摘 要：地下洞室群施工作业面多，结构复杂，施工中会产生爆破气体、施工机械尾气、混凝土作业粉尘等。为解决地下洞室群内的通风布置优化问题，基于RNGk-ε湍流模型采用CFD软件对绩溪抽水蓄能电站地下洞室群的施工期通风进行数值模拟，研究地下洞室群内的实际通风效果以及入口风机风速对洞室内通风流场的影响。结果表明：现有通风方案下，洞室群内气流控制合理，主厂房与主变洞内均能形成下部送风、顶部排风，实现洞内空气的置换；
当入口风机风速为20m/s时，洞内流场分布均匀，空气流动速度适中，通风效果良好。

关键词：地下洞室群；
施工通风；
数值模拟；
流速分布；
通风监测；
绩溪抽水蓄能电站

关键词：TV554 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.030

引用格式：张亚洲.大型复杂地下洞室群通风特性研究[J].人民黄河，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面多，钻孔、爆破、装渣、运输、喷锚支护等多工序交叉作业，施工中会产生爆破气体、施工机械尾气等有害气体和混凝土作业粉尘，因此通风防尘问题十分突出，历来是地下工程施工中的技术难题，也是业界关注的热点问题[1-3]。近年来，基于计算流体动力学的三维数值模拟方法逐渐运用于地下洞室群施工期通风优化设计[4-5]。该方法能考虑实际通风流场中存在射流、回流、紊流等区域的各向异性，模拟不同通风方案、施工参数和开挖空间条件下地下洞室群通风的风流结构，以达到风流路径的可视化研究的目的[6]。何坤等[7]通过构建交叉隧洞的三维模型，采用数值计算方法模拟交叉隧洞通风流场，定量分析交叉角度、施工顺序、串联风机位置等因素对通风流场的影响特性，并提出了改善通风效果的建议。王晓玲等[8]基于Realizablek-ε两方程湍流模型建立引水隧洞施工通风三维非稳态混合LES/RANS模型，研究结果表明，数值模拟结果与现场实测数据平均相对误差仅为4.9%。钟为等[9]研究了不同负压风机风量对独头掘进的长大隧洞施工有害气体排放特性的影响，确定了隧洞负压风机流量与正压风机流量之比为1.1～1.3时对有害气体排出最为有利。目前，对地下工程通风问题的研究多集中于开挖过程中洞室内的通风情况，且研究对象主要针对单一洞室，未从整体上考虑地下洞室群完全贯通后各洞室间气流的相互干扰作用[10]。

笔者依托我国绩溪抽水蓄能电站地下洞室群工程，建立地下洞室群内流场分布的仿真模型，运用数值模拟方法研究了地下洞室群贯通后的通风效果，分析主要洞室内的通风流场，并利用现场监测数据验证了模型的正确性，通过改变入口风机风速，研究风机风速对地下洞室群内风场分布的影响，以期为地下洞室群内的通风布置优化提供参考。

2 工程概况

绩溪抽水蓄能电站地下洞室群建筑物主要由引水隧洞、引水调压室、压力管道、引水岔管、引水支管、主副厂房洞、主变洞、母线洞和出线洞、排水廊道、尾闸洞、尾水支管、尾水岔管、尾水调压室、尾水隧洞、进厂交通洞和通风兼安全洞等组成。地下厂房采用中部偏尾开发方式，引水及尾水系统为三洞六机布置。地下洞室群三维模型如图1所示，主要洞室的截面形状及尺寸如图2所示。

绩溪抽水蓄能电站地下洞室群三期工程施工目前已基本完成开挖，进入混凝土衬砌、灌浆和机电设备安装阶段，母线洞、引水下平洞和通风竖井已贯通，主厂房和尾调室底部的溜渣井已形成，尾水隧洞洞挖基本结束并进入混凝土衬砌阶段，引水系统、主厂房、主变洞、尾闸洞等三大洞室、尾水系统已相互贯通。该阶段的污风以施工机械、运输车辆等产生的废气以及混凝土施工产生的粉尘为主，污染物产生量远小于爆破施工过程中产生量，因此通风问题主要考虑流场分布是否均匀、风速是否适宜。由于地下洞室群规模较大，各洞室交叉相连，通风距离长，风流组织复杂，仅靠自然通风难以满足要求，因此需辅以机械通风来改善洞室群内通风效果。根据工程通风设计方案，把进厂交通洞进口作为主进风口，向洞室群内补充新鲜空气，把通风竖井作为污风排出的主要通道，并在4#施工支洞与主厂房相连处附近设置一台110kW的SD-Ⅱ型正压风机进行供风，在排风下平洞内设置一台75kW的DTF（R）-16-6P型负压抽风机排出污风。

