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【摘要】石龙水电站尾水肘管是在借鉴其它同类水电站尾水肘管模板的基础上，经过优化设计，研究出了新型的钢木组合桁架式尾水肘管模板。该结构具有省工、省料，结构轻便，易于拆卸安装，并可周转使用的优点，提高了施工进度。对同类工程的设计施工具有参考价值。
【关键词】尾水肘管；模板设计；钢木组合；异址预制
Abstract: Based on the designs and construction experience of the draft tubes from the other similar hydropower stations, draft tube′s template and through optimizing these designs, the design of the Draft Tube for Shi Long Hydropower Station undertook a series of optimization and has created the new truss structure with the combination of steel and wood.. Such a new structure with Steel-wooden combination has many strong points, such as saving on labor and material, portability of the structure, being easy to disassemble and installment and its capability of turnover. In particular, with the optimization of the draft Tube, the construction progress is improved greatly. The success of the design will impose valuable reference on the similar projects’ design in the future construction.
Key words: draft tube; template design; steel-wooden; combination different site prefabrication
中图分类号：TU755.2[文献标识码] A文章编号：
1前言
石龙水电站坝址位于蒲春河口上游150m左右，上距双沟电站约5.5Km，电站采用混合式开发方式，进水口位于坝址上游2.2Km处的左岸，厂房位于坝址下游2.7Km处，为引水式地面厂房，是松江河梯级电站中的第三级电站。本工程以发电为主，兼有防洪任务的中型水利水电工程。工程等别为Ⅲ等，电站主要建筑物为3级建筑物。本电站采用引水式厂房，主厂房尺寸(长×宽×高)74×19×52m，装机两台，机组安装高程435.27m，单机引用流量122.5m3/s，半台机发电尾水位444.77m，单机容量35MW，总装机容量70MW。
2008年5月，针对石龙水电站出口塌方，造成工期延误，为了保证工期、又提高效率，提出了石龍水电站尾水肘管的设计工作，尾水肘管的设计，是在借鉴其它同类水电站尾水肘管模板设计、施工经验的基础上，经过优化设计，研究出了新型的钢木组合桁架式尾水肘管模板。该结构具有省工、省料，结构轻便，易于拆卸安装，并可周转使用的优点，尤其是采用异址预制，整体吊装就位的特点，极大的提高了施工进度。石龙水电站尾水肘管模板经过优化设计后，木材仅用了4.13m3 （单个肘管），大大节省了木材的使用量，φ48mm脚手管排架使用量为3.04t，且大部分为废旧料，支撑排架和工字钢均可回收利用。同时，肘管现场组装改为异址预制，整体吊装就位，直接节省了直线工期40天（如采用木质结构现场拼装，一个肘管需要20天），经济效益十分显著。该设计方案的成功对今后同类工程的设计施工具有很重要的参考价值。
