随着地下厂房的广泛使用，在大型水电工程建设中地下洞室群的开挖变得很普遍，而施工通风散烟则是地下洞室施工中的重要工序^[1]。通风效果不仅制约着整个施工进度，而且关系到工程施工质量和机械设备使用效率，影响施工人员的身体健康^[2]。传统的通风方案通常没有考虑到施工通风的历时性、阶段性等动态特征，风机使用效率低下，通风效果不佳^[3]。

国内外学者对水电站地下洞室群通风技术进行了大量的研究，近年来国外的研究主要集中在数值模拟方面^[4–10]，国内的学者则在数值模拟和通风方案优化方面作了大量的工作，赵艳亮等^[11]利用FORTRAN语言编制解算程序以解算风流要素，王晓玲等^[12]基于STAR-CD建立了独头引水隧洞压入式通风紊流3维k–ε数学模型，李艳玲等^[13]提出了融入系统仿真和数值模拟的通风方案优化模式，王洪涛等^[14]建立了k–ε涡黏性湍流模型。但目前基于现场实测数据对通风方案进行优化调整的研究并不多见，对洞内风流要素（风速、风温、粉尘浓度）的变化规律尚无明确认识，作者针对此问题展开了进一步研究。

黄金坪水电站左岸地下厂房调压室净空尺寸长261.4 m，宽23.7 m，高80.9 m，规模大，中部预留15 m厚的岩柱隔墙，将调压室分为1^#、2^#2个调压室。调压室作为1个独立的施工部位，本身未布置有相应的通风竖井和通风洞，而2期施工处于调压室开挖高峰期，通风任务和压力极大。故对调压室2期施工第Ⅶ层开挖施工期开展研究，借助FLUENT软件对洞室内的通风流场进行数值模拟，分析风机数量和位置选择的合理性，提出初步优化建议；结合通风方案，编制通风现场检测方案，根据现场检测结果，分析隧洞内风流要素的相互变化规律，为风机的布置、数量及启闭提供依据，进而对通风系统进行风量调节和优化。

1 初始通风方案设计

黄金坪水电站左岸地下厂房各洞室3维效果图见图1。

调压室二期为调压室1^#中层支洞、2^#中层支洞及闸室中部（第Ⅳ～Ⅹ层）开挖支护施工时期，此时闸室底部尚未与压力管道、引水隧洞贯通。施工期隧洞通风需达到以下3点要求：

1）供给洞内新鲜空气，保证氧含量不低于20%^[15]；

2）冲淡并排出洞内的有毒有害气体和粉尘，保证洞下风流的质量符合国家安全卫生标准，其中粉尘浓度不得超过10 mg/m^3[16–18]；

3）洞井内气温不宜超过28 ℃，风速应适宜，施工洞在全断面开挖时的最低风速应不低于0.15 m/s，分部开挖的坑道中最低风速应不低于0.25 m/s^[19]。

根据以上3点通风要求和地下洞室群开挖进度以及施工强度要求编制通风方案，通风设备配置如表1所示。

2 通风方案数值分析

基于计算流体动力学（CFD）理论，利用FLUENT软件构建数值计算模型，如图2所示。坐标原点设在1^#闸室边线短边的中点处，以闸室的长边为X轴，方向为大渡河的上游指向下游；以闸室的宽度为Y轴，方向为从压力管道指向引水隧洞；以闸室的高度为Z轴，方向为从闸室底部指向顶部。为使计算模型更符合现场实际，计算模型与洞室尺寸按1∶1等比例构建，全计算域的单元体个数175×10⁴个。

计算模型中边界条件以及气–固界面定义如下：

1）施工支洞、调压室洞壁和通风管壁均采用固壁条件，不同壁面采用不同的糙率系数。其中通风管壁采用金属管管壁，粗糙系数取0.011；调压室洞壁采用喷混凝土壁面，粗糙系数取为0.014。固体边界均采用壁面无滑移条件，即流体的速度等于壁面的速度（ ${{\mathit{\boldsymbol{v}}} _{{\text{壁面}}}} = 0$ ），且内部流场为受限流动。

2）调压室交通洞风机通风管进口设置为主进口条件，进口采用进气扇条件，根据通风方案风机启闭的数量和通风现场的检测来设置入口压力，总温和湍流参数。

3）调压室交通洞洞口断面设置为出口条件，出口采用压力出口边界条件，假定接入大气，在出口边界处设置静压和湍流参数。

洞内空气参数中气温设为20 ℃，通风量计算过程及结果如表2所示，洞内所需的总供风量Q₅=1 529 m³/min，由通风量和洞身尺寸在模型中可计算得到风速、风压参数。