3 数值模拟模型

利用ANSYS软件中Fluent模块对地下洞室群贯通后的通风情况进行数值模拟，由于洞室群内存在射流、回流、紊流等气体流动，因此采用RNGk-ε模型进行计算分析[11-13]。仿真模型建立过程中作出以下假设：仿真计算过程中气体按非定常的三维不可压紊流流动；
通风通道各进出风口风速分布均匀；
各洞壁绝热，计算模型中无内热源。

3.1 计算模型与网格划分

地下洞室群三维模型按1∶1建立，坐标原点位于主厂房左侧洞壁中心，为便于实体建模和网格划分，对模型进行适当简化：风机近似为标准的圆柱体；
由于运输车辆及施工设备外形相对较小，且本文主要关注洞室群贯通后的整体通风效果，因此建模时忽略。

地下洞室群整体结构复杂，各洞室形状不规则，计算区域采用非结构网格划分，根据实际结构将计算区域划分为若干子区域，针对不同洞室分别设置不同的网格划分参数，各洞室交叉口位置以及风机出口位置流场形态复杂，对该区域进行局部网格加密。然后，进行模型的网格独立性验证，综合考虑计算精度和计算时间后最终确定的模型总网格数为2963866个，节点数为576951个，如图3所示。

3.2 边界条件及网格划分

绩溪电站地下洞室群中通风的进出口众多，且各进出口附近的空气流动特性不相同，因此需要结合实际情况合理设置边界条件。数值模型中边界条件具体设置如下：地下洞室洞壁采用无滑移壁面边界条件，依据经验，粗糙度系数取0.5，粗糙度绝对高度值设为0.01μm；
进厂交通洞洞口、通风兼安全洞洞口以及CPD1探洞下游洞口采用速度入口边界条件，由现场检测数据，风速分别设为1.18、1.36、1.75m/s；
风机出口采用速度入口边界条件，风速设为15m/s；
排风竖井顶部作为出风口，采用压力出口边界条件。

4 现场测试与仿真结果验证

4.1 测试方案

在完成洞室群开挖后，进入混凝土衬砌、灌浆和机电设备安装阶段，即施工三期通风阶段，依据现代测试技术理论，沿进厂交通洞—主厂房—通风安全洞方向，在各洞室交叉处附近选取特征点，特征点位于洞室中间距地面1.5m处（具体位置见图1），在施工现场多次测量风速并取平均值。测试仪器为AR866热线式风速风量计，风速测量范围为0～30m/s，精度约为±5%，测试仪器与测试现场见图4。

4.2 仿真结果验证

通过建立的仿真模型计算各特征点风速，并与实测数据进行对比，以验证仿真模型的可行性与准确性。特征点风速数值模拟结果与实测数据对比见图5。

由图5可以看出，沿进厂交通洞—主厂房—通风安全洞方向，风速的数值模拟结果与现场实测结果变化规律大致相同，仿真值与实测值基本吻合，1～8号特征点误差均小于0.2m/s，平均相对误差为14.54%，证明了笔者建立的数值分析模型的准确性；
9、10號特征点仿真结果与实测结果相差较大，主要是由于两点位于两股方向相反的气流交汇处，气流形态复杂，速度有较大波动，因此误差较大。

