馬家鋪泵站肘形進水流道模板制安施工技術

(湖南省開源水電建筑工程有限公司，湖南 常德 415000)

1 泵站肘形進水流的水力學要求

1.1 水力流道設計的關鍵內容

水力學模型試驗研究表明，在水利工程流道所處彎頭進水段，彎道水流的一個顯著特點是在流道形態變化的約束下，流道中縱向水流在前行過程中而對應產生的次生環流，有別于紊流流態，具有一定的水力學暈倒規律，與流道中主流線上的縱向水流結合成螺旋流，從而形成復雜的水流結構，迄今為止，水力學研究尚無通用數學物理方程式描述這種流態力學問題。

由圖1可見，彎道流道中的水流，因受彎道形體約束，彎道進流角度與直線流道不一致，可引起彎道內水流因次生環流而形成水體橫向震動，進而激發出水流質點剪切震動的橫向彈性波。對于泵站從水泵出口調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，其管內環流及由此形成的彎道內剪切波，將會引起流道有害震動，不利于流道工程穩定。

圖1 CFD模型計算的流道流速矢量圖

1.2 泵站進水漸變段彎道水力學要求

正因為上述彎道水流的復雜流態結構，以致水流在流道中不可避免地形成了動能損失，這種水頭損失是水利工程中不可小視的重要參數，決定著水電站、灌排泵站的需供水輸水能力，水電站的發電效益，船閘、泵站的充排水時間。

如果要有效消除彎道水流不利的水力學影響，在設計泵站漸變段流道時，須保證該段流道管壁各點均實現導數一致，類似于鐵道彎道的斜率統一，列車即可安全通行。這就要求在工程施工過程中，必須確保彎道各點上的斜率相等，流道管壁各個點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。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要求，從而對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要求。

2 馬家鋪泵站肘形進水流道工程特點

2.1 馬家鋪泵站概況

馬家鋪泵站以排澇為主，總裝機4×1250kW，泵站位于漢壽縣政府東北方4km處，工程建成后可分擔巖汪湖泵站的排澇壓力，從而解決城區內澇(見圖2)。馬家鋪泵站設計排澇面積71.989km2,工程等別Ⅲ等，水工建筑物由進水池、泵房、調壓井、出水箱涵、啟閉機房、出水池組成，主要機電和金屬結構安裝為電機、水泵、出水鋼管、啟閉機、閘門等。排澇標準20年一遇；進水池防洪水位27.64m，最高運行水位26.50m，最低運行水位25.00m；出水池防洪水位38.66m，最高運行水位36.00m，最低運行水位29.00m；最高凈揚程11.00m，最大揚程12.43m。泵站出水鋼管中心水位28.75m，調壓井及出水箱涵底板高程27.10m。

馬家鋪泵站主要建筑物級別為3級，次要建筑物工程級別為4級。出水箱混凝土箱涵為穿堤建筑物，根據《泵站設計規范》(GB 50265—2010)2.1.4條，泵站與堤身結合的建筑物，其級別不應低于堤防的級別，按不低于防洪堤工程等別確定，沅江堤防等級為Ⅰ級，出水箱涵等穿堤建筑物按1級建筑物設計。

2.2 泵站肘形進水流道的內部流場特征

肘形進水流道內，水流流動屬于邊截面的有壓管流特征，在其流動過程中，進水管處于3種典型斷面形式：收縮漸變段、彎管段、圓錐段。肘形進水管內水流總體上經歷了3種不同的流態：?在直線收縮段，水流流態平順，隨著過流斷面的收縮，肘形進水管中的流速逐漸增大；?在進入彎曲段后，水流表現為單向進水收縮形彎管流，水流受彎道管壁的約束，迅速改變為成90°方向，而且水流流速達到最大；在這個過程中，水流在內壁處的改變最為劇烈，內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側處，在此位置易于發生局部的脫流現象，從而形成彎道內彎處管壁的氣蝕；?在圓錐段，流道外側壁附近的水流由于慣性巨大作用效果，以致外側壁的流速遠遠高于內側壁的速度，在接近流道出口處，水流自行調整趨于平穩的均勻分布(見圖3)。

