非典型曲面竖井贯流泵进出水流道新型施工技术研发

周阜军 商志清 何 琴

(1.江苏盐城水利建设有限公司，江苏 盐城 224014；2.江苏省水利科学研究院，江苏 南京 210017)

泵站工程竖井进水流道是一种水力性能优异的流道形式，广泛应用于大中型泵站进水流道设计中。竖井进水流道进水流态好，流道内水力损失相对更小，大大减少了水泵叶轮的汽蚀、振动和噪声，这对于泵站运行的稳定性、安全性、高效性、使用寿命都具有非常重要的意义。由于竖井贯流泵进水流道面为扭曲面、造型复杂，过去多采用木板拼接法制模或钢丝网水泥砂浆胎模法成模或采用加工厂预制模板现场安装等方法，施工条件较差、质量偏差较大，弱化了泵站的运行效能。因此流道施工质量是泵站施工控制的核心环节。

1 工程概况

大河港泵站工程为无锡市防汛应急工程，位于江苏省无锡市惠山区境内，釆用闸站结合双向泵站布置形式，泵站设计流量为30m3/s，共安装3台叶轮直径2.3m的竖井贯流泵，单机流量15m3/s，配套额定功率不小于1000kV的卧式电动机3台套。

2 新型施工工艺的优点及关键技术

本项目采用BIM技术更能有效控制工程质量。第一，非典型曲面竖井泵站进出水流道典面段，采用BIM技术建立流道模型，准确设计各断面模板位置、尺寸。按工程部位和施工工艺对BIM模型进行拆分，采用自定义的编码标准对模型逐一编号；将制作的模板与模型比对，确保模板制作与拼接的精度；竖井流道钢筋加工、绑扎繁杂，应用BIM技术进行准确下料、定位，做到一次成功，避免返工现象；在Navisworks平台中将模型与施工节点逐一关联，实现流道立模、钢筋定位绑扎等重点工序的施工模拟，更好地指导施工。第二，采用提前加工与预拼装方案有效缩短工期。竖井流道模板在工场提前加工与预拼装，与基础处理同步施工，大大缩减了模板现场立模施工时间。在传统施工工艺中，竖井进出水流道施工往往是关键线路工作，但由于本文采用提前加工与预拼装方案，将其变成可调控独立工序，不占用关键线路时间。第三，利用优良的加工条件提高流道混凝土防裂工艺。在加工厂制作条件下，有效地提高了综合温控防裂措施布置和安装的均匀性和严密性，该泵站竖井进出水流道未出现裂缝，这在大中型泵站工程中很难得。

采用钢模和木模组合式模板，充分发挥了木模板易于加工及钢模板刚度大的优点，提高了施工效率和成模效果。较传统木模板或定型钢模板制作工艺，人工节省约1/3，材料费节省20%～30%。流道水力性能更好，泵站装置效率大于设计约1.1%，工程寿命期中社会效益显著。

采用BIM技术建立流道可视化模型，准确设计各断面模板位置、尺寸；流道平直段采用竹胶板，曲面段采用定制钢模，应用钢模和木模组合式模板技术，充分发挥木模板及钢模板各自的优点，降低成本；利用BIM模型数据同步化技术将制作的模板预拼装后与模型比对并及时修正，提高模板制作与拼接的精度；模板采用双钢管固定对称支撑、底板预埋钢筋螺栓拉结，有效控制模板整体结构的自由度，很好地解决了模板混凝土浇筑时经常出现的浮升及变位问题。

竖井进出水流道设计中采用了现浇低等级混凝土芯墙和掺加抗裂纤维的方案，制模时采用模板内贴混凝土透水模板布和带模养护等综合措施，有效地防止流道混凝土出现裂缝和提高流道混凝土内外在质量。

