室）侧风管，进行送风。

4?通风方案建议

通风排烟系统的合理设计和实施是施工功效的保证。本研究通风排烟系统分3个阶段进行。

（1）第一阶段采用压入式通风：第一阶段在通风兼安全洞中间位置（距离出口500?m处）加装射流风机，增加空气的循环换气次数，从而增加炮烟的扩散速度。风机为双向风机，可一直保留，运维阶段亦可辅助通风。

（2）第二阶段采用压入和抽出相结合的形式：第二阶段（竖井未打通）将通风兼安全洞所有风量分配给交通洞（交通洞机械送风），同时在通风兼安全洞和交通洞距出口500?m处各加1台50?Pa射流风机（通风兼安全洞排风）。

（3）第三阶段采用压入和自然通风相结合的形式：第三阶段（竖井打通后）考虑永临结合，排风竖井风机安装利用机械排风是有效的优化方式，可以加速炮烟和粉尘的排出。