貫流式水輪機尾水流道模板設計與效果

賈海偉JIA Hai-wei

（中國水利水電第十二工程局有限公司，杭州 310011）

1 工程概況

江西省峽江水利樞紐以調洪、電力、航道運輸為主、兼顧灌溉、供水、調節等綜合作用。樞紐電站共裝機9臺燈泡貫流式機組，總裝機容量為360MW。東電燈泡貫流式水輪機進水口基礎高程EL14.05m，頂部高程EL31.55m，垂直高度17.50m，尾水出口高程EL16.0m尾水流道呈喇叭口形狀，長25.671m，上游側喇叭口徑11.704m，下游出口垂直高度13.60m，機組安裝高程EL22.8m，從上游到下游依次為發電機、水輪機等。

2 流道模板結構設計

2.1 流道模板基本參數

流道模板的后部支撐主要由龍骨和鋼管楞構成，支撐模板的龍骨由方木組件組合而成，截面50×100mm，基本構件為三角體，龍骨間距400mm。支撐龍骨木楞的鋼管楞用兩根φ48鋼管組成，即鋼管鋼楞組裝成墻身模板時，由穿墻螺栓把墻體龍骨模板拉結牢固，每個穿螺墻栓成為鋼管鋼楞組成的支點，水平間距500。流道模板組裝見圖1（流道模板為漸變圓弧，以第三層EL19.0~22.0計算，所有參數均為最大值）。

圖1 流道模板組裝示意圖

穿墻螺栓水平間距50cm，穿墻螺栓豎向間距50cm，直徑1.2cm。面板板厚h=1.5cm，彈性模量值E=6000N/mm2，面板抗彎強度13N/mm2。抗剪強度設計值[v]=1.5N/mm2。

2.2 流道模板荷載標準值計算

流道模板強度的復核主要校核新澆筑混凝土給模板的側壓力和傾倒混凝土過程中產生的荷載作用，其撓度復核時只分析新澆混凝土給模板的側壓。按照JGJ162-2008《建筑施工模板安全技術規范》第4.1.1條，給出了新澆筑混凝土過程中對模板側壓計算方式：

新澆筑混凝土側壓取值為下公式計算得到較小者：

其中γc——為混凝土的重力密度，取24.50kN/m3；to——為新澆筑混凝土初凝時間（h按實際確定。沒有記錄數據時，采用to=200/（T+15）算（T為混凝土的溫度）取4.25h；T——為混凝土的入模溫度，取32.00℃；V——為混凝土澆筑時的速度，取1.20m/h；H——混凝土對模板側壓計算部位至新澆筑混凝土頂總高度，h=0.22×4.25×1.15×1.0×（1.2）1/2=1.178m取1.2m；β1——鋼管加劑對整體影響的修正系數（不摻加劑取值1.0，摻緩凝的鋼管加劑值取1.2），摻有粉煤灰和高效減水劑，取1.2；β2——混凝土坍落度的影響修正數（坍落度小于3cm時，取0.85；5～9cm時，取1.0；11～15cm時，取1.15）。

根據公式得到的新澆筑混凝土對模板側壓標準值F=0.22×24.5×4.25×1.2×1.0×（1.2）1/2=30.113kN/m2；F=γc×H=29.4kN/m2取F=29.4kN/m2；實際驗算采用新澆混凝土對模板側壓力標準值F=29.4kN/m2；采用串筒入模時，混凝土下料過程中產生的水平荷載取F1=2.0kN/m2；砼振搗對模板產生的側壓力按F2=3.5kN/m2考慮。

新澆筑砼時對側模板壓力荷載分項系數為1.2。

振搗混凝土時產生的水平荷載分項系數為1.3。

2.3 流道木模面板計算

流道模板板面是受彎結構，施工時需要驗算模板的抗彎強度和剛度。按照最薄弱環節，以第三層EL19.0~22.0進行計算，支撐在龍骨上的3跨看作連續梁，進行應力計算，詳見圖2。

圖2 面板計算應力圖

2.3.1 抗彎強度計算

上式中f——抗彎強度的計算數值（N/mm2）；M——最大彎距的數值（N·mm）；W——面板的凈截面抵抗矩，W=60.00×1.50×1.50/6=22.5cm3=22500mm3；[f]——抗彎強度的設計取值（N/mm2），[f]=13N/mm2。

上式中q——模板上的側壓力，它包括：新澆混凝土對模板側壓力設計值，q1=1.2×0.40×0.9×29.40=12.701kN/m；傾倒混凝土側壓力設計值，q2=1.3×0.40×0.9×2.00=0.936 kN/m；q=12.701+0.936=13.637kN/m；l——計算跨度（龍骨龍骨間距），l=40cm；M=ql2/10=（13.637×4002）/10=2.1819×105N/mm2；面板受力時的抗彎強度設計值[f]=13.000N/mm2；經計算得到，抗彎強度計算數值：f=M/W=（2.1819×105）/22500=9.697N/mm2；受力時的抗彎強度計算值<[f]，滿足要求！

