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1 前言
某抽水蓄能电站高压阀门尾闸室位于厂房下游侧，距机组中心线82.8m ，四条尾水支洞在其下部通过，每条支洞分设一扇高压阀门，主要作用是保护机组安全运行和机组检修时防止尾水倒灌厂房。高压阀门门槽（即腰箱）布置在尾闸室内，其底板高程为‐14m，总高度为13m，门槽孔口段由门槽中心向上库侧布置长度为5.05m，向下库侧布置长度为7.45m。腰箱位置如图1 所示。
门槽由腰箱顶盖、腰箱段、孔口段及侧槽板焊接组合件等组成。孔口段又包括顶板、侧板、底板等焊接组合件。为运输方便，将门槽各组成构件分节设计制造。腰箱顶盖与腰箱间必须采用螺栓连接，其它构件根据强度、刚度、稳定性等条件要求，可考虑采用全部焊接，或部分螺栓连接，亦或先采用螺栓连接，内外接缝之间再行封焊，以保证门槽的整体密封性。
图1 腰箱位置示意图
2 计算目的及内容
合理地设计尾水事故闸门及门槽，是抽水蓄能电站金属结构设计成功与否的关键所在。目前国内的门槽设计分析，仍采取简单的平面力学方法，不能准确模拟钢结构的整体及各构件的相互关系，亦不能准确模拟荷载及边界条件的复杂性。本文采用三维有限元分析的方法，模拟现场螺栓连接，并与焊接方式进行对比分析；模拟有无外包混凝土及围岩的边界条件，准确地了解腰箱各部位的变形及受力情况。为确定腰箱的结构形式、尺寸及强度，选择安全合理的施工方案提供依据。这在目前国内门槽设计中尚属首例。
尾闸闸门孔口尺寸为5.0m×5.0m 。腰箱顶盖及尾闸埋件部分，即门槽孔口段的顶板、底板、侧板，腰箱段、侧槽板均采用钢结构形式，材料为Q345‐B。计算的内容为：①腰箱结构在内水压力作用下的强度计算；②腰箱结构在外水压力作用下的强度计算；③外包混凝土质量的影响；④围岩质量对腰箱结构的影响；⑤螺栓应力研究。通过计算，对腰箱的结构形式提出评价，推荐合理的安装施工方案。
考虑到腰箱段门槽分节之间的连接方式，有三种计算方案：
方案一：腰箱段与孔口段均为螺栓连接
方案二：腰箱段为焊缝连接、孔口段为螺栓连接
方案三：腰箱段与孔口段均为焊缝连接
以上三个方案中，顶盖与腰箱间均为螺栓连接。按有无外包混凝土和围岩抗力的影响两种情况考虑边界条件。
3 计算模型及条件
闸门腰箱结构的计算采用ANSYS 有限元程序，腰箱结构为板壳元和梁单元的组合。门槽孔口段的顶板、底板、侧板，腰箱段、侧槽板以及腰箱顶盖用壳单元模拟，翼缘用梁单元模拟，外包混凝土与围岩用三维实体单元模拟，按实际情况定义不同的板厚和截面形状。门槽孔口段的顶板、底板、侧板，腰箱段的腰箱、侧槽板以及腰箱顶盖均为单独构件，共32 个，施工时，现场用螺栓连接，安装完成后进行封焊，再填充混凝土。计算时模拟此组装方式及边界条件。
腰箱顶盖、腰箱段、孔口段及侧槽板分别单独建模，形成独立的构件，再用螺栓连接各构件，填充混凝土与围岩形成整体。螺栓以点模拟，每个螺栓连接两块钢板上的两个点。用螺栓连接的两块钢板之间不允许平移，只能绕其轴向转动。
图2 组装前后、填充混凝土、外包围岩后有限元模型
组装前后、填充混凝土、外包围岩后有限元模型如图2 所示。
计算工况及荷载情况见表1，内水工况下荷载由腰箱、外包混凝土及围岩共同承担，外水工况下荷载由腰箱单独承担。
此处内水压力设计水头按机组在下库设计洪水位，上库死水位抽水工况时，机组发生事故的数量组合，根据水力过渡过程计算，确定闸门槽处的静水水头加水锤作用水头为腰箱的内压设计水头。外水压力一般考虑施工时混凝土浇筑压力，另外考虑门槽所处位置可能出现的渗透压力，腰箱外水压力的计算取两者中的大值。
