《中电联标准-抽水蓄能电站钢筋混凝土衬砌水道设计导则》

ICS27.140

P59

中国电力企业联合会标准

T/CECXXXX-XXXX

抽水蓄能电站钢筋混凝土衬砌水道

设计导则

DesignGuideforreinforcedconcretelinedchannel

ofthePumpedstoragepowerstation

征求意见稿

本稿完成日期：2020年3月10日

XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施

中国电力企业联合会发布

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2

抽水蓄能电站钢筋混凝土衬砌水道设计导则

1总则

1.0.1为规范抽水蓄能电站钢筋混凝土衬砌水道的设计原则和技术要求，制定本标准。

1.0.2本标准适用于抽水蓄能电站钢筋混凝土衬砌水道的设计。

1.0.3高压水道应进行工程地质和水文地质的专门研究工作。

1.0.4高压水道宜进行渗流场分析和详细的围岩渗透稳定处理措施研究工作。

1.0.5水道充排水工作应按《抽水蓄能电站输水系统充排水技术规程》DL/T1770的要求实

施，应制定详细的水道充排水方案。

1.0.6抽水蓄能电站钢筋混凝土衬砌水道设计，除应符合本标准外，尚应符合国家现行有关

标准的规定。

1

2术语

2.1术语

2.1.1抽水蓄能电站pumpedstoragepowerstation

能向上水库抽水蓄能的水电站，一般用于电网的调峰、调频、调相及事故备用。

Hydropowerstationsthatcanpumpandstoreenergyfromupreservoir,generallyusedfor

peakloadregulation,frequencyregulation,phaseregulationandemergencyreserveofpowergrid.

2.1.2钢筋混凝土衬砌水道reinforcedconcretelinedchannel

抽水蓄能电站输水建筑物中采用钢筋混凝土衬砌的水道。

Reinforcedconcretelinedchannelinwaterconveyancestructureofthepumpedstorage

powerstation.

2.1.3输水方式waterconveyancemode

指输水水道和机组的组合关系，有一洞一机和一洞多机等组合。

thecombinationrelationshipbetweenthewaterconveyancechannelandtheunit,includes

onetunnelwithoneunitandonetunnelwithmultipleunits.

2.1.4高压水道highpressurechannel

洞内静水压力水头不小于200m的水道。

Waterchannelwithhydrostaticpressureheadnotlessthan200minthetunnel.

2.1.5最小覆盖厚度minimumoverburden

按洞内静水压力小于洞顶以上岩体重力的要求确定的隧洞在岩体中的埋设深度。

Thetunneldepthintherockmassdeterminedaccordingtotherequirementthatthe

hydrostaticpressureinthetunnelislessthanthegravityoftherockmassabovethetunneltop.

2.1.6最小地应力准则minimumgeostresscriterion

隧洞围岩最小地应力应大于该点洞内静水压力并有一定安全裕度的规定。

Theminimumin-situstressofthesurroundingrockofthetunnelshallbegreaterthanthe

hydrostaticpressureinthetunnelandthereshallbeacertainsafetymargin.

2.1.7渗透稳定准则seepagestabilitycriterion

围岩透水性微弱，不产生较大渗漏，在渗透水流作用下，不产生溶出性侵蚀、冲蚀性侵

蚀等渗透破坏的规定。

Thepermeabilityofsurroundingrockisweak,andthereisnolargeleakage.Undertheaction

2

ofseepageflow,thereisnoseepagedamagesuchasdissolutionerosionanderosionerosion.

2.1.8水力劈裂hydraulicfracturing

指由于水压力的抬高，在岩体或土体中引起裂缝发生与扩展的一种物理现象。

Aphysicalphenomenonthatcracksoccurandexpandinrockorsoilmassduetotheriseof

waterpressure.

2.1.9渗流-应力耦合分析seepagestresscouplinganalysis

按透水衬砌设计原理，采用渗流场与应力场耦合的非线性有限元的计算分析方法。

Accordingtothedesignprincipleofpermeablelining,thecalculationandanalysismethodof

nonlinearfiniteelementwiththecouplingofseepagefieldandstressfieldisadopted.

2.1.10水力梯度hydraulicgradient

沿水流渗透途径的水头损失与渗透途径长度的比值。

Theratiooftheheadlossalongtheseepagepathtothelengthoftheseepagepath.

2.1.11高压灌浆highpressuregrouting

灌浆压力大于3MPa的水泥或化学灌浆。

Cementorchemicalgroutingwithgroutingpressuregreaterthan3Mpa.