2.1 通风方案及计算模型可行性分析

通过数值计算模型对调压室交通洞内特征点的风速进行模拟计算，与后续的现场检测结果进行对比分析，以检验本文所用的数学模型及数值计算方法的合理性及可行性，结果如表3所示。

从表3可见，风速实测值在HT5和HT15测点处存在明显的跃升，原因在于这两个测点正处于洞室的交叉处，风管的岔管漏风，导致实测值失真。剔除HT5与HT15测点分析发现，交通洞内的风速由洞内向洞外逐渐减低，数值模拟的结果与现场检测结果二者大致吻合，风速沿洞轴线降低的规律与实测结果相同，表明本文所用的数学模型与数值计算方法是合理和可行的。

对调压室交通洞出口断面的风流场进行数值模拟，将风速计算结果与安全技术要求对比，分析通风方案是否合理与可行，模拟结果如图3所示。

从图3中可以看出，断面最大风速为1.51 m/s，断面的速度分布除了一些边角地方速度较小外，其余的基本都大于规范规定值0.25 m/s，分布在0.25～1.51 m/s之间，断面平均风速满足通风安全技术要求，通风机布置方案是可行的。

2.2 通风方案初步优化分析

调压室二期施工开挖正处于高峰期，上层施工支洞已无法发挥其应有用途，且无后续通风需求，故考虑设置布帘将其封闭。对封闭上层施工支洞前后调压室通风流场的特性变化进行数值模拟，并分析在中隔墙处设置110 kW负压风机的必要性，优化通风方案。

2.2.1 封闭上层施工支洞前后通风流场变化分析

根据二期通风设计，调压室中隔墙的110 kW负压风机中速开启，55 kW射流风机中速开启和37 kW轴流风机低速开启，分别模拟调压室在上层施工支洞设置布帘封闭前后的通风流场，计算成果见图4、5。

从封闭前速度分布等值线图4可知，Y=0断面风速总体偏小，较大区域内的速度分布小于规范规定的洞内最小风速0.25 m/s，表明洞内施工环境较差，建议增大风机功率，加大风机供风量。

从图4、5分析可知，封闭上层施工支洞后，调压室风速有一定变化，但区别很小，对调压室通风流场影响不大，而封闭后地下洞室通风需求量会减小，可节省成本，故建议封闭已失去用途的上层施工支洞。

2.2.2 中隔墙处设置110 kW负压风机前后通风流场变化分析

通过数值模拟方法对比分析在中隔墙处设置110 kW的负压风机前后，交通洞与闸室连接处通风流场的变化特性，如图6所示。

由图6可知，负压风机设置后，除调压室左、右边壁受气流与壁面碰撞流向不规则外，其余部位气体基本均流向调压室交通洞，风流速度明显加快，原因是设置1台负压风机后增大了交通洞和调压室闸室内气体的压差，明显加快了调压室流向交通洞出口的风流速度。负压风机设置后明显改善了通风散烟效果，故原通风方案在中隔墙处设置110 kW负压风机是必要的。

3 通风现场检测及数据分析 3.1 现场检测方案

在调压室2期施工第Ⅶ层开挖期间，前后依次进行了4次现场检测，依据通风检测技术与方法，检测点选择在施工通道上的关键节点，如工作人员密集区、施工机械密集区、洞室交叉处、通风进出口等，详见通风检测点布置示意图7。

3.2 现场检测数据分析及优化建议

根据现场检测结果依次绘制洞内风流要素（风速、风温、粉尘浓度）沿洞轴线的变化规律，见图8。

3.2.1 第1次测试

主要检测调压室交通洞和2^#中层施工支洞洞内流场分布与粉尘浓度大小。从图8(a)分析发现，风速沿程由洞内向洞外逐渐降低，普遍都大于最小风速0.25 m/s，但风速偏低，分布在0.2～0.51 m/s之间。粉尘浓度在HT11测点达到最大值39.9 mg/m³，超过国家安全标准10 mg/m³，在洞口处迅速下降为4.6 mg/m³。以上情况表明洞室内风量不足，建议通过增加风机数量或加大风机转速，增大风机入口风速，保障施工人员与施工机械高效作业。

从变化规律来看，粉尘浓度随着风速的增大而减小，粉尘浓度随着温度的升高而增大，温度与风速的相关性不明显。

3.2.2 第2次测试

主要针对调压室1^#中层施工支洞风流变化特性。从图8(b)可见，交通洞内风速分布在0.21～3.4 m/s之间，风速变化梯度较大，随着风速的显著降低，粉尘浓度由洞口的2.8 mg/m³快速增长到HT6的113.4 mg/m³，且粉尘浓度的增加相较于风速的降低有一定时间的滞后性，该浓度已经超过标准十余倍。建议施工单位立即组织洒水车进行洒水作业，并开启射流风机加强洞内及局部死角位置的风流扰动，且适当增加风速，降低洞内风温，以保证有好的通风效果。

