小水電彎肘形尾水管模板的設(shè)計(jì)制作與安裝

黃陽峰

(東陽市水利水電設(shè)計(jì)院，浙江東陽322100)

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小水電彎肘形尾水管模板的設(shè)計(jì)制作與安裝

黃陽峰

(東陽市水利水電設(shè)計(jì)院，浙江東陽322100)

小型水電站立式機(jī)組多采用彎肘形尾水管，由于其形狀復(fù)雜、尺寸大、制作安裝精度要求高、施工難度大，因此其質(zhì)量直接影響到水輪機(jī)的效率和穩(wěn)定。針對(duì)小水電站工程施工隊(duì)伍技術(shù)力量偏低的實(shí)際，通過工程實(shí)例，介紹了一種較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的彎肘形尾水管肘管段模板的設(shè)計(jì)制作與安裝方法。圖4幅，表1個(gè)。

小水電站；彎肘形尾水管；模板；設(shè)計(jì)制作

1　概　述

為充分利用水能、減少水輪機(jī)能量損失、節(jié)省廠房基礎(chǔ)開挖量，小型水電站立式機(jī)組多采用彎肘形尾水管。由于彎肘形尾水管形狀復(fù)雜、尺寸大、制作安裝精度要求高、施工難度大，因此其施工質(zhì)量直接影響到尾水管恢復(fù)系數(shù)高低、水輪機(jī)效率和穩(wěn)定。小型水電站彎肘形尾水管型式及尺寸一般由水輪機(jī)制造廠家提供。彎肘形尾水管由直錐段、肘管(彎管)段和水平擴(kuò)散段三部分組成，其中直錐段(正圓錐)、水平擴(kuò)散段(矩形)均為簡單幾何圖形，肘管段由圓環(huán)面、斜圓錐面、斜平面、水平圓柱面、垂直圓柱面、立平面、水平面(平臺(tái)水平面、底板水平面)所組成，其形狀復(fù)雜。如何制作模板，使?jié)仓匿摻罨炷廖菜芊显O(shè)計(jì)要求，下面以某徑流式電站為例介紹彎肘形尾水管模板的設(shè)計(jì)制作與安裝。

2　工程概況

某徑流式電站裝機(jī)容量4×250 kW，設(shè)計(jì)水頭3.8 m，設(shè)計(jì)流量4×8.72 m3/s，立式機(jī)組，水輪機(jī)型號(hào)ZDT03—LH—140，采用彎肘形尾水管(見圖1、圖2、表1)。

3　設(shè)計(jì)制作

從前面彎肘形尾水管肘管段單線圖可知，肘管段進(jìn)口是圓形斷面，經(jīng)過各曲面的變化，出口為矩形斷面。肘管段為多變的水工曲面，正確反映肘管段大小形狀的是尾水管單線圖1、圖2和表1中的參數(shù)。根據(jù)本工程肘管段大小特點(diǎn)，尾水管擴(kuò)散段與襯管段混凝土實(shí)行一次澆筑，尾水管底板與相鄰機(jī)組間的尾水管隔墩混凝土先于尾水管段澆筑。為此在模板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，采取擴(kuò)散段全段至肘管段平臺(tái)以下立平面間采用60×5角鋼骨架，角鋼骨架以Y軸為對(duì)稱做成可拆卸。以方形杉木枋條作輔材用木螺栓固定在角鋼上，在上平面與立平面上以竹膠合板作面板材料，用釘子與杉木枋條固定。

3.1圓環(huán)面部分(Z=946.5～1 893 mm)模板的設(shè)計(jì)制作

3.1.1圓環(huán)面部分拱架設(shè)計(jì)制作

從圖1可知，Z=946.5 mm以上部分有圓環(huán)面、斜圓錐面、斜平面、水平圓柱面及水平面，它們互為相交或相切，圓環(huán)面部分展開圖并非平面；Z=946.5～1 893 mm段圓環(huán)面部分是整個(gè)肘形尾水管模板制作最為復(fù)雜的部分。小型水電站肘形尾水管尺寸相對(duì)較小，圓環(huán)面部分可用木拱架結(jié)構(gòu)。在Z=946.5～1 893 mm間設(shè)6個(gè)水平拱架,從上到下拱架用編號(hào)1～6表示(見表1)。各拱架組合后，外圍4層三合板作面板，每層厚3 mm。拱架外圈弧木板(厚度17 mm)尺寸就是由表1中高度Z對(duì)應(yīng)的單線圖尺寸減去三合板厚度確定。

