中电联标准-抽水蓄能电站钢筋混凝土衬砌水道设计导则

II类围岩的高压水道钢筋混凝土衬砌结构设计应采用渗流-应力耦合分析方法。高压水道钢筋混凝土在高内水压力下衬砌必然开裂透水，内水压力主要由围岩承担，衬砌的主要功能是降低糙率和防止围岩局部掉块，结构设计一般是根据工程经验类比拟定参数后，采用渗流-应力耦合分析方法进行复核。渗流-应力耦合分析方法的简化和近似假定，不同计算软件有差别，本条进行了原则性规定。5.1.5地质条件较差时，隧洞受力复杂，围岩经处理后承担内水压力的能力和外荷载确定是关键问题；为确保安全，应采用多种方法，如结构力学法、数值计算法等进行结构分析。5.1.6高压水道临近区域有勘探洞、施工支洞、排水洞等洞室时，要仔细研究高压水道内水外渗及其水力梯度情况，如距离较近，宜采取混凝土封堵或衬砌等措施增加渗径和降低水力梯度。尾水水道有可能与交通洞、厂区施工支洞距离较近，相应区域水道要加强灌浆处理，同时相关洞室宜在交叉处进行衬砌。5.2结构设计5.2.1~5.2.3根据已有的工程实践经验，综合结构、施工和耐久性等提出相关要求，蓄能电站水道结构一般处于二类环境，但长期受高压水的作用，其耐久性指标在采用上有提高的趋势。已建工程指标见表5.2.1。表5.2.1已建蓄能电站高压水道混凝土结构指标项目名称主洞/高岔混凝土衬砌厚（mm）主洞/高岔混凝土强度等级主洞/高岔混凝土抗渗等级主洞/高岔混凝土抗冻等级广州一期600/600R28300/R28300广州二期600/600~1200R28300/R28300天荒坪600/600R28300/R28300/S8桐柏500C25W10泰安600/C25/C30W8/W10F50黑麋峰500~800C25~C30W6~W8F100白莲河600~800C25W10F50惠州A厂600/600~1200C25/C30W8/W10F50惠州B厂600/600~1200C25/C30W8/W10F50宝泉500C25W10~12福建仙游500C25W12F50清远600/800C25/C30W8/W10F100深圳600/800C25/C30W8/W10F100琼中600~800C30W10F1005.2.4斜井滑模轨道会侵占部分衬砌混凝土断面，设计时要考虑该因素。5.2.5混凝土垫层方便施工，但会影响衬砌和围岩的联合受力，高压水道不宜设置；围岩条件较差时，如通过高压灌浆等措施不能有效提高围岩变形模量指标，则应研究采用混凝土对围岩进行置换。5.2.6已建工程高压水道统计资料见表5.2.6-1（隧洞段）、表5.2.6-2（岔管），绝大部分工程采用单层配筋，个别水头较低的，按《水工隧洞设计规范》DL/T5195要求设计，反而配置了较多钢筋。已有的工程经验证明，通过对围岩进行系统高压灌浆处理后，采用单层配筋是安全可靠的，原型监测资料显示部分工程实测的钢筋应力均较小，见图5.2.6.1-图5.2.6.6。表5.2.6-1国内已建抽水蓄能电站高压水道隧洞段配筋情况项目中平洞下斜/竖井下平洞广州一期水头m466.8466.8~612612Ⅱ、Ⅲ25@150/16@15028@150/16@15030@150/16@150Ⅳ类30@150/16@150天荒坪水头m~665.9665.9~677.7Ⅰ、Ⅱ25@20025~28@20028@200Ⅲ、Ⅳ25@20025~28@20028@200桐柏水头m43~341341Ⅰ、Ⅱ构造配筋构造配筋Ⅲ、Ⅳ泰安水头m~277.7277.7~307.7Ⅰ、Ⅱ25@20025@200~15025@