2尾水肘管特点
机组尾水管为肘形尾水管，尾水管中心线与机组中心线夹角为5°，肘管段高度为4777mm，顶口圆直径Φ4777mm，圆环面圆弧半径R2866mm，水平圆柱半径 R3906mm，顺水流方向扩散段起点到机组中心线距离为6200.6mm。从总体上看，尾水肘管的尺寸不很大，这一特点为肘管模板设计拟用新的结构型式提供了有利条件。
3模板设计主导思想
3.1异址预制，整体吊装就位
尾水肘管模板施工，因其体积较大，体形复杂多变，精度要求高，无论是制作或安装，都是一个非常复杂的问题。尾水管是发电厂房的核心部位，该部位的施工进度直接影响到整个厂房的施工进度。一般情况下，肘管模板的支立都要占较长的直线工期，石龙水电站工程的这个问题更显得突出。由于处理塌方挤占了工期，主体工程施工的直线工期更为紧张。如何使肘管模板的支立能尽量少的占用直线工期，就成为当务之急。从时间方面考虑，万家寨、金哨电站厂房尾水管模板支立均用12～18d完成，排架的支立均为现场散拼，施工效率较低。因此，在本工程中，如果将肘管排架整体在场外组装好，在施工现场吊装就位就可不占用直线工期，加快施工进度。
3.2以钢代木，节省木材
从材料方面考虑，实行市场经济以来，建筑市场竞争非常激烈，工程单价都非常低。一般来说一个尾水管木材的板方材净用量都在120m3以上(金哨水利枢纽单台机组尾水管木材用量为120m3，万家寨水利枢纽单台机组尾水管木材用量达到150m3)，工程成本投入非常高，如对肘管的尾水侧墙，尾水平台等形状较规则的面采用钢模板拼装，同时将肘管方木排架改为钢管排架，这样可极大的节省木材使用量，对降低工程成本投入非常有利。
基于以上两点设想，以加快施工进度，降低工程成本为基本原则，在石龙水电站尾水肘管模板设计中决定进行优化设计，大胆创新。
3.3优化设计
在保证安全的前提下，以最大限度的降低工程成本，减少木材的使用量为原则，对木排架采用以废旧φ48mm的钢管来代替，经过加工焊接而成。在该指导思想下，根据肘管的体型和结构特点，对石龙水电站尾水肘管主要分5个部分进行设计。
3.3.1两侧的尾水侧墙和尾水平台平面
这两部分为水平面和铅垂面，形状较为规则，以前的模板设计均为木模板。为减少木材的使用量，在石龙水电站尾水管模板设计时，对该部位模板作较大改进，采用钢模板拼装，只对边角的异形部位采用木模。设计改进后不但节省不少木材，钢模板的支立速度远大于木模板的支立速度，对工程进度非常有利。尾水平台底部支撑要承受0.88m 厚混凝土的压力，采用φ150mm 圆木，间排距1×1m 立柱，主梁采用150×150mm 方木，次梁采用100×100mm 方木。
3.3.2下弯段上游部分断面组合排架设计
水平圆柱面主要承受混凝土浇筑时的上浮力（结合分层分块，混凝土的最大上浮力按46KN/m2 计算）。根据其受力特点和方便施工，该部位设计成竖向排架。
排架弧形杆、下弦杆和腹杆均采用φ48mm钢管，长度较小的腹杆用φ25钢筋（其他部位排架与此相同）。在加工厂将排架制作好后运至组装地点（组装地点设在门机工作范围之内）排架依次组装，面板采用30×60mm标准木方横向订装于排架上。
垂直圆柱面主要承受混凝土浇筑时的侧压力（最大侧压力按46 KN/㎡计算），该部位设计成水平排架结构，排架间排距为尾水管单线图给定尺寸300mm，分为左右两部分，布置排架时以基点为基准定位，基点在同一铅垂线上，但不在同一高程。排架制作好后装订好面板与水平排架组装定位。
3.3.3上弯段的上游部分断面组合排架设计
该部分混凝土逐渐趋于垂直，模板主要承受混凝土的侧压力（最大侧压力为36KN/m2），因此该部位设计成水平排架结构。每个断面的直段和弯段长度都在改变，与混凝土面接触的模板面也是以曲线形状在变化。模板、排架的制作和现场支立难度加大，为此每个断面都分成两部分进行设计。排架依然采用φ48脚手架管制作。
当所有排架都加工好后运至组装地点与已经定位好排架进行组装，定位用φ25钢筋。之后进行面板装订。此处面板采用2×12mm白松板横向装订于排架上，连接采用30×60mm标准木方。