表1　彎肘形尾水管襯管段木模水平拱架放樣參數(shù)

注：表中表示水平高度為Z的截面的平面尺寸，每一個(gè)拱架上、下端面就是所在位置高度Z對(duì)應(yīng)的截面。截面尺寸后標(biāo)△的為內(nèi)插計(jì)算參數(shù),其余為肘管單線圖中廠家提供的參數(shù)。

圖1　彎肘形尾水管肘管段單線圖

圖2彎肘形尾水管肘管段水平截面圖

下面以5號(hào)拱架制作為例進(jìn)行說明。根據(jù)水輪機(jī)廠家提供的肘管單線圖的幾何關(guān)系列出X1、Y1、X2、Y2、X3、Y3、R1、R2、F的關(guān)于高度Z的方程(因篇幅所限略)，用Excel編成電子表格，求得不同Z值時(shí)的數(shù)值(見表1)。然后按5號(hào)拱架上下端面弧木板高度Z所對(duì)應(yīng)的表1參數(shù)，按1∶1比例在硬質(zhì)板(如三合板)上畫出肘管截面輪廓樣板圖，制作出每個(gè)拱架上、下端面樣板。

本工程拱架外圈弧木板采用成品δ=17 mm杉木板，相應(yīng)拱圈上下面高差為17 mm，對(duì)應(yīng)的高度為Z=1 136 mm(拱圈下)、Z=1 153 mm(拱圈上)。用樣板在杉木板上下面劃線(劃線時(shí)保證X、Y軸重合)，劃好的輪廓線就是肘管截面邊線。從邊線平移縮進(jìn)面板厚12～21 mm的距離(按上下圈傾斜度不同，縮進(jìn)尺寸也略為不同，大小在12～21 mm間，斜度大的如-Y方向?yàn)?1 mm)。杉木板寬約12 cm，內(nèi)用杉木枋條作桁架，桁架形成的拱圈內(nèi)做1個(gè)以X、Y軸交點(diǎn)為中心、邊長為1 m×1 m的正方形杉木枋條，各拱架上正方形尺寸及相應(yīng)的X、Y軸位置相同。 6個(gè)拱圈制成后，用4根M16的螺栓(L=1 050 mm)在正方形拱圈四角鉆孔插入，每根螺栓在每個(gè)拱圈上下側(cè)分別配1副M16平墊和螺帽，用以調(diào)整拱架所在位置高程。拱架高程調(diào)整用帶有毫米刻度的鋼皮尺作標(biāo)尺，放在拱架外圈的弧木板上，利用架在遠(yuǎn)處同一基準(zhǔn)點(diǎn)的水準(zhǔn)儀將6個(gè)拱架四周弧木板上端面的高度調(diào)整到表1中的Z數(shù)值。如尾水管底板平面高程為±0.000 m，則5號(hào)拱架弧木板上端面的高程為+1.153 mm。依此類推，將編號(hào)為1～6的拱架全部按表1所示的高度值Z調(diào)好，用螺栓連在一起。將6個(gè)拱架組合后的拱架臺(tái)放在肘管段上平面Z=946.5 mm的平臺(tái)上，X、Y軸對(duì)應(yīng)重合，調(diào)水平后用釘子固定(見圖3)。

圖35號(hào)拱架制作示意

3.1.2圓環(huán)面部分安裝面板

如前所述，圓環(huán)面上的水工曲面互為相交或相切連接。對(duì)于圓環(huán)面，其平面展開圖為非平面，因此采用大塊板或厚板都難以使肘管段模板達(dá)到廠家單線圖所要求的形狀尺寸。前面我們提到了面板采用3 mm厚三合板為材料，分4層逐層固定至拱架臺(tái)上去。拱架臺(tái)制作時(shí)拱架的外圍弧木板就考慮了面板厚度及與拱架正交斜交厚度的影響。圓環(huán)面處用裁剪成3～10 cm寬的三合板逐層固定到拱架上去作為面板。其他曲面、平面可用相應(yīng)展開圖大小的三合板固定上去。每做一層在面板上涂刷木工膠水配合槍釘以方便固定下一層。4層三合板附上后，面板總厚度為12 mm，最后在面板內(nèi)側(cè)的拱架間隙用杉木枋條加密加固，面板強(qiáng)度已能滿足混凝土澆筑時(shí)的強(qiáng)度要求(見圖4)。