2.1.12不承载的钢筋混凝土衬砌reinforcedconcreteliningwithoutbearingcapacity

主要作用为平整围岩表面、减少水头损失、确保围岩灌浆顺利进行而设置的钢筋混凝土

衬砌，在水道内表面采用不小于最小配筋率的构造配筋。

Thefunctionofreinforcedconcreteliningistolevelthesurroundingrocksurface,reduce

waterheadloss,andreinforceaccordingtothestructure.

2.1.13生物污损biofouling

由生物分子、微生物、细胞等对水道表面的有害粘附所导致的过水断面缩小、水头损失

增加、隧洞衬砌面侵蚀破环、耐久性变差的现象。

Duetotheharmfuladhesionofbiomolecules,microorganismsandcellsonthesurfaceof

waterchannel,thewaterpassingsectionisreduced,theheadlossisincreased,thetunnellining

surfaceiserodedandbroken,andthedurabilityispoor.

3

3水道布置

3.1一般规定

3.1.1应满足《水工隧洞设计规范》DL/T51954、《抽水蓄能电站设计规范》NB/T10072、

《水电站调压室设计规范》NB/TT35021、《水电站进水口设计规范》DL/T5398的有关要

求。

3.1.2输水方式、水道平剖面布置应经技术经济比较论证确定。

3.1.3应适应抽水蓄能电站运行工况转换频繁，发电、抽水双向水流运动特点。进出水口、

渐变段、弯段、岔管等部位宜水流平顺，不产生不利流态。

3.1.4各种工况下水道沿线洞顶以上最小水压力应不小于0.02MPa。

3.1.5高压水道应满足最小覆盖厚度、最小地应力准则和渗透稳定准则要求。

3.1.6宜分析高压水道至地下厂房区域的渗流场，开展围岩渗透稳定分析研究，结合厂区洞

室群布置情况，分析引水支管钢衬长度的合理性。

3.1.7应考虑上下库连接道路、相关的支线道路、施工支洞、施工方法及分期开发等因素的

影响。

3.1.8水道断面突变部位应设置渐变段，渐变段的边界应采用平缓曲线。渐变段的圆锥角以

采用6°~10°为宜，其长度不宜小于1.5倍洞径（或洞宽）。

3.2平面布置

3.2.1应根据地形地质条件，结合地下厂房、进出水口、调压井的布置及电站是否分期开发

等因素，进行水道线路方案综合研究比较。

3.2.2水道宜选择在地质构造简单、岩体完整稳定、具备承载能力的围岩中通过，尽量避开

大的冲沟、断层和透水性构造。轴线与主要构造断裂面及软弱带的走向应有较大的夹角，其

夹角不宜小于30°。

3.2.3宜对水道正向进入厂房和斜向进入厂房进行研究比较。当采用斜向布置时，水道与厂

房轴线的夹角不宜小于65°。

3.2.4上游调压室宜进行开敞式和埋藏式方案研究比较；下游调压室应优先采用埋藏式；调

压室宜布置在水道一侧，通过连接管与水道垂直连接。

3.2.5对多条布置的水道，相邻隧洞间的岩体厚度，根据布置需要、地质条件、围岩受力情

4

况、渗透稳定条件、施工方法及运行条件等综合分析确定；根据洞内水压力，按隧洞间岩体

抗水力劈裂要求复核其最小厚度；必要时可考虑厂房安装间布置在两水力单元中间，以加大

相邻钢筋砼衬砌水道之间的围岩厚度。

3.2.6对多条布置的水道，宜对进出水口进行分开布置和合并布置方案的研究比较。

3.3立面布置

3.3.1引水（尾水）隧洞等低压段，宜优先采用缓坡布置，平距较短时也可以考虑设一级斜

（竖）井的布置型式。

3.3.2针对高差较大的高压水道，立面上可采用一级或多级斜井（或竖井）的布置型式，具

体布置应适应地形、地质条件，结合施工技术以及交通布置等因素综合确定。斜（竖）井的

选择应考虑以下因素：

1）宜以低压隧洞段通过不利地质构造段。