為由于肘形進水管與水輪泵葉輪室相連接，在整個進水流道中的水流屬于三維狀態下的定常流，在水泵轉速恒定的條件下，進水流道中的整體流態具有定常流態的總體流場特征。

3 肘形流道異型模板現場制作施工措施

通過分析水流工程流道的水力學要求和異型流道的內部流場特征，可以得出流道的設計與施工需要保證：水流在流道內的水流平順，盡可能避免對流道內壁產生局部壓力集中、流速異常增加、脫流汽蝕等有害流態，從而減少水頭損失，延長流道投入運行后的使用壽命。

在馬家鋪泵站肘形進水流道水利工程施工中，現場如何制作安裝符合設計形體與尺寸要求的、符合上述流道水力學要求的肘形木質模板，是具有復雜技術要求的施工技術組織與管理問題。為滿足設計與水力學要求，馬家鋪泵站肘形進水流道模板制作與安裝，采用了以下施工技術。

3.1 肘形進水流道模板選材控制

馬家鋪泵站關于肘形流道的設計要求為：結構采用C30混凝土，肘形進水管內徑水平投影總長7.8m，漸變收縮段內徑水平長5.9m，進水管內徑彎道水平投影長1.9m，出水口直徑1.6m。

對于該泵站肘形進水管形體的施工質量保證而言，其關鍵點在于肘形進水管道內壁空腔的形狀與尺寸，而保證內腔形狀與尺寸的關鍵在于肘形流道的內模形體和尺寸。欲保證內腔的形體和尺寸，關鍵則在于肘形流道內腔模板工程的質量控制。

正因為肘形流道由近似矩形進口連接漸變收縮段、再連接彎道漸變圓形流道，最后連接圓形出口，流道的整個漸變過程，需要內腔模板在選材上具有良好的柔韌性和強度，以抵抗流道混凝土鋪料和振搗產生的壓應力。解決這個問題可以選擇尋求廠商定制鋼模或現場制作模板，前者對于單一泵站而言，顯然不經濟，且耗時長難以滿足工期保證需求。

為了保證工期，馬家鋪泵站肘形進水流道模板選定采用現場制作，且選用木材制作木模。基于杉木具有易干燥、收縮小、易加工、耐久性好、柔軟性好、不易變形、強度適宜的材質特點，本泵站肘形進水流道模板選用木材制作。

3.2 肘形進水流道模板形體控制

肘形進水流道形體受流道內腔模板形體控制，因此，欲保證流道內水流平順的水力學總要求，根本的控制方案就是要確保內腔模板的形體符合流道的設計要求。現場制作的異型模板，在施工實際中很難完全實現設計要求，只能對施工技術進行精確控制，使異型模板不斷趨近于設計的要求。

馬家鋪泵站肘形進水流道，在水流方向是圓角矩形進口至漸變收縮段、彎道、圓形出口這三種截面的連續漸變過程。按照設計要求，流道流量為8m3/s，進出口總壓差為197Pa，流速均勻分布度為91.91%，彎道處速度的加權平均角度為89.931°(見圖4)。這也是模板工程的質量控制標準。為達到這個標準要求，模板現場制作采取了以下施工技術：

圖4 進水流道縱剖面圖

按照泵站進水流道沿水流方向的結構，現場模板制作按兩個分部5個獨立段進行。兩個分部為進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的比例獨立成型后，再進行連接。進口收縮漸變段長5.9m，彎道出口段長1.9m。

根據流道設計縱向剖面圖，將流道全程截取22個流道橫斷面，在該剖面圖上沿此22個斷面量取各個橫斷面的剖面長度，以此確定22個肋環的橫截面尺寸。

實心板芯的膠合板具有握螺釘力好、垂直板芯實木方向的抗彎壓強度高的優良特點，為保證各個肋環不變形，肋環選取膠合大芯板放樣裁取。為預防變形，環肋裁取成小塊，小塊間再用膠合板加強連接。各肋環在按設計間距弦長和切線角控制的條件下拼接成獨立段內芯模架，定型后，以杉木實木板條覆蓋模架外圍形成獨立段流道內模(見圖5)。

