Page 21 - 2021年第52卷第7期

考虑了钢蜗壳与混凝土之间接触摩擦及初始缝隙的影响，结果表明蜗壳埋入方式及接触摩擦对座环
柔度的影响较小，初始缝隙的影响则相对显著。文献［16］进一步针对蜗壳外围混凝土的损伤开裂特
性开展研究，结果表明混凝土开裂损伤对座环柔度的影响非常显著。文献［28］结合溪洛渡水电站讨
论了不同埋设方式下座环的柔度，结果表明保压蜗壳座环柔度最小，垫层蜗壳最大，直埋蜗壳居
中，但相差在 8%以内。除蜗壳座环外，机组厂家对上机架基础和下机架基础的径向刚度一般也有要
求，尤其在抽水蓄能电站中非常常见。因此保证蜗壳外围混凝土关键位置的刚度对于机组稳定运行
的意义显著，该因素已引起设备厂家和厂房土建方高度重视。
蜗壳结构属非轴对称结构，内水压力作用下蜗壳上部的机墩沿 360°圆周发生不均匀上抬变形，
这一现象较早就被研究人员发现并受到重视。武汉大学、长江科学院的研究人员结合国内多个水电
站开展了机墩不均匀变形的研究 ［5,20,28-30］ ，主要结论为：（1）直埋蜗壳机墩的不均匀变形最大，保压蜗
壳最小，垫层蜗壳居中，但保压蜗壳机墩变形与保压值的选取相关；（2）直埋-垫层组合蜗壳对减小
机墩的不均匀变形非常有利，垫层平面包角在 135° ~ 180°之间时机墩不均匀变形最小；（3）考虑混凝
土损伤开裂后，机墩不均匀变形明显大于线弹性计算结果。从上述研究成果来看，目前学术界对机
墩不均匀上抬变形的力学机理与影响因素认识清晰，主要问题是缺乏行业认可的变形控制标准。
蜗壳在内水压力作用下会形成一个指向下游、大小为蜗壳进口断面面积与内水压力乘积的不平
衡水推力，该水推力相对机组中心形成一个较大的扭矩。近年来水轮机厂家对该不平衡水推力及相
应的扭矩十分重视，一般采取在蜗壳进口处设置止推环的工程措施。为此文献［31］最早对不平衡水
推力开展研究，首次揭示了蜗壳座环是承担不平衡水推力的主体之一，并初步探讨了伸缩节、止推
环及垫层铺设等因素对座环承载的影响。此后，武汉大学和大连理工大学研究人员针对该问题开展
了专题研究 ［32-35］ ，全面阐述了垫层蜗壳和充水保压蜗壳座环的承载规律，研究结果同时表明直埋蜗壳
由于混凝土具有较强的包裹效应，座环的受力是 3 种蜗壳埋入方式中最好的。
厂房土建方早期主要关注蜗壳外围混凝土结构强度安全，后来国内多家科研单位和设计单位在
大型工程蜗壳结构型式的论证过程中，土建方和机电方通过加强交流，逐渐认识到蜗壳外围混凝土
结构强度和刚度也是保证水轮发电机组稳定运行的基础条件之一，机墩、蜗壳、尾水管等厂房下部
钢筋混凝土结构本质上都是为机组运行服务的，对蜗壳的埋设方式和结构配筋进行优化设计时应综
合考虑影响机组稳定运行的多个因素（结构刚度、机墩变形、座环抗剪与抗扭），该理念目前在工程
界和学术界已经形成了共识，成为近年来蜗壳结构研究的重要进展之一。

4 蜗壳结构研究和应用发展方向

4.1 基础理论研究

（1）施工期温度缝隙的形成机理。迄今为止，分析直埋蜗壳和垫层蜗壳结构时一般均未考虑钢蜗
壳和混凝土之间存在的初始缝隙。充水保压蜗壳因为人为构造了初始保压缝隙，因此其全过程的仿
真分析一直是研究的重点，武汉大学、大连理工大学和昆明理工大学的研究人员基于不同的技术路
线，模拟了施工期保压缝隙的初始分布，揭示了保压缝隙的非均匀闭合特性，成为近年来保压蜗壳
研究的重要进展 ［36-38］ 。但上述成果都聚焦于内水压力的影响，施工期混凝土水化热作用下初始缝隙的
形成机理缺乏深入研究。文献［39］结合西龙池抽水蓄能电站蜗壳的初步研究结果表明，施工期水化
热温升引起的钢蜗壳变形甚至远大于保压水头引起的变形（图 3），这是非常值得关注的现象。
水化热温升导致钢蜗壳断面内发生径向变形，甚至发生一定的整体变形。随着施工期水化热耗
散，混凝土逐渐硬化，加上钢蜗壳与混凝土线膨胀系数不同，二者变形非协调，逐渐分离形成间
隙，这一过程中钢蜗壳与混凝土之间还存在接触摩擦，力学机制非常复杂。三峡水电站充水保压
蜗 壳 混 凝 土 浇 筑 时 要 求 当 蜗 壳 内 水 温 在 22～28 ℃时 ， 在 22 ℃基 础 上 每 上 升 2 ℃， 内 水 压 力 降 低
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0.01 MPa 。某抽水蓄能电站水轮机厂家也要求当蜗壳施工期水温超过 25 ℃时，水温每升高 1 ℃，
内水压力须相应降低 0.1 MPa，说明业界已经认识到水化热温升对初始缝隙的影响。尽管如此，目前

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