2.3.2 抗剪強度驗算

計算式如下：∨=0.6ql；上式中，∨——面板受力計算最大剪力（N）；l——計算跨度值（豎楞距離）：l=500.0mm；q——模板的側壓力線受力，其包括如下：新澆筑混凝土對模板側壓設計值，q1=1.2×0.40×0.929.40=12.701kN/m；傾倒混凝土側壓力設計值，q2=1.3×0.40×0.9×2.00=0.936kN/m；q=12.701+0.936=13.637kN/m；模板板面最大的剪力值：V=0.6×13.637×500=4091.1N；模板截面的抗剪強度值須符合：T=3V/（2b hn）≤fv；其中，T——為截面最大的受剪力（N/mm2）；V——為面板計算的最大剪力（N）：V=4091.1N；b--為構件截面寬度（mm）：b=500mm；hn——板面板厚（mm）：hn=15.0mm；fv——為面板抗剪強度的設計值（N/mm2）：fv=1.500N/mm2；模板面板截面最大剪力計算得值：T=3×4091.1/（2×500×15.0）=0.8182N/mm2；模板面板截面的抗剪強度的設計值：[fv]=1.500N/mm2；模板面板截面的最大剪力計算值T=0.0.8182N/mm2<截面抗剪強度的設計值[T]=1.5N/mm2，滿足規范要求！

2.4 龍骨楞的計算

龍骨直接承受模板受力時傳遞的荷載作用，流道龍骨為三角形組成的衍架，以均布受力荷載的3跨連續梁作為單元驗算。流道龍骨采用木楞，木楞截面的慣性矩（I）和截面抵抗矩（W）分別為：W=5.00×10.002/6=83.34cm3；I=5.00×10.003/12=416.67cm4。

2.4.1 龍骨的抗彎強度驗算

龍骨跨中最大彎矩按下式計算：M=0.1ql2；其中，M——龍骨跨中計算得最大彎距（N·mm）；l——跨度取值：l=400.0mm；q——在龍骨上的線荷載，其包括：新澆筑混凝土對構件側壓設計值q1=1.2×29.4×0.40×0.90=12.701kN/m；傾倒混凝土對構件側壓設計值q2=1.3×2.00×0.40×0.90=0.936kN/m，0.9為折減系數。q=12.701+0.936=13.637kN/m；龍骨最大彎距值：M=0.1×13.637×400.0×400.0=2.182×105N·mm；龍骨的抗彎強度值應符合要求：σ=M/W

2.4.2 模板龍骨的抗剪強度驗算

模板龍骨最大的剪力以均布荷載下的3跨連續梁進行復核，計算式如下：∨=0.6ql

式中，V——龍骨承受最大剪力；l——計算跨度（鋼管間距）：l=500.0mm；q——龍骨上線荷載，其包括：新澆混凝土對構件側壓力設計q1=1.2×29.4×0.20×0.90=6.351kN/m；傾倒混凝土對構件側壓設計值q2=1.3×2.00×0.20×0.90=0.468kN/m，式中，0.9是折減系數。

龍骨的最大剪力：V=0.6×6.351×500.0=1905.3N；構件截面的抗剪強度須滿足下式：T=3V/（2b hn）≤fv

式中，T--截面最大的受剪應力值（N/mm2）；V——龍骨計算的最大剪力（N）：V=1905.3N；b——龍骨截面寬度（mm）：b=50.0mm；hn——龍骨截面高度（mm）：hn=100.0mm；fv——龍 骨 的 抗 剪 強 度 設 計 值（N/mm2）：fv=1.500N/mm2；龍骨截面的受剪計算值：T=3×1905.3/（2×50.0×100.0）=0.572N/mm2；龍骨截面的受剪計算值T=0.572N/mm2<龍骨截面的抗剪強度設計fv=1.5N/mm2，符合規范要求！

2.4.3 龍骨的撓度計算

按照《建筑施工計算手冊》，剛度計算采用荷載標準值，同時不考慮振動荷載作用。

龍骨撓度的復核式如下：v=0.677ql4/（100EI）<[v]=l/250

上式中，ν——龍骨受力時最大撓度值（mm）；q——龍骨上的線荷載值（kN/m）：q=29.4×0.2=5.88kN/m；l——計算跨度值（鋼管距離）：l=500.0mm；E——龍骨彈性模量值（N/mm2）：E=6000.00N/mm2；I——龍 骨 截 面 慣 性 矩 值（mm4）：I=4.167×106mm4。

龍骨最大撓度：ν=0.677×5.88×5004/（100×6000×4.167×106）=0.10mm；龍骨最大容許撓度：[ν]=500/250=2.0mm；龍骨最大撓度計算數值ν=0.10mm<龍骨最大容許的撓度值[ν]=2.0mm，符合規范要求！