1～6-水平拱架；7～8-水平拱架(圓弧部分)；9-角鋼(主架)；10-杉木枋；11-竹膠合板；12-剪刀撐；13-斜撐；14-杉木板；15-膨脹螺栓；16-三合板；17-肋板(水平圓柱面與垂直圓柱面相交段)；18-肋板(水平圓柱面與立平面相交段)；19-M16螺栓

圖4彎肘形尾水管肘管段模板結(jié)構(gòu)示意

3.2圓環(huán)面下部分(Z=0～946.5 mm)模板的設(shè)計(jì)制作

按圖1、圖4 所示，擴(kuò)散段全段至肘管段平臺(tái)以下B點(diǎn)立平面間采用60×5角鋼骨架，以此為圓環(huán)下部分模板主支架。圓環(huán)面下部(Z=0～946.5 mm)曲面由水平圓柱面、垂直圓柱面、立平面、底平面所組成；其中Z=0～24 mm段由水平圓柱面、立平面、底平面構(gòu)成。為便于底部混凝土澆筑密實(shí)及模板調(diào)整，Z=0～67 mm只做側(cè)立面板，底部水平圓柱面模板不做，Z=0～155 mm段底部水平圓柱面段與整個(gè)尾水管底板先行澆筑。Z=67～247 mm段側(cè)立面與底部水平圓柱面做成模板，底部水平圓柱用杉木板按圖4中“18”的形狀做成R=1 618 mm的圓弧肋板，肋板間用方形杉木枋條連在一起，Z=247～946.5 mm段的底部水平圓柱面按相同方法用方形杉木枋條將圓弧肋板連起來。在Z=473 mm、Z=663 mm兩側(cè)按表1在(Y1，X1)、(Y3，X3)間用杉木板做成R=1 085 mm圓弧肋板水平布置在兩側(cè)，構(gòu)成垂直圓柱

面內(nèi)支架。最后用槍釘將三合板逐層固定在圓弧肋板上，每層間用木工膠水涂刷1遍，以增加面板強(qiáng)度。

4　模板安裝

按以上方法做成的彎肘形尾水管模板，經(jīng)尺寸復(fù)核合格后，在三合板面板上刷兩道桐油保護(hù)。在肘管段1號(hào)拱架上端面(Z=1 893 mm)畫上X、Y軸，連同擴(kuò)散段的上平面畫上Y軸，然后安排吊車吊運(yùn)至施工現(xiàn)場。

在尾水管模板就位前，先澆筑尾水管底板及Z=0～155 mm段的底部水平圓柱段與尾水管間隔墩，底板高程不能高于設(shè)計(jì)值，只可略低于設(shè)計(jì)高程。尾水管模板就位后調(diào)正模板高程，如底板高程不足時(shí)，可用放在模板底部角鋼下的斜鐵調(diào)整。肘管段X、Y軸需調(diào)至與機(jī)組X、Y軸一致，然后用膨脹螺栓在角鋼底部、圖4所示的肘管段水平圓柱底部與基礎(chǔ)底板混凝土固定，并同時(shí)進(jìn)行高程、水平復(fù)核，至此就完成了尾水管模板的安裝。

5　結(jié)　語

采用這套模板設(shè)計(jì)制作方案，制作簡單、精度高，尤其是圓環(huán)段拱架上下面傾斜度修整，圓環(huán)面成形方面與使用鋼板、型鋼為主的鋼制形尾水管相比加工簡易，優(yōu)點(diǎn)顯著。不足之處就是對(duì)尺寸更大的尾水管，在拱架強(qiáng)度、支撐方面還需考慮加強(qiáng)。

在經(jīng)濟(jì)方面，這套以角鋼為主架構(gòu)、木材桁架為次架構(gòu)做成的彎肘形尾水管角鋼主架構(gòu)及其上面的竹膠板可重復(fù)使用，肘管段模板只能每臺(tái)機(jī)組使用1套，不能重復(fù)利用，工程造價(jià)不足鋼制尾水管模板的1/3，是小水電站施工的優(yōu)先選項(xiàng)。

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責(zé)任編輯吳昊

2016-06-29

黃陽峰(1969-)，男，工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。E_mail：hyf1680@sina.com