3.3.4圆环面的扇形排架设计
该部分主要受混凝土的垂直压力，受力较大，设计成竖向排架，扇形布置。考虑混凝土分层施工方案，设计时按48KN/m2的力进行杆件计算，同时考虑到支撑方便排架弦杆设计成两杆正交的形式，由于圆环面两端弧线不断上移，制作该部分排架时弧形杆长度随弧线不断减小，其他杆件也随之变化。待所有扇形排架都加工好后运至组装地点组装定位。定位排架时，所有竖直弦杆又组成一竖直圆柱面，水平弦杆高程梯次上升，这样为加固带来方便。排架底部支撑与尾水平台平面类似，由于肘管模板为异址预制，支撑面要平稳牢固。因此，采用16号工字钢作为支撑面，横向布置四排，间排距700mm，上面用两根16号工字钢纵向加固，以保证整体性。立柱采用φ48mm钢管，间排距700×700mm，所有立柱与16号工字钢焊牢，主梁采用φ48mm钢管，次梁采用150×150mm方木；侧向加固引入支撑排架，其布置形式见支撑排架布置图。之后进行面板装订。此处面板与上游部分面板材料及布置形式相同。
3.3.5斜平面排架设计
该部位已接近肘管弯管段的顶部，主要受混凝土的侧向压力，受力较小，且为平面，故只需按设计断面给定间距布置水平排架即可。面板同样采用上述形式。
至此，肘管模板已基本完成整体组装及面板装订，为了取得较为光滑的模板与砼接触面，还需要在肘管面板外侧粗糙部位覆盖一层0.4mm铁皮，如铁皮不覆盖，面板表面需抛光，并用腻子涂抹。肘管模板组装后的整体效果见图1。
3.4 施工要求和施工效果
3.4.1木材及排架制作
由于尾水管形状复杂，技术要求高。因此选用材料要安全可靠。从经济和质量两方面综合考虑，石龙水电站尾水管模板排架采用φ48mm钢管和φ25钢筋（两种材料大部分为废旧料）制作，焊接时均为满焊。面板采用双层12mm 厚优质白松板，其含水率均控制在18%以内，以减少木材变形。排架制作时均需现场放样，组装定位严格按照图纸尺寸进行，面板装订允许水平及垂直位置偏差为±5mm，相邻面板错台小于2mm。
3.4.2吊装就位
通过计算，尾水肘管整体重量为7.92t（不包括尾水侧墙及尾水平台部分），在门机的工作能力之内。起吊前，肘管加固一定要保证整体性，技术人员要把好质量关。起吊时，一定要找好肘管形心点。为此，采用四节钢丝绳，四个吊点是非常必要的，并且要调整好各钢丝绳的长度，先行试吊，保证肘管基本水平行进，以免发生事故。同时，起吊前，务必要先将机组轴线、肘管轴线在现场放好线，肘管上相应各特征点、特征线也要做好標记。就位时要反复调整，保证精度要求。调整好后，用拉筋将肘管与基础连结好，同时，将工字钢与预先埋置的锚筋焊接牢固，以防施工过程中肘管发生移位。石龙水电站尾水肘管吊装就位后，经过测量各项尺寸数据均满足精度要求。图2为肘管整体就位图。
3.4.3经济效益
石龙水电站尾水肘管模板经过优化设计后，木材仅用了4.13m3 （单个肘管），大大节省了木材的使用量，φ48mm脚手管排架使用量为3.04t，且大部分为废旧料，支撑排架和工字钢均可回收利用。同时，肘管现场组装改为异址预制，整体吊装就位，直接节省了直线工期40天（如采用木质结构现场拼装，一个肘管需要20天），经济效益十分显著。
石龙水电站尾水管混凝土施工过程中，通过合理的分层方案使得肘管模板每一部分受力都更加均匀，更加合理，最大分层厚度仅为1.88m，从而有效的避免了因肘管模板受力不合理而导致的问题的发生。因进度关系，石龙水电站尾水肘管共制作了两套，若时间允许或机组台数多些，该肘管排架拆掉后还可组装重复利用。对比以往同类工程的施工经验，石龙水电站尾水肘管模板设计结构具有省工、省料，结构轻便，易于拆卸安装，并可周转使用的优点，尤其是采用异址预制，整体吊装就位的特点，极大的提高了施工进度。石龙水电站尾水肘管模板设计与施工的成功经验对今后同类工程施工具有很大的参考价值。
参考文献：
[1]李国,王金田,曲川波.尼尔基尾水肘管模板设计.辽宁丹东:水电工程技术2003年1期.
[2]康世荣,陈东山.水利水电工程施工组织设计手册3-施工技术.北京:中国水利水电出版社,1997.6.