150Ⅲ、Ⅳ25@20025@200~15025@150黑麋峰水头m57.35~482.7（一级斜井）482.7Ⅰ、Ⅱ单层22~28@150单层25~28@150Ⅲ、Ⅳ双层22~28@100双层28~36@100白莲河水头m185Ⅰ、Ⅱ2-Φ28@200（主）2-Φ25@200（支）钢衬钢衬Ⅲ、Ⅳ惠蓄水头m412412~620620~624Ⅰ、Ⅱ22@150/16@20022@125/16@20025@125/16@200Ⅲ、Ⅳ25@125/16@20025@125/16@20028@125/16@200宝泉水头m383.8383.8~637.5637.5Ⅰ、Ⅱ25@20025@200~15025@150Ⅲ、Ⅳ25@20025@200~15025@150仙游水头m307.1~338.1338.1~537.9537.9Ⅰ、Ⅱ25@20025@200~15025@150Ⅲ、Ⅳ清远水头m288~316316~566566~568Ⅰ、Ⅱ22@150/16@15022@125/16@15025@125/20@150Ⅲ、Ⅳ25@125/16@15025@125/16@15028@100/20@150深圳水头m397~427427~528528~531Ⅰ、Ⅱ22@150/16@20025@150/20@20028@150/20@200Ⅲ、Ⅳ25@150/20@20028@100/20@20028@100/22@150琼中水头m水头m208~215215~384Ⅰ、ⅡⅠ、Ⅱ单层25@150单层25@150Ⅲ、ⅣⅢ、Ⅳ双层22@167双层25@167

表5.2.6-2国内已建抽水蓄能电站高压岔管体型及配筋情况序号项目名称岔管型式分岔角（°）主/支管径（m）最大静水头H/衬厚（m）围岩分类高岔直管环/纵向配筋1广州一期卜型，主管渐缩60°8.0/3.5610/0.6Ⅱ类为主，局部Ⅲ类Φ36@200/Φ28@3002广州二期卜型平底，主管渐缩60°8.0/3.5680/0.6（顶），1.2（底）Ⅰ，Ⅱ类Φ32@150/Φ28@3003天荒坪卜型平底，主管渐缩60°7.0/4.4680/0.6Ⅰ，Ⅱ类Φ32@150/4桐柏卜型53°9.0/5.5410/0.7Ⅱ为主Φ28@200/Φ25@2005泰安Y型50°8.5/4.8309/0.8以Ⅱ类为主Φ25@150/Φ22@206黑麋峰Y型60°8.5/5.3482.7/0.8Ⅱ为主，局部Ⅳ类Φ36@100/Φ25@2207白莲河卜型，主管渐缩50°9.0/5.6185/1.0Ⅱ2-Φ32@200/2-Φ20@2008惠州A厂卜型，主管等径60°8.0/3.5624/0.6（顶），1.2（底）Ⅰ，Ⅱ类Φ25@100/Φ22@2009惠州B厂卜型，主管等径60°8.0/3.5624/0.6（顶），1.2（底）Ⅱ为主，局部Ⅲ类Φ25@100/Φ22@20010宝泉卜型，主管渐缩45°6.5/3.5640/0.7Ⅰ，Ⅱ类Φ25@150/Φ22@20011福建仙游卜型55°6.5/3.8540/0.7Ⅱ为主Φ28@150/Φ22@20012清远卜型平底，主管变径60°8.5/4567/0.8Ⅰ，Ⅱ类Φ25@100/Φ20@20013深圳卜型平底，主管变径60°8.5/4529/0.8Ⅱ为主，局部Ⅲ类Φ28@125/Φ20@20014琼中卜型，主管渐缩60°6.6/3.8384/1.0Ⅱ～Ⅲ类为主内层两层25@150，外层28@167，纵向钢筋20@200图5.2.6.1惠州抽水蓄能电站A厂高压岔管钢筋计监测值图5.2.6.2惠州抽水蓄能电站B厂高压岔管钢筋计监测值由图5.2.6.1~2中可见，大部分钢筋应力在100MPa左右，且随水道的充水和放空呈弹性变化，仅顶拱由于混凝土浇筑质量较差，钢筋应力达280MPa。