3 施工工艺操作要点

3.1 施工工艺流程

施工工艺流程共分9个步骤(见图1)。

3.2 流道模板方案设计

非典型曲面竖井泵站进出水流道典面段2-2断面至11-11断面(见图2)，采用BIM技术建立流道模型(见图3、图4)，准确设计各断面模板位置、尺寸。按工程部位和施工工艺对BIM模型进行拆分，采用自定义的编码标准对模型逐一编号。流道采用定制钢模与竹胶板拼接的方式立模，其中曲面部分钢模由专业厂家在厂内利用数控卷板机将钢模面板一次性卷压成型，平面部分采用竹胶板立模，将制作的模板与模型比对(见图5)，确保模板制作与拼接的精度。

图1 施工工艺流程

木模板对拉螺栓采用直径16mm螺纹钢，横向间距425mm，竖向间距600mm；钢模板对拉螺栓采用直径16mm螺纹钢，横向间距及竖向间距均为600mm。

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3.3 流道模板加工制作

a.模板材料准备。根据流道工程量，计算流道模板在工厂制作所需的钢板、肋板、木方及竹胶板。按理论计算量1.2倍备用材料。木材的质量应达到Ⅲ等以上的材质标准。木方截面规格50mm×100mm；钢模面板厚度为5mm，肋板截面尺寸为63mm×10mm；竹胶模板厚度选用18mm，双面防水；铁钉选用1.5英寸、2英寸、2.5英寸三种规格。

b.曲面钢模板制作。钢模板由专业厂家生产，按照模板设计文件和《组合钢模板技术规范》(GB/T 50214—2013)制作，构件的下料、焊接、矫正等工序符合规范要求。钢模板及配件的焊接采用二氧化碳气体保护焊。钢模板制作完成后，进行检验；检验合格后进行防锈处理，板面涂防锈油，并覆盖塑料薄膜保护，其他面涂防锈漆。

图2 竖井流道单线

图3 进水流道模型

图4 出水流道模型

图5 竖井出水流道模板设计图与模型对比(单位：mm)

3.4 流道模板拼装准备

a.施工工场准备。施工工场地面采用30cm厚灰土处理基层，10cm混凝土硬化地面；工场地面四周排水畅通，暴雨时不积水；模板加工及拼装时，需采取防雨防潮措施，工场通风良好，工场需具有防雨顶棚或临时搭设的防雨棚。

b.放大样和工作平台搭设。钢模板在厂家定制完成后，进行现场试拼装。流道模板拼装场地做到表面平整，在硬化混凝土地面上放竖井流道底面1 ∶1水平投影样线，标示出设计特征断面位置及纵向轴线。在投影线外侧使用脚手钢管架，高于流道口面50cm。脚手架使用纵横向剪刀撑、斜撑联结牢固。在顶面顺水流方向牢固铺设20cm宽方木板，并固定。利用卫星测量技术引入流道平面控制轴线、特征断面线控制线于顶面方木板及钢管上，这样形成了三维控制坐标系。工作平台采用方木板铺设，方木板横向间距40cm左右。在混凝土平整场地上利用拼接的竹胶模板放流道纵向轴线顶、底外模大样，并标示特征断面线位置，按大样线切割样板，样板作为模板支撑制作、模板安装位置校验的依据。模板试拼装后与模型进行对比，确保流道模板的精度。

3.5 流道模板支架搭设

流道模板支架采用φ48×3.5mm钢管搭设满堂脚手架，间距为60cm×60cm，步距为1.5m。横杆和立杆接长均采用对接扣件连接，顶板立杆高程不够时采用调节杆接高，调节杆的调节高度控制在30cm以内。同时采用双向剪力撑加固牢靠。

3.6 流道组合模板安装

首先，根据流道单线图2-2断面至11-11断面尺寸，在站身底板混凝土浇筑时预埋钢筋，准确定位每个断面底高程及平面位置，如图2中红线所示，结合流道钢筋焊接联结固定模板位置，防止模板浇筑混凝土时上浮。