5 结果讨论与分析

5.1 通风方案仿真结果

利用上述模型进行地下洞室群内风场的数值模拟，研究通风方案下主要洞室内气流的速度及分布特征。

流场是进行计算流体力学分析的重要依据之一，在地下洞室群几何模型中X方向上取X=-5m截面处气体流动的模拟结果如图6所示。由图6可以看出，射流自风机出口射出后沿主厂房底部向前流动，流动过程中射流截面不断增大，对洞室内原流场的影响范围不断扩大。当气流运动受到主厂房壁面阻挡后向上流动，一部分经与主厂房上层相连的通风兼安全洞排出，另一部分受洞壁顶部阻碍后形成回流，由于上下两股气流方向相反，因此在X=50m到X=100m范围内形成旋涡。由于洞室底部形状不规则，因此气流在经过这些区域时流动较为紊乱。整体上看，洞室内的气体流动能形成“下进上出”的良好通风循环。

主变洞在X=66m处的气流分布的模拟结果如图7所示。从图7可以看出，新鲜空气自主变进风洞进入后沿洞室长度方向平稳向前流动，到达洞室尽头后由上层的通风兼安全洞排出。从整体来看，主变洞形状较为规则，气流运动过程中受到的扰动较少，且左右两端均只与一条支洞相连，因此洞室内流场分布相较于主厂房内流场分布更为均匀。由于主变洞底部通过母线洞、主变运输洞和交通电缆洞等洞室与主厂房相连，且两大洞室间气体流动存在速度差，因此通风过程中气流相互汇入对洞室内原流场造成一定的干扰，导致局部流场分布相对紊乱。

通风气流流经主厂房、主变洞和尾闸洞等主要施工区域后进入通风兼安全洞，最后由通风竖井排出，如图8所示。由图8可以看出，来自各洞室的污风汇入通风兼安全洞后，在出口风机的作用下，以较快流速流向通风竖井下平洞，同时，来自通风兼安全洞洞口处的自然通风气流与污风排出方向相反，最终两股气流在通风兼安全洞和通风竖井下平洞岔口处交汇后流向通风竖井方向（排出），可以有效地阻止污风继续沿通风兼安全洞向前流动污染沿程洞室。

5.2 风机参数影响分析

该工程地下洞室群规模大，结构复杂，洞室内通风主要依靠入口风机补充新鲜空气，排风竖井处的出口风机排出污风，因此当风机位置一定时，风机风量对洞内通风有较大影响。为研究风机风量对地下洞室群整体通风情况的影响，分别进行入口风机风速设置为10、15、20、25m/s时地下洞室群通风的数值模拟。

洞内施工主要集中在近地面处，人员活动较为频繁，因此对距地面1.5m高度处流场进行研究，图9为不同入口风机风速下主厂房1.5m高度的流速分布云图。由图9可以看出，气流整体呈左端（靠近入口风机一端）流速慢，中部和右端流速快的特征。这是由于入口风机布置在4#施工支洞与主厂房连接处，位于主厂房一侧，射流在流动初期，发散程度低，对洞内流场影响范围小，而在射流流经主厂房中部位置时经过充分发展，影响范围扩大，使得平面中部与右端风速较快。受风机射流影响，风机所处一侧风速明显快于另一侧。随风机风速的加快，主厂房内风速也加快，按入口风机风速由慢到快，4种工况下平面的平均流速分别为0.31、0.34、0.61、0.70m/s。其中在入口风机风速v=10m/s和v=15m/s工况下，平面流速分布以及平均流速数值相近，左端流场存在较大范围低速区域；
在v=20m/s和v=25m/s工况下，风速呈阶跃性加快，分布更为均匀，但在v=25m/s工况下，工作面上局部风速超过4m/s，而风速过快可能会导致感冒并激起尘土，对施工人员的健康和洞内空气质量状况造成不利影响。

图10为不同入口风机风速下主变洞1.5m高度的速度分布云图。由图10可以看出，主变洞内按入口风机风速由慢到快，4种工况下平面平均流速分别为0.09、0.10、0.15、0.19m/s。当风机风速v=10m/s和v=15m/s时，主变洞内存在较大范围的慢速区，通风效果较差；
当风机风速v=20m/s和v=25m/s时，洞内风速明显加快，流场分布趋于均匀。主变洞内工作面平均流速明显慢于主厂房内工作面平均流速，主要是由于入口风机布置在主厂房内与4#施工支洞交汇处附近，离主变洞较远，主变洞内通风流场受风机射流影响较小，那里由主变进风洞供给新鲜空气，以自然通风为主，因此主变洞内风速较慢。而由《水工建筑物地下开挖工程施工规范》中规定的0.15m/s的施工区域最慢风速可知，当风机风速为20m/s和25m/s时，主变洞内风速分布满足要求。