惠州抽水蓄能电站高压下平洞有一条f65断层，断层由两条相距约10m、宽度2m～2.3m的破碎带及中间裂隙密集带组成，开挖时该断层曾出现突发性涌水，断层位于内水压力最大的下平洞，最大静水压力达624m，且断层在距离仅约80m的5#施工支洞出露，对该断层只进行了高压水泥和化学灌浆处理，衬砌采用单层配筋，水道充水后在5#施工支洞断层出露处只观察到少量滴水，水道放空检查该处衬砌正常。清远抽水蓄能电站高压岔管钢筋计监测资料见图5.2.6.3，原型监测的钢筋计历史最大拉应力为183.7MPa。图5.2.6.3清远抽水蓄能电站高压岔管钢筋计监测图深圳抽水蓄能电站高压岔管钢筋计监测资料见图5.2.6.4，原型监测的钢筋计历史最大拉应力为86.36MPa。图5.2.6.4深圳抽水蓄能电站高压岔管钢筋计监测图深圳抽水蓄能电站中平洞有长达约1000m的洞段，开挖后渗水严重，实测外水压力达2MPa，仅进行了高压水泥和化学灌浆处理，衬砌采用单层配筋，目前已成功投运。其中中平洞钢筋计监测资料见图5.3.6.5，钢筋计历史最大拉应力为122.8MPa，大部分钢筋应力在100MPa以内。图5.2.6.5深圳抽水蓄能电站中平洞钢筋计监测图海南琼中抽水蓄能电站高压岔管钢筋计监测资料见图5.2.6.6，原型监测的钢筋计历史最大拉应力为84.7MPa。图5.2.6.6海南琼中抽水蓄能电站高压岔管钢筋计监测图考虑到抽水蓄能电站高压水道钢筋混凝土衬砌裂缝宽度计算值难以验证准确性，加之高压水道均是按透水衬砌设计，故本标准不对最大裂缝宽度允许值作规定。根据已建工程实测的最大钢筋应力值，按《水工隧洞设计规范DL/T51954》推荐公式计算的最大裂缝宽度值，有的已突破《水工隧洞设计规范DL/T51954》对裂缝宽度的控制值。考虑到地质条件的复杂性，也可能出现已有工程经验未能涵盖之处，故本条也规定了对特殊情况的要求。5.2.7广蓄一期高岔在主管岔口两侧加强环向配筋为Φ36@170，二期和惠蓄A、B厂高岔岔口处配筋比高岔主管直段环向受力筋、纵向钢筋加强一倍，间距也有所缩小；后期的清蓄、深蓄高岔岔口在配筋时是把岔口处主管的环向筋弯折向支管岔口方向并与其纵向筋焊接，支管岔口的纵向筋则弯折到主管岔口附近并具有一定的锚固长度，且尽量与环向或纵向筋焊接成束的双筋。岔口钢筋配置过多会影响混凝土的施工，因此，设计时应考虑保证钢筋的合理净距，必要时采用双筋成束布置。5.2.8弯管、斜井和竖井实际上是空间三维受力结构，纵向配筋宜较直管段加强，本条提出了相应规定。6灌浆、防渗和排水6.1灌浆6.1.1该条主要针对低压水道。6.1.2回填灌浆压力适当提高是有利的，《水工隧洞设计规范》DL/T5195规定回填灌浆压力0.2-0.3Mpa，广蓄二期比一期回填灌浆有所提高，后期建设的项目除局部回填灌浆压力较小外，大部分洞段都采用0.5Mpa回填灌浆压力，见表6.1.2。