流道設計與施工技術分析

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為保障經濟社會的可持續發展,區域防洪、排澇等安全問題日益突出,泵站作為重要的排澇神器,形成高速水路,對有效提升區域防洪排澇能力具有無可替代的作用,也是提升改善區域河網水環境的重要手段。由于泵站規模、形式等的不同,泵站進出水流道結構形式也各不相同,設計、施工的難易程度亦不同。通過工程實例對大型潛水軸流泵站肘型流道的設計與施工工藝、特點難度等問題進行了探討,提出切實可行的方案和措施,可為以后類似工程施工提供參考。

1工程概況

清水浦泵站位于浙江省寧波市鎮海區清排大河甬江出口處,泵站規模為75m3/s,布置5臺每臺15m3/s的潛水軸流泵組,潛水軸流泵葉輪直徑2150mm,設計揚程2.04m,上游最低運行水位0.2m,下游最低運行水位0.93m,工程等別為Ⅱ等,屬大（2）型泵站,按200年一遇洪水（潮水）標準設計。泵站由上游引河、攔污柵段、進水池及交通橋段、主泵房和出水河道等建筑物組成,主泵房段包含進水流道和出水流道。

2流道設計

泵站進出水流道設計是泵站工程設計的主要內容,進出水流道形式應結合進出水池水位、泵站揚程、流量、泵型、泵房布置等因素,經技術經濟比較確定。

2.1進水流道設計

進水流道設計的主要問題是要保證其出口流速和壓力分布比較均勻,設計時應考慮進水流道型線平順,沿程各斷面變化均勻合理,不能出現局部突變[1],在各種工況下流道內不應產生影響運行穩定的不利水流現象；進口處斷面流速控制在0.8m/s~1.0m/s,以減少水力損失,為水泵運行提供良好的水流條件；為防止進口處水面產生漩渦,進水流道進口上緣應淹沒在進水池最低運行水位以下至少0.5m；為減少地基土方開挖量和混凝土工程量,降低兩岸翼墻的高度,將進水流道進口段底板面向進口方向上翹,即做成斜坡面形式,上翹角一般不大于12°,進口段頂板仰角不大于302°。

2.2出水流道設計

出水流道布置對泵站的裝置效率影響較大,設計時應考慮出水流道的型線變化要均勻,出口流速控制在1.5m/s以下,當出口裝有拍門時,出口流速控制在2.0m/s以下；大型泵站機組功率一般均較大,當出水流道的水力損失增大時,將使電能有較多的消耗,設計時應將出水流道的出口上緣淹沒在出水池最低運行水位以下0.3m~0.5m；斷流方式采用拍門斷流,為減小出口拍門的跨度,常在出口拍門處設置隔水墩,設計時要計算隔水墩起點位置與泵組中心線距離大于水泵出口直徑的2倍,在拍門后出水流道頂板處設置通氣孔,以減少水流脈動壓力,泵組停機時可向流道內補氣,避免流道內產生負壓,減少關閉拍門時的撞擊力,改善流道和拍門的工作條件[2]。

2.3工程實例

根據工程所在地場地小、低揚程、大流量等特點,綜合考慮水流條件、運行維護條件、工程占地、施工條件和工程投資等5方面的因素,通過多方案比較確定潛水軸流泵方案,并經技術經濟比較,結合三維水流數值模擬計算進行流態分析和裝置模型試驗,選用南水北調天津同臺測試的“TJ04-ZL-07”水泵模型和目前國內外廣泛采用的肘形進水流道豎向井筒式結構,出水流道采用蝸殼出水形式。設計采用進水流道長11.9m,進口尺寸5.4m×3.85m（寬×高）,進口底高程-6.544m,漸變至-6.970m,底板向進口方向上翹角3.2°；進口頂高程-2.164m,頂板最低處高程-4.282m,頂板向進口方向上翹18°；主機段為豎向筒形結構,下部進口處直徑2100mm,機組安裝處直徑3000mm,出口直徑為3600mm,機組吊物孔直徑3500mm,機組安裝中心高程-3.10m,蝸殼出水處底高程-0.745m,頂高程1.755m,進水流道H/D=1.8（H為葉輪中心線到流道最低點距離；D為水泵葉輪直徑）；流道進口布置檢修閘門孔,前沿底板頂面高程為-6.544m,檢修閘門后漸變至-6.970m,閘門孔口尺寸5.4m×3.85m（寬×高）。出水流道為變截面矩形流道,長16.1m,流道寬5.0m,流道底高程由-0.745m漸變至-1.87m,流道頂高程由1.755m漸變至0.63m。流道出口設拍門,每條流道設2扇,拍門尺寸2.0m×2.5m（寬×高）,控制出口流速為1.5m/s；拍門后設擋沙閘工作閘門,孔口寬5.8m,底坎頂面高程-2.30m,共布置5孔。各項設計指標均滿足《泵站設計標準》的規定要求,見圖1。

3肘形流道施工

3.1胎膜制作

從圖1可知,本工程進水流道為變截面肘形異型曲面,保證流道內表面光滑順暢、過水面線形流暢、不出現跑模等缺陷是胎膜制作的關鍵。考慮到鋼質模板是專為本工程流道量身定制,周轉或在其他工程上應用的概率比較低,且一次性制作費用較高,而木制模板既可在加工廠同時制作多個胎模,相比鋼模又可降低一次性投入成本,經比較采用木制模板。（1）制作切面骨架。為確保模板制作的精度,沿流道中心軸線劃分成31個切面,見圖2,計算確定每個切面的形狀、尺寸和內支撐結構,然后按照切面尺寸在工作臺上進行放樣,根據放樣制作外龍骨和傘架式內支撐結構,每個切面制作成一榀骨架單元。（2）拼裝骨架。計算出每榀骨架的三維坐標,待所有骨架單元制作完成后,按照坐標位置在立面上進行拼裝,形成流道整體骨架。（3）面層模板制作。流道骨架拼裝完成、尺寸復核和內支撐體系檢查無誤后,在骨架外表面覆蓋一層面層木模板,面層模板拼接要求接縫緊密、平整,對局部接縫不平整的進行打磨處理,所有接縫均采用雙面膠和膩子填平,以防漏漿。