表1 计算方案、工况、荷载及边界条件
计算中使用的物理力学参数见表2。
表2 计算中使用的物理力学参数
考虑到外包混凝土的收缩性、填充的不严密性以及围岩参数的不确定性，选取了另外几组混凝土弹模E＝20GPa、15GPa、10GPa、5GPa，围岩弹模E＝20GPa、10GPa，进行对比分析。
4 计算成果
4.1 内水控制工况
方案一工况1 为内水控制工况。顶盖与腰箱、腰箱段与孔口段之间均为螺栓连接。机组正常运行时，尾水洞过水，此时四台机同时事故甩负荷。腰箱结构承受自重和内水压力，静水压力与水锤作用叠加，内水压力达115m水头。
图3 方案一工况1总位移 图4 方案一工况1最大拉应力
结构受内水压力作用向外膨胀变形，门口向上下游扩张，孔口向四周扩张。最大位移发生在下库侧侧板与侧槽板上，值为1.03mm，如图3。由于各单独构件是用螺栓连接的，内水压力的作用欲使各单独构件分离，因此螺栓连接点处有较大的应力集中。不考虑各螺栓连接点的应力集中，结构的最大拉应力位于下库侧顶板四上，值为155MPa，如图4。最大压应力值为‐64.1MPa ，位于上库侧侧板三与底板的连接处。
4.2 外水控制工况
方案一工况4 为外水控制工况。腰箱结构不承受内水压力作用，仅承受自重和40m外水压力作用。考虑到外包混凝土和围岩不能帮忙抵抗外水，因此工况四的边界条件与前几个工况不同，外包混凝土和围岩不参与计算，只适当考虑外包混凝土对隔板的约束作用。
腰箱结构受外水压力作用向内收缩变形，最大位移值为3.405mm，发生在孔口的底部，如图5。结构在外水作用下向内收缩变形，由于外水压力对腰箱起捆绑作用，因此螺栓连接点的应力不大。最大拉应力位于上库侧顶板一与腰箱三的连接处，值为122MPa，如图6所示。最大压应力值为‐171MPa，位于上库侧底板上。
图5 方案一工况4 总位移 图6 方案一工况4 最大拉应力
4.3 各工况结果分析
三个方案共9 个工况的计算结果列于表3。从三个方案工况1 的计算结果看，方案一与方案二的位移、应力差别不大，而方案三与前两个方案相比，位移、应力值均相对较小。说明在抵抗内水压力时，焊接结构可减小结构的位移，改善应力状况。
表3 各工况位移、应力总表(mm、MPa)
从三个方案工况4 的位移计算结果上看，三个方案的位移值与拉应力值差别较小，而压应力值差别较大，尤其是方案三与前两个方案相比，压应力明显减小。这说明在抵抗外水压力时，焊接结构对于降低结构压应力的作用相当明显。
4.3 混凝土质量的影响
施工时，填充的混凝土可能产生收缩，难以保证腰箱与混凝土之间不会出现缝隙，因此外包混凝土帮忙承担内水压力的作用将降低。为分析混凝土强度对腰箱结构的影响，选取方案三工况1，混凝土弹模E＝20GPa、15GPa、10GPa、5GPa，其它参数不变，进行对比分析。三种混凝土参数的位移和应力结果见表4。
表4 不同混凝土弹模的位移、应力比较(mm、MPa)
计算结果表明，混凝土弹模降低过程中，位移、应力的量值均有相当大的增加。当混凝土弹模由25GPa、20GPa、15GPa、10GPa降低到5GPa的过程中，位移最大增至300%，最大拉、压应力均增加到250～300% 左右。原来由围岩、外包混凝土和腰箱结构共同承担的内水压力，更多地乃至完全由腰箱自身承受，导致腰箱结构的安全稳定性明显降低。在混凝土弹模降低到5GPa 时，腰箱结构的拉应力已明显高于规范允许值。说明混凝土强度、混凝土灌浆的密实度、混凝土与腰箱的黏结强度将是影响腰箱结构整体安全稳定性的关键因素。因此，必须作好混凝土灌浆施工，保证混凝土充满岩体与腰箱结构之间，并尽可能提高混凝土与岩体及钢板的黏结强度。
