肘形流道模板制安施工技术在水利泵站中的应用

2021-08-30房辛蒙康永强

海河水利 2021年4期

房辛蒙，康永强

（中建六局水利水电建设集团有限公司，天津300222）

进水流道是一个泵站的主要过流部件，其几何形状、结构尺寸对水泵的性能有着重要的影响。根据不同的水泵选型、地质条件及进流条件，每个泵站的进水流道都是不一样的。目前，大部分进水流道的模板制作仍采用手工方法计算设计，不仅设计误差较大，施工也费时费料，最终完成的结构精度与理想进水流道模型的要求偏差较大。这加大了通过进水流道的水的流场与设计流场的差异性，加剧了泵站运行中的气蚀、振动，降低了泵站的运行效率，大大降低了工程的耐久性。高质量的进水流道混凝土结构作为水泵进水的最后一道关卡，对延长结构的安全性和可靠性有着重要意义。

北塘排水河泵站工程、金钟河泵站工程和滨海新区中心桥引河泵站工程，主泵房安装立式轴流泵，进水流道均为肘形结构。肘形进水流道由矩形泵房进水口渐变至圆形水泵口，断面变化大。同时，泵房属于大体积特异性混凝土施工结构，施工难度大，温控措施要求严格。本文介绍了肘形流道模板设计的方法及其在水利泵站中的应用，可为今后类似工程施工提供借鉴。

1 肘形流道模板制安施工技术概述

1.1 内容简述

肘形进水流道在所有流道中结构型式最为复杂。在施工中，技术人员只能依据流道单线图和断面图进行模板放样和施工控制，这种抽象识图方式会因为技术人员读图习惯和技术经验不同产生不同理解。特别是在模板放样环节，不同的放样形式在某些局部断面会有细微的差别。在混凝土工程量计算方面，单纯利用二维特征断面进行工程量计量，十分不准确。近年，随着三维模型技术在水利工程建设中的推广应用，工程技术可视化、建造精细化等问题得到了有效解决。目前泵站工程三维技术应用正在起步阶段，组成泵站的各种构件尚未系统建成，特别是肘形进水流道因结构复杂多变，需自行创建模型。在北塘排水河泵站工程、金钟河泵站工程和滨海新区中心桥引河泵站工程施工实践中，采用三维建模的方式攻克了肘形进水流道建模难关，很好地解决了精确计量、三维立体视图、模板精细制作等难题，为后续BIM技术在泵站工程中的全面应用夯实了基础。

1.2 特点

针对空间异型曲面的结构特点，建立了肘形流道的三维模型，从中直接提取标高、长度等信息，提升了模板的设计及安装精度，保证了空间曲面大体积混凝土结构的施工质量。

结合工程的结构特性，采用等效线性逼近的方式对空间曲面大体积混凝土模板分块进行精细化划分，可降低模板拼装难度，最大限度保持施工后结构的空间曲面特性，提升进水流道运行过程中流场的稳定性。

采用木模板加工，重量轻，使用汽车吊即可将模板吊装入位，快速便捷，工期有保证；同时，比较于传统的钢、铸铁异形模板，其成本节省1倍以上。

1.3 适用范围

适用于中小型水利水电工程泵站进水流道工程，特别适用于空间曲面特性明显的异型大体积混凝土工程施工。

2 工艺设计原理

2.1 空间曲面大体积混凝土结构的三维建模

结合肘形流道特点，建立三维模型，并通过参数的优化及修正，实现空间曲面大体积混凝土结构的模板设计。肘形流道模板设计，如图1所示。

图1 肘形流道模板设计图纸

利用图纸画出肘形流道单线图，在计算机辅助设计类软件中建立基线和断面；在基线上放置断面，最后生成实体结构。模型建立后，可精确计算出肘形流道体积、表面积、模板分段有效面积等数据，在泵房总体积中扣除流道部分体积可以得到拟浇筑的泵房混凝土工程量。带放样面及基线的肘形流道三维实体，如图2所示。

图2 带放样面及基线的肘形流道三维实体

2.2 基于空间曲面大体积混凝土结构的模型异型曲面模板设计

2.2.1 实体转换

在肘形流道模板三维实体制作完成后，考虑木模模板选取、钢筋保护层预留厚度等问题，结合实际确定预留厚度，将肘形流道的三维填充实体转化为一个壳体结构，使得数字模型更接近模板实物。

