流道设计与施工技术分析

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为保障经济社会的可持续发展,区域防洪、排涝等安全问题日益突出,泵站作为重要的排涝神器,形成高速水路,对有效提升区域防洪排涝能力具有无可替代的作用,也是提升改善区域河网水环境的重要手段。由于泵站规模、形式等的不同,泵站进出水流道结构形式也各不相同,设计、施工的难易程度亦不同。通过工程实例对大型潜水轴流泵站肘型流道的设计与施工工艺、特点难度等问题进行了探讨,提出切实可行的方案和措施,可为以后类似工程施工提供参考。

1工程概况

清水浦泵站位于浙江省宁波市镇海区清排大河甬江出口处,泵站规模为75m3/s,布置5台每台15m3/s的潜水轴流泵组,潜水轴流泵叶轮直径2150mm,设计扬程2.04m,上游最低运行水位0.2m,下游最低运行水位0.93m,工程等别为Ⅱ等,属大（2）型泵站,按200年一遇洪水（潮水）标准设计。泵站由上游引河、拦污栅段、进水池及交通桥段、主泵房和出水河道等建筑物组成,主泵房段包含进水流道和出水流道。

2流道设计

泵站进出水流道设计是泵站工程设计的主要内容,进出水流道形式应结合进出水池水位、泵站扬程、流量、泵型、泵房布置等因素,经技术经济比较确定。

2.1进水流道设计

进水流道设计的主要问题是要保证其出口流速和压力分布比较均匀,设计时应考虑进水流道型线平顺,沿程各断面变化均匀合理,不能出现局部突变[1],在各种工况下流道内不应产生影响运行稳定的不利水流现象；进口处断面流速控制在0.8m/s~1.0m/s,以减少水力损失,为水泵运行提供良好的水流条件；为防止进口处水面产生漩涡,进水流道进口上缘应淹没在进水池最低运行水位以下至少0.5m；为减少地基土方开挖量和混凝土工程量,降低两岸翼墙的高度,将进水流道进口段底板面向进口方向上翘,即做成斜坡面形式,上翘角一般不大于12°,进口段顶板仰角不大于302°。

2.2出水流道设计

出水流道布置对泵站的装置效率影响较大,设计时应考虑出水流道的型线变化要均匀,出口流速控制在1.5m/s以下,当出口装有拍门时,出口流速控制在2.0m/s以下；大型泵站机组功率一般均较大,当出水流道的水力损失增大时,将使电能有较多的消耗,设计时应将出水流道的出口上缘淹没在出水池最低运行水位以下0.3m~0.5m；断流方式采用拍门断流,为减小出口拍门的跨度,常在出口拍门处设置隔水墩,设计时要计算隔水墩起点位置与泵组中心线距离大于水泵出口直径的2倍,在拍门后出水流道顶板处设置通气孔,以减少水流脉动压力,泵组停机时可向流道内补气,避免流道内产生负压,减少关闭拍门时的撞击力,改善流道和拍门的工作条件[2]。

2.3工程实例

根据工程所在地场地小、低扬程、大流量等特点,综合考虑水流条件、运行维护条件、工程占地、施工条件和工程投资等5方面的因素,通过多方案比较确定潜水轴流泵方案,并经技术经济比较,结合三维水流数值模拟计算进行流态分析和装置模型试验,选用南水北调天津同台测试的“TJ04-ZL-07”水泵模型和目前国内外广泛采用的肘形进水流道竖向井筒式结构,出水流道采用蜗壳出水形式。设计采用进水流道长11.9m,进口尺寸5.4m×3.85m（宽×高）,进口底高程-6.544m,渐变至-6.970m,底板向进口方向上翘角3.2°；进口顶高程-2.164m,顶板最低处高程-4.282m,顶板向进口方向上翘18°；主机段为竖向筒形结构,下部进口处直径2100mm,机组安装处直径3000mm,出口直径为3600mm,机组吊物孔直径3500mm,机组安装中心高程-3.10m,蜗壳出水处底高程-0.745m,顶高程1.755m,进水流道H/D=1.8（H为叶轮中心线到流道最低点距离；D为水泵叶轮直径）；流道进口布置检修闸门孔,前沿底板顶面高程为-6.544m,检修闸门后渐变至-6.970m,闸门孔口尺寸5.4m×3.85m（宽×高）。出水流道为变截面矩形流道,长16.1m,流道宽5.0m,流道底高程由-0.745m渐变至-1.87m,流道顶高程由1.755m渐变至0.63m。流道出口设拍门,每条流道设2扇,拍门尺寸2.0m×2.5m（宽×高）,控制出口流速为1.5m/s；拍门后设挡沙闸工作闸门,孔口宽5.8m,底坎顶面高程-2.30m,共布置5孔。各项设计指标均满足《泵站设计标准》的规定要求,见图1。