圖5 肘形進水流道肋環內模現場制作照片

3.3 肘形進水流道模板安裝控制

馬家鋪泵站肘形進水流道5個獨立段內模報驗合格后，待底板鋼筋制作完成，再現場對流道施工位置測量放線，并對流道裝模位置的鋼筋支撐用槽鋼進行加固，利用塔吊將5個獨立段內模吊裝至流道底板設計位置進行全模安裝。

安裝過程的施工技術控制體現在以下3個方面：?將進口漸變收縮段模板吊至設計位置，將模板中心線與流道底板中心線調整至重合；?將進口漸變收縮段模板肋環預留螺孔對準流道底板預埋螺桿，并將底板與該段模板的螺栓用螺帽旋轉完成連接；?吊裝彎道段獨立模板，對準彎道段首端與進口漸變收縮段末端的環肋預留螺孔，穿插螺桿、旋轉螺帽實現螺桿連接，從而將兩段異型模板連接成完整的肘形進口流道內模。

進口流道內模全程安裝到位后，現場測量確實符合內模中心線與設計中心線在三維坐標系中完全一致，采用CFD數學模型計算流線與流速的矢量分布,保證流道內壁符合設計模型的流場水力學特征。內模全程安裝完成經現場檢驗合格后，對外表面進行了膩子找平噴塑處理，從而實現了內模實木板條接縫嚴密，表面平順光滑，保證表面光潔度達到97%。

4 肘形流道混凝土施工技術

馬家鋪泵站進水肘形流道全程采用木模，整架流道內模自重輕，為防止在混凝土澆筑入倉鋪料的壓應力和澆筑振搗過程中的揚壓力作用下，整架內模位移跑模，在鋼筋混凝土施工過程中，實行入倉鋪料和混凝土振搗。

4.1 流道混凝土入倉鋪料控制

控制混凝土沿流道縱向在內模兩側交叉均勻入倉鋪料，以保證內模兩側靜壓力均衡，施工過程中，以每0.1m為限控制混凝土在內模兩側入倉高度，該入倉高度于鋼筋制安前在內模外表面上以粗記號筆畫線予以明顯標示，當流道縱向左側入倉混凝土達到0.1m高度時，則移至流道右側入倉混凝土也達到0.1m高度，再移至左側入倉0.1m，再移至右側入倉0.1m，如此交替入倉。

4.2 流道混凝土振搗控制

因為流道的水力學流場特征要求拆模后流道表面平整光滑，不得出現任何麻面、坑洞流，所以，流道混凝土內壁混凝土澆筑的核心控制內容是防止肘形進水流道內模位移和防止流道內壁混凝土蜂窩麻面。

為避免混凝土振搗產生的揚壓力招致流道內模位移，振搗施工須沿流道縱向在內模左右交替振搗，并掌握好振搗時間，每棒振搗時間控制在25s左右，防止過振，以免混凝土出現砂漿、骨料分層。

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

5 結 語

無論是水電站還是泵站工程，連接水輪機或水泵的是進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，以及流道內水體流動的流場水力學特征，決定了混凝土澆筑內模制作安裝施工技術的繁雜與精細。也正因為這些特征，導致不同水輪機或水泵進出水流流道的非重復定型性，所以，異型流道模板不具有重復使用周轉性，普遍需要現場制作與安裝特定水輪機或水泵的流道模板。馬家鋪泵站采用了現場制作與安裝肘形進水流道內模，澆筑的流道混凝土經拆模后，流道內壁混凝土光滑平順，無任何蜂窩麻面，將內壁實測參數輸入設計采用的CFD數學模型進行復核，結果表明制作流道模板時的流線尺寸與設計分析的流線和流速完全擬合。該泵站工程投入使用后，運行狀況良好，流道中未觀察到水錘現象。