2）单级斜（竖）井的长度应与施工技术发展水平相适应；

3）与斜（竖）井连接的平洞段长度应考虑斜（竖）井施工设备布置的需要；

4）斜井角度不宜小于50°。

5）对分级布置的斜井或竖井方案，应根据地形地质条件，结合施工支洞、上下库连接

道路布置等因素，综合比较确定中平洞的中心高程。

3.4岔管布置

3.4.1岔管应布置在I、II类围岩为主的洞段。

3.4.2岔管的平面布置型式可采用“卜形”或“Y形”，具体布置应根据地形地质条件、枢纽布置

与输水方式、岔支管与钢支管的衔接等综合确定。

3.4.3岔管的立面布置型式应根据水力条件、结构受力条件及检修期排水等因素综合确定。

3.4.4岔管的体型应能适应双向水流运动，其体型应力求减少涡流。

3.4.5岔管体型宜选择不同运行工况和机组台数组合情况下岔管局部水头损失相对较小的方

案，同时应兼顾岔管结构合理、施工和运行方便等要求。

3.4.6岔管分岔角宜为45°~60°，支管入口的锥管过渡段收缩角不宜超过7°，锥管长度不宜

小于1.5倍支管管径，支管半径与主管半径之比不宜大于0.5。

3.4.7岔口相贯线应修圆处理；两侧布置的卜型岔管相邻岔口之间应保持适宜的间距。

3.4.8高水头、大流量、水流条件复杂的高压岔管宜对其水力特性进行局部水工模型试验或

5

数值模拟研究。

3.5其它

3.5.1从上下库连接道路进入水道的施工支洞，应采用自流排水；进入下平洞的施工支洞，

宜采用扩挖引水支管的方案；对分期开发电站，施工支洞布置应兼顾后期电站水道的施工；

施工支洞宜与水道垂直相交，采用斜交时，两者的夹角应大于60°。

3.5.2水道的检修通道应利用进出水口通气孔、施工支洞、蜗壳和尾水管进人孔等合理设置。

在施工支洞堵头处设置的进人孔，闷头孔径不宜大于ф1000mm，其后应设置钢衬段，钢衬

段宜采用变径断面。

3.5.3水道应设置集渣坑，宜布置在引水岔管上游侧、平洞段和尾水岔管下游侧等部位。

6

4渗流场分析

4.0.1水道沿线山体天然地下水的分布状态应根据《水力发电工程地质勘察规范》GB50287

相关规定通过勘察确定。水道施工期、首次充水期、运行期和放空检修期等不同阶段，宜开

展围岩地下水渗流场及其变化的分析工作。

4.0.2渗流分析应得到水道沿线山体地下水位线、等势线、渗透比降，以及水道、勘探平硐、

厂房洞室群等临空区域的渗漏量等成果。

4.0.3渗流分析的计算参数宜根据现场试验、室内试验和工程类比等方法确定。对于地质条

件复杂的工程，还宜采用反演分析方法进行复核和修正。

4.0.4渗流分析计算模型应包括水道系统的衬砌结构、围岩及不利地质构造、固结灌浆圈、

帷幕、勘探平硐、排水洞、厂房洞室群等。计算模型范围不宜小于各阶段渗流影响范围。

4.0.5低压水道渗流分析可采用公式计算或工程经验类比方法；高压水道渗流分析应采用渗

流-应力耦合分析方法，详细计算原理见附录A。

4.0.6当水道沿线山体中设置排水洞、排水孔、防渗帷幕等排截水措施时，渗流分析应分别

考虑上述措施对渗流场的影响。

4.0.7渗流分析时宜对渗透稳定工程处理措施进行敏感性分析和效果评价。

4.0.8对高压水道围岩中不利地质构造的渗透稳定性应进行专门研究。

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5衬砌结构设计

5.1一般规定

5.1.1隧洞过流断面尺寸应通过技术经济比较确定。

5.1.2作用和作用效应组合执行《水工隧洞设计规范》DL/T5195的规定。高压水道采用渗

流-应力耦合分析方法时，静水压力按体积力、动水压力按面力考虑；尾水支管外水压力宜

采用下库正常蓄水位计算。

5.1.3I、II类及部分III类围岩的低压水道钢筋混凝土衬砌结构，宜采用不承载的混凝土衬砌。

5.1.4I、II类围岩及部分III类围岩的高压水道钢筋混凝土衬砌结构应采用渗流-应力耦合分

析方法进行结构分析，计算原则见附录B，分析中所采用的各种简化和近似假定，应有理论

