刘冬雨，冯萃敏， 张 炯，李敬一

(1.北京建筑大学北京未来城市设计高精尖创新中心，北京 100044；2.北京市南水北调大宁管理处，北京 100195；3.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082)

0 引 言

预应力钢筒混凝土管(Prestressed concrete cylinder pipe，简称PCCP)由混凝土、钢筒、预应力钢丝和水泥砂浆4种基本材料组成，是一种性能良好、抗震性和抗压性强、运行费用低、在国内外应用广泛的新型复合型多用途管材[1,2]，如图1所示。

图1 PCCP管道标准图

PCCP管芯外侧缠绕的预应力钢丝产生的压预应力，抵偿由管道内水压力和外荷载引发的拉应力，从而增加了管道的强度，使其工作压力可以到达1.8 MPa[3]，预应力钢丝外层的水泥砂浆起到防腐的作用从而更好地保护管道，所以PCCP在输水运行时能承受较高的水压力。

但是在管道运行过程中，由于PCCP埋置于地下，受到外界环境因素如腐蚀质土壤、地下水的酸性和外部荷载的影响，预应力钢丝可能会受到损伤或者腐蚀，当腐蚀到达一定程度后存在钢丝断裂的可能，断丝会导致管道强度显著降低，当断丝的数量达到一定的程度时就存在爆管的风险[4-7]。

爆管具有灾难性和突发性，事先没有任何征兆，不仅会中断供水，还会引起洪灾和各种公共安全事故。因此，加强对管道工作状态的监测，可以及时发现工程的安全隐患，从而采取应对措施保证工程安全运行[3,8-10]。

本工程PCCP管道直径达4 m，对管道结构安全、水力特性、防腐蚀等技术问题提出了更高的要求，也增加了管道制造、安装、运输的难度[11]。目前国内外众多学者对大口径PCCP管道进行了研究，并得出一些有参考价值的结论，但是对于超大口径(如直径2～4 m)PCCP管道断丝监测的相关技术研究几乎为空白[12]。

紧密结合国内首次使用的超大口径PCCP管道工程，针对工程中出现的具体问题进行分析研究，设计采集不同管节的断丝监测数据，对比分析不同管节的断丝情况，探讨造成管道断丝的影响因素，并提出断丝修复方案，分析确定加固范围及时间，为管线维护与安全输水提供理论与技术参考，具有一定的理论意义和重要的工程实际意义。

1 材料与方法

国内外PCCP管道断丝监测方法主要有：听音法，电磁监测法和声波监测法[13,14]。

听音法是在管道检修阶段，梳干管道后，采用敲击听回声的方法，对有明显损坏区域进行开挖检查其断丝情况，该法检修效率低、精度差，仅能识别处于临界破坏状态的管道,从而能在破坏前进行维修或更换。电磁监测法是在 PCCP管道中沿轴线连续移动电磁波探测设备, 探测管道中预应力钢丝的状态，通过探测估计管道中预应力钢丝的断丝数量，该法仅适用于管道停水检修阶段的断丝检测。声波监测法是通过安装在PCCP内部或外壁的传感器监测经由管道中水体传递的声活动，通过持续监测声活动,将管道中的每一声事件与钢丝断裂的声准则相比较,滤去环境噪声后,剩下的声事件包含断丝的基本声特征, 再通过信号处理进行详细分析评价[15,16]，此法自1990年以来，较为成功的应用在PCCP管道断丝监测方面[17]。

本工程采用由某公司在声波监测法的基础上开发的基于光纤传感器及光学数据采集系统的光纤声监测系统，它主要由光纤传感器、数据采集系统和远程数据处理系统组成[18-20]。

光纤声监测系统的工作原理是，光纤传感器的激光器发射出光束在纤维中传播，在正常情况下，管道中仅有环境噪声，反射回来的光波基本不变，数据采集系统接收到的信号没有明显动态成分。当管道中的钢丝发生断裂时，应变能量突然释放，产生压缩波在管道中传播。压缩波作用在光纤传感器上，动态光波则会反射到数据采集系统，此种光波中的数据可解译为声事件的特性。声音的频率、振幅、衰减特性以及其他的重要参数都可用来及时确定断丝数量，定位断丝位置[12,21]。