4.4 围岩质量的影响
为分析围岩质量对腰箱结构的影响，对于方案一工况1，选取另外两组围岩参数E＝20GPa、10GPa进行对比分析，其它参数不变。计算结果表明，当围岩弹模由30GPa降低至10GPa时，腰箱的位移增加0.057mm，应力增加14MPa，围岩帮忙抵抗内水压力的作用减弱，内水压力更多地由腰箱自身承受，腰箱结构的安全稳定性降低。因此必要时应对软弱围岩进行加固处理，以保证腰箱结构处于安全稳定状态。三种围岩参数的位移和应力结果列于表5。
表5 不同围岩弹模的位移、应力比较(mm、MPa)
4.5 螺栓应力研究
上述计算的着重点是腰箱、外包混凝土和围岩整体系统，各工况的螺栓均以点模拟，这种方法不能直接反应螺栓自身的应力。为进一步分析螺栓的受力情况，将螺栓做为整体结构的一部分，对其建模、加载，使其参与计算，最终得到螺栓自身的应力。
选取方案三的工况1与工况3‐2进行对比分析。腰箱顶盖与腰箱之间用螺栓连接，其余部分均为焊缝连接，外包混凝土和围岩参与计算。用杆单元模拟腰箱顶盖与腰箱之间的螺栓连接。杆单元与腰箱顶盖之间、杆单元与腰箱之间的三个平动自由度绑定，三个转动自由度放开。腰箱顶盖上共有螺栓70 个，选用直径为56mm 的螺栓。
4.5.1 杆单元方案工况1
腰箱结构的总位移如图7。与前面的方案三工况1 不同的是，最大位移在腰箱顶盖上，值为1.027mm，其它部位的位移分布规律与方案三工况1 基本相同。整体的应力情况与方案三工况1 类似，整个结构的最大拉应力发生在门口，下库侧顶板上，值为121MPa。最大压应力为‐56.3MPa，位于上库侧侧板与底板二的连接处。腰箱顶盖上的最大拉应力值为49.7MPa ，最大压应力值为‐34.7MPa。与方案三工况1相比，拉应力增大，压应力减小。
图7 杆单元方案工况1 总位移图
计算结果表明，连接腰箱顶盖与腰箱之间的所有杆单元，其最大轴向应力为166.12MPa，在螺栓间距较大处，螺栓的应力亦大。
腰箱顶盖上共有螺栓70 个，平均每个螺栓的应力为83.39MPa。
4.5.2 杆单元方案工况3‐2
启闭力方向向上，由于启闭力的作用与内水压力的作用叠加，顶盖上螺栓的应力较大。连接腰箱顶盖与腰箱之间的所有杆单元，其最大轴向应力为145.84MPa。腰箱顶盖上共有螺栓70 个，平均每个螺栓的应力为60.06MPa。
5 结术语
1. 从计算结果来看，三个方案的位移、应力均满足规范要求。方案三由于其整体性好，位移与应力值均较前两个方案小，但由于焊接较多，施工难度相对较大。方案一虽然位移、应力值较其它两个方案大，但也在规范允许范围内。且由于其便于安装施工，应为首选方案。
2. 杆单元方案的计算成果表明，螺栓自身应力比较大，四台机同时甩负荷时达166.12MPa，是该结构中需要高度关注的一类关键部件。建议选用连接紧密、耐疲劳，承载能力强的螺栓，并应对螺栓紧固操作的方法、工艺和紧固力的大小提出严格的技术要求。
3. 如何使混凝土、围岩与钢板共同承担内水压力和外水压力荷载，是保证腰箱结构整体安全稳定的重要技术环节，特别是在岩体质量较差的条件下。因此需要重视对围岩的加固和防渗处理措施，同时要选择合理的灌浆压力和施工工艺。保证混凝土充满岩体和钢板之间（特别是翼缘等部位），提高混凝土与岩体和钢板的黏结强度和灌浆密实度，以使围岩、混凝土与腰箱结构形成整体。使得混凝土与围岩能尽可能多地分担内水、外水压力的作用。另外，整个腰箱施工组装过程中应做好排水，尽量减小渗透压力。
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