或试验依据，或经工程实践验证可行。

5.1.5水道地质条件较差时，应慎重研究确定围岩是否承担内水压力和衬砌结构外荷载；应

通过工程类比和多种方法进行结构分析。

5.1.6应分析水道对邻近洞室的影响，必要时加强衬砌结构。

5.2结构设计

5.2.1低压水道衬砌最小厚度不宜小于400mm，混凝土强度等级不宜低于C25。

5.2.2高压水道衬砌厚度宜500~600mm，高压岔管衬砌厚度宜600~800mm，混凝土强度等级

不宜低于C30，顶拱部分宜采用自密实混凝土。

5.2.3水道混凝土的抗渗等级指标：低压水道不宜低于W6，高压水道不宜低于W8，高压岔

管不宜低于W10；抗冻等级指标宜采用F100。

5.2.4斜井衬砌最小厚度确定时应考虑滑模轨道基础对混凝土结构尺寸的影响。

5.2.5低压水道衬砌段较长时，开挖形状可考虑方便施工；高压水道宜采用圆形开挖断面，

不宜设置方便施工的混凝土垫层；围岩条件较差时，应研究采用混凝土对围岩进行置换的必

要性。

5.2.6I、II类围岩及部分III类围岩的高压水道宜根据类似已建工程初拟结构尺寸和配筋，采

用渗流-应力耦合分析方法进行复核确定；对断层破碎带、衬砌承受不对称荷载、高外水压

力等特殊情况洞段，应采用多种方法进行结构分析，综合分析后确定。

5.2.7岔管渗流-应力耦合分析应采用三维计算模型，相贯线处配筋应适当加强。

8

5.2.8I、II类围岩处的弯管、斜井和竖井纵向钢筋宜较平洞段的提高一个级别，地质条件较

差时，应采用三维计算模型复核确定配筋。

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6灌浆、防渗和排水

6.1灌浆

6.1.1执行《水工隧洞设计规范》DL/T5195相关要求。

6.1.2高压水道回填灌浆压力宜采用0.5MPa。

6.1.3高压水道段应进行专门的针对保证围岩渗透稳定的固结灌浆设计，应采用系统的高压

灌浆，灌浆压力等参数应通过试验确定；应专门设置穿过断层的斜向固结灌浆；宜设置适量

的化学灌浆，孔深宜较同部位水泥灌浆孔深适当减小。

6.1.4高压水道段固结灌浆宜采用以下参数：

1）水泥固结灌浆排距：高压水道灌浆排距一般为2m~3m；

2）水泥固结灌浆孔间距：高压水道灌浆内环孔间距一般为1.5m~2.5m。

3）水泥固结灌浆压力：高压水道灌浆压力一般为1.25~1.5倍的内水压力，且不应大于

围岩的最小地应力；超过8MPa时应进行专门研究；

4）水泥固结灌浆孔深：I、II类一般入围岩1~1.5倍的水道半径，III、IV类一般入围

岩1.5~1.8倍的水道半径。地质条件复杂处，应进行专门研究；

6.1.5斜（竖）井上下弯段、施工扩挖段等特殊部位，应结合隧洞施工扩挖情况，进行专门

的灌浆设计。

6.1.6岔管高压固结灌浆应采用由浅入深的分段灌浆，圆形隧洞高压固结灌浆是否分段应进

行专门论证；灌浆段的划分、灌浆压力的使用以及灌浆工艺的选择，最终由灌浆试验确定。

6.1.7钢管段附近的钢筋混凝土衬砌水道高压灌浆应考虑灌浆施工时对钢管抗外压产生的不

利影响。

6.1.8对耗浆量大的灌浆孔，应研究在其附近进行加密、加深固结灌浆孔布置的必要性。

6.1.9引支钢管上游段和尾支钢管下游段应通过在钢管上开孔设置数排帷幕或固结灌浆。

6.1.10宜研究对引支钢管围岩爆破松动圈采用无盖重固结灌浆措施的必要性。

6.1.11直接挡水的施工支洞堵头，堵头范围内应设置系统固结灌浆，宜设置适量的化学灌浆；

通过钢支管段的施工支洞堵头，可仅针对断层构造范围进行固结灌浆。

6.12高压水道固结灌浆质量检查压水试验压力宜为灌浆压力的0.8倍，并不小于水道静水压

力，必要时进行灌后水力劈裂检查。

6.2防渗和排水

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6.2.1地下厂房与上、下游混凝土水道之间，应采取防渗排水措施，布置方式应按“前堵后排”