表6.1.2国内已建抽水蓄能电站高压水道回填灌浆压力表序号项目名称装机容量（MW）水道主洞洞径（m）最大静水头H（m）回填灌浆压力（MPa）1广蓄一期4×3009.0,8.06120.22广蓄二期4×3009.0,8.06120.253天荒坪6×3007.0,4.46800.2~0.44桐柏4×3009.0,7.04100.35泰安4×2508.5,8.53096黑麋峰4×3008.5482.70.37白莲河4×3009.0/5.62670.48惠蓄A厂4×3008.5,8.06270.5（尾支局部0.3）9惠蓄B厂4×3008.5,8.06270.5（尾支局部0.3）10宝泉4×3006.5,4.564011福建仙游4×3006.5/7.05400.412清远4×3209.2,8.5570.50.513深圳4×3009.5,8.55290.514琼中3×2008.0,7.2，10.03800.36.1.3《水工隧洞设计规范》DL/T5195中规定“围岩是否进行固结灌浆，应根据工程地质条件和水文、地质条件、运用要求，通过技术经济比较决定。”，针对高内水压力情况，高压岔管至中平洞之间的高压水道，明确应采用系统的高压灌浆。6.1.4高压水道段固结灌浆宜采用较《水工隧洞设计规范》DL/T5195较高的要求，已建工程参数见表6.1.4-1、表6.1.4-2。表6.1.4-1水泥灌浆参数项目中平洞入岩深度(m)/间距(m)/孔数/P（MPa）下斜/竖井入岩深度(m)/间距(m)/孔数/P（MPa）下平洞入岩深度(m)/间距(m)/孔数/P（MPa）高岔入岩深度(m)/间距(m)/孔数/P（MPa）广蓄一期水头m467467~612612612Ⅰ、Ⅱ5/2.5/10P=3.05/2.5/10P=4.55/2.5/10P=6.18/3/10P=6.1Ⅲ、Ⅳ5/2.5/10P=4.55/2.5/10P=6.1天荒坪无61~3413413415.0/1.5~3.0/15~18P=1.5、3.8、5.26.0/2.0~3.0/15~18P=5.28.0/3.0/18P=5.2桐柏/61~341341341/5.0/1.5~3.0/15~18P=1.5、3.8、5.26.0/2.0~3.0/15~18P=5.28.0/3.0/18P=5.2泰安61~34161~3413413415.0/1.5~3.0/15~18P=1.5、3.8、5.25.0/1.5~3.0/15~18P=1.5、3.8、5.26.0/2.0~3.0/15~18P=5.28.0/3.0/18P=5.2黑麋峰水头m57.35~482.7482.7482.7Ⅰ、Ⅱ5/3/P=1.0MPa~4.5MPa5~10/2/P=4.5MPaⅢ、Ⅳ10/2/P=4.5MPa10/2/P=4.5MPa白莲河水头m185185~267267185Ⅰ、ⅡD56@3.0×3.0，L=5.5m，P=2.2MPaD56@3.0×3.0，L=6.5m，P=2.0MPaⅢ、Ⅳ钢衬，裸灌D56@3.0×2.0，L=3.5m，P=3.0MPa钢衬，裸灌D56@3.0×2.0，L=3.5m，P=3.0MPa惠蓄水头m410410~620620~624624水道半径m4.254.254.254Ⅰ、Ⅱ3.1@3.0/10P=5.04.4-5@3.0/10-12P=6.5、7.54.4-5.0@2.0-3.0/10P=7.54.4-6.9@1.5/10P=7.5Ⅲ、Ⅳ4.4-6.9@3.0/10P=5.05.9-7.3@3.0/10-12P=6.5、7.55.9-7.4@2.0/10-20P=7.54.4-6.9@1.5/10-20P=7.5宝泉仙游水头m307~338338~538538338~538Ⅰ、Ⅱ4.0/2.5/13P=5.04.0/2.5/14P=6.05.0/2.0/14P=7.06.0/2.0/14P=7.0Ⅲ、Ⅳ4.0/2.0/13P=5.05.0/1.5/14P=6.05.0/1.5/14P=7.0