三峡水电站蜗壳采用保压浇混凝土的结构形式，装机高程57m.正常设计水位175m(考虑水击力的影响，相应内水压力为1.395MPa)，初期运行水位135m，两者相差较大。通过有关研究工作，设计采用的保压水头为70m.由于机组台数多和工期要求，可能在不同季节都会有机组施工。一方面，由于保压水头较小，低温季节浇外围混凝土的机组在高温季节高水位运行时，混凝土结构承担的荷载较大；另一方面，由于初期运行水头较小，高温季节浇外围混凝土的机组在低温季节低水位运行时，钢蜗壳与混凝土将不能完全贴紧运行。这两方面可分别采取提高保压水温和降低保压水头的措施。为此，本文通过三维有限元仿真计算，分析冬、夏季浇筑外围混凝土情况，在不同季节、不同水位运行期钢蜗壳与外围混凝土交界面的传力或可能存在的间隙，并研究合适的保压水头和保压水温。

三峡工程挡水坝为混凝土重力坝，电站厂房为坝后式。本文取一左岸岸坡坝段机组为研究对象，由于厂坝联接段压力钢管用垫层管取代了伸缩节，且垫层管下游端未设止推环，大坝的变形将通过垫层管影响到钢蜗壳的位移以及钢蜗壳与外围混凝土间的相互作用，因此计算模型中包括了大坝和垫层管，坝体包括钢管坝块及实体坝块，两坝块间为永久横缝。厂坝间分缝Δ51m以下岩坡进行接缝灌浆。主厂房模拟至Δ67m，上、下游副厂房只模拟下部实体部分，见图1、图2.

垫层管长10m，其中坝内长5.8m，厂内长4.2m.厂内段垫层管可分为2段，即一期混凝土2.2m段和三期混凝土2.0m段。钢蜗壳进口位于垫层管下游端的下游侧1.1m处。

图1 大坝及厂房立体(含部分基础)	图2 厂房横剖面

(1)钢管、座环和固定导叶等钢材：E=210GPa，μ=0.30，α=1.2×10^-5/℃,γ=78.0kN/m³；蜗壳钢板厚度20～64mm.(2)基岩：厂房基岩E=26GPa；大坝基岩E=10～26GPa；μ=0.23，α=0.85×10^-5/℃，导温系数a=0.083m2/d.(3)大坝混凝土：E=26GPa，μ=0.167，α=0.85×10^-5/℃,a=0.083m²/d.(4)钢蜗壳与外围混凝土交界面：摩擦系数f=0.5.(5)厂房混凝土：μ=0.167，α=0.85×10^-5/℃，a=0.083m²/d,γ=24.5kN/m³；弹模、绝热温升和徐变度分别见式(1)～式(3)，不计混凝土自身体积变形。

1.3 主要边界温度曲线T(t)及表面放热系数β

　　(1)与大气接触的结构外表面

(2)运行期上、下游副厂房内表面和主厂房Δ67m表面

(3)运行期引水压力管道和蜗壳内表面

(4)运行期大坝上游表面。运行期库水位以下的大坝上游表面采用库水水温边界条件，库水温度曲线随高程变化。

厂房混凝土浇筑层厚1.5～3.0m，分4区，对角两区同时浇筑，间歇期7～8d，15d浇一层。分别模拟了冬季和夏季浇外围混凝土情况，施工过程见表1.厂房混凝土入仓温度见表2.

对冬季浇筑外围混凝土情况，在保压水头70m条件下，研究了保压水温控制措施，共计算了3种方案：(1)无保温措施：蜗壳内水体取当时河水，水体初温11.7℃，钢蜗壳外表面取气温边界条件(4)；(2)采取保温措施：水体初温16℃，钢蜗壳外表面采用泡沫塑料保温，β=2.0w/m²℃。(3)采取加温措施：水体温度低于22℃时就加温，计算时钢蜗壳内表面取恒温22℃，外表面按绝热考虑。在(1)、(2)方案中，保压水体同样划分单元参加计算，水的导温系数为0.01238m²/d.以上钢蜗壳外表面边界条件仅适用于尚未被混凝土覆盖的区域。

表1 厂房施工过程

表2 厂房混凝土入仓温度(℃)

对夏季浇筑外围混凝土情况，蜗壳内水体取当时河水，水体初温25.5℃，在无保温措施情况下，计算了两种保压水头方案：70m和62m.