[3]JGJ 130—2001(2002年版),建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范.
[4]DL/T 5110-2000,水电水利工程模板施工规范
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
【关键词】尾水肘管；模板设计；钢木组合；异址预制
Abstract: Based on the designs and construction experience of the draft tubes from the other similar hydropower stations, draft tube′s template and through optimizing these designs, the design of the Draft Tube for Shi Long Hydropower Station undertook a series of optimization and has created the new truss structure with the combination of steel and wood.. Such a new structure with Steel-wooden combination has many strong points, such as saving on labor and material, portability of the structure, being easy to disassemble and installment and its capability of turnover. In particular, with the optimization of the draft Tube, the construction progress is improved greatly. The success of the design will impose valuable reference on the similar projects’ design in the future construction.
Key words: draft tube; template design; steel-wooden; combination different site prefabrication
中图分类号：TU755.2[文献标识码] A文章编号：
1前言
石龙水电站坝址位于蒲春河口上游150m左右，上距双沟电站约5.5Km，电站采用混合式开发方式，进水口位于坝址上游2.2Km处的左岸，厂房位于坝址下游2.7Km处，为引水式地面厂房，是松江河梯级电站中的第三级电站。本工程以发电为主，兼有防洪任务的中型水利水电工程。工程等别为Ⅲ等，电站主要建筑物为3级建筑物。本电站采用引水式厂房，主厂房尺寸(长×宽×高)74×19×52m，装机两台，机组安装高程435.27m，单机引用流量122.5m3/s，半台机发电尾水位444.77m，单机容量35MW，总装机容量70MW。
2008年5月，针对石龙水电站出口塌方，造成工期延误，为了保证工期、又提高效率，提出了石龍水电站尾水肘管的设计工作，尾水肘管的设计，是在借鉴其它同类水电站尾水肘管模板设计、施工经验的基础上，经过优化设计，研究出了新型的钢木组合桁架式尾水肘管模板。该结构具有省工、省料，结构轻便，易于拆卸安装，并可周转使用的优点，尤其是采用异址预制，整体吊装就位的特点，极大的提高了施工进度。石龙水电站尾水肘管模板经过优化设计后，木材仅用了4.13m3 （单个肘管），大大节省了木材的使用量，φ48mm脚手管排架使用量为3.04t，且大部分为废旧料，支撑排架和工字钢均可回收利用。同时，肘管现场组装改为异址预制，整体吊装就位，直接节省了直线工期40天（如采用木质结构现场拼装，一个肘管需要20天），经济效益十分显著。该设计方案的成功对今后同类工程的设计施工具有很重要的参考价值。
2尾水肘管特点