实时断丝监测系统可以连续、自动监测PCCP管道的断丝时刻、位置和断丝数量，断丝数量监测精度可达1根，断丝位置监测精度可达1倍管径。

2 结果与分析

2.1 总体断丝数量

本工程正式运行以来，利用断丝实时监测系统、安全监测、管理人员巡查已发现现状部分管道、设备、设施存在疑似断丝、损坏等问题。本工程于某年6月进行停水检修，在检修期间通过电磁法监测发现第1～9管节存在较为严重的断丝情况，为了达到实时掌握管道状态的目的，在此区域进行断丝实时监测。

本文的研究对象是国内某超大口径PCCP管道输水工程，在运行3个月后工程某段作为典型区段安装了断丝实时监测系统。本工程运行后的第5月至第15月第1～9管节连续9节管节发现断丝74根，且断丝速率有加速趋势，其中第8管节共发现断丝33根，期间第13月至第15月第1～9管节共发生31根断丝，断丝发生速率较快。监测数据显示，本区域断丝率已达到设计提出的10%安全运行临界值，存在影响供水安全的事故风险[22]。

2.2 断丝监测结果分析

2.2.1 水压变化对断丝数量的影响

自本工程运行后的第5月至第15月，历时322.5 d共监测到859根断丝，分布在全部678节管道上，同一时间段内本区域第8管节共发现断丝33根，详见表1。

表1 不同工况时的断丝情况统计

本工程全部管节的断丝数据显示，调试工况下断丝速率是加压输水工况下断丝速率的4～5倍，是小流量自流工况下断丝速率的10倍。但是第8管节水泵调试及停启泵工况和小流量自流工况下断丝数量比加压输水工况断丝数量多，与上述情况相反。

分析可知，在达到屈服极限状态之前，预应力钢丝及钢筒的拉伸及变形都处于弹性阶段，意味着荷载移除后，钢丝及钢筒能恢复到原始形态。一旦钢筒达到屈服极限状态，就会出现塑性变形，应力少量增加时，应变即伸长也会增加很多。钢筒的强度极限点是指更低的应力也会引起延伸，之后钢筒会很快出现失效。超出屈服极限的荷载会最终导致钢丝断裂。与钢筒相比，钢丝脆性更大，也就是钢丝经历少量塑性变形后就出现断裂。这一情况经常同时在临近钢丝上出现，特别当更多钢丝出现断裂，剩余钢丝应力增加的时候。另外，当更多钢丝发生断裂，混凝土管芯及钢筒在内压作用扩张胀，混凝土管芯膨胀后，混凝土受拉，如果应力足够大则会出现结构裂缝[23]。

本工程加压输水工况下管道运行流量为20 m3/s时，本区域管节的实际工作压力为0.24 MPa，小于该管节的工作压力0.4 MPa。本工程运行以来只发生1次，泵站因突发事故导致管道的瞬时压力达到0.642 MPa，超过此区域管节的设计工作压力，其他时间没有观测到超过设计工作压力情况。

据观测数据显示，自11月5日起51 d内共计发生断丝2根，这期间管道的运行状态分别为水泵调试及停启泵工况、加压输水工况。由此数据可知，断丝数量与管道内瞬时水压力变化虽然有一定的关系[22]，但并没有明显的直接相关性，详见表2。

表2 压力异常状态下断丝情况统计

2.2.2 温度变化对断丝数量的影响

冬季时无论管道运行状态是加压输水工况、水泵调试及停启泵工况还是小流量自流工况，断丝数量明显比其他时段存在增多趋势，详见表3。可能的原因是，冬季时管道钢丝预应力最小，混凝土干缩最大，另外渗压计的数据显示，本区域冬季的地下水位比平时高，更易造成对管道的腐蚀，同时冬季的地下填土的温度变化导致PCCP内部应力产生突变，从而导致断丝的发生。

由此可知，冬季的温度变化可能是断丝数量增多的原因之一，但由于其他参数也存在变化，在实际工程运行中无法做到控制其他参数不变时只改变温度1个参数进行对比的工况，所以本文只提出温度可能是影响断丝的原因之一，并无法确定温度对断丝数量变化的影响权重比例，详见表3。

