贯流式水轮机尾水流道模板设计与效果

贾海伟JIA Hai-wei

（中国水利水电第十二工程局有限公司，杭州 310011）

1 工程概况

江西省峡江水利枢纽以调洪、电力、航道运输为主、兼顾灌溉、供水、调节等综合作用。枢纽电站共装机9台灯泡贯流式机组，总装机容量为360MW。东电灯泡贯流式水轮机进水口基础高程EL14.05m，顶部高程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状，长25.671m，上游侧喇叭口径11.704m，下游出口垂直高度13.60m，机组安装高程EL22.8m，从上游到下游依次为发电机、水轮机等。

2 流道模板结构设计

2.1 流道模板基本参数

流道模板的后部支撑主要由龙骨和钢管楞构成，支撑模板的龙骨由方木组件组合而成，截面50×100mm，基本构件为三角体，龙骨间距400mm。支撑龙骨木楞的钢管楞用两根φ48钢管组成，即钢管钢楞组装成墙身模板时，由穿墙螺栓把墙体龙骨模板拉结牢固，每个穿螺墙栓成为钢管钢楞组成的支点，水平间距500。流道模板组装见图1（流道模板为渐变圆弧，以第三层EL19.0~22.0计算，所有参数均为最大值）。

图1 流道模板组装示意图

穿墙螺栓水平间距50cm，穿墙螺栓竖向间距50cm，直径1.2cm。面板板厚h=1.5cm，弹性模量值E=6000N/mm2，面板抗弯强度13N/mm2。抗剪强度设计值[v]=1.5N/mm2。

2.2 流道模板荷载标准值计算

流道模板强度的复核主要校核新浇筑混凝土给模板的侧压力和倾倒混凝土过程中产生的荷载作用，其挠度复核时只分析新浇混凝土给模板的侧压。按照JGJ162-2008《建筑施工模板安全技术规范》第4.1.1条，给出了新浇筑混凝土过程中对模板侧压计算方式：

新浇筑混凝土侧压取值为下公式计算得到较小者：

其中γc——为混凝土的重力密度，取24.50kN/m3；to——为新浇筑混凝土初凝时间（h按实际确定。没有记录数据时，采用to=200/（T+15）算（T为混凝土的温度）取4.25h；T——为混凝土的入模温度，取32.00℃；V——为混凝土浇筑时的速度，取1.20m/h；H——混凝土对模板侧压计算部位至新浇筑混凝土顶总高度，h=0.22×4.25×1.15×1.0×（1.2）1/2=1.178m取1.2m；β1——钢管加剂对整体影响的修正系数（不掺加剂取值1.0，掺缓凝的钢管加剂值取1.2），掺有粉煤灰和高效减水剂，取1.2；β2——混凝土坍落度的影响修正数（坍落度小于3cm时，取0.85；5～9cm时，取1.0；11～15cm时，取1.15）。

根据公式得到的新浇筑混凝土对模板侧压标准值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；实际验算采用新浇混凝土对模板侧压力标准值F=29.4kN/m2；采用串筒入模时，混凝土下料过程中产生的水平荷载取F1=2.0kN/m2；砼振捣对模板产生的侧压力按F2=3.5kN/m2考虑。

新浇筑砼时对侧模板压力荷载分项系数为1.2。

振捣混凝土时产生的水平荷载分项系数为1.3。

2.3 流道木模面板计算

流道模板板面是受弯结构，施工时需要验算模板的抗弯强度和刚度。按照最薄弱环节，以第三层EL19.0~22.0进行计算，支撑在龙骨上的3跨看作连续梁，进行应力计算，详见图2。

图2 面板计算应力图

2.3.1 抗弯强度计算

上式中f——抗弯强度的计算数值（N/mm2）；M——最大弯距的数值（N·mm）；W——面板的净截面抵抗矩，W=60.00×1.50×1.50/6=22.5cm3=22500mm3；[f]——抗弯强度的设计取值（N/mm2），[f]=13N/mm2。

上式中q——模板上的侧压力，它包括：新浇混凝土对模板侧压力设计值，q1=1.2×0.40×0.9×29.40=12.701kN/m；倾倒混凝土侧压力设计值，q2=1.3×0.40×0.9×2.00=0.936 kN/m；q=12.701+0.936=13.637kN/m；l——计算跨度（龙骨龙骨间距），l=40cm；M=ql2/10=（13.637×4002）/10=2.1819×105N/mm2；面板受力时的抗弯强度设计值[f]=13.000N/mm2；经计算得到，抗弯强度计算数值：f=M/W=（2.1819×105）/22500=9.697N/mm2；受力时的抗弯强度计算值<[f]，满足要求！