分析风流要素的变化规律发现，粉尘浓度、温度与风速呈负相关，粉尘浓度与温度的相关性不明显。

3.3.3 第3次测试

主要针对调压室交通洞、2^#中层施工支洞与2^#闸室洞内的风流参数变化特性。从图8(c)分析可知，风速沿程由洞内向洞外逐渐降低，在2^#支洞和2^#闸室的大部分区域里风速低于最小风速0.25 m/s，需在2^#支洞与2^#闸室交叉处布设射流风机，以加强局部风流流动。洞内的粉尘浓度在48.6～76.8 mg/m³，远远超过标准，表明仅靠洒水车洒水作业没能成功解决粉尘浓度超标的问题，故建议在调压室开挖平台和交通洞沿线布置水管，用于喷雾降尘。

分析风流要素的变化规律可知，粉尘浓度与温度呈现明显的正相关，温度、粉尘浓度与风速的相关性不明显。

3.3.4 第4次测试

第4次检测主要针对调压室交通洞、2^#中层施工支洞洞内的风流参数变化特性。从图8(d)分析可知，洞内温度基本没有超过规范规定的28 ℃，洞外风温在33 ℃以上，洞内外温差较大，最大达到6.9 ℃，有利于空气流通。洞内局部部位粉尘浓度最大达49.3 mg/m³，超过标准，故建议加强洒水作业。

分析风流要素的变化规律发现，粉尘浓度与温度呈正相关，温度、粉尘浓度与风速的相关性不明显。

3.3 现场检测结果分析

根据4次现场检测的结果分析可知，风速与粉尘浓度和风温呈明显的负相关关系，分析其原因如下：

在地下洞室群开挖施工中，使用的运输车辆主要采用燃油动力，而通风方式主要采用压入式通风，在局部通风效果不佳，洞内风速偏低时，烟尘等微小颗粒物质处于缓慢移动状态而无法有效排出，因此温度和粉尘浓度会同步升高，而当风速增加时，空气流通加快，洞内尘土等小颗粒物质和施工机械散发出的热量得以加速排出洞外，使得粉尘浓度和风温降低，故风速与粉尘浓度和风温呈明显的负相关关系，在实际工程中可利用此相关性，通过控制风速来有效降低洞室内的温度和粉尘浓度。

从实测风流要素沿程变化情况和风速、风温、粉尘浓度3要素的相关性分析，在本工程中，当洞室群内整体或局部区段风速低于0.5 m/s时，洞内温度基本都高于规范规定的28 ℃，粉尘浓度均大幅超过国家安全标准10 mg/m³，故针对本工程实际情况，为有效保证通风质量，建议地下洞室群在开挖时洞内风速应不低于0.5 m/s。

4 结　论

针对黄金坪水电站地下厂房调压室工程，开展施工期通风数值模拟与现场检测，主要结论如下：

1）数值模拟分析可得，在原有通风方案下调压室风速总体满足规范要求，但在洞室交叉等边角处风速偏小，因此建议在洞室交叉处增设负压风机和射流风机，并封闭已完工但会增加通风需求量的上层施工支洞，从现场实测结果来看，以上建议均取得了良好的效果，洞室边角处的风流速度明显加快，均达到了规范要求。

2）现场检测分析可知，洞室群风速总体满足规范要求，但在洞室开挖平台和交通洞交叉处粉尘浓度超标，因此建议在以上区域加强洒水作业和喷雾降尘，以改善通风散烟效果；分析风速、风温、粉尘浓度三要素的相关性可知，风速与粉尘浓度和风温呈明显的负相关关系，在实际工程中可利用此相关性，通过控制风速来有效降低洞室内的温度和粉尘浓度；从实测风流要素沿程变化情况来看，当洞室群内整体或局部区段风速低于0.5 m/s时，洞内温度基本都高于规范规定的28 ℃，粉尘浓度均大幅超过国家安全标准10 mg/m³，故针对本工程实际情况，为有效保证通风质量，建议本工程中地下洞室群在开挖时洞内风速应不低于0.5 m/s。

3）虽然CFD数值分析可以模拟出通风流场，反映一部分地下厂房施工通风环境，但从实测数据可以发现，现场通风环境复杂，各洞室交叉处通风流场很不稳定，局部区域通风效果不佳，因此建议在有条件的情况下，在施工现场增设风流要素实时检测点，根据检测结果对通风方案进行动态优化，以全方位保证通风质量。