表3 冬季断丝情况统计

由于监测数据显示冬季断丝发生率较高，建议增加温度的监测，既监测水温变化同时也监测周围土壤温度的变化情况，以利于分析温度对监测结构状态结果的影响。

断丝监测数据显示水压较高、水压变化较大及冬季温度变化可能会引发PCCP管道断丝。但是，断丝数量的增多，更大的可能性是管道在多种因素的综合作用下已经存在钢丝断裂的风险，而管道水压的改变和冬季温度的变化恰好是这一变化的诱导因素之一。

2.3 管道断丝的其他影响因素

通过将本区域与其他区域周围环境作对比，认为本区域管道除受水压和温度影响外，还存在管道敷设问题可能影响断丝的形成。

2.3.1 管道施工及安装质量

本区域管节为工作压力0.4 MPa，覆土3.47 m管型。依据《预应力钢筒混凝土压力管设计标准》(ANSI/AWWA C304-99)对本区域管节承载能力进行复核，现状断丝管节已不能满足设计工况的承载力要求。

由于缺少管道在施工及安装过程中的相关资料，因此并不能忽略此过程中可能造成断丝的因素[3]，如选用了质量差的钢丝，在施加预应力时出现氢脆现象；PCCP制造时水泥砂浆保护层质量差，出现麻面甚至裂缝；PCCP安装不当，由于碰撞等原因造成砂浆保护层出现裂缝[22-24]。

2.3.2 管道腐蚀与防护技术

据资料显示，本区域管节位于某河道正下方，该河流域面积39.22 km2，并且在河道东侧的河堤上存在多个4 m2渗坑。本区域周边的地下水、地表水对混凝土均无腐蚀性，但是对PCCP均具有不同程度的腐蚀性，对预应力钢丝具有弱腐蚀性，同时存在地下水浸没管道的现象。土壤的pH值对PCCP不具腐蚀性，氯离子浓度稍高对 PCCP具弱腐蚀性，硫酸根离子浓度对PCCP不具腐蚀性，土壤的氧化还原电位较高、电阻率较低、极化电流密度较高，故本区域管节的杂散电流腐蚀对钢管具中、强腐蚀性[22]。

本区域处于河床部位地下水位变动区，地下水升降会造成土壤干湿交替，增加土壤孔隙水中氯离子含量，氯离子可以穿过管道外层砂浆毛细孔到达钢丝表面，破坏钝化膜产生钢丝活化腐蚀，预应力钢丝暴露在侵蚀性环境中[22]。腐蚀将减少钢丝横断面积，降低其承载能力，当应力增加时钢丝出现断裂。单根钢丝断裂后，临近的钢丝应力将增加。随着应力增加以及侵蚀的进一步发展，导致临近的钢丝也开始断裂。尽管初次断丝后相隔很长一段时间才会发生断丝，但因为剩余钢丝上的应力增加，最终导致断丝速率加快[25]。

根据《埋地预应力钢筒混凝土管道的阴极保护》(GB/T28725-2012)中的条款规定：应避免极化电位(相对CSE)比-1 000 mV更负，以防止氢的析出和造成高强预应力钢丝的氢脆。本区域第1～9管节的阴极保护测试数据，详见表4。

从表4可知，本区域存在阴极保护过保护的情况，可能是导致断丝数量较多的因素之一[22]。但是本文对比查阅了近几年本工程全部的阴极保护数据后发现了以下问题：现状PCCP管道、钢质管件与牺牲阳极在管身处均存在焊接点，无法在测试盒内将管道与牺牲阳极完全断开，因此无法测得管道的真实极化电位值，通过现有数据无法判断管道真实的阴极保护效果。并且PCCP管道与钢质管件间可能存在电连接，锌带与镁棒间可能存在互相影响，造成目前的阴极保护测试数据不符合正常的阴极保护规律[11]。

表4 阴极保护情况

为了进一步了解PCCP管道阴极保护真实状况，建议对目前的阴极保护测试系统进行改进，增设测试盒，将管道与牺牲阳极间的直接焊点打开，在测试盒内实现管道与牺牲阳极间的完全通断以利于精确测试，同时更好的判断阴极保护对断丝的影响程度。

