馬家鋪泵站肘形進(jìn)水流道模板制安施工技術(shù)

(湖南省開(kāi)源水電建筑工程有限公司，湖南 常德 415000)

1 泵站肘形進(jìn)水流的水力學(xué)要求

1.1 水力流道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容

水力學(xué)模型試驗(yàn)研究表明，在水利工程流道所處彎頭進(jìn)水段，彎道水流的一個(gè)顯著特點(diǎn)是在流道形態(tài)變化的約束下，流道中縱向水流在前行過(guò)程中而對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的次生環(huán)流，有別于紊流流態(tài)，具有一定的水力學(xué)暈倒規(guī)律，與流道中主流線上的縱向水流結(jié)合成螺旋流，從而形成復(fù)雜的水流結(jié)構(gòu)，迄今為止，水力學(xué)研究尚無(wú)通用數(shù)學(xué)物理方程式描述這種流態(tài)力學(xué)問(wèn)題。

由圖1可見(jiàn)，彎道流道中的水流，因受彎道形體約束，彎道進(jìn)流角度與直線流道不一致，可引起彎道內(nèi)水流因次生環(huán)流而形成水體橫向震動(dòng)，進(jìn)而激發(fā)出水流質(zhì)點(diǎn)剪切震動(dòng)的橫向彈性波。對(duì)于泵站從水泵出口調(diào)壓井至橫臥出水箱涵之間的連接漸變段，在形體上就是出水水流的彎道流道，其管內(nèi)環(huán)流及由此形成的彎道內(nèi)剪切波，將會(huì)引起流道有害震動(dòng)，不利于流道工程穩(wěn)定。

圖1 CFD模型計(jì)算的流道流速矢量圖

1.2 泵站進(jìn)水漸變段彎道水力學(xué)要求

正因?yàn)樯鲜鰪澋浪鞯膹?fù)雜流態(tài)結(jié)構(gòu)，以致水流在流道中不可避免地形成了動(dòng)能損失，這種水頭損失是水利工程中不可小視的重要參數(shù)，決定著水電站、灌排泵站的需供水輸水能力，水電站的發(fā)電效益，船閘、泵站的充排水時(shí)間。

如果要有效消除彎道水流不利的水力學(xué)影響，在設(shè)計(jì)泵站漸變段流道時(shí)，須保證該段流道管壁各點(diǎn)均實(shí)現(xiàn)導(dǎo)數(shù)一致，類似于鐵道彎道的斜率統(tǒng)一，列車即可安全通行。這就要求在工程施工過(guò)程中，必須確保彎道各點(diǎn)上的斜率相等，流道管壁各個(gè)點(diǎn)的曲率與流道中的主流方向一致而平順均勻，將水流阻力損失減至最小狀態(tài)。因此，漸變段彎道異型模板的制作與安裝，必須盡可能擬合彎道的水力學(xué)要求，從而對(duì)鋼筋混凝土彎道異型模板制安提出了高于其他形體模板的技術(shù)要求。

2 馬家鋪泵站肘形進(jìn)水流道工程特點(diǎn)

2.1 馬家鋪泵站概況

馬家鋪泵站以排澇為主，總裝機(jī)4×1250kW，泵站位于漢壽縣政府東北方4km處，工程建成后可分擔(dān)巖汪湖泵站的排澇壓力，從而解決城區(qū)內(nèi)澇(見(jiàn)圖2)。馬家鋪泵站設(shè)計(jì)排澇面積71.989km2,工程等別Ⅲ等，水工建筑物由進(jìn)水池、泵房、調(diào)壓井、出水箱涵、啟閉機(jī)房、出水池組成，主要機(jī)電和金屬結(jié)構(gòu)安裝為電機(jī)、水泵、出水鋼管、啟閉機(jī)、閘門等。排澇標(biāo)準(zhǔn)20年一遇；進(jìn)水池防洪水位27.64m，最高運(yùn)行水位26.50m，最低運(yùn)行水位25.00m；出水池防洪水位38.66m，最高運(yùn)行水位36.00m，最低運(yùn)行水位29.00m；最高凈揚(yáng)程11.00m，最大揚(yáng)程12.43m。泵站出水鋼管中心水位28.75m，調(diào)壓井及出水箱涵底板高程27.10m。

馬家鋪泵站主要建筑物級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物工程級(jí)別為4級(jí)。出水箱混凝土箱涵為穿堤建筑物，根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50265—2010)2.1.4條，泵站與堤身結(jié)合的建筑物，其級(jí)別不應(yīng)低于堤防的級(jí)別，按不低于防洪堤工程等別確定，沅江堤防等級(jí)為Ⅰ級(jí)，出水箱涵等穿堤建筑物按1級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。

