高原地区水电站引水隧洞施工通风设计

高原地区水电站引水隧洞施工通风设计摘要:对西藏**电站引水隧洞施工通风量进行了计算、分析和布置，得出了高原地区水电站引水隧洞施工通风的一些共性特点。关键词:高原地区；引水隧洞；施工通风量计算；施工通风布置1、前言随着水电建设高峰来临，各地出现了一大批引水式电站，引水式电站施工有许多共同点，引水式电站引水隧洞大多很长，从5km～15km，其施工总工期往往由引水隧洞控制，大量工程实践说明，长引水隧洞独头掘进长度基本在1km～1.5km之间，施工通风一般采用风管式通风（无平行坑道作通风通道），风管式通风分为压入式、抽出式和混合式，由于引水隧洞往往具有纵坡小，断面不大等特点，而且高原地区洞内空气稀薄，应尽量避免柴油机械进洞，上述因素决定了高原地区引水隧洞施工采用有轨运输是快速施工的有效和合理的方案，而混合式通风的特点决定了其适合于有轨运输。**电站厂位于西藏自治区藏中地区，其引水隧洞全长5345.95m，为圆形断面，内径5.2m，进水口底板高程4425m，隧洞末端底板高程4340.00m，隧洞纵坡为1.59446%。根据地形地质条件，引水隧洞施工布置了3条施工支洞，其中1＃、2＃支洞间主洞长度为2169.90m，为引水隧洞施工的控制段，独头掘进最大长度1177m。设计采用风钻钻孔全断面开挖，有轨运输出渣，通风方案采用混合式通风。本工程地处海拔4300m以上，其需风量计算须做较大修正，而从出渣方式、掘进长度及通风方式等方面综合考虑，其施工通风设计具有一定的典型性，故本文以期通过本工程引水隧洞施工通风设计，得出一些高原水电站引水隧洞施工通风的共同结论。2、通风量计算2.1基本数据全断面钻孔爆破，设计最大开挖断面S＝32.17m2，循环进尺△L＝2.5m，炸药单耗量查定额得1.45kg/m3。一次爆破炸药总用量Q＝1.45×△L×S＝116.62kg。爆破炸药折合成CO体积B，一般采用40L/kg。2.2计算过程根据《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》（以下简称规范），地下建筑物开挖时需风量，应根据多方面要求分别计算并取最大值，即：Qr=max(Qr1,Qr2,Qr3,Qr4)式中：Qr1—满足供给洞内同时工作最大人数新鲜空气所需风量；Qr2—满足供洞内最小风速所需风量（即排尘风量）；Qr3—一次爆破后20min内将工作面有害气体排出或冲淡至容许浓度所需风量；Qr4—排除洞内柴油机械有害气体排出所需风量；由于本工程采用有轨运输，进洞柴油机械较少，故计算时可忽略Qr4，仅比较Qr1～Qr3。（1）按同时工作最大人数计算Qr1=Qpmk式中Qp为洞内单人所需新鲜空气，取3m3/min，m为同时工作最大人数，取80人，k为风量备用系数，取1.15，经计算，Qr1=276m3/min，规范同时规定，当洞井海拔高程在1000m以上时，施工人员需风量应乘以高程修正系数1.3～1.5，考虑到本工程高海拔的特点，高程修正系数取1.5，故，Qr1=414m3/min。（2）按最小风速计算Qr2=60vminS式中vmin为洞内允许最小风速，为0.15m/s，经计算，Qr2=290m3/min，因排尘所需风速不随高程改变，故规范规定最小风速需风量不作高程修正。（3）按爆破散烟计算本工程通风措施采用混合式，混合式通风的计算方法为先确定混合压入式的风量Qr3压，在此基础上乘一个1.2～1.25的系数作为混合吸出式的风量Qr3吸，故爆破散烟风量计算以压入式通风计算为基础。①压入式通风计算压入式爆破散烟需风量的理论及计算公式繁多，以前采用静态稀释理论进行估算，即Qr3=5QB/t此计算式仅考虑爆破药量及通风时间，而由于烟尘的排出过程不是单纯的稀释过程，爆破后稀释的同时有大量高浓度烟尘被风流卷走，导致此公式计算值往往偏大，其计算理论基本已淘汰。