清远水头m288~316316~566566~568568~570Ⅰ、Ⅱ3.7@2.5/12P=4.53.7@2.5/12P=6.0/7.06.0@2.5/15P=7.06.0@3.0/15P=7.5Ⅲ、Ⅳ5.5@2.5/12P=4.55.5@2.5/12P=6.0/7.0深圳水头m397~427427~528528~531531Ⅰ、Ⅱ5.0@2.0/15P=6.07.0@2.0/15P=7.0/7.57.0@2.0/15P=7.57.0@1.5/24P=7.5Ⅲ、Ⅳ7.0@2.0/15P=6.0琼中水头m208~215215~384384384Ⅰ、Ⅱ5.0@2.0/5.0@2.0/5.0@2.0/5.0@2.0/Ⅲ、Ⅳ5.0@2.0/5.0@2.0/5.0@2.0/5.0@2.0/表6.1.4-2化学灌浆参数项目中平洞下斜/竖井下平洞高岔广蓄一期水头m467467~612612612Ⅰ、Ⅱ////Ⅲ、Ⅳ////黑麋峰水头m482.7482.7Ⅰ、ⅡⅢ、Ⅳ间排距1.0m，孔深5.0m，P=4.5MPa间排距1.0m，孔深5.0m，P=4.5MPa惠蓄水头m410410~620620~624624水道半径m4.254.254.254Ⅰ、Ⅱ//4.4-5.0@2.0-3.0/10P=7.56.4@1.5/10P=7.5Ⅲ、Ⅳ4.4@3.0/10P=5.05.9@3.0/10-12P=6.5、7.55.9-7@2.0/10-20P=7.56.4@1.5/10-20P=7.5清远水头m288~316316~620566~568568~570Ⅰ、Ⅱ///6.0@3.0/15P=7.5Ⅲ、Ⅳ5.5@2.5/12P=6.0/7.06.0@2.5/15P=7.0深圳水头m397~427427~528528~531531Ⅰ、Ⅱ//5.0@2.0/15P=7.07.0@1.5/24P=7.0Ⅲ、Ⅳ5.0@2.0/15P=5.55.0@2.0/15P=6.0/7.0琼中水头m208~215215~384384384Ⅰ、ⅡⅢ、Ⅳ5.0@2.0/P=5.0@2.0/P=5.0@2.0/P=5.0@2.0/P=地质条件复杂处，应进行专门处理。清远抽水蓄能电站中平洞静水头约300m，0+613-0+645段因断层f80、f20、f24及裂隙的相互切割，工程地质条件差，开挖过程出现塌方，为Ⅴ类围岩，为此进行加强灌浆处理，加强灌浆处理范围：Y0+607.5～Y0+649.5。先进行水泥灌浆，再进行化学灌浆，化学灌浆在原系统水泥灌浆环内加密布置。加强灌浆排距1.5m，水泥灌浆孔深入岩12.0m，化学灌浆孔深入岩7.5m。水泥灌浆孔分两段灌浆，第一段钻至入岩6m，灌浆塞置于混凝土衬砌内施灌，灌浆压力4.5MPa，第二段钻至设计孔深，灌浆塞置于入岩2m处，灌浆压力6MPa。针对在钻孔到12m仍有流砂涌出的情况，加深钻孔至18m进行补强灌浆，分三段进行水泥灌浆，第三段灌浆压力为6MPa；化学灌浆塞布置在衬砌砼中，灌浆压力4.0MPa。该段衬砌采用双层Φ28@100，实践证明是成功的。6.1.6高压灌浆宜分段实施，第一段灌浆塞卡在衬砌内，可对衬砌和围岩的结合面进行加强处理，但压力不宜过大，现有工程经验显示，一般不宜超过4.5MPa，并应根据现场生产性试验复核确定；第二段灌浆塞卡在围岩内，采用设计的灌浆压力施灌。如地质条件允许，经灌浆试验验证后，可采用由深入浅的灌浆方式。6.1.9高压水有可能通过钢管与其外侧回填混凝土结合面、混凝土与围岩结合面及围岩爆破松动圈向厂房方向渗透，故钢管在与钢筋混凝土衬砌水道结合处，应开孔设置数排帷幕和固结灌浆，见图6.1.9.1。