引水压力管道合拢前，考虑到坝体混凝土已强迫冷却到稳定温度厨行纵缝灌浆，因此先计算在边界气温作用下的坝体准稳定温度场，在此基础上，进行模拟厂房蜗壳保压浇混凝土施工过程的温度场仿真计算，厂房混凝土按自然冷却考虑。瞬态温度场的计算采用在空间上用有限元离散、在时间上用向后差分的隐式差分格式^[2]。计算采用自行开发的温度场仿真计算程序3DUSTPCG.

在获得大坝与厂房的温度场后进行应力与变形分析，将大坝和厂房作为整体进行仿真计算，从厂房混凝土浇筑开始至运行期，模拟厂房混凝土保压浇筑过程和卸压、运行期加压过程以及由此引起的钢蜗壳与外围混凝土间的接触问题和水库蓄水过程等，考虑了自重、温度和徐变的影响。其中，采用初应变法^[2，3]考虑徐变的影响，接触面单元物理方程见文献[4]。计算采用自行开发的可同时考虑混凝土温度徐变影响和缝面接触问题的结构仿真分析程序3DCRCPCG.

计算范围包括坝体、厂房水下结构、钢管和部分岩基。为适应仿真计算的需要，厂房基本上按分层分区划分网格，各浇筑层分两层单元，整个计算模型共划分结点50927个，单元45632个。应力分析时总自由度最后将近14.5万个，不仅计算规模大、计算时段多，而且还要进行接触问题非线性迭代，计算工作量相当庞大。为此，在3DUSTPCG和3DCRCPCG程序中采用笔者提出的对称逐步超松驰预处理共轭梯度迭代法(SSOR-PCG)的改进迭代格式^[5]作为求解器，与常用的大型有限元方程组的一维变带宽存储的三角形分解直接解法相比，在存储量和计算工作量方面都降低一个数量级以上，使得在微机上快速求解大型问题成为可能。方程组的规模越大，其效率更加显著。由于计算工作量少，计算舍入误差也小。

2003年7月水库蓄水至135m，同年10月机组投入运行。2009年汛后蓄水至175m，下游设计洪水位76.4m.仿真计算是从厂房混凝土浇筑开始至2020年止，几个主要特征时刻的计算成果见表3～表4.3个特征点A、B、C的位置见图2.初期水位运行期的计算成果为2004年的计算结果，且未考虑水击力的影响；正常水位运行期的计算成果是2020年的计算结果，考虑了水击力的影响。计算中考虑了管内水重的影响。

表中结点的传压(即钢蜗壳与外围混凝土间交界面的法向接触应力)或间隙是由接触面单元形心的值按单元面积绕节点加权平均获得，而平均传压或间隙是由蜗壳段所有接触面单元形心的值按单元面积加权平均获得。由这些成果表中可见，间隙或传压的分布是不均匀的。

表3 冬季浇筑外围混凝土情况蜗壳与混凝土界面的间隙和传压

表4 夏季浇筑外围混凝土情况蜗壳与混凝土界面的间隙和传压

综合上述计算成果，冬季浇外围混凝土的机组采取加温措施维持保压水温22℃对减小蜗壳外围混凝土的受力以及夏季浇外围混凝土的机组采取62m低保压水头对减小低水位运行期钢蜗壳与外围混凝土交界面的间隙都是可行和比较有效的。鉴于采取这两种措施后，在初期低水位运行期尚有相当一部分交界面存在间隙，因此冬季浇外围混凝土情况的保压水温还可适当降低，而夏季浇外围混凝土的保压水头可适当下调或通河水适当降低保压水温。由于实际工程条件十分复杂，因此施工中要对保压水温进行监测，并适时适当调节现场保压水头和保压水温。

由于钢蜗壳与外围混凝土的线膨胀系数及温差不同，两者的温度变形不协调，当钢蜗壳的外胀温度变形大于外围混凝土的温度变形时，在两者交界面上就会产生温度接触应力，从而增大混凝土承担的荷载，三峡水电站蜗壳的计算结果表明这种影响是显著的，设计中要予以考虑；反之，在低水位运行时，在交界面可能存在间隙，混凝土无助于机组抗振。应结合实际工程的具体情况和侧重点，认真研究保压水头和保压水温。本文研究对象虽然是保压浇外围混凝土的水电站蜗壳，但所得成果对其它蜗壳结构形式也有参考价值。