机组尾水管为肘形尾水管，尾水管中心线与机组中心线夹角为5°，肘管段高度为4777mm，顶口圆直径Φ4777mm，圆环面圆弧半径R2866mm，水平圆柱半径 R3906mm，顺水流方向扩散段起点到机组中心线距离为6200.6mm。从总体上看，尾水肘管的尺寸不很大，这一特点为肘管模板设计拟用新的结构型式提供了有利条件。
3模板设计主导思想
3.1异址预制，整体吊装就位
尾水肘管模板施工，因其体积较大，体形复杂多变，精度要求高，无论是制作或安装，都是一个非常复杂的问题。尾水管是发电厂房的核心部位，该部位的施工进度直接影响到整个厂房的施工进度。一般情况下，肘管模板的支立都要占较长的直线工期，石龙水电站工程的这个问题更显得突出。由于处理塌方挤占了工期，主体工程施工的直线工期更为紧张。如何使肘管模板的支立能尽量少的占用直线工期，就成为当务之急。从时间方面考虑，万家寨、金哨电站厂房尾水管模板支立均用12～18d完成，排架的支立均为现场散拼，施工效率较低。因此，在本工程中，如果将肘管排架整体在场外组装好，在施工现场吊装就位就可不占用直线工期，加快施工进度。
3.2以钢代木，节省木材
从材料方面考虑，实行市场经济以来，建筑市场竞争非常激烈，工程单价都非常低。一般来说一个尾水管木材的板方材净用量都在120m3以上(金哨水利枢纽单台机组尾水管木材用量为120m3，万家寨水利枢纽单台机组尾水管木材用量达到150m3)，工程成本投入非常高，如对肘管的尾水侧墙，尾水平台等形状较规则的面采用钢模板拼装，同时将肘管方木排架改为钢管排架，这样可极大的节省木材使用量，对降低工程成本投入非常有利。
基于以上两点设想，以加快施工进度，降低工程成本为基本原则，在石龙水电站尾水肘管模板设计中决定进行优化设计，大胆创新。
3.3优化设计
在保证安全的前提下，以最大限度的降低工程成本，减少木材的使用量为原则，对木排架采用以废旧φ48mm的钢管来代替，经过加工焊接而成。在该指导思想下，根据肘管的体型和结构特点，对石龙水电站尾水肘管主要分5个部分进行设计。
3.3.1两侧的尾水侧墙和尾水平台平面
这两部分为水平面和铅垂面，形状较为规则，以前的模板设计均为木模板。为减少木材的使用量，在石龙水电站尾水管模板设计时，对该部位模板作较大改进，采用钢模板拼装，只对边角的异形部位采用木模。设计改进后不但节省不少木材，钢模板的支立速度远大于木模板的支立速度，对工程进度非常有利。尾水平台底部支撑要承受0.88m 厚混凝土的压力，采用φ150mm 圆木，间排距1×1m 立柱，主梁采用150×150mm 方木，次梁采用100×100mm 方木。
3.3.2下弯段上游部分断面组合排架设计
水平圆柱面主要承受混凝土浇筑时的上浮力（结合分层分块，混凝土的最大上浮力按46KN/m2 计算）。根据其受力特点和方便施工，该部位设计成竖向排架。
排架弧形杆、下弦杆和腹杆均采用φ48mm钢管，长度较小的腹杆用φ25钢筋（其他部位排架与此相同）。在加工厂将排架制作好后运至组装地点（组装地点设在门机工作范围之内）排架依次组装，面板采用30×60mm标准木方横向订装于排架上。
垂直圆柱面主要承受混凝土浇筑时的侧压力（最大侧压力按46 KN/㎡计算），该部位设计成水平排架结构，排架间排距为尾水管单线图给定尺寸300mm，分为左右两部分，布置排架时以基点为基准定位，基点在同一铅垂线上，但不在同一高程。排架制作好后装订好面板与水平排架组装定位。
3.3.3上弯段的上游部分断面组合排架设计
该部分混凝土逐渐趋于垂直，模板主要承受混凝土的侧压力（最大侧压力为36KN/m2），因此该部位设计成水平排架结构。每个断面的直段和弯段长度都在改变，与混凝土面接触的模板面也是以曲线形状在变化。模板、排架的制作和现场支立难度加大，为此每个断面都分成两部分进行设计。排架依然采用φ48脚手架管制作。
当所有排架都加工好后运至组装地点与已经定位好排架进行组装，定位用φ25钢筋。之后进行面板装订。此处面板采用2×12mm白松板横向装订于排架上，连接采用30×60mm标准木方。
3.3.4圆环面的扇形排架设计