2.5 鋼管楞的計算

鋼管楞受龍骨傳遞的應力，按集中荷載狀態3跨連續梁進行校核，詳見圖3，鋼管楞采用鋼楞，鋼管截面的慣性矩值與截面的抵抗矩值是：鋼管楞規格：圓鋼管48×3.5；鋼管楞的截面抵抗矩W=5.08cm3；鋼管的楞截面慣性矩I=12.19cm4。

圖3 鋼管楞計算簡圖

2.5.1 鋼管楞的抗彎強度驗算

鋼管楞跨中彎矩計算公式：M=0.175ql

其中，作用在鋼管楞的荷載：q=（1.2×29.4+1.3×2）×0.4×0.5/2=3.788kN；鋼管楞的計算寬度（對拉螺栓水平距離）：l=50cm；鋼管楞最大彎矩：M=0.175×3788×500.00=3.314×105N·mm。

鋼管的強度驗算式為：σ=M/W

其中，σ——鋼管楞的最大應力計算值（N/mm2）；M——鋼管楞的最大彎距值（N·mm），M=3.314×105N·mm；W——鋼管楞凈截面抵抗矩值，W=5.08×103mm3；f——鋼管楞強度設計值（N/mm2），[f]=205.000N/mm2；鋼管楞最大應力計算值：σ=3.314×105/5.08×103=65.25N/mm2；鋼管楞最大應力計算值σ=65.25N/mm2<鋼管楞抗彎強度設計值f=205.00N/mm2，滿足要求！

2.5.2 鋼管楞抗剪強度的驗算

公式如下：V=0.65P

其中，P——作用在鋼管楞的荷載：P=（1.2×29.4+1.3×2）×0.4×0.5/2=3.788kN；V——鋼管楞計算的最大剪力值（N）；鋼管楞的最大剪力：V=0.65×3788=2.463×103N；鋼管楞截面的抗剪強度值須滿足條件：T=2V/A≤fv

上式中，T——截面的最大受剪應力值（N/mm2）；V——主楞計算的最大剪力值（N）：V=2463N；A——鋼管截面面積值（mm2）：A=489.23mm2；fv——抗剪強度設計值（N/mm2）：fv=120N/mm2。

鋼管主楞截面受剪應力計算值為：T=2×2463/489.23=10.07N/mm2；

鋼管主楞截面受剪應力計算值T=10.07N/mm2<鋼管主楞截面抗剪強度設計值fv=120N/mm2，滿足規范要求！

2.5.3鋼管楞的撓度驗算

按照《建筑施工計算手冊》，剛度的驗算用荷載標準值，同時不考慮振動荷載影響。

鋼管撓度計算式如下：

ν=1.146ql3/（100EI）≤[ν]=l/400

其中，q——龍骨作用于支座的荷載值（kN/m）；

P=29.4×0.40×0.50＝5.88kN/m；

ν——鋼管楞最大撓度（mm）；

l——計算跨度（水平螺栓間距）：l=500.0mm；

E——鋼管楞的彈性模量（N/mm2）：E=210000.00 N/mm2；

I——鋼管楞的截面慣性矩（mm4），I=1.219×105mm4；

鋼管楞最大撓度計算值如下：

ν=1.146×5.88×5003/（100×2.10×105×1.219×105）=3.29×10-4mm；

鋼管楞最大容許撓度值為：[ν]=1.5mm；

鋼管楞最大撓度的計算值ν=3.29×10-4mm<鋼管楞最大容許的撓度值[ν]=1.5mm，滿足要求！

2.6 通過驗算確定木模參數

確定流道墻身模板最高高度為3.0m，模板背楞龍骨為100×50木方組件（基本構件為三角），最大間距為400，模板板面為15×100條木，配模寬度根據現場實際情況確定，模板水平背楞為Φ48鋼管單排雙根間距為0.5m，Φ12對拉螺桿距地面木方上邊緣300mm間距為50×50cm，山字形扣件加Φ12配套螺帽，架立采用Φ48鋼管，平面預埋斜“L”形地錨。

3 工程實施實體效果

3.1 模板現場實施

流道模板主要由三角形龍骨衍架，模板面木條，模板光面紙組成，施工工藝流程如下所示：施工前準備（材料及相關技術計算）→模板加工及編號→測量放樣→設置架立筋→安裝龍骨→安裝木面板及張貼光面膜→模板加固→混凝土澆筑→拆模及養護管理，現場實施效果如圖4。

圖4 流道模板施工效果圖

3.2 現場實體效果

尾水流道模板施工難點是前期根據施工圖紙進行龍骨的計算，實施的重點是對模板安裝質量控制及混凝土施工時模板維護，峽江水利樞紐尾水流道模板實施以來，施工方便，經濟合理，混凝土實體質量滿足設計要求，外觀線性順直，為后期優質工程質量獎的評選，打下堅實基礎。