2.3.3 外部荷载条件

本区域上方的河道东侧与桥梁相交处存在堆土坡，跨越PCCP管道。坡高约2.5 m，长约30 m，宽约4 m，土方量约150 m3，材质为砂石料，按密度1.28 t/m3计算，斜坡土方量约为192 t。

当外部填土及荷载显著增加时，PCCP管道将承受更大的拉应力及弯曲应力，从而导致钢丝强度下降进而造成钢丝断裂，剩余的相邻钢丝应力增加，之后更多钢丝出现断裂，混凝土管芯及钢筒开始扩张，引起管道中的荷载及应力重新分布[25]。

2.4 有限元模型计算

2.4.1 管道参数

本工程断丝区域的DN4000 PCCP 管道的相关参数，详见表5。

表5 PCCP管道相关参数

续表5 PCCP管道相关参数

2.4.2 模型建立与计算

利用有限元评价PCCP管道结构状态，分析各种重要参数，可以对所有受损管道进行风险评估，确定其是否需要修复以及何时进行修复[1,5]。

本次计算的PCCP管道为双层缠丝，在分析双层缠丝PCCP时，由于电磁法检测结果以及实时断丝监测结果均无法明确断丝是出现在内层缠丝还是外层缠丝，因此本次计算考虑了两种断丝计算工况。第1种计算工况假定断丝仅出现在外层缠丝上，根据PCCP管道的设计及承载条件，断丝仅出现在外层的可能性更大。第2种计算工况假定断丝同时出现在内层及外层缠丝上，这种情况实际上较少出现，如果不开挖管道并且凿开管道，往往无法确定断丝出现在哪一层缠丝上。

计算结果详见表6，两种工况的性能曲线详见图2、图3。

表6 达到各种极限状态的断丝数量

图2 断丝仅出现在外层缠丝上的PCCP性能曲线

图3 断丝同时出现在外层和内层缠丝上的PCCP性能曲线

由计算结果可知，随着断丝数量的增多，各极限状态所允许施加的内水压逐渐减小。断丝区混凝土最容易出现裂缝，随着内水压的增大，断丝区的钢筒也更容易屈服，离断丝区越近，钢丝应力越大，屈服也越早[23]。

由表6可知，在断丝数不超过24根的情况时，PCCP管的整体工作性能仍然良好，在设计内压、外部土荷载、水体和管自重作用下仍处于安全状态，发生爆管的可能性不高[22]。当断丝数超过24根时，混凝土出现裂缝，虽然在达到弹性极限状态即钢筒屈服之前PCCP仍能承担一定的内水压，但耐久性降低，会增加爆管的风险。

3 结论与建议

(1)利用光纤声监测系统可以连续、自动监测出PCCP管道钢丝的断裂时刻、位置和断丝数量，可以及时掌握工程性态，获取工程安全相关信息，从而采取应对措施保证工程安全运行。

(2)断丝监测数据显示水压较高、水压变化较大及冬季温度变化可能会引发PCCP管道断丝，但因为断丝数量的增多，更大的可能性是管道在多种因素的综合作用下已经存在钢丝断裂的风险，而管道水压的改变和冬季温度的变化恰好是这一变化的诱导因素之一。

(3)对比分析表明，影响PCCP管道断丝的因素包括水压较高、水压变化较大及冬季温度变化、管道施工及安装质量、管道腐蚀与防护技术、外部荷载条件等。

(4)有限元模型分析可知，在断丝数不超过可见裂缝极限对应的根数时，PCCP管的整体工作性能仍然良好，在设计内压、外部土荷载、水体和管自重作用下仍处于安全状态，发生爆管的可能性不高。当断丝数超过可见裂缝极限对应的根数时，混凝土出现裂缝，虽然在达到弹性极限状态即钢筒屈服之前PCCP仍能承担一定的内水压，但耐久性降低，会增加爆管的风险。

(5)由于管内粘贴碳纤维的加固方式可以有效地对断丝管道结构补强，起到遏止断丝管道结构进一步恶化的作用，但不能完全解决此问题。基于本区域管节的疑似断丝数量增速较快，同时考虑到碳纤维材料粘贴后的整体性要求，建议对本区域管节采取粘贴碳纤维布作为临时安全保障措施。

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