2.2 泵站肘形進(jìn)水流道的內(nèi)部流場(chǎng)特征

肘形進(jìn)水流道內(nèi)，水流流動(dòng)屬于邊截面的有壓管流特征，在其流動(dòng)過(guò)程中，進(jìn)水管處于3種典型斷面形式：收縮漸變段、彎管段、圓錐段。肘形進(jìn)水管內(nèi)水流總體上經(jīng)歷了3種不同的流態(tài)：?在直線收縮段，水流流態(tài)平順，隨著過(guò)流斷面的收縮，肘形進(jìn)水管中的流速逐漸增大；?在進(jìn)入彎曲段后，水流表現(xiàn)為單向進(jìn)水收縮形彎管流，水流受彎道管壁的約束，迅速改變?yōu)槌?0°方向，而且水流流速達(dá)到最大；在這個(gè)過(guò)程中，水流在內(nèi)壁處的改變最為劇烈，內(nèi)壁處的流速大于外壁上的速度，流速最大值和壓力最小值處于彎道管壁的內(nèi)側(cè)處，在此位置易于發(fā)生局部的脫流現(xiàn)象，從而形成彎道內(nèi)彎處管壁的氣蝕；?在圓錐段，流道外側(cè)壁附近的水流由于慣性巨大作用效果，以致外側(cè)壁的流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于內(nèi)側(cè)壁的速度，在接近流道出口處，水流自行調(diào)整趨于平穩(wěn)的均勻分布(見(jiàn)圖3)。

為由于肘形進(jìn)水管與水輪泵葉輪室相連接，在整個(gè)進(jìn)水流道中的水流屬于三維狀態(tài)下的定常流，在水泵轉(zhuǎn)速恒定的條件下，進(jìn)水流道中的整體流態(tài)具有定常流態(tài)的總體流場(chǎng)特征。

3 肘形流道異型模板現(xiàn)場(chǎng)制作施工措施

通過(guò)分析水流工程流道的水力學(xué)要求和異型流道的內(nèi)部流場(chǎng)特征，可以得出流道的設(shè)計(jì)與施工需要保證：水流在流道內(nèi)的水流平順，盡可能避免對(duì)流道內(nèi)壁產(chǎn)生局部壓力集中、流速異常增加、脫流汽蝕等有害流態(tài)，從而減少水頭損失，延長(zhǎng)流道投入運(yùn)行后的使用壽命。

在馬家鋪泵站肘形進(jìn)水流道水利工程施工中，現(xiàn)場(chǎng)如何制作安裝符合設(shè)計(jì)形體與尺寸要求的、符合上述流道水力學(xué)要求的肘形木質(zhì)模板，是具有復(fù)雜技術(shù)要求的施工技術(shù)組織與管理問(wèn)題。為滿足設(shè)計(jì)與水力學(xué)要求，馬家鋪泵站肘形進(jìn)水流道模板制作與安裝，采用了以下施工技術(shù)。

3.1 肘形進(jìn)水流道模板選材控制

馬家鋪泵站關(guān)于肘形流道的設(shè)計(jì)要求為：結(jié)構(gòu)采用C30混凝土，肘形進(jìn)水管內(nèi)徑水平投影總長(zhǎng)7.8m，漸變收縮段內(nèi)徑水平長(zhǎng)5.9m，進(jìn)水管內(nèi)徑彎道水平投影長(zhǎng)1.9m，出水口直徑1.6m。

對(duì)于該泵站肘形進(jìn)水管形體的施工質(zhì)量保證而言，其關(guān)鍵點(diǎn)在于肘形進(jìn)水管道內(nèi)壁空腔的形狀與尺寸，而保證內(nèi)腔形狀與尺寸的關(guān)鍵在于肘形流道的內(nèi)模形體和尺寸。欲保證內(nèi)腔的形體和尺寸，關(guān)鍵則在于肘形流道內(nèi)腔模板工程的質(zhì)量控制。

正因?yàn)橹庑瘟鞯烙山凭匦芜M(jìn)口連接漸變收縮段、再連接彎道漸變圓形流道，最后連接圓形出口，流道的整個(gè)漸變過(guò)程，需要內(nèi)腔模板在選材上具有良好的柔韌性和強(qiáng)度，以抵抗流道混凝土鋪料和振搗產(chǎn)生的壓應(yīng)力。解決這個(gè)問(wèn)題可以選擇尋求廠商定制鋼?；颥F(xiàn)場(chǎng)制作模板，前者對(duì)于單一泵站而言，顯然不經(jīng)濟(jì)，且耗時(shí)長(zhǎng)難以滿足工期保證需求。

為了保證工期，馬家鋪泵站肘形進(jìn)水流道模板選定采用現(xiàn)場(chǎng)制作，且選用木材制作木模?；谏寄揪哂幸赘稍?、收縮小、易加工、耐久性好、柔軟性好、不易變形、強(qiáng)度適宜的材質(zhì)特點(diǎn)，本泵站肘形進(jìn)水流道模板選用木材制作。

