马家铺泵站肘形进水流道模板制安施工技术

(湖南省开源水电建筑工程有限公司，湖南 常德 415000)

1 泵站肘形进水流的水力学要求

1.1 水力流道设计的关键内容

水力学模型试验研究表明，在水利工程流道所处弯头进水段，弯道水流的一个显著特点是在流道形态变化的约束下，流道中纵向水流在前行过程中而对应产生的次生环流，有别于紊流流态，具有一定的水力学晕倒规律，与流道中主流线上的纵向水流结合成螺旋流，从而形成复杂的水流结构，迄今为止，水力学研究尚无通用数学物理方程式描述这种流态力学问题。

由图1可见，弯道流道中的水流，因受弯道形体约束，弯道进流角度与直线流道不一致，可引起弯道内水流因次生环流而形成水体横向震动，进而激发出水流质点剪切震动的横向弹性波。对于泵站从水泵出口调压井至横卧出水箱涵之间的连接渐变段，在形体上就是出水水流的弯道流道，其管内环流及由此形成的弯道内剪切波，将会引起流道有害震动，不利于流道工程稳定。

图1 CFD模型计算的流道流速矢量图

1.2 泵站进水渐变段弯道水力学要求

正因为上述弯道水流的复杂流态结构，以致水流在流道中不可避免地形成了动能损失，这种水头损失是水利工程中不可小视的重要参数，决定着水电站、灌排泵站的需供水输水能力，水电站的发电效益，船闸、泵站的充排水时间。

如果要有效消除弯道水流不利的水力学影响，在设计泵站渐变段流道时，须保证该段流道管壁各点均实现导数一致，类似于铁道弯道的斜率统一，列车即可安全通行。这就要求在工程施工过程中，必须确保弯道各点上的斜率相等，流道管壁各个点的曲率与流道中的主流方向一致而平顺均匀，将水流阻力损失减至最小状态。因此，渐变段弯道异型模板的制作与安装，必须尽可能拟合弯道的水力学要求，从而对钢筋混凝土弯道异型模板制安提出了高于其他形体模板的技术要求。

2 马家铺泵站肘形进水流道工程特点

2.1 马家铺泵站概况

马家铺泵站以排涝为主，总装机4×1250kW，泵站位于汉寿县政府东北方4km处，工程建成后可分担岩汪湖泵站的排涝压力，从而解决城区内涝(见图2)。马家铺泵站设计排涝面积71.989km2,工程等别Ⅲ等，水工建筑物由进水池、泵房、调压井、出水箱涵、启闭机房、出水池组成，主要机电和金属结构安装为电机、水泵、出水钢管、启闭机、闸门等。排涝标准20年一遇；进水池防洪水位27.64m，最高运行水位26.50m，最低运行水位25.00m；出水池防洪水位38.66m，最高运行水位36.00m，最低运行水位29.00m；最高净扬程11.00m，最大扬程12.43m。泵站出水钢管中心水位28.75m，调压井及出水箱涵底板高程27.10m。

马家铺泵站主要建筑物级别为3级，次要建筑物工程级别为4级。出水箱混凝土箱涵为穿堤建筑物，根据《泵站设计规范》(GB 50265—2010)2.1.4条，泵站与堤身结合的建筑物，其级别不应低于堤防的级别，按不低于防洪堤工程等别确定，沅江堤防等级为Ⅰ级，出水箱涵等穿堤建筑物按1级建筑物设计。

2.2 泵站肘形进水流道的内部流场特征

肘形进水流道内，水流流动属于边截面的有压管流特征，在其流动过程中，进水管处于3种典型断面形式：收缩渐变段、弯管段、圆锥段。肘形进水管内水流总体上经历了3种不同的流态：ⓐ在直线收缩段，水流流态平顺，随着过流断面的收缩，肘形进水管中的流速逐渐增大；ⓑ在进入弯曲段后，水流表现为单向进水收缩形弯管流，水流受弯道管壁的约束，迅速改变为成90°方向，而且水流流速达到最大；在这个过程中，水流在内壁处的改变最为剧烈，内壁处的流速大于外壁上的速度，流速最大值和压力最小值处于弯道管壁的内侧处，在此位置易于发生局部的脱流现象，从而形成弯道内弯处管壁的气蚀；ⓒ在圆锥段，流道外侧壁附近的水流由于惯性巨大作用效果，以致外侧壁的流速远远高于内侧壁的速度，在接近流道出口处，水流自行调整趋于平稳的均匀分布(见图3)。