模板支架搭设完成并组织验收合格后，进行曲面钢模板及平面木模板的安装。模板安装前对钢模板进行打磨、抛光，涂抹脱模剂，对木模板表面进行清理，涂抹脱模剂。

每个流道钢模板分四角整体制作，安装时先定位2-2断面及11-11断面，然后查验其余钢模部位与骨架断面间隙，确保曲面钢模安装准确。曲面钢模间平面部位采用竹胶板制安，主要作用是填充曲面钢模间隙。填充完成后，钢模与木模间采用定尺木方挤实，确保平顺及浇筑过程不错位(见图6)。

图6 进水流道断面(单位：mm)

3.7 流道钢筋制作及安装

由于流道线形复杂，钢筋制作成型难、钢筋架立固定易变位、流道头部钢筋密集，质量难以控制。因此采用流道建模形成配料表加工钢筋，并采用定位环筋、加密垫块等措施辅助流道钢筋的安装。

a.流道钢筋制作。流道模型建成后，采用三维配筋插件，完成三维钢筋网绘制，形成钢筋配料表，保证准确下料，做到一次成功，避免返工现象。钢筋在工场按照配料表逐根加工、标识存放。

b.流道钢筋安装。钢筋现场绑扎架立时，由流道出水口段开始施工，在流道断面内环设置不少于3道临时定位环筋，定位环筋利用底板钢筋焊接支撑、加密保护层垫块进行定位，然后绑扎顺水流向钢筋。流道顶面顺水流向钢筋逐根绑扎固定保护层垫块(钢筋间保护层垫块梅花形布置，保护层垫块间距20cm左右)。完成顺水流方向钢筋绑扎后，绑扎安装环向钢筋，环向钢筋中30%与顺水流向钢筋逐根点焊联结，焊接的环向钢筋焊接固定支撑于底板上。焊接的环向钢筋上加密设置保护层垫块。完成流道钢筋绑扎后，检查钢筋保护层、钢筋配筋及架立符合设计要求后，再切割拆除临时架立的定位环筋(此处混凝土保护层厚度不符合设计要求)，最后绑扎其他部位流道钢筋。使用的保护层垫块需是工厂定型生产的高强标准垫块。

流道钢筋绑扎时，加强流道模板面保护，严禁在模板上进行电焊或氧焊切割，钢筋焊接时焊渣冷却后清理。混凝土浇筑前模板顶面采用高压气枪清理，清水冲洗干净。

3.8 流道混凝土浇筑

由于流道部位混凝土厚度较大、结构厚薄变化较大，极易产生温度应变、收缩应变等裂缝，施工前召开专家认证会，并按确定的温控防裂专项方案落实施工保证措施。

竖井进出水流道浇筑时落实高效双掺混凝土、低水化热混凝土、优化配合比、掺用抗裂纤维、模板内贴混凝土透水模板布、带模养护等综合保障措施，防止流道混凝土出现裂缝并提高流道混凝土内外在质量。

流道部位混凝土采用分层、左右对称浇筑的施工方法。流道底面混凝土要求有较好的流动性，以保证混凝土料进仓通畅；施工时由流道端面中间分层进料进行振捣，待流道模板两侧混凝土砂浆流出后，进行流道左右侧平衡进料浇筑。

3.9 流道混凝土养护及模板拆除

泵站进水流道层混凝土浇筑完成后，即开始混凝土养护。流道层顶面覆盖湿布保湿养护，若于冬季施工，需保温蓄热养护不小于28天。进水流道口封闭，进水流道内浇水保持潮湿。保湿养护不少于14天后，可拆除进水流道除木模外的其他模板。拆模后，流道继续喷水养护，养护期不小于28天，期间，流道进出口保持基本封闭状态。冬季当环境温度骤降时，严格保持流道进出口封闭。