3.2 肘形進(jìn)水流道模板形體控制

肘形進(jìn)水流道形體受流道內(nèi)腔模板形體控制，因此，欲保證流道內(nèi)水流平順的水力學(xué)總要求，根本的控制方案就是要確保內(nèi)腔模板的形體符合流道的設(shè)計(jì)要求。現(xiàn)場(chǎng)制作的異型模板，在施工實(shí)際中很難完全實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，只能對(duì)施工技術(shù)進(jìn)行精確控制，使異型模板不斷趨近于設(shè)計(jì)的要求。

馬家鋪泵站肘形進(jìn)水流道，在水流方向是圓角矩形進(jìn)口至漸變收縮段、彎道、圓形出口這三種截面的連續(xù)漸變過(guò)程。按照設(shè)計(jì)要求，流道流量為8m3/s，進(jìn)出口總壓差為197Pa，流速均勻分布度為91.91%，彎道處速度的加權(quán)平均角度為89.931°(見(jiàn)圖4)。這也是模板工程的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。為達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求，模板現(xiàn)場(chǎng)制作采取了以下施工技術(shù)：

圖4 進(jìn)水流道縱剖面圖

按照泵站進(jìn)水流道沿水流方向的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)模板制作按兩個(gè)分部5個(gè)獨(dú)立段進(jìn)行。兩個(gè)分部為進(jìn)口收縮漸變段分部和彎道出口段分部，各分部段在制作間按1∶1的比例獨(dú)立成型后，再進(jìn)行連接。進(jìn)口收縮漸變段長(zhǎng)5.9m，彎道出口段長(zhǎng)1.9m。

根據(jù)流道設(shè)計(jì)縱向剖面圖，將流道全程截取22個(gè)流道橫斷面，在該剖面圖上沿此22個(gè)斷面量取各個(gè)橫斷面的剖面長(zhǎng)度，以此確定22個(gè)肋環(huán)的橫截面尺寸。

實(shí)心板芯的膠合板具有握螺釘力好、垂直板芯實(shí)木方向的抗彎壓強(qiáng)度高的優(yōu)良特點(diǎn)，為保證各個(gè)肋環(huán)不變形，肋環(huán)選取膠合大芯板放樣裁取。為預(yù)防變形，環(huán)肋裁取成小塊，小塊間再用膠合板加強(qiáng)連接。各肋環(huán)在按設(shè)計(jì)間距弦長(zhǎng)和切線角控制的條件下拼接成獨(dú)立段內(nèi)芯模架，定型后，以杉木實(shí)木板條覆蓋模架外圍形成獨(dú)立段流道內(nèi)模(見(jiàn)圖5)。

圖5 肘形進(jìn)水流道肋環(huán)內(nèi)?，F(xiàn)場(chǎng)制作照片

3.3 肘形進(jìn)水流道模板安裝控制

馬家鋪泵站肘形進(jìn)水流道5個(gè)獨(dú)立段內(nèi)模報(bào)驗(yàn)合格后，待底板鋼筋制作完成，再現(xiàn)場(chǎng)對(duì)流道施工位置測(cè)量放線，并對(duì)流道裝模位置的鋼筋支撐用槽鋼進(jìn)行加固，利用塔吊將5個(gè)獨(dú)立段內(nèi)模吊裝至流道底板設(shè)計(jì)位置進(jìn)行全模安裝。

安裝過(guò)程的施工技術(shù)控制體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：?將進(jìn)口漸變收縮段模板吊至設(shè)計(jì)位置，將模板中心線與流道底板中心線調(diào)整至重合；?將進(jìn)口漸變收縮段模板肋環(huán)預(yù)留螺孔對(duì)準(zhǔn)流道底板預(yù)埋螺桿，并將底板與該段模板的螺栓用螺帽旋轉(zhuǎn)完成連接；?吊裝彎道段獨(dú)立模板，對(duì)準(zhǔn)彎道段首端與進(jìn)口漸變收縮段末端的環(huán)肋預(yù)留螺孔，穿插螺桿、旋轉(zhuǎn)螺帽實(shí)現(xiàn)螺桿連接，從而將兩段異型模板連接成完整的肘形進(jìn)口流道內(nèi)模。

進(jìn)口流道內(nèi)模全程安裝到位后，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量確實(shí)符合內(nèi)模中心線與設(shè)計(jì)中心線在三維坐標(biāo)系中完全一致，采用CFD數(shù)學(xué)模型計(jì)算流線與流速的矢量分布,保證流道內(nèi)壁符合設(shè)計(jì)模型的流場(chǎng)水力學(xué)特征。內(nèi)模全程安裝完成經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)合格后，對(duì)外表面進(jìn)行了膩?zhàn)诱移絿娝芴幚?，從而?shí)現(xiàn)了內(nèi)模實(shí)木板條接縫嚴(yán)密，表面平順光滑，保證表面光潔度達(dá)到97%。