2.3.2 抗剪强度验算

计算式如下：∨=0.6ql；上式中，∨——面板受力计算最大剪力（N）；l——计算跨度值（竖楞距离）：l=500.0mm；q——模板的侧压力线受力，其包括如下：新浇筑混凝土对模板侧压设计值，q1=1.2×0.40×0.929.40=12.701kN/m；倾倒混凝土侧压力设计值，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；模板截面的抗剪强度值须符合：T=3V/（2b hn）≤fv；其中，T——为截面最大的受剪力（N/mm2）；V——为面板计算的最大剪力（N）：V=4091.1N；b--为构件截面宽度（mm）：b=500mm；hn——板面板厚（mm）：hn=15.0mm；fv——为面板抗剪强度的设计值（N/mm2）：fv=1.500N/mm2；模板面板截面最大剪力计算得值：T=3×4091.1/（2×500×15.0）=0.8182N/mm2；模板面板截面的抗剪强度的设计值：[fv]=1.500N/mm2；模板面板截面的最大剪力计算值T=0.0.8182N/mm2<截面抗剪强度的设计值[T]=1.5N/mm2，满足规范要求！

2.4 龙骨楞的计算

龙骨直接承受模板受力时传递的荷载作用，流道龙骨为三角形组成的衍架，以均布受力荷载的3跨连续梁作为单元验算。流道龙骨采用木楞，木楞截面的惯性矩（I）和截面抵抗矩（W）分别为：W=5.00×10.002/6=83.34cm3；I=5.00×10.003/12=416.67cm4。

2.4.1 龙骨的抗弯强度验算

龙骨跨中最大弯矩按下式计算：M=0.1ql2；其中，M——龙骨跨中计算得最大弯距（N·mm）；l——跨度取值：l=400.0mm；q——在龙骨上的线荷载，其包括：新浇筑混凝土对构件侧压设计值q1=1.2×29.4×0.40×0.90=12.701kN/m；倾倒混凝土对构件侧压设计值q2=1.3×2.00×0.40×0.90=0.936kN/m，0.9为折减系数。q=12.701+0.936=13.637kN/m；龙骨最大弯距值：M=0.1×13.637×400.0×400.0=2.182×105N·mm；龙骨的抗弯强度值应符合要求：σ=M/W

2.4.2 模板龙骨的抗剪强度验算

模板龙骨最大的剪力以均布荷载下的3跨连续梁进行复核，计算式如下：∨=0.6ql

式中，V——龙骨承受最大剪力；l——计算跨度（钢管间距）：l=500.0mm；q——龙骨上线荷载，其包括：新浇混凝土对构件侧压力设计q1=1.2×29.4×0.20×0.90=6.351kN/m；倾倒混凝土对构件侧压设计值q2=1.3×2.00×0.20×0.90=0.468kN/m，式中，0.9是折减系数。

龙骨的最大剪力：V=0.6×6.351×500.0=1905.3N；构件截面的抗剪强度须满足下式：T=3V/（2b hn）≤fv

式中，T--截面最大的受剪应力值（N/mm2）；V——龙骨计算的最大剪力（N）：V=1905.3N；b——龙骨截面宽度（mm）：b=50.0mm；hn——龙骨截面高度（mm）：hn=100.0mm；fv——龙 骨 的 抗 剪 强 度 设 计 值（N/mm2）：fv=1.500N/mm2；龙骨截面的受剪计算值：T=3×1905.3/（2×50.0×100.0）=0.572N/mm2；龙骨截面的受剪计算值T=0.572N/mm2<龙骨截面的抗剪强度设计fv=1.5N/mm2，符合规范要求！

2.4.3 龙骨的挠度计算

按照《建筑施工计算手册》，刚度计算采用荷载标准值，同时不考虑振动荷载作用。

龙骨挠度的复核式如下：v=0.677ql4/（100EI）<[v]=l/250

上式中，ν——龙骨受力时最大挠度值（mm）；q——龙骨上的线荷载值（kN/m）：q=29.4×0.2=5.88kN/m；l——计算跨度值（钢管距离）：l=500.0mm；E——龙骨弹性模量值（N/mm2）：E=6000.00N/mm2；I——龙 骨 截 面 惯 性 矩 值（mm4）：I=4.167×106mm4。

龙骨最大挠度：ν=0.677×5.88×5004/（100×6000×4.167×106）=0.10mm；龙骨最大容许挠度：[ν]=500/250=2.0mm；龙骨最大挠度计算数值ν=0.10mm<龙骨最大容许的挠度值[ν]=2.0mm，符合规范要求！