进水流道模板在机泵安装前一个月提前拆除，拆除时，先拆除模板内支撑，然后拆除模板内板墙筋，最后拆除模板面板。拆除模板面板时，从流道内侧四面中间平面模板开始，最后是四角及曲面部分模板。拆除面板时从一端打入硬木楔块，用撬杠拆除，撬杠支点在硬木垫块上。模板拆除中做好混凝土面的保护。

如果工期允许，进水流道模板尽可能延迟拆除。多个工程的实践表明延迟拆除能够有效保障混凝土质量。该工程直到工程验收放水前，均未观测到流道部位混凝土裂缝。

3.10 导水锥施工

a.模板制作。导水锥是水泵轴套与竖井外壁相连部位，是泵站进水流道变化最大部位。三维空间曲面曲率变化大，承受水流冲刷严重。在该部分也采用钢模施工，其分块制作方案见图7、图8。

图7 导水锥整体(单位：mm)

图8 导水锥模板分块制作展开(单位：mm)

b.混凝土浇筑。导水锥与轴套二期混凝土紧密相连。在流道浇筑前，即在轴套部位预留二期混凝土模板。模板采用圆形预留形式，以便于二期混凝土施工。由于导水锥与轴套二期混凝土之间空间狭小，且基本为封闭空间，混凝土进料、振捣均十分困难，难以达到密实的效果，会导致泵站放水后出现渗水现象。根据成熟的工程经验，在轴套顶部预留φ100灌浆孔，在该部位采用灌浆料灌注。

4 质量控制措施

4.1 流道模板安装与进水流道其他模板衔接

由于流道模板支承在站身底板上，因此在站身底板混凝土浇筑前，站身底板面高程及流道底层插筋位置需进行复核并放大样，放样后仔细复查；底板混凝土浇筑后抹面时再次校核混凝土面高程和插筋位置；安装流道模板前再次复查流道底板面高程等并进行模板安装放样。

钢模面板厚5mm，加固筋板高63mm，与其顺接的竹胶板厚18mm，加固木方尺寸为50mm，可以保持钢模与竹胶板接缝平顺，防止错台。模板接缝粘贴胶带，防止漏浆。

4.2 流道钢筋绑扎

流道钢筋下料规格多、钢筋直径大，而且是弯曲弧形，通过BIM模型辅助准确下料，并制作弧形模具，在工场1 ∶1放大样逐个加工，反复校正，保证质量，加工好的钢筋需依序标识、存放。

流道部位钢筋间距小，钢筋绑扎时采用临时定位钢筋、点焊固定、加强支撑、加密保护层垫块等综合措施，保证流道部位钢筋保护层，防止钢筋位移，防止对流道模板面的损伤。

4.3 流道混凝土浇筑

混凝土拌和料需具有较好的流动性，才能保证流道底面混凝土进仓流畅，通过混凝土浇筑试验确定或延长混凝土振捣时间，减少流道底斜面上的气孔。

为确保流道底面混凝土在站身底板面处密实，站身底板混凝土预留深度要不小于15cm，底板混凝土面凿毛处理。

流道混凝土防裂除采用温控防裂及工程设计措施外，还需加强流道混凝土保温保湿养护，防止流道内温度骤降。施工中尽可能延迟流道混凝土拆模时间和延长保湿养护期。封闭进水流道进出口，防止温度骤降、湿度剧烈变化和控制流道混凝土水化热升温速率。

4.4 流道混凝土成品保护

加强进出水流道混凝土成品保护。拆模时严禁在混凝土面敲击，用尖锐工具撬、划。流道底斜面可覆盖旧模板保护。

5 结 语

非典型曲面竖井贯流泵进出水流道施工技术，在无锡市防汛应急工程大河港泵站及芜湖市峨溪河排洪新站工程中成功应用，泵站流道内外施工质量得到较大提高，施工精度满足了设计要求，流道水力性能达到模型试验所确定的理想状态，保障了泵站在长期运行中的稳定性、安全性及使用寿命。