目前主流理论是烟尘的排出既有主风流的运移作用，又有风流紊流的扩散作用，散烟是两者的综合过程，根据以上原理，国内外众多科学家通过大量理论研究及实践证实推导出大量公式，其中最具代表性同时在我国交通、水电、采矿等部门应用也最多的是沃诺宁公式、穆斯铁立公式及矿井通风公式。(a)B.H.沃诺宁利用流体动力学理论解决通风过程的计算问题，使局部通风排出炮烟的过程得到了理论上的解释及论证，其公式如下（2-1）式中L1为炮烟抛出带长度，即压风管口风流能直接作用到炮烟上的最大距离，L1＝15＋Q/5＝38.3m，(b)矿井通风手册计算公式（俄文版）：（2-2）式中为淋水系数，取0.6。L2为临界长度，即从开挖面到稀释炮烟到安全浓度的距离，当开挖长度L≤L2时，采用L，反之则采用L2。临界长度，式中K为紊流扩散系数，与风洞口距工作面长度及风洞直径有关，取0.67，故＝。p为风管漏风系数，，为风管平均漏风率，取0.013。(c)П.и.穆斯铁立在染色体水力模型试验中算出了压入式通风计算公式：（2-3）（2-3）式中各参数含义与式（2-2）相同。通过分析以上三式可知，（2-1）式通风量为常数，（2-2）式及（2-3）式在其他条件一定的情况下，将通风量表达为漏风系数p的函数，而p又是开挖深度L的函数，故随着开挖深度增加，漏风率是变化的，因此需风量也是变化的，据以上三式计算需风量见表1及图1：不同公式需风量计算表1通风长度L（mm）漏风系数p需风量（m3//min）穆斯铁立沃诺宁通风手册2001.0279272195074001.05413112197916001.082160521910198001.1101854219121310001.1402072219138312001.1702270219153514001.2012452219167116001.2332621219179518001.2662781219190920001.29928012191894不同公式计算需风量比较图1据上图分析可知，沃诺宁公式计算需风量为常数219m3/min，通过与以往同类型工程需风量进行类比发现，其结果比较合理，其余两个公式虽然需风量随开挖深度增加而增大，但结果远大于沃诺宁公式计算值，需风量偏大，究其原因是漏风系数p所决定，p将漏风系数表达为开挖长度（相应即风管长度）的函数，风管越长，漏风量越大，需风量也就越大，但对于混合式通风来说，由于没有柴油机械沿程排放，故乏气不会污染工作面以外洞身，排风散烟主要针对工作面炮烟，需风量受风管长度的影响不大，这与沃诺宁公式的计算原理是一致的，《施工组织设计手册》对混合式通风也推荐采用沃诺宁公式，根据以上考虑，本工程爆破散烟需风量采用沃诺宁公式。即Qr3压=219m3/min。②吸出式通风计算Qr3吸=1.25×Qr3压=1.25×219＝274m3/min。③散烟总通风计算Qr3=Qr3压＋Qr3吸=493m3/min。按规范规定，当洞井海拔高程在1000m以上时，爆破散烟需风量应除以高程修正系数，查高程修正系数表可知高程修正系数为0.62，故，Qr3=795m3/min。经比较，Qr3大于Qr1及Qr2，故本工程需风量Qr=Qr3=795m3/min。3、通风布置通风设备布置采用长压短抽—前压后抽方式，压风管口距离工作面10m，抽风管口距离工作面30m，风机均采用MFA90P2-SC44双级对旋式轴流风机，风量可分两级提供，最大风量1000m3/min，功率37×2kw，由于抽风机布置在洞内，风管均可采用600mm柔性风管，由于炮烟的热效应作用，压风管布置在下方，抽风管布置在顶拱，布置见图2所示。4、结语（1）混合式通风是中小断面长独头隧洞有轨运输通风的有效手段。对于有轨运输来说，由于进洞柴油机械少，故隧洞沿程空气污染不大，乏气不会污染工作面以外洞身，施工通风重点是爆破散烟，而混合式通风原理就是主要针对工作面炮烟有害气体，故有轨运输采用混合式通风更能体现其优越性。隧洞通风布置示意图图2（2）对高海拔地区，人员需风量及散烟需风量须作较大修正，