的原则设计。

6.2.2引支钢管和尾支钢管与混凝土衬砌连接处，应在钢管开孔设置环向水泥灌浆防渗帷幕，

宜对水泥灌浆孔扫孔后进行化学灌浆补强，钢管与混凝土水道结合部应加设阻水环。

6.2.3水头较高，或有不利的断层裂隙时，可结合勘探洞设置灌浆廊道，在勘探洞高程与引

水支管上游端之间布置一条防渗帷幕，与引支钢管开孔设置的环向防渗帷幕搭接。

6.2.4引水支管区域的排水设施应确保渗透稳定安全，可采用地质探洞并设置排水孔、钢管

外岩壁排水孔、钢管外壁贴壁排水等排水方式，视具体工程情况论证确定。

6.2.5尾水钢管外的排水设施，可采用厂房排水廊道、廊道排水孔、钢管外岩壁排水孔、钢

管外壁贴壁排水等排水方式，视具体工程情况论证确定。

6.2.6钢管外岩壁排水孔、钢管外壁贴壁排水宜分区布置和引出；应有可靠措施防止内水沿

钢支管与周边混凝土和混凝土与围岩的结合面渗入厂房。

6.2.7应复核高压水道区域的临空面，包括探洞、灌浆廊道、排水廊道等的渗透稳定，防止

产生水力劈裂。对可能产生水力劈裂的临空面应采取封堵或衬砌等工程措施。

6.2.8与高压水道较近的排水管、钢管外岩壁排水孔、钢管外壁贴壁排水排水管出口宜设置

阀门和压力表。

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7施工支洞封堵设计

7.1封堵体建筑物等级、混凝土强度要求、开挖断面形状、抗滑稳定计算及构造要求应符合

《水工隧洞设计规范》DL/T5195的要求。

7.2水道中直接挡水的封堵体由实体段和必要的廊道段组成。封堵体应满足抗滑稳定设计要

求；应复核实体段长度，廊道段长度应通过分析其周边围岩的渗透稳定情况，综合研究确定。

7.3中平洞施工支洞内宜设置水道排水管及相应的减压消能设施，且施工支洞的洞内及洞外

应考虑水道检修放空时的配套排水措施。

7.4水头较高的封堵体，宜设置适量的化学灌浆。

7.5封堵体实体段宜采用微膨胀混凝土，封堵体应进行温控分析，提出温控措施，并根据温

控结果，确定封堵体接触灌浆的时机。

7.6通过封堵体的施工管路和监测线路，应有可靠的防渗和封堵措施。

7.7封堵体浇筑应防止出现连通性的水平施工缝。

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8构造要求

8.0.1与高压水道有关的前期地勘孔，宜研究利用为地下水位监测孔，并应有详细的封堵措

施。

8.0.2竖井或斜井围岩开挖面应全部进行喷混凝土支护，喷混凝土强度等级应与衬砌混凝土

相同。高压水道、引水钢管及封堵体段围岩开挖面不宜喷混凝土，宜采取挂网、锚杆等其他

防护措施。

8.0.3衬砌环向施工缝分缝间距宜不大于9m，缝面应设置止水，高压水道应采用铜止水，钢

筋可不穿过缝面；岔管施工缝应置于直管处，缝间应凿毛、钢筋穿缝；竖井或斜井直段不宜

设施工缝。

混凝土衬砌段与钢衬段的分缝应位于钢衬侧不少于1.0m，在混凝土衬砌末端应配置过

渡钢筋与钢管始端的加劲环焊接。

8.0.4竖井或斜井钢筋接头宜优先采用机械连接或绑扎接头。

8.0.5高压岔管围岩宜设置系统锚杆，锚杆应与岔管钢筋焊接连接。

8.0.6配筋密集处，应设置灌浆预埋管，预埋管应能承受相应的灌浆压力。

8.0.7钢管开孔处应进行专门的封孔设计。

8.0.8高压水道衬砌混凝土内的监测电缆应采用钢管、槽钢等固定和保护，衬砌施工后应采

用化学灌浆对其空腔进行填充封堵。

8.0.9水道宜涂刷防生物附着的涂层，涂层应与混凝土面可靠粘结。

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9监测设计

9.0.1监测设计应符合《水工隧洞设计规范》DL/T5195、《水电站压力钢管设计规范》

NB/T35056、《水电站调压室设计规范》NB/T35021和《抽水蓄能电站设计规范》NB/T10072

的规定。

9.0.2应布置渗压计监测高压水道外的外水压力值，渗压计不宜在高压水道内钻孔设置，宜

利用勘探洞、排水廊道、施工支洞等已有洞室钻孔设置。渗压计应布置在与水道相连的主要

地质构造上。

9.0.3应根据高压岔管与地下厂房区域的渗流稳定分析成果，进行该区域的外水压力监测专

项设计，并符合下列要求：

1）沿引水支管轴线方向应布置多个监测断面，每个断面监测点不宜少于3个。

2）外水压力监测点应重点布置在与高压水道相连且通往地下厂房区域的地质构造上。

3）与水道较近的排水孔孔口宜设置阀门和压力表。

9.0.4水道沿线山体应设置一定数量的山体地下水位监测孔。

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附录A渗流-应力耦合分析方法

第4.0.5规定，对于高压水道，渗流分析应采用应力-渗流耦合方法，即考虑应力场和渗