该部分主要受混凝土的垂直压力，受力较大，设计成竖向排架，扇形布置。考虑混凝土分层施工方案，设计时按48KN/m2的力进行杆件计算，同时考虑到支撑方便排架弦杆设计成两杆正交的形式，由于圆环面两端弧线不断上移，制作该部分排架时弧形杆长度随弧线不断减小，其他杆件也随之变化。待所有扇形排架都加工好后运至组装地点组装定位。定位排架时，所有竖直弦杆又组成一竖直圆柱面，水平弦杆高程梯次上升，这样为加固带来方便。排架底部支撑与尾水平台平面类似，由于肘管模板为异址预制，支撑面要平稳牢固。因此，采用16号工字钢作为支撑面，横向布置四排，间排距700mm，上面用两根16号工字钢纵向加固，以保证整体性。立柱采用φ48mm钢管，间排距700×700mm，所有立柱与16号工字钢焊牢，主梁采用φ48mm钢管，次梁采用150×150mm方木；侧向加固引入支撑排架，其布置形式见支撑排架布置图。之后进行面板装订。此处面板与上游部分面板材料及布置形式相同。
3.3.5斜平面排架设计
该部位已接近肘管弯管段的顶部，主要受混凝土的侧向压力，受力较小，且为平面，故只需按设计断面给定间距布置水平排架即可。面板同样采用上述形式。
至此，肘管模板已基本完成整体组装及面板装订，为了取得较为光滑的模板与砼接触面，还需要在肘管面板外侧粗糙部位覆盖一层0.4mm铁皮，如铁皮不覆盖，面板表面需抛光，并用腻子涂抹。肘管模板组装后的整体效果见图1。
3.4 施工要求和施工效果
3.4.1木材及排架制作
由于尾水管形状复杂，技术要求高。因此选用材料要安全可靠。从经济和质量两方面综合考虑，石龙水电站尾水管模板排架采用φ48mm钢管和φ25钢筋（两种材料大部分为废旧料）制作，焊接时均为满焊。面板采用双层12mm 厚优质白松板，其含水率均控制在18%以内，以减少木材变形。排架制作时均需现场放样，组装定位严格按照图纸尺寸进行，面板装订允许水平及垂直位置偏差为±5mm，相邻面板错台小于2mm。
3.4.2吊装就位
通过计算，尾水肘管整体重量为7.92t（不包括尾水侧墙及尾水平台部分），在门机的工作能力之内。起吊前，肘管加固一定要保证整体性，技术人员要把好质量关。起吊时，一定要找好肘管形心点。为此，采用四节钢丝绳，四个吊点是非常必要的，并且要调整好各钢丝绳的长度，先行试吊，保证肘管基本水平行进，以免发生事故。同时，起吊前，务必要先将机组轴线、肘管轴线在现场放好线，肘管上相应各特征点、特征线也要做好標记。就位时要反复调整，保证精度要求。调整好后，用拉筋将肘管与基础连结好，同时，将工字钢与预先埋置的锚筋焊接牢固，以防施工过程中肘管发生移位。石龙水电站尾水肘管吊装就位后，经过测量各项尺寸数据均满足精度要求。图2为肘管整体就位图。
3.4.3经济效益
石龙水电站尾水肘管模板经过优化设计后，木材仅用了4.13m3 （单个肘管），大大节省了木材的使用量，φ48mm脚手管排架使用量为3.04t，且大部分为废旧料，支撑排架和工字钢均可回收利用。同时，肘管现场组装改为异址预制，整体吊装就位，直接节省了直线工期40天（如采用木质结构现场拼装，一个肘管需要20天），经济效益十分显著。
石龙水电站尾水管混凝土施工过程中，通过合理的分层方案使得肘管模板每一部分受力都更加均匀，更加合理，最大分层厚度仅为1.88m，从而有效的避免了因肘管模板受力不合理而导致的问题的发生。因进度关系，石龙水电站尾水肘管共制作了两套，若时间允许或机组台数多些，该肘管排架拆掉后还可组装重复利用。对比以往同类工程的施工经验，石龙水电站尾水肘管模板设计结构具有省工、省料，结构轻便，易于拆卸安装，并可周转使用的优点，尤其是采用异址预制，整体吊装就位的特点，极大的提高了施工进度。石龙水电站尾水肘管模板设计与施工的成功经验对今后同类工程施工具有很大的参考价值。
参考文献：
[1]李国,王金田,曲川波.尼尔基尾水肘管模板设计.辽宁丹东:水电工程技术2003年1期.
[2]康世荣,陈东山.水利水电工程施工组织设计手册3-施工技术.北京:中国水利水电出版社,1997.6.
[3]JGJ 130—2001(2002年版),建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范.
[4]DL/T 5110-2000,水电水利工程模板施工规范
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。