图6.1.9引水支管灌浆孔布置示意图6.1.10如有断层构造穿过引支钢管围岩爆破松动圈，高压水有可能沿断层构造进入围岩爆破松动圈，实际工程也发生过，为此提出相关要求。6.1.12高压水道固结灌浆主要目的是提高围岩抗水力劈裂和防渗能力，宜提高质量检查标准。6.2防渗和排水6.2.2引支钢管和尾支钢管与混凝土衬砌连接处防渗处理甚为关键，本条明确了要求。6.2.3提出了特殊情况下对防渗处理的加强措施，具体做法见图6.2.3。图6.2.3利用探洞作灌浆廊道与引支钢管端部帷幕灌浆连成防渗墙体示意图6.2.4高压水道衬砌外的排水设施，主要针对高压岔管、引支钢管和尾支钢管区域，图6.2.4.1给出了钢管和岩壁外排水设排水孔示意。6.2.6采用分区布置的优点，可以根据外排水管的渗水情况，灵活启闭排水管。6.2.7实际工程在所述部位曾出现过类似问题，故提出相关要求。6.2.8对可能会有较大渗水的排水管出口设置阀门和压力表，可控制渗流量并监测渗透压力。

7施工支洞封堵设计7.2对高压水道封堵体，除满足抗滑稳定设计要求外，渗透稳定要求也必须考虑。考虑封堵体顶部回填灌浆质量难以保证，抗滑稳定计算时一般不考虑拱顶部位的摩擦力与凝聚力的作用。7.3中平段施工支洞内设置水道排水管，可以实现水道的分级放空，减小球阀前放空阀的运行水头和运行时间，提高其运行可靠性，排水管排水能力应根据水道排水速率拟定。7.6通过封堵体的施工管路和监测线路，如处理不当，易成为渗水通道，故提出相关要求。7.7堵头浇筑如存在连通性的水平施工缝，则易成为渗水通道，故提出相关要求。

8构造要求8.0.1与高压水道有关的地勘孔，如漏封孔或封孔质量不好，则会成为安全隐患，故提出相关要求。8.0.2施工安全要求，竖井或斜井围岩开挖面应全部进行喷混凝土支护；高压水道、引水钢管及封堵体段围岩开挖面如喷混凝土，喷混凝土表面与混凝土衬砌之间易成为渗水通道，宜采用其它临时防护措施。8.0.4竖井或斜井钢筋拉应力实测值一般不超过100Mpa，混凝土浇筑时是连续不间断施工，采用焊接接头施工难度大，故宜优先采用机械连接或绑扎接头。8.0.5高压岔管抗外能力低于圆管，本条为提高高压岔管抗外压安全储备的措施。8.0.7引支钢管和尾支钢管与混凝土衬砌连接处防渗处理要求需要开孔，封孔设计做法可参见图8.7.1。8.0.9已建工程水道有在运行多年后，有的电站出现水道衬砌混凝土表面生长附着大量淡水壳菜的情况，故宜设置防生物污损的涂料，特别是斜（竖）井等投运后不易处理的部位。

9监测设计9.0.2在高压水道内钻孔设置渗压计，不易处理封孔，测值不可靠。9.0.3高压岔管与地下厂房区域外水压力监测，对指导水道充排水和电站长期安全运行十分重要，应进行专项设计。深圳抽水蓄能电站的设计示例见图9.3.1，在电站充水过程中起到了很好的指导作用。图9.3.1深圳抽水蓄能电站高压岔管与地下厂房区域的外水压力监测示意9.0.4钢筋混凝土衬砌是透水衬砌，故对水道沿线山体地下水位在天然状态、水道开挖、首次充水和长期运行时，监测山体地下水位变化的工作十分必要。前言根据《中电联抽水蓄能标准化技术委员会关于下达2019年第一批中国电力企业联合会标准制订计划的通知》（抽蓄标准[2019]2号）的要求，标准编制组经广泛调查研究，认真总结实践经验，并在广泛征求意见的基础上，制订本导则。本导则的主要技术内容是：对抽水蓄能电站钢筋混凝土衬砌水道设计涉及的水道布置、渗透场分析、衬砌结构设计、灌浆、防渗和排水