长隧洞施工有毒有害气体迁移规律研究

胡代清 李根

摘要：目前在建抽蓄电站长隧洞的施工大多以爆破为主要开挖手段，爆破后产生的有毒有害气体给施工环境带来了较大的影响。基于大涡模拟（LES）数值方法，建立了施工长隧洞空气流动及不同气体组分输运的数值仿真模型，针对在建的安徽金寨抽蓄电站施工隧洞爆破后有毒有害气体迁移规律进行仿真计算。通过现场实测数据对数值计算模型可靠性进行了验证，得到了与实际较为吻合的气体浓度迁移变化规律。在此基础上，进一步模拟了不同通风速度和不同掘进深度下的有毒有害气体运移规律，预测了气体停留时间。研究成果对抽蓄电站地下施工隧洞通风设计和安全施工具有指导意义。

关 键 词：有毒有害气体; 迁移规律; 大涡模拟; 地下洞室施工; 抽蓄电站

抽蓄電站是世界公认的运行灵活而可靠的调峰电源。电网调峰削谷需要建设一定规模的抽蓄电站[1]。国内目前有多座抽蓄电站处于施工建设阶段，而电站大型地下洞室在施工期间大多选择爆破为主要开挖手段，炮烟、粉尘及汽车尾气等均属于有害物质，施工人员长时间暴露在这些气体下会损害身体健康，引发职业病等[2-3]。因此，对爆破后产生的有毒有害气体迁移规律进行研究具有重要意义。

目前对地下洞室有毒有害气体的迁移已经有了部分研究成果。南春子等采用组分输运模型模拟地下水封隧洞有害气体扩散，计算的有害气体浓度随时间变化曲线与实测值基本吻合，为组分输运模型的正确性提供了佐证[4];李翠平等模拟了烟流在三维洞室中的动态蔓延过程，进而揭示了烟流温度、浓度等在时间、空间上的演变，提出了烟流蔓延三维仿真模型[5]。针对地下洞室施工与否对有毒有害气体迁移扩散有很大影响，郑汝松等对有毒有害气体浓度变化进行了仿真分析，揭示了有毒有害气体的扩散规律[6];王敏等运用FLUENT模拟软件对地下洞室爆破后产生的有毒有害气体的迁移进行仿真实验，为通风设计提供了一些建议[7];王晓玲等建立了独头引水隧洞压入式通风紊流三维高雷诺数k-ε数学模型，分析了不同通风时刻掘进隧洞内CO迁移和分布规律，但没有对混合气体进行仿真模拟[8]。由于抽蓄电站地下洞室建筑结构复杂，建立准确的数学模型预测其地下施工洞室爆破后有毒有害气体的运移规律对水电站施工具有重要意义。

本文以在建安徽金寨抽蓄电站地下施工洞室为研究对象，对爆破后产生的有毒有害气体进行大涡模拟（LES） ，建立了地下厂房不同气体组分流动及输运的三维仿真模型。在验证模型可靠性的基础上，对不同通风条件和掘进深度情况下的气体运移规律进行计算分析。

4 结 论

抽蓄电站地下施工洞室有毒有害气体迁移规律的研究对水电站地下厂房正常施工具有重要意义。在本文对正在施工的金寨抽蓄电站有毒有害气体进行测量，并验证气体迁移数学模型准确的基础上，对不同风速和掘进洞深工况进行仿真分析，可以得到以下结论。

（1） 本文建立的抽蓄电站地下洞室有毒有害气体非稳态输运模型计算得到了与实测数据基本吻合的气体浓度扩散规律，可用于预测施工洞室有毒有害气体的迁移输运规律。

（2） 有毒有害气体在爆破后沿程迁移过程中峰值浓度逐渐下降，高浓度区域逐渐扩大。不同风速工况下，随着通风量的增大，有毒有害气体迁移速度随之增加，到达同一测点所需时间减小;气体峰值浓度越高，测点处气体持续时间越短。

（3） 不同掘进洞深情况下，掘进洞深越浅，有毒气体持续时间随风速的增加而下降较快;掘进深度较深时，持续时间受风速的影响减小。同一风速下，爆破后有毒有害气体迁移至洞口时间与掘进洞深呈线性正相关。

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（编辑：胡旭东）