流场的相互影响。目前岩体应力-渗流耦合分析方法主要有间接耦合方法和直接耦合方法。

对于间接耦合分析方法，渗流场和应力场是分开进行求解，然后通过两场的叠加实现耦合，

具体实现方法是先通过求解渗流场得到渗透体积力，然后将渗透体积力以体力形式施加到应

力场分析中；对于直接耦合分析方法，渗流场和应力场是耦合求解，建立以应力场和渗流场

为未知值的数学模型，通过求得此模型实现直接耦合，分析理论一般采用Biot固结理论。

（a）渗流-应力耦合间接分析方法

1）渗流场分析

通常，假定地下水在岩体中的流动满足达西定律，根据质量守恒或渗流连续性条件，地

下水稳定渗流微分方程可表示为：

HHH（）

KxKyKzQA.1

xxyyzz

p

式中：H为渗流测压管水头（m），Hz；K、K、K分别为x、y、z方向的渗

gxyz

透系数(m/s)；Q为内源项。

2）渗透体积力计算

水在渗流过程中由于水压力的坡降而产生渗流体积力，渗流体积力与水力梯度成正比例，

由渗流产生的渗透体力可根据如下公式计算：

H

fxw

x

H（）

fywA.2

y

H

f

zwz

式中：、、分别为、、方向的渗透体积力。

fxfyfzxyz

3）应力场分析

根据弹性力学理论，在小应变条件下，应力场分析中任一单元体满足如下方程：

①平衡方程：

15

xxyxz

bx0

xyz

yxyyz（）

by0A.3

xyz

zxzyz

bz0

xyz

bf

xx

其中，

byfy

bzgfz

②几何方程：

uuv

，=

xxy

xyx

v，vw（）

yyz=A.4

yzy

wuw

，

zzzxzx

③本构方程：

，

x2GxvxyGxy

，（）

y2GyvyzGyzA.5

，

z2GzvzxGzx

式中：，，，，，为应力分量；，，为体积力，包括重力和渗透

xyzxyyzzxbxbybz

体积力；，，，，，为应变分量；为体积应变；和为弹性常数。

xyzxyyzzxvG

（b）渗流-应力耦合直接分析方法

1）平衡方程

在三维情况下，根据以位移和孔隙压力表示的平衡微分方程为：

2Gvu

-Gwx0

12xx

2Gvu（）

-Gwy0A.6

12yy

Gu

-G2wv

z12zzw

式中：

G和分别为剪切模量和泊松比；u为孔隙压力；w为水的重度；w为位移；v

www222

为体应变，xyz；2为拉普拉斯算子，2。式（）

vA.6

xyzxyz

16

中的三个方程中包括四个未知量、、、，为求解还需要补充一个连续性方程。

wxwywzu

2）连续性方程

根据变形协调条件，体积变形的速率为单位时间流入单位体积的净流量，并引入达西定

律，得到连续性方程为：

K

v2u（A.7）

tw

式中：K为渗透系数。

通过联合式（A.6）和式（A.7）可得到如下方程：

Gu

-G2wv0

x

12xx

2Gvu

-Gwy0

12yy

（A.8）

Gu

-G2wv

z12zzw

K

v2u

tw

上述式（A.8）便是三维条件下的Biot固结方程，它包括4个偏微分方程组，也包含四

个未知量，、、、，它们都是坐标、、和时间的函数。在一定的初始条件

uwxwywzxyzt

和边界条件下，可解出这四个变量。事实上，在实际工程应用中，从数学上解出上述方程是

困难的。目前实际工程应用中，主要通过数值分析方法求解Biot固结方程，常用方法有有

限元法和有限差分法。

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附录B钢筋混凝土衬砌结构计算原则

B.1钢筋混凝土衬砌结构计算可采用解析方法和数值仿真方法，对于高压水道，衬砌还应按

透水结构来考虑，数值仿真宜采用非连续介质模型或能够反映衬砌开裂的连续介质模型。

B.2高压水道钢筋混凝土衬砌结构采用渗流-应力耦合方法时，衬砌结构受力分析模型应包括

围岩、衬砌、钢筋，对于岔管部位宜采用三维模型进行分析，其它部位可采用二维模型进行

分析。

B.3衬砌计算模型应能分别计算静水头和动水头作用下的衬砌力学状态，作用和作用效应组

合执行《水工隧洞设计规范》DL/T5195的规定，水头压力根据工程实际运行状况按体积力

或面力形式施加。

B.4衬砌计算模型应将钢筋、混凝土作为独立单元，并能模拟不同运行阶段的衬砌裂缝开裂

和闭合的变化状态。衬砌开裂可采用预设裂缝、损伤力学或断裂力学等方法进行分析。

B.5衬砌计算模型宜在钢筋混凝土衬砌与围岩之间设置接触面，用以考虑衬砌和围岩相互作

用，接触面宜能赋予相互紧贴、相互滑动和相互脱离等属性。接触面本构模型宜采用Coulomb

摩擦模型及其他经过验证的本构模型，宜具备以下特点：