3.2胎膜安裝

流道胎膜的精準定位與抗浮是安裝的關鍵,安裝前應先在已經澆筑完成的底板上用全站儀精確測量出流道的縱軸線和垂直軸線的位置,整體流道胎膜由加工廠轉運至現場后,采用汽車吊吊裝就位,汽車吊起重能力應滿足有關規范的要求。抗浮力應通過計算確定,依據《水工混凝土施工規范》（SL677-2014）附錄A的有關規定,新澆混凝土的浮托力應由試驗確定,當沒有試驗資料時,可采用模板受浮面水平投影面積每平方米承受浮托力15kN估算新澆混凝土對模板的浮托力,根據浮托力和模板的自重計算抗浮鋼筋的規格、數量,并事先預埋于鋼筋混凝土底板中,待底板混凝土強度達到設計要求時,對模板進行全面的抗浮加固,必要時進行適當的配壓重。

3.3流道混凝土澆筑

泵站5臺泵組成一列式布置,分設二塊底板,每塊底板分別布置2臺泵組和3臺泵組,每塊底板上的2個或3個流道必須同時澆筑。混凝土應分層對稱均勻上升澆筑,分層厚度應控制在振搗棒工作長度的1.25倍以內,上層混凝土應在下層混凝土初凝前入倉澆筑,并將振搗棒插入下層混凝土50mm左右；控制上升速率和間歇時間,一般控制在30cm/h~40cm/h內；肘形流道的底部四周存在著三角區域,該區域會因振搗不當而形成蜂窩麻面,應選擇等強度細骨料流動性好的混凝土,采用直徑小的振搗棒充分振搗,以確保三角區的混凝土質量。

3.4質量控制

（1）施工前應結合工程實際編制專項施工方案,履行審批手續,必要時應組織專家進行論證。（2）模板及支撐體系應進行結構設計和強度、剛度和穩定性驗算,防止混凝土澆筑過程發生變形,以保證澆筑后流道結構的形狀、尺寸、高程等符合設計要求。（3）混凝土澆筑時應按一定厚度、次序、方向分層進行,且澆筑層面應保持平整。在澆筑流道傾斜面頂板混凝土時,應從低處開始澆筑,薄層對稱均勻上升,澆筑面應保持水平。（4）混凝土澆筑應保持連續性,允許間歇時間應通過試驗確定,并不超過90min；流道一次性澆筑成形,減少了施工縫和分層澆筑施工的錯臺現象的發生概率。（5）混凝土澆筑完成后12h內要及時覆蓋,并灑水養護,混凝土表面應保持濕潤保溫,混凝土內外溫度差不超過20℃。（6）流道內承重模板與支撐體系應在混凝土強度達到設計強度后方可拆除。（1）變多次多層澆筑為一次澆筑成形,有效防止了混凝土的永久缺陷。常規流道大體積混凝土澆筑都采用多次多層澆筑工藝,容易形成永久性的施工縫,上下分層立模澆筑也易產生混凝土錯臺現象,后期施工縫灌漿和表面修補難度較大,一次性澆筑成形有效避免了施工縫和錯臺現象的發生,整體性和表觀質量較好。（2）采用木質模板工藝,有效降低了制模成本。每個泵站的流道結構各不相同,存在較大的差異,采用定制鋼模板重復利用的幾率較低,且一次性投入成本高,而木模板采用常規材料,取材方便,用作龍骨的材料可回收利用,制安成本較鋼質定型模板低。（3）采用整體胎膜,有效縮短了工期。肘形流道胎膜可提前在加工廠內制作完成,運至現場吊裝就位即可,無需在現場拼裝,減少了施工工序,節約了資源,工期比原計劃提前2個月。（4）整體胎膜制作,考量木工的工藝技術水平。由于流道是肘形的異形曲面,從胎膜放樣、龍骨制作與組裝、表面模板包封成形,到現場安裝就位,需要木工必須具備基本的理論知識和空間概念、高超的技藝、精心細致的工作態度。

4結語

（1）對于低揚程、大流量,且揚程變幅較大的泵站工程,在水流條件滿足泵站運行要求的情況下,潛水軸流泵具有工程占地面積小、泵組安裝方便、流道短、運行維護便利、施工進度快、投資少的特點,優于其他形式的泵組。（2）鋼模為本工程特制,在其他工程上利用幾率低,一次性制作成本高,木模相比鋼模成本較低,材料可重復利用,對異形曲面流道的適應性好,制作工藝要求高。（3）流道內壁為清水混凝土,模板制安、澆筑工藝和后期養護是確保流道型線和表觀質量的關鍵。

參考文獻

[1]楊彬.水利工程泵站結構設計及流道優化設計研究[J].建筑與裝飾,2020（22）:4.

[2]付寧波.水利樞紐工程泵站結構設計與流道設計淺析[J].陜西水利,2019（9）:132-134,137

作者：陳惠達 單位：浙江艮威水利建設有限公司