摘要: 三峡右岸电站厂房15号机组蜗壳直埋方案的研究，其分析方法是:根据该方案线弹性三维有限元计算结果，配置蜗壳外围混凝土结构所需的钢筋，根据此配筋示意图，进行蜗壳与外围钢筋混凝土结构联合受力的非线性三维有限元分析。其分析又分为静力分析与动力分析两种。研究结果表明，采用直埋方案蜗壳外围混凝土结构内水压力承载比高，配筋量大，对混凝土结构的长期安全运行仍有需深入研究的问题。

关 键 词: 蜗壳;钢筋混凝土结构;直埋方案;三峡水电站

中图分类号: tk730.3+12 文献标识码: a

蜗壳在既不充水加压也不敷设软垫层的条件下直接埋入混凝土中而形成蜗壳外围混凝土结构的方法简称为直埋方案。目前世界上已建成的单机容量700mw左右的巨型水电站中，采用此种蜗壳埋入方式的工程仅前苏联的萨扬舒申斯克水电站。但萨扬舒申斯克水电站是在当时受一些客观条件的限制，而采用此方案的。采用直埋方案（即完全联合承载蜗壳）主要目的之一是用钢筋混凝土结构来替代金属蜗壳的高强钢板承受高内水压力的作用，因而可以减薄钢板厚度，缓解钢蜗壳的技术难度，取得以钢筋取代钢板的效益，混凝土中所埋入的金属蜗壳仅起防渗的作用。采用这个方案，钢筋混凝土结构的安全性自然就摆在非常重要的位置上了，因为混凝土结构在内水压力及其他荷载组合作用下如果不能保证其安全，则以蜗壳外围混凝土结构为基础的700mw水轮发电机组的安全稳定运行就难以保证，以此为基础的厂房上部结构的安全也难以保证。

1 三峡电站蜗壳埋入方式简述

与萨扬舒申斯克水电站不同，三峡水电站金属蜗壳是承受内水压力的主体结构，它是按明管设计的，即金属蜗壳按独立承受百分之百设计内水压力，选择高抗拉强度的厚钢板材料制作的。三峡左岸电站发电机组经过国际招标，由世界上水轮发电机组设计制造较先进的alstom集团、vgs集团中标，负责设计制造金属蜗壳。为保证金属蜗壳结构的安全，其承包商应根据机组招标合同文件及国际通用的安全标准提出一系列的设计制造、安装工艺、质量检测等要求。可以说三峡电站金属蜗壳的设计制造、材料选取、焊接安装、质量检测等各方面都必须能够满足独立承担百分之百设计内水压力的要求。金属蜗壳无需让外围混凝土结构分担内水压力来保证其强度安全。

在此前提条件下，应该让钢筋混凝土结构尽可能少的承担内水压力，其结构的安全性更容易实现，从而使700mw巨型水轮发电机组的安全稳定运行及厂房上部结构安全得到保证。在三峡工程中，蜗壳埋入方式采用充水保压浇筑混凝土方式和敷设软垫层浇筑蜗壳外围混凝土的方式，均以减小混凝土结构承担内水压力，保证机组在任何运行工况下长期的安全稳定运行为主要设计目标。采用保压方案和垫层方案对按明管设计的金属蜗壳来说，由于在蜗壳与混凝土之间提供了蜗壳受内水压力作用后可产生不影响其安全的、预定的变形空间，因而使得金属蜗壳能够单独发挥其高抗拉强度和良好的抗疲劳性等性能。同时蜗壳外围混凝土结构所承担的内水压力大幅减小，使整体的蜗壳及其外围混凝土结构受力分配得当，建筑材料的使用上做到扬长避短、安全合理。

