Page 18 - 2021年第52卷第7期

表 2 垫层蜗壳和直埋蜗壳典型工程的相关参数

单机容量/ 蜗壳进口 蜗壳最大 设计内水 钢材强度
电站名称 蜗壳类型
MW 直径/m 壁厚/mm 压力/m /MPa
刘家峡 300 6.5 40 140 500 垫层蜗壳
龙羊峡 320 6.5 44 180 600 垫层蜗壳
李家峡 400 8.0 50 164 600 垫层蜗壳
彭水 350 9.74 65 140 600 垫层蜗壳
三峡 700 12.4 75 139.5 600 垫层蜗壳
龙滩 700 8.7 74 242 600 垫层蜗壳
拉西瓦 700 6.8 64 276 600 垫层蜗壳
向家坝 800 12.2 74 158 600 垫层蜗壳
乌东德 850 11.5 85 173 800 垫层蜗壳
白鹤滩 1000 8.6 95 340 800 垫层蜗壳
景洪 350 11.2 40 96 500 直埋-垫层组合蜗壳
三峡 700 12.4 75 139.5 600 直埋-垫层组合蜗壳
向家坝 800 12.2 74 158 600 直埋-垫层组合蜗壳
溪洛渡 770 7.2 74 287 600 直埋-垫层组合蜗壳
努列克 300 4.2 32 380 500 直埋蜗壳
英古里 260 3.0 36 550 500 直埋蜗壳
萨扬舒申斯克 640 6.5 40 286 500 直埋蜗壳

大型水电站开展了钢蜗壳与钢筋混凝土联合承载结构的研究。通过取消座环与蜗壳连接处 1.5～2.0 m
范围内的软垫层，降低了该处的蜗壳弯曲应力，在局部区域实现了钢蜗壳与外围钢筋混凝土的完全
联合承载。后来又相继在努列克水电站（单机容量 300 MW，设计水头 380 m）、英古里水电站（单机容
量 260 MW，设计水头 550 m）、萨扬舒申斯克水电站（单机容量 640 MW，设计水头 286 m）中取消了所
有垫层，实现了真正意义上的完全联合承载蜗壳，钢蜗壳按与外围混凝土共同承受内水压力设计，
因而钢蜗壳可以采用强度较低的钢材并减小厚度。迄今为止，世界上采用完全联合承载蜗壳的最大
水电站和最大机组即为单机容量为 640 MW 的萨扬舒申斯克水电站机组。
与前苏联不同，北欧、日本在应用直埋蜗壳时，采用的钢蜗壳是按单独承受全部内水压力设计
制造的，并不因有外包混凝土而将钢蜗壳减薄。但由于钢蜗壳和混凝土之间没有垫层或保压形成的
缝隙，相当部分的内水压力传给外围混凝土，使得蜗壳外围混凝土负担重、配筋多。
为了解决蜗壳直管段外围混凝土开裂和机墩不均匀上抬变形问题，经大量试验研究和设计论
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证，景洪水电站全部 5 台机组和三峡水电站的 15 、27 机组将蜗壳直管段垫层铺设范围延伸至进口断
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面下游的 45°断面，成为直埋-垫层组合蜗壳 ［3-4］ ，是对直埋蜗壳技术的创新发展。直埋-垫层组合蜗
壳可解决传统直埋蜗壳局部区域混凝土应力过大、承载比过高和发电机下机架不对称上抬位移过大
等问题，未铺设垫层范围钢蜗壳贴紧混凝土可改善座环和过渡板受力条件，增加结构的整体性 ［4-5］ ，
［6］
相比于充水保压蜗壳节省了加压设备和场地，缩短了安装工期，被认为具有广阔的应用前景 。三峡
工程之后，随着对垫层蜗壳研究的深入，工程上对垫层平面铺设范围的选择更为灵活，向家坝（单机
容量 800 MW，8 台）地面厂房 4 台机组采用传统垫层蜗壳（包角 270°），地下厂房 4 台机组则将垫层末
端铺设至 90°断面；溪洛渡水电站（单机容量 770 MW，18 台）蜗壳分别采用了 45°和 155°两种垫层平面
包角。大型工程中成功应用直埋-垫层组合蜗壳成为我国在蜗壳埋入方式上的重要创新，直埋-垫层
组合蜗壳和直埋蜗壳典型工程的相关参数见表 2。

3 蜗壳结构研究焦点及重要进展

3.1 蜗壳结构非线性数值分析方法 蜗壳结构具有复杂的几何体型，材料属性为钢衬-钢筋混凝土组

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