2.5 钢管楞的计算

钢管楞受龙骨传递的应力，按集中荷载状态3跨连续梁进行校核，详见图3，钢管楞采用钢楞，钢管截面的惯性矩值与截面的抵抗矩值是：钢管楞规格：圆钢管48×3.5；钢管楞的截面抵抗矩W=5.08cm3；钢管的楞截面惯性矩I=12.19cm4。

图3 钢管楞计算简图

2.5.1 钢管楞的抗弯强度验算

钢管楞跨中弯矩计算公式：M=0.175ql

其中，作用在钢管楞的荷载：q=（1.2×29.4+1.3×2）×0.4×0.5/2=3.788kN；钢管楞的计算宽度（对拉螺栓水平距离）：l=50cm；钢管楞最大弯矩：M=0.175×3788×500.00=3.314×105N·mm。

钢管的强度验算式为：σ=M/W

其中，σ——钢管楞的最大应力计算值（N/mm2）；M——钢管楞的最大弯距值（N·mm），M=3.314×105N·mm；W——钢管楞净截面抵抗矩值，W=5.08×103mm3；f——钢管楞强度设计值（N/mm2），[f]=205.000N/mm2；钢管楞最大应力计算值：σ=3.314×105/5.08×103=65.25N/mm2；钢管楞最大应力计算值σ=65.25N/mm2<钢管楞抗弯强度设计值f=205.00N/mm2，满足要求！

2.5.2 钢管楞抗剪强度的验算

公式如下：V=0.65P

其中，P——作用在钢管楞的荷载：P=（1.2×29.4+1.3×2）×0.4×0.5/2=3.788kN；V——钢管楞计算的最大剪力值（N）；钢管楞的最大剪力：V=0.65×3788=2.463×103N；钢管楞截面的抗剪强度值须满足条件：T=2V/A≤fv

上式中，T——截面的最大受剪应力值（N/mm2）；V——主楞计算的最大剪力值（N）：V=2463N；A——钢管截面面积值（mm2）：A=489.23mm2；fv——抗剪强度设计值（N/mm2）：fv=120N/mm2。

钢管主楞截面受剪应力计算值为：T=2×2463/489.23=10.07N/mm2；

钢管主楞截面受剪应力计算值T=10.07N/mm2<钢管主楞截面抗剪强度设计值fv=120N/mm2，满足规范要求！

2.5.3钢管楞的挠度验算

按照《建筑施工计算手册》，刚度的验算用荷载标准值，同时不考虑振动荷载影响。

钢管挠度计算式如下：

ν=1.146ql3/（100EI）≤[ν]=l/400

其中，q——龙骨作用于支座的荷载值（kN/m）；

P=29.4×0.40×0.50＝5.88kN/m；

ν——钢管楞最大挠度（mm）；

l——计算跨度（水平螺栓间距）：l=500.0mm；

E——钢管楞的弹性模量（N/mm2）：E=210000.00 N/mm2；

I——钢管楞的截面惯性矩（mm4），I=1.219×105mm4；

钢管楞最大挠度计算值如下：

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

钢管楞最大容许挠度值为：[ν]=1.5mm；

钢管楞最大挠度的计算值ν=3.29×10-4mm<钢管楞最大容许的挠度值[ν]=1.5mm，满足要求！

2.6 通过验算确定木模参数

确定流道墙身模板最高高度为3.0m，模板背楞龙骨为100×50木方组件（基本构件为三角），最大间距为400，模板板面为15×100条木，配模宽度根据现场实际情况确定，模板水平背楞为Φ48钢管单排双根间距为0.5m，Φ12对拉螺杆距地面木方上边缘300mm间距为50×50cm，山字形扣件加Φ12配套螺帽，架立采用Φ48钢管，平面预埋斜“L”形地锚。

3 工程实施实体效果

3.1 模板现场实施

流道模板主要由三角形龙骨衍架，模板面木条，模板光面纸组成，施工工艺流程如下所示：施工前准备（材料及相关技术计算）→模板加工及编号→测量放样→设置架立筋→安装龙骨→安装木面板及张贴光面膜→模板加固→混凝土浇筑→拆模及养护管理，现场实施效果如图4。

图4 流道模板施工效果图

3.2 现场实体效果

尾水流道模板施工难点是前期根据施工图纸进行龙骨的计算，实施的重点是对模板安装质量控制及混凝土施工时模板维护，峡江水利枢纽尾水流道模板实施以来，施工方便，经济合理，混凝土实体质量满足设计要求，外观线性顺直，为后期优质工程质量奖的评选，打下坚实基础。