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水 利 学 报

2021 年 7 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 7 期

文章编号：0559-9350（2021）07-0770-11

水电站蜗壳结构研究及应用的回顾与展望

伍鹤皋，高晓峰，傅 丹
（武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072）

摘要：简要介绍了国内外三种水电站钢蜗壳埋入方式的应用和发展历程，对我国 700 MW 级水轮机蜗壳埋入方
式的创新性成果进行了整理归纳，总结出水电站蜗壳结构研究中取得的三个重要进展，即蜗壳结构非线性数
值分析方法、蜗壳外围混凝土配筋原则以及以机组稳定运行为核心的设计理念。针对当前蜗壳结构理论研究
方面存在的不足，指出施工期水化热缝隙的形成机理、运行期温度作用效应、垫层材料长期力学特性、钢蜗
壳-混凝土接触面脉动压力的传导特性，以及钢蜗壳和座环的疲劳失效是未来蜗壳结构研究需要重点关注的内
容。在蜗壳新技术应用发展方面，介绍了预热膨胀构造初始缝隙和可融涂层构造初始缝隙两种新型蜗壳埋入
方式。最后建议研究人员和设计人员应以持续和动态的视角看待蜗壳结构长达几十年的服役过程，充分重视
结构老化累积的安全隐患。
关键词：水电站；蜗壳结构；埋入方式；直埋-垫层组合蜗壳；有限元法
中图分类号：TV732.43 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20210196

1 研究背景

水电站蜗壳是水轮机的重要组成部件之一，其中大中型水电站一般采用金属蜗壳（以下简称钢蜗
壳）。蜗壳结构在空间上为半封闭的蜗形开口结构，由钢蜗壳管节、座环（包括固定导叶和上下环
板） 及外围混凝土构成，空间属性及材料属性复杂。蜗壳结构不仅要承受较高的内水压力，还要直
接或间接地承受水轮发电机组传来的各种静、动力荷载，受力条件非常复杂。水电站厂房施工时钢
蜗壳按埋入方式可分为垫层蜗壳、充水保压蜗壳及直埋蜗壳三种结构型式。这 3 种结构型式具有各自
的特点，不同历史时期和地区对三种蜗壳埋入方式的认识和应用情况存在显著差异。
近 30 年来，我国在大型水电站蜗壳结构研究和应用方面实现了从完全引进到自主创新的突破，
本文尝试对所取得的主要研究成果进行总结，并对水电建设高速发展下尚未充分探究的问题进行讨
论，以期对未来的水电站厂房建设和长久安全运行提供参考。

2 蜗壳结构工程应用历程

2.1 充水保压蜗壳 充水保压蜗壳是使钢蜗壳在一定的保压状态下浇筑外围混凝土的施工工艺，在
1930 年代初，美国田纳西流域管理局（TVA）就将其作为最优的蜗壳埋设方法进行推广应用。根据美
国机械工程师协会（ASME）所制定的压力容器标准，各类压力容器都必须进行水压试验，而水轮机钢
蜗壳作为一种压力容器，其水压试验要求和充水保压埋设方法在美国成为了一种历史惯例而长期存
在，并逐步在欧美国家的水电站建设中得到广泛的应用，比如大古力、古里、伊泰普等单机容量超

收稿日期：2021-02-27；网络首发时间：2021-06-22
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网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20210621.1646.001.html
基金项目：国家自然科学基金项目（51679175）
作者简介：伍鹤皋（1964-），博士，教授，博士生导师，主要从事水电站压力管道与厂房结构研究。E-mail：wbf1988@vip.sina.com
通讯作者：傅丹（1988-），博士，高级工程师，主要从事水电站厂房结构研究。E-mail：303960788@qq.com
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