三峡电站厂房蜗壳外围及其外围混凝土结构设计中，根据结构承载hd值大、蜗壳直径大、单机容量大、装机台数多且布置紧凑等特点，混凝土结构的尺寸不可能选得过大。无论采用垫层方案或保压方案都是根据其结构的特点进行了充分的论证和研究后，才付诸于工程实施。且研究和实践都表明三峡电站厂房蜗壳及其外围混凝土结构采用垫层方案或保压方案都合适。在三峡电站蜗壳埋入方式的选择上之所以没选择直埋方案，主要考虑到由于直埋方案蜗壳与混凝土之间几乎无间隙，蜗壳在内水压力作用下无单独发挥其承载能力的空间，只能起到将内水压力传递给外围混凝土结构的作用，无法发挥钢蜗壳自身的承载能力，若如此钢蜗壳仅能起到防渗作用，则不必要按明管设计。在保证外围混凝土结构安全的前提下，即使允许外围混凝土结构产生一定的裂缝，但其提供给蜗壳产生变形的空间几乎是微乎其微，与此同时蜗壳外围混凝土结构则承担了绝大部分的内水压力荷载。三峡电站蜗壳外围混凝土结构厚度相对蜗壳大直径来说比较薄，混凝土材料本身的抗拉强度远远不及高强钢板，由内水压力作用在混凝土结构中产生的高拉应力，几乎全部由混凝土结构中所配置的钢筋来承担。然而在蜗壳外围混凝土结构（即使被称之为水电站厂房的大体积混凝土结构）中大量配置钢筋会造成机坑内管路埋设布置困难和混凝土施工困难，混凝土施工质量难以保证。为减少钢筋的根数和层数可参照萨扬舒申斯克水电站该部位的配筋方式，采用大直径的钢筋（如60、70mm直径），但三峡电站在该部位与之不同的是在蜗壳外围及机坑里衬外围混凝土中布置有许多大直径（400、600、800、1000mm等直径）的管路，这些大直径管路与大直径钢筋相遇发生矛盾时，在钢筋构造上是难以避让的。因此在三峡电站厂房采用蜗壳直埋方案相对垫层方案或保压方案来说，对蜗壳外围混凝土结构设计增加了不少需要解决的技术难题。

2 采用直埋方案机组段的选择与研究方法

三峡电站厂房蜗壳及其外围混凝土结构是个复杂的、异形的三维空间结构，在对其结构进行分析研究时，一般采用三维有限元方法分析。以上对垫层方案、保压方案、直埋方案的论述都是基于对其结构进行线弹性三维有限元分析方法进行计算分析得出的结论。由于其结构的计算模型、计算条件、边界条件等都很复杂，尤其是钢筋混凝土属非线性材料，即使采用线弹性三维有限元分析结果已能满足工程实际的需要，但要获得该结构更精确的解答，必须依靠科学技术的进步和发展。随着当前计算机技术的进步，先进的、功能强大的工程计算软件的开发和应用，许多复杂的工程实际问题能够获得较精确的、更符合实际的解答，为从理论上对三峡电站蜗壳采用直埋方案进行更深入地（线性或非线性的、静力或动力的三维有限元）分析、探讨、论证及优化提供了条件。

2005年在国务院三峡工程质量检查专家组建议下，受三峡总公司委托，选择三峡右岸电站厂房1台机组做蜗壳直埋方案研究工作。由长江水利委员会设计院牵头，联合长江水利委员会长江科学院、大连理工大学、河海大学、武汉大学、中国水利水电科学研究院等科研机构展开了该方案的研究工作。从不影响当时三峡右岸电站施工进度以及给研究和实施留有一定时间的角度出发，选择了15号机组作为研究对象。事实上，从设计对三峡电站蜗壳外围混凝土结构的研究结果可知，也只有15号机组具有蜗壳采用直埋方案的可行性。因为在三峡右岸电站厂房中15号机组为边机组，机组段总宽度为42.4m（其他标准机组段为38.3m），其蜗壳进口段左侧混凝土结构厚度较其他标准机组段厚4.1m，如果将该部位蜗壳外围一期混凝土结构与二期混凝土结构相结合作为整体结构来考虑，在相同的计算条件下，混凝土结构中所产生的最大拉应力较其他标准机组段小，适当地配置一定数量的钢筋，其结构采用直埋方案是可行的。

15号机组蜗壳直埋方案的研究分析方法是:首先由设计根据该方案线弹性三维有限元计算结果，采用主拉应力分布图形中的主拉应力面积值，在满足结构承载能力要求的情况下，配置蜗壳外围混凝土结构所需的钢筋。根据此配筋示意图，进行蜗壳与外围钢筋混凝土结构联合受力的非线性三维有限元分析。也就是说其非线性三维有限元分析是进行该结构的正常使用极限状态的分析。对结构分析的要求是在标准荷载作用下，钢筋混凝土结构不出现贯穿性裂缝，允许裂缝开展宽度不超过0.3mm。其分析又分为静力分析与动力分析两种。

静力分析主要获得以下结果:

（1）在标准荷载作用下金属蜗壳、混凝土、钢筋的应力、变形;

（2）在标准荷载作用下钢筋混凝