2.2.2 模板龙骨设计

完成实体建模后，根据需要沿基线路径对结构模型进行加密。选取合适的步长距离分割模型外轮廓，得到截面外轮廓线的周长即为加密龙骨的轮廓尺寸。加密后的断面，如图3所示。

图3 加密后的断面

2.2.3 表面檩条设计

相邻两榀龙骨剖面之间用宽木板檩条做连接，提取三维模型的表面特征并作网格化处理。调整表面网格的密度，测量网格的长、宽、倾斜度等参数作为檩条的实际下料尺寸参考。网格加密区域，如图4所示。

图4 网格加密区域

3 肘形流道模板制安施工技术分析

3.1 关键技术

关键技术在于使用三维建模，最大程度贴合肘形流道异性模板的实际制作过程。根据设计图纸，结合进水流道的单线图、平面展开图、纵剖图和断面放样图，建立肘形进水流道的三维模型。然后对三维实体填充模型进行壳体化处理，预留出模板厚度及钢筋保护层厚度。对三维壳体模型进行表面分割和曲面网格化处理，根据三维模型上的数据，指导模板龙骨榀架的结构和龙骨外覆的板条形状制作，大大提高了模板制作效率和模板的精确度。

3.2 技术难度

技术难度在于对三维模型和实际模板的联系和转化。在肘形流道施工这一课题中，国内相关文献仅就三维模型或实际模板支设选取一点进行了论述，仅仅建立了肘形流道的三维模型，对模板厚度、保护层、榀架和表面板条的设置等实际问题没有作很好的解答。

4 肘形流道模板制安施工技术应用

4.1 应用实例

北塘排水河泵站设计流量54.6 m3/s，设6台1600ZLB9-4型立式轴流泵，配套电机单机功率均为560 kW，总装机容量3.36 MW。

金钟河泵站紧邻金钟河防潮闸位于废弃的金钟河旧船闸故道上，附近有天津市东丽区永和村，设计流量58 m3/s，设6台1600ZLB9-4型立式轴流泵，总装机容量3 780 kW。泵站主要由主副厂房、进出水建筑物、变电站及现地生产用房等组成。

滨海新区中心桥引河泵站新建工程包括进水渠、进水闸、前池、泵房、出水压力水箱、出水箱涵、出水闸、自流箱涵等。为实现水系循环，需要新建2条管路，顶管顶入，管径1.5 m、长300 m，将黄港一库、二库水源送至海河南岸片区。工程选择8台1600ZLB（单泵7.25 m3/s）和2台1200ZLB（单泵3 m3/s）组合布置，采用立式轴流泵，单泵单池，10台机组成一字形布置。

4.2 应用效果

在上述3项工程施工实践中，分别建立主泵房肘形流道模板三维模型，通过模型数值指导现场模板的实际安装，积累了实际施工经验。

该肘形流道制安施工技术在北塘排水河泵站工程施工中首次成功应用，取得了很好效果，保证了进水流道整体施工质量和外观效果，各部位允许偏差均在优良标准范围内。后在金钟河泵站工程、滨海新区中心桥引河泵站新建工程中再次使用并改良，进一步提升了进水流道整体施工质量和外观效果。3项工程施工质量得到建设单位、设计单位和监理单位的一致认可，同时进水流道性能经受了汛期运行考验，得到运行维护单位认可。

5 效益分析

5.1 经济效益

使用该技术成功完成了3项工程的主泵房进水流道的混凝土工程施工，复杂的肘形流道模板工艺施工由泵房流道施工现场改为内加工场进行，人力资源得到均衡，缩短了安装工期，有利于施工现场劳动力组合的合理调配。使用吊车安装节省了劳力，提高了工效，降低了安装成本。单个肘形流道木模板造价为5 000元，相比定制单个造价为1万元的钢模板，造价节省了50%。

同时，使用该技术解决了中小型轴流泵站肘形流道的施工难题，使得水泵运行时水流平稳，减少了气蚀与振动现象产生，提高了泵站机组运行效益，延长了泵站机组使用寿命。