为由于肘形进水管与水轮泵叶轮室相连接，在整个进水流道中的水流属于三维状态下的定常流，在水泵转速恒定的条件下，进水流道中的整体流态具有定常流态的总体流场特征。

3 肘形流道异型模板现场制作施工措施

通过分析水流工程流道的水力学要求和异型流道的内部流场特征，可以得出流道的设计与施工需要保证：水流在流道内的水流平顺，尽可能避免对流道内壁产生局部压力集中、流速异常增加、脱流汽蚀等有害流态，从而减少水头损失，延长流道投入运行后的使用寿命。

在马家铺泵站肘形进水流道水利工程施工中，现场如何制作安装符合设计形体与尺寸要求的、符合上述流道水力学要求的肘形木质模板，是具有复杂技术要求的施工技术组织与管理问题。为满足设计与水力学要求，马家铺泵站肘形进水流道模板制作与安装，采用了以下施工技术。

3.1 肘形进水流道模板选材控制

马家铺泵站关于肘形流道的设计要求为：结构采用C30混凝土，肘形进水管内径水平投影总长7.8m，渐变收缩段内径水平长5.9m，进水管内径弯道水平投影长1.9m，出水口直径1.6m。

对于该泵站肘形进水管形体的施工质量保证而言，其关键点在于肘形进水管道内壁空腔的形状与尺寸，而保证内腔形状与尺寸的关键在于肘形流道的内模形体和尺寸。欲保证内腔的形体和尺寸，关键则在于肘形流道内腔模板工程的质量控制。

正因为肘形流道由近似矩形进口连接渐变收缩段、再连接弯道渐变圆形流道，最后连接圆形出口，流道的整个渐变过程，需要内腔模板在选材上具有良好的柔韧性和强度，以抵抗流道混凝土铺料和振捣产生的压应力。解决这个问题可以选择寻求厂商定制钢模或现场制作模板，前者对于单一泵站而言，显然不经济，且耗时长难以满足工期保证需求。

为了保证工期，马家铺泵站肘形进水流道模板选定采用现场制作，且选用木材制作木模。基于杉木具有易干燥、收缩小、易加工、耐久性好、柔软性好、不易变形、强度适宜的材质特点，本泵站肘形进水流道模板选用木材制作。

3.2 肘形进水流道模板形体控制

肘形进水流道形体受流道内腔模板形体控制，因此，欲保证流道内水流平顺的水力学总要求，根本的控制方案就是要确保内腔模板的形体符合流道的设计要求。现场制作的异型模板，在施工实际中很难完全实现设计要求，只能对施工技术进行精确控制，使异型模板不断趋近于设计的要求。

马家铺泵站肘形进水流道，在水流方向是圆角矩形进口至渐变收缩段、弯道、圆形出口这三种截面的连续渐变过程。按照设计要求，流道流量为8m3/s，进出口总压差为197Pa，流速均匀分布度为91.91%，弯道处速度的加权平均角度为89.931°(见图4)。这也是模板工程的质量控制标准。为达到这个标准要求，模板现场制作采取了以下施工技术：

图4 进水流道纵剖面图

按照泵站进水流道沿水流方向的结构，现场模板制作按两个分部5个独立段进行。两个分部为进口收缩渐变段分部和弯道出口段分部，各分部段在制作间按1∶1的比例独立成型后，再进行连接。进口收缩渐变段长5.9m，弯道出口段长1.9m。

根据流道设计纵向剖面图，将流道全程截取22个流道横断面，在该剖面图上沿此22个断面量取各个横断面的剖面长度，以此确定22个肋环的横截面尺寸。

实心板芯的胶合板具有握螺钉力好、垂直板芯实木方向的抗弯压强度高的优良特点，为保证各个肋环不变形，肋环选取胶合大芯板放样裁取。为预防变形，环肋裁取成小块，小块间再用胶合板加强连接。各肋环在按设计间距弦长和切线角控制的条件下拼接成独立段内芯模架，定型后，以杉木实木板条覆盖模架外围形成独立段流道内模(见图5)。