3肘形流道施工

3.1胎膜制作

从图1可知,本工程进水流道为变截面肘形异型曲面,保证流道内表面光滑顺畅、过水面线形流畅、不出现跑模等缺陷是胎膜制作的关键。考虑到钢质模板是专为本工程流道量身定制,周转或在其他工程上应用的概率比较低,且一次性制作费用较高,而木制模板既可在加工厂同时制作多个胎模,相比钢模又可降低一次性投入成本,经比较采用木制模板。（1）制作切面骨架。为确保模板制作的精度,沿流道中心轴线划分成31个切面,见图2,计算确定每个切面的形状、尺寸和内支撑结构,然后按照切面尺寸在工作台上进行放样,根据放样制作外龙骨和伞架式内支撑结构,每个切面制作成一榀骨架单元。（2）拼装骨架。计算出每榀骨架的三维坐标,待所有骨架单元制作完成后,按照坐标位置在立面上进行拼装,形成流道整体骨架。（3）面层模板制作。流道骨架拼装完成、尺寸复核和内支撑体系检查无误后,在骨架外表面覆盖一层面层木模板,面层模板拼接要求接缝紧密、平整,对局部接缝不平整的进行打磨处理,所有接缝均采用双面胶和腻子填平,以防漏浆。

3.2胎膜安装

流道胎膜的精准定位与抗浮是安装的关键,安装前应先在已经浇筑完成的底板上用全站仪精确测量出流道的纵轴线和垂直轴线的位置,整体流道胎膜由加工厂转运至现场后,采用汽车吊吊装就位,汽车吊起重能力应满足有关规范的要求。抗浮力应通过计算确定,依据《水工混凝土施工规范》（SL677-2014）附录A的有关规定,新浇混凝土的浮托力应由试验确定,当没有试验资料时,可采用模板受浮面水平投影面积每平方米承受浮托力15kN估算新浇混凝土对模板的浮托力,根据浮托力和模板的自重计算抗浮钢筋的规格、数量,并事先预埋于钢筋混凝土底板中,待底板混凝土强度达到设计要求时,对模板进行全面的抗浮加固,必要时进行适当的配压重。

3.3流道混凝土浇筑

泵站5台泵组成一列式布置,分设二块底板,每块底板分别布置2台泵组和3台泵组,每块底板上的2个或3个流道必须同时浇筑。混凝土应分层对称均匀上升浇筑,分层厚度应控制在振捣棒工作长度的1.25倍以内,上层混凝土应在下层混凝土初凝前入仓浇筑,并将振捣棒插入下层混凝土50mm左右；控制上升速率和间歇时间,一般控制在30cm/h~40cm/h内；肘形流道的底部四周存在着三角区域,该区域会因振捣不当而形成蜂窝麻面,应选择等强度细骨料流动性好的混凝土,采用直径小的振捣棒充分振捣,以确保三角区的混凝土质量。

3.4质量控制

（1）施工前应结合工程实际编制专项施工方案,履行审批手续,必要时应组织专家进行论证。（2）模板及支撑体系应进行结构设计和强度、刚度和稳定性验算,防止混凝土浇筑过程发生变形,以保证浇筑后流道结构的形状、尺寸、高程等符合设计要求。（3）混凝土浇筑时应按一定厚度、次序、方向分层进行,且浇筑层面应保持平整。在浇筑流道倾斜面顶板混凝土时,应从低处开始浇筑,薄层对称均匀上升,浇筑面应保持水平。（4）混凝土浇筑应保持连续性,允许间歇时间应通过试验确定,并不超过90min；流道一次性浇筑成形,减少了施工缝和分层浇筑施工的错台现象的发生概率。（5）混凝土浇筑完成后12h内要及时覆盖,并洒水养护,混凝土表面应保持湿润保温,混凝土内外温度差不超过20℃。（6）流道内承重模板与支撑体系应在混凝土强度达到设计强度后方可拆除。（1）变多次多层浇筑为一次浇筑成形,有效防止了混凝土的永久缺陷。常规流道大体积混凝土浇筑都采用多次多层浇筑工艺,容易形成永久性的施工缝,上下分层立模浇筑也易产生混凝土错台现象,后期施工缝灌浆和表面修补难度较大,一次性浇筑成形有效避免了施工缝和错台现象的发生,整体性和表观质量较好。（2）采用木质模板工艺,有效降低了制模成本。每个泵站的流道结构各不相同,存在较大的差异,采用定制钢模板重复利用的几率较低,且一次性投入成本高,而木模板采用常规材料,取材方便,用作龙骨的材料可回收利用,制安成本较钢质定型模板低。（3）采用整体胎膜,有效缩短了工期。肘形流道胎膜可提前在加工厂内制作完成,运至现场吊装就位即可,无需在现场拼装,减少了施工工序,节约了资源,工期比原计划提前2个月。（4）整体胎膜制作,考量木工的工艺技术水平。由于流道是肘形的异形曲面,从胎膜放样、龙骨制作与组装、表面模板包封成形,到现场安装就位,需要木工必须具备基本的理论知识和空间概念、高超的技艺、精心细致的工作态度。

4结语

（1）对于低扬程、大流量,且扬程变幅较大的泵站工程,在水流条件满足泵站运行要求的情况下,潜水轴流泵具有工程占地面积小、泵组安装方便、流道短、运行维护便利、施工进度快、投资少的特点,优于其他形式的泵组。（2）钢模为本工程特制,在其他工程上利用几率低,一次性制作成本高,木模相比钢模成本较低,材料可重复利用,对异形曲面流道的适应性好,制作工艺要求高。（3）流道内壁为清水混凝土,模板制安、浇筑工艺和后期养护是确保流道型线和表观质量的关键。

参考文献

[1]杨彬.水利工程泵站结构设计及流道优化设计研究[J].建筑与装饰,2020（22）:4.

[2]付宁波.水利枢纽工程泵站结构设计与流道设计浅析[J].陕西水利,2019（9）:132-134,137

作者：陈惠达 单位：浙江艮威水利建设有限公司