1）接触面切应力小于发生滑动需要的切向力时，接触面处于未滑移的弹性状态；

2)接触面切应力超过发生滑动需要的切向力时，接触面处于可滑移的塑性状态，滑移

过程中剪切力保持不变；

3）接触面拉应力超过接触面抗拉强度，接触面张开并处于脱离状态，不再传递切向力

和法向力；

4）接触面两侧几何关系因挤压由脱离变化为紧贴时，接触面传力机制恢复。

B.6衬砌结构计算模型应包括衬砌施工期、首次充水期、运行期和放空检修期等计算工况。

B.7衬砌结构受力计算参数应根据现场试验、室内试验和工程类比等方法确定，对于地质条

件复杂的工程，还宜采用反演分析方法进行复核和修正。混凝土轴心抗压、轴心强拉强度标

准值、应按表采用，混凝土受压或受拉的弹性模量应按表采用，混凝土的

fckftkB.1EcB.2

泊松比可取为，混凝土的剪切模量可按表中混凝土弹性模量的倍采用。

c0.167GcB.2Ec0.4

混凝土的重力密度（重度）可由试验确定，当无试验资料时，素混凝土可取24kN/m3，钢筋

混凝土可取3。普通钢筋强度的强度标准值应按表采用。

25kN/mfykB.3

18

表B.1混凝土强度标准值N/mm2

混凝土强度等级

强度种类符号

C10C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60

轴心抗压fck6.710.013.416.720.123.426.829.632.435.538.5

轴心抗拉ftk0.91.271.541.782.012.202.392.512.642.742.85

表B.2混凝土弹性模量104N/mm2

混凝土强度等级C10C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60

弹性模量

Ec1.752.202.552.803.003.153.253.353.453.553.60

表B.3普通钢筋强度标准值N/mm2

种类HPB235HPB300HPB335HPB400HPB500

强度标准值

fyk235300335400500

B.8计算结果应给出不同部位衬砌的钢筋应力值、衬砌应力状态、渗透水压力演化特征以及

裂缝开度。分析精度应满足工程设计要求，必要时对重点关注部位进行更详细的分析。

B.9衬砌结构受力分析应对影响钢筋受力的主要因素进行参数敏感性分析，影响因素宜考虑

钢筋直径、钢筋位置、衬砌厚度、隧洞半径及岩体参数。

B.10混凝土的多轴强度和本构关系可采用下列方法确定：

1制作试件并通过试验测定。

2选择合理形式的数学模型，由试验标定其中所需要的参数值。

3采用经过试验验证或工程经验证明可行的数学模型。

B.11混凝土在多轴应力状态下的破坏准则可采用下列方程表达：

d

oct

b*

f

octac（B.1）

*

fcoct

c*

fc

1.52

33（）

cctcosctsinB.2

22

fff

=123（B.3）

oct3

19

1222

=ffffff（B.4）

oct3122331

2fff

=arccos123（B.5）

32oct

式中：为按混凝土多轴强度计算的八面体正应力；为按混凝土多轴强度计算的

octoct

八面体剪应力；a、b、d、ct、cc为参数值，宜由试验标定；无试验依据时可按下列数值取用：

、、、、；*为混凝土单轴抗压强度；为混

a=6.6938b=0.09d=0.9297ct=12.2445cc=7.3319fcfi

凝土多轴强度，受拉为正，受压为负，且。

f1f2f3

B.12混凝土二维本构关系可采用非线性弹性的正交异性模型及其他经过验证的本构模型；

三维本构关系可采用非线性弹性的正交异性模型、弹塑性模型及其他经过验证的本构模型。

20

本导则用词说明

1为便于在执行本规范条文时区别对待，对要求严格程度不同的用词说明如下：

1）表示很严格，非这样做不可的用词：

正面词采用“必须”，反面词采用“严禁”；

2）表示严格，在正常情况均应这样做的用词：

正面词采用“应”，反面词采用“不应”或“不得”；

3）表示允许稍有选择，在条件许可时首先应这样做的用词：

正面词采用“宜”，反面词采用“不宜”；

4）表示有选择，在一定条件下可以这样做的用词，采用“可”。

2条文中指明应按其他有关标准执行的写法为：“应符合……的规定”或“应按……执行”。

21

引用标准名目

《水力发电工程地质勘察规范》GB50287

《水利水电工程动能设计规范》DL/T5015

水电站进水口设计规范DL/T5398

抽水蓄能电站设计规范NB/T10072

水电站调压室设计规范NB/T35021

水电站压力钢管设计规范NB/T35056

水工隧洞设计规范DL/T51954