图5 肘形进水流道肋环内模现场制作照片

3.3 肘形进水流道模板安装控制

马家铺泵站肘形进水流道5个独立段内模报验合格后，待底板钢筋制作完成，再现场对流道施工位置测量放线，并对流道装模位置的钢筋支撑用槽钢进行加固，利用塔吊将5个独立段内模吊装至流道底板设计位置进行全模安装。

安装过程的施工技术控制体现在以下3个方面：ⓐ将进口渐变收缩段模板吊至设计位置，将模板中心线与流道底板中心线调整至重合；ⓑ将进口渐变收缩段模板肋环预留螺孔对准流道底板预埋螺杆，并将底板与该段模板的螺栓用螺帽旋转完成连接；ⓒ吊装弯道段独立模板，对准弯道段首端与进口渐变收缩段末端的环肋预留螺孔，穿插螺杆、旋转螺帽实现螺杆连接，从而将两段异型模板连接成完整的肘形进口流道内模。

进口流道内模全程安装到位后，现场测量确实符合内模中心线与设计中心线在三维坐标系中完全一致，采用CFD数学模型计算流线与流速的矢量分布,保证流道内壁符合设计模型的流场水力学特征。内模全程安装完成经现场检验合格后，对外表面进行了腻子找平喷塑处理，从而实现了内模实木板条接缝严密，表面平顺光滑，保证表面光洁度达到97%。

4 肘形流道混凝土施工技术

马家铺泵站进水肘形流道全程采用木模，整架流道内模自重轻，为防止在混凝土浇筑入仓铺料的压应力和浇筑振捣过程中的扬压力作用下，整架内模位移跑模，在钢筋混凝土施工过程中，实行入仓铺料和混凝土振捣。

4.1 流道混凝土入仓铺料控制

控制混凝土沿流道纵向在内模两侧交叉均匀入仓铺料，以保证内模两侧静压力均衡，施工过程中，以每0.1m为限控制混凝土在内模两侧入仓高度，该入仓高度于钢筋制安前在内模外表面上以粗记号笔画线予以明显标示，当流道纵向左侧入仓混凝土达到0.1m高度时，则移至流道右侧入仓混凝土也达到0.1m高度，再移至左侧入仓0.1m，再移至右侧入仓0.1m，如此交替入仓。

4.2 流道混凝土振捣控制

因为流道的水力学流场特征要求拆模后流道表面平整光滑，不得出现任何麻面、坑洞流，所以，流道混凝土内壁混凝土浇筑的核心控制内容是防止肘形进水流道内模位移和防止流道内壁混凝土蜂窝麻面。

为避免混凝土振捣产生的扬压力招致流道内模位移，振捣施工须沿流道纵向在内模左右交替振捣，并掌握好振捣时间，每棒振捣时间控制在25s左右，防止过振，以免混凝土出现砂浆、骨料分层。

从类矩形进口过渡到流道横向截面逐渐收缩、过渡到长为1.9m的且加权平均角度89.931°的弯道、过渡到φ1.6m的圆形出口，流道内模外壁每一位点均为弧形或曲面，混凝土在这种约束条件下的仓内平仓振捣特别需要控制振捣的施工工艺，不得以平仓代替振捣，平仓过程中不得用振捣器长距离赶料，避免大骨料沿振动棒锥体随机下滑形成混凝土蜂窝。移动振动棒的间距[1]控制以其1.5倍作用为限，并留有与内模外壁5～10cm的距离。振捣过程中，根据曲面模板的角度不同调整振捣棒的插入角度，尽量平行模板，保证不留死角，严防漏振产生气泡。

5 结 语

无论是水电站还是泵站工程，连接水轮机或水泵的是进水流道还是出水流道，蜗壳具有的横截面逐渐收缩与弯道的异型特征，以及流道内水体流动的流场水力学特征，决定了混凝土浇筑内模制作安装施工技术的繁杂与精细。也正因为这些特征，导致不同水轮机或水泵进出水流流道的非重复定型性，所以，异型流道模板不具有重复使用周转性，普遍需要现场制作与安装特定水轮机或水泵的流道模板。马家铺泵站采用了现场制作与安装肘形进水流道内模，浇筑的流道混凝土经拆模后，流道内壁混凝土光滑平顺，无任何蜂窝麻面，将内壁实测参数输入设计采用的CFD数学模型进行复核，结果表明制作流道模板时的流线尺寸与设计分析的流线和流速完全拟合。该泵站工程投入使用后，运行状况良好，流道中未观察到水锤现象。