由以上分析可知，适当增大入口风机风速，能有效加快地下洞室群内气体流动速度和提高流场分布均匀程度，从而有效补充新鲜空气和促进污风排出，加快空气的置换速度，改善后续施工过程中洞室内空气质量状况，因此选取入口风机风速v=20m/s较为合适。

6 结 论

（1）现场实测数据与仿真值的对比表明，风速的平均相对误差为14.54%，证明了笔者建立的仿真模型的准确性。

（2）由数值模拟结果可知，现有通风方案下主厂房与主变洞均能由底部支洞补充新鲜空气，顶部支洞排出污风，实现洞内空气的置换。

（3）当入口风机风速为20m/s时，主厂房和主变洞工作面平均流速分别为0.61、0.15m/s，能达到良好的通风效果。

参考文献：

[1] 南春子，张文辉，赵晓，等.复杂洞室群施工期通风有害气体扩散数值模拟[J].清华大学学报（自然科学版），2014，54（8）：993-998.

[2] 樊启祥，李毅，王红彬，等.白鹤滩水电站超大型地下洞室群施工期通风技术探讨[J].水利水电技术，2018，49（9）：110-119.

[3] 洪坤，刘震，王晓玲，等.水电站地下厂房钻爆施工工作面粉尘运移模拟[J].水力发电学报，2016，35（2）：124-130.

[4] 马德萍，李艳玲，莫政宇，等.向家坝地下洞室群施工通风效果三维数值模拟[J].人民长江，2011，42（1）：29-32，53.

[5] 史俊杰，胡代清，郭建強，等.抽水蓄能电站地下厂房施工有毒有害气体运移规律及通风系统优化研究[J].水电能源科学，2018，36（12）：163-166.

[6] 赵晓，王瑞凯，张文辉，等.提高复杂洞室施工通风效率的措施与认识[J].长江科学院院报，2014，31（8）：117-121.

[7] 何坤，叶敏敏，李艳玲，等.交叉隧洞施工通风流场特性研究[J].四川大学学报（工程科学版），2014，46（增刊1）：20-25.

[8] 王晓玲，刘长欣，禹旺，等.基于混合LES/RANS方法的引水隧洞施工通风数值模拟[J].水利水电技术，2018，49（10）：93-99.

[9] 钟为，李艳玲，莫政宇，等.长大隧洞施工通风三维数值模拟及优化设计[J].人民黄河，2017，39（6）：121-124，129.

[10] 张恒，林放，孙建春.大型储油洞库群通风网络模型优化及计算分析[J].现代隧道技术，2016，53（6）：115-122.

[11] 邓祥辉，刘钊，刘钊春.两河口长隧道独头掘进压入式施工通风三维数值模拟[J].土木建筑与环境工程，2014，36（2）：35-41.

[12] 刘钊春.独头掘进隧道施工通风数值模拟[D].西安：西安理工大学，2010：15-24.

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

【责任编辑 赵宏伟】

猜你喜欢流场主变风速变电站隔离开关非全相合闸的分析电子乐园·下旬刊(2021年1期)2021-09-10一起主变送电引起多台主变跳闸的思考电力与能源系统学报·中旬刊(2020年1期)2020-06-30真实流场中换热管流体诱导振动特性研究振动工程学报(2019年2期)2019-05-132006—2016年平凉市风速变化特征分析现代农业科技(2018年11期)2018-08-14原州区近30年风的气候变化特征分析吉林农业(2018年10期)2018-06-07天然气化工管道设备的CFD模拟科技资讯(2018年35期)2018-03-11数值模拟在SCR烟气脱硝系统流场优化的应用研究世界家苑(2017年3期)2017-09-06220KV变压器低压侧异相两点接地分析科学与财富(2017年9期)2017-06-09风速概率分布对风电齿轮科学家(2016年3期)2016-12-30《函数》测试题中学生数理化·八年级数学人教版(2016年4期)2016-08-23

相关热词搜索： 通风 特性 地下