自密实混凝土应用技术规程JGJ/T283

22

中国电力企业联合会标准

抽水蓄能电站钢筋混凝土衬砌水道设计导则

T/CECXXXX-201X

条文说明

23

目次

1总则

2.术语

3水道布置

4渗流场分析

5衬砌结构设计

6灌浆、防渗和排水

7施工支洞封堵设计

8构造要求

9.监测设计

24

1总则

1.0.1在工程地质条件和水文地质条件适宜的前提下，抽水蓄能电站输水水道采用钢筋混凝

土衬砌是技术经济较优的方案。能否采用钢筋混凝土衬砌方案，目前主要根据是否满足最小

覆盖厚度要求（抗抬准则）、是否满足最小地应力准则和是否满足渗透稳定准则三个方面来

确定。在上述三个条件基础上，根据已有的工程实践经验，应重视对水文地质条件的分析，

如处于干旱和山体地下水位极低的条件，即使已满足前三个条件，也不适宜采用钢筋混凝土

衬砌。

由于抽水蓄能电站钢筋混凝土衬砌水道内水压力高，衬砌必然开裂和透水，现有的设

计规范已不能完全适用。国内已有10余座抽水蓄能电站采用了钢筋混凝土衬砌水道，见表

1.0.1，积累了大量成功的经验，归纳总结形成本标准。

表1.0.1国内已建抽水蓄能电站高压水道钢筋砼衬砌表

引水/尾水

引水/尾水最大静水头最大设计水头

序号项目名称隧洞衬砌厚度首台机投产

隧洞洞径（m）（m）

（m）

1广州一期9.0,8.0/8.0,9.06127250.4~0.6/0.41993年投产

2广州二期9.0,8.0/8.0,9.06127250.4~0.6/0.41998年投产

3天荒坪7.0/4.46808700.5/0.41998年投产

4桐柏9.0/7.03444100.5/0.52006年投产

5泰安8.0/8.53094000.6/0.62007年投产

6黑麋峰8.5/6.03854830.5~0.8/0.52009年投产

7白莲河9.0/102673100.6、0.8/0.82009年投产

8惠州A厂8.5,8.0/8.0,8.56277700.4~0.6/0.42009年投产

0.4~0.6/0.4

9惠州B厂8.5,8.0/8.0,8.56277702011年投产

10宝泉6.5/8.2640864.50.5/2011年投产

25

11福建仙游6.5/7.05407480.5/0.52013年投产

0.6/0.6

12清远9.2，8.5/8.5,9.2570.57802015年投产

13深圳9.5,8.5/8.5,9.55297500.6/0.62017年投产

14琼中8.0，7.2/10.03845300.5-0.8/0.5-0.82017年投产

1.0.3抽水蓄能电站高压水道静水压力可高达200-800m，深埋于存在构造裂隙的山体中，地

质条件复杂，故需对其工程地质和水文地质开展一些专门研究工作，如地应力测试、水力劈

裂、高压压水、高压疲劳压水、渗透变形、渗漏量研究，水道沿线要布置地下水位长期监测

孔，研究天然状态、水道开挖、首次充排水、长期运行的山体地下水位变化情况。

1.0.4在采用钢筋砼衬砌方案时，需要分析高压水道与地下厂房附近围岩的渗流场，地质条

件复杂时，宜开展数值分析研究。分析水道内水外渗后是否对地下厂房区域建筑物及山体边

坡造成不利影响，分析内水外渗量是否在允许范围内。个别工程在水道首次充水时出现较大

的渗漏量，围岩渗透稳定处理措施十分重要。

1.0.5抽水蓄能电站水道充水时，衬砌、围岩应缓慢加载，内水外渗带来山体地下水位的抬

升有利于改善衬砌受力状况；排水时，外水内渗带来山体地下水位的降低有利于改善衬砌受

外压状况。水道充排水方案要对充排水设施、水道水位升降速率、监测数据分析、应急预案

等作出详细规定。

26

2术语

2.1.4高压水道

工程实践表明，水道内水压力在200m左右时，水道钢筋混凝土衬砌开裂，内水外渗，

带来结构受力和围岩渗透稳定方面有其特殊性，故将洞内水压力水头不小于200m的水道定

义为高压水道，与《水工隧洞设计规范》DL/T5195的定义有区别。

2.1.12不承载的钢筋混凝土衬砌

不承载的钢筋混凝土衬砌采用构造配筋，工程实践中，针对水道的作用水头、围岩分类、

衬砌厚度及洞径等因素，经验配筋率略有差别，其内表面配筋率在0.3%左右，部分已建工

程的配筋情况见表2.1.12。

表2.1.12已建部分蓄能电站低压水道钢筋混凝土衬砌配筋情况

项目引水隧洞尾水隧洞

洞径（m）99

水头（m）80110

PD720990

断面形式圆形圆形

衬砌厚度（m）0.40.4

广蓄二期ф1616

(直径ф,d250250

Ⅰ、Ⅱ类

间距d,面s804804

积s，配筋µ0.229%0.229%

环向

率µ)ф1616

d200200

Ⅲ、Ⅳ类

s10051005

µ0.287%0.287%

ф16