4 肘形流道混凝土施工技術(shù)

馬家鋪泵站進(jìn)水肘形流道全程采用木模，整架流道內(nèi)模自重輕，為防止在混凝土澆筑入倉(cāng)鋪料的壓應(yīng)力和澆筑振搗過(guò)程中的揚(yáng)壓力作用下，整架內(nèi)模位移跑模，在鋼筋混凝土施工過(guò)程中，實(shí)行入倉(cāng)鋪料和混凝土振搗。

4.1 流道混凝土入倉(cāng)鋪料控制

控制混凝土沿流道縱向在內(nèi)模兩側(cè)交叉均勻入倉(cāng)鋪料，以保證內(nèi)模兩側(cè)靜壓力均衡，施工過(guò)程中，以每0.1m為限控制混凝土在內(nèi)模兩側(cè)入倉(cāng)高度，該入倉(cāng)高度于鋼筋制安前在內(nèi)模外表面上以粗記號(hào)筆畫線予以明顯標(biāo)示，當(dāng)流道縱向左側(cè)入倉(cāng)混凝土達(dá)到0.1m高度時(shí)，則移至流道右側(cè)入倉(cāng)混凝土也達(dá)到0.1m高度，再移至左側(cè)入倉(cāng)0.1m，再移至右側(cè)入倉(cāng)0.1m，如此交替入倉(cāng)。

4.2 流道混凝土振搗控制

因?yàn)榱鞯赖乃W(xué)流場(chǎng)特征要求拆模后流道表面平整光滑，不得出現(xiàn)任何麻面、坑洞流，所以，流道混凝土內(nèi)壁混凝土澆筑的核心控制內(nèi)容是防止肘形進(jìn)水流道內(nèi)模位移和防止流道內(nèi)壁混凝土蜂窩麻面。

為避免混凝土振搗產(chǎn)生的揚(yáng)壓力招致流道內(nèi)模位移，振搗施工須沿流道縱向在內(nèi)模左右交替振搗，并掌握好振搗時(shí)間，每棒振搗時(shí)間控制在25s左右，防止過(guò)振，以免混凝土出現(xiàn)砂漿、骨料分層。

從類矩形進(jìn)口過(guò)渡到流道橫向截面逐漸收縮、過(guò)渡到長(zhǎng)為1.9m的且加權(quán)平均角度89.931°的彎道、過(guò)渡到φ1.6m的圓形出口，流道內(nèi)模外壁每一位點(diǎn)均為弧形或曲面，混凝土在這種約束條件下的倉(cāng)內(nèi)平倉(cāng)振搗特別需要控制振搗的施工工藝，不得以平倉(cāng)代替振搗，平倉(cāng)過(guò)程中不得用振搗器長(zhǎng)距離趕料，避免大骨料沿振動(dòng)棒錐體隨機(jī)下滑形成混凝土蜂窩。移動(dòng)振動(dòng)棒的間距[1]控制以其1.5倍作用為限，并留有與內(nèi)模外壁5～10cm的距離。振搗過(guò)程中，根據(jù)曲面模板的角度不同調(diào)整振搗棒的插入角度，盡量平行模板，保證不留死角，嚴(yán)防漏振產(chǎn)生氣泡。

5 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)論是水電站還是泵站工程，連接水輪機(jī)或水泵的是進(jìn)水流道還是出水流道，蝸殼具有的橫截面逐漸收縮與彎道的異型特征，以及流道內(nèi)水體流動(dòng)的流場(chǎng)水力學(xué)特征，決定了混凝土澆筑內(nèi)模制作安裝施工技術(shù)的繁雜與精細(xì)。也正因?yàn)檫@些特征，導(dǎo)致不同水輪機(jī)或水泵進(jìn)出水流流道的非重復(fù)定型性，所以，異型流道模板不具有重復(fù)使用周轉(zhuǎn)性，普遍需要現(xiàn)場(chǎng)制作與安裝特定水輪機(jī)或水泵的流道模板。馬家鋪泵站采用了現(xiàn)場(chǎng)制作與安裝肘形進(jìn)水流道內(nèi)模，澆筑的流道混凝土經(jīng)拆模后，流道內(nèi)壁混凝土光滑平順，無(wú)任何蜂窩麻面，將內(nèi)壁實(shí)測(cè)參數(shù)輸入設(shè)計(jì)采用的CFD數(shù)學(xué)模型進(jìn)行復(fù)核，結(jié)果表明制作流道模板時(shí)的流線尺寸與設(shè)計(jì)分析的流線和流速完全擬合。該泵站工程投入使用后，運(yùn)行狀況良好，流道中未觀察到水錘現(xiàn)象。