劉冬雨，馮萃敏， 張 炯，李敬一

(1.北京建筑大學(xué)北京未來城市設(shè)計高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044；2.北京市南水北調(diào)大寧管理處，北京 100195；3.北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京 100082)

0 引 言

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(Prestressed concrete cylinder pipe，簡稱PCCP)由混凝土、鋼筒、預(yù)應(yīng)力鋼絲和水泥砂漿4種基本材料組成，是一種性能良好、抗震性和抗壓性強、運行費用低、在國內(nèi)外應(yīng)用廣泛的新型復(fù)合型多用途管材[1,2]，如圖1所示。

圖1 PCCP管道標(biāo)準(zhǔn)圖

PCCP管芯外側(cè)纏繞的預(yù)應(yīng)力鋼絲產(chǎn)生的壓預(yù)應(yīng)力，抵償由管道內(nèi)水壓力和外荷載引發(fā)的拉應(yīng)力，從而增加了管道的強度，使其工作壓力可以到達1.8 MPa[3]，預(yù)應(yīng)力鋼絲外層的水泥砂漿起到防腐的作用從而更好地保護管道，所以PCCP在輸水運行時能承受較高的水壓力。

但是在管道運行過程中，由于PCCP埋置于地下，受到外界環(huán)境因素如腐蝕質(zhì)土壤、地下水的酸性和外部荷載的影響，預(yù)應(yīng)力鋼絲可能會受到損傷或者腐蝕，當(dāng)腐蝕到達一定程度后存在鋼絲斷裂的可能，斷絲會導(dǎo)致管道強度顯著降低，當(dāng)斷絲的數(shù)量達到一定的程度時就存在爆管的風(fēng)險[4-7]。

爆管具有災(zāi)難性和突發(fā)性，事先沒有任何征兆，不僅會中斷供水，還會引起洪災(zāi)和各種公共安全事故。因此，加強對管道工作狀態(tài)的監(jiān)測，可以及時發(fā)現(xiàn)工程的安全隱患，從而采取應(yīng)對措施保證工程安全運行[3,8-10]。

本工程PCCP管道直徑達4 m，對管道結(jié)構(gòu)安全、水力特性、防腐蝕等技術(shù)問題提出了更高的要求，也增加了管道制造、安裝、運輸?shù)碾y度[11]。目前國內(nèi)外眾多學(xué)者對大口徑PCCP管道進行了研究，并得出一些有參考價值的結(jié)論，但是對于超大口徑(如直徑2～4 m)PCCP管道斷絲監(jiān)測的相關(guān)技術(shù)研究幾乎為空白[12]。

緊密結(jié)合國內(nèi)首次使用的超大口徑PCCP管道工程，針對工程中出現(xiàn)的具體問題進行分析研究，設(shè)計采集不同管節(jié)的斷絲監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比分析不同管節(jié)的斷絲情況，探討造成管道斷絲的影響因素，并提出斷絲修復(fù)方案，分析確定加固范圍及時間，為管線維護與安全輸水提供理論與技術(shù)參考，具有一定的理論意義和重要的工程實際意義。

1 材料與方法

國內(nèi)外PCCP管道斷絲監(jiān)測方法主要有：聽音法，電磁監(jiān)測法和聲波監(jiān)測法[13,14]。

聽音法是在管道檢修階段，梳干管道后，采用敲擊聽回聲的方法，對有明顯損壞區(qū)域進行開挖檢查其斷絲情況，該法檢修效率低、精度差，僅能識別處于臨界破壞狀態(tài)的管道,從而能在破壞前進行維修或更換。電磁監(jiān)測法是在 PCCP管道中沿軸線連續(xù)移動電磁波探測設(shè)備, 探測管道中預(yù)應(yīng)力鋼絲的狀態(tài)，通過探測估計管道中預(yù)應(yīng)力鋼絲的斷絲數(shù)量，該法僅適用于管道停水檢修階段的斷絲檢測。聲波監(jiān)測法是通過安裝在PCCP內(nèi)部或外壁的傳感器監(jiān)測經(jīng)由管道中水體傳遞的聲活動，通過持續(xù)監(jiān)測聲活動,將管道中的每一聲事件與鋼絲斷裂的聲準(zhǔn)則相比較,濾去環(huán)境噪聲后,剩下的聲事件包含斷絲的基本聲特征, 再通過信號處理進行詳細分析評價[15,16]，此法自1990年以來，較為成功的應(yīng)用在PCCP管道斷絲監(jiān)測方面[17]。

本工程采用由某公司在聲波監(jiān)測法的基礎(chǔ)上開發(fā)的基于光纖傳感器及光學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的光纖聲監(jiān)測系統(tǒng)，它主要由光纖傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和遠程數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成[18-20]。

光纖聲監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理是，光纖傳感器的激光器發(fā)射出光束在纖維中傳播，在正常情況下，管道中僅有環(huán)境噪聲，反射回來的光波基本不變，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收到的信號沒有明顯動態(tài)成分。當(dāng)管道中的鋼絲發(fā)生斷裂時，應(yīng)變能量突然釋放，產(chǎn)生壓縮波在管道中傳播。壓縮波作用在光纖傳感器上，動態(tài)光波則會反射到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，此種光波中的數(shù)據(jù)可解譯為聲事件的特性。聲音的頻率、振幅、衰減特性以及其他的重要參數(shù)都可用來及時確定斷絲數(shù)量，定位斷絲位置[12,21]。

實時斷絲監(jiān)測系統(tǒng)可以連續(xù)、自動監(jiān)測PCCP管道的斷絲時刻、位置和斷絲數(shù)量，斷絲數(shù)量監(jiān)測精度可達1根，斷絲位置監(jiān)測精度可達1倍管徑。

2 結(jié)果與分析

2.1 總體斷絲數(shù)量

本工程正式運行以來，利用斷絲實時監(jiān)測系統(tǒng)、安全監(jiān)測、管理人員巡查已發(fā)現(xiàn)現(xiàn)狀部分管道、設(shè)備、設(shè)施存在疑似斷絲、損壞等問題。本工程于某年6月進行停水檢修，在檢修期間通過電磁法監(jiān)測發(fā)現(xiàn)第1～9管節(jié)存在較為嚴(yán)重的斷絲情況，為了達到實時掌握管道狀態(tài)的目的，在此區(qū)域進行斷絲實時監(jiān)測。

本文的研究對象是國內(nèi)某超大口徑PCCP管道輸水工程，在運行3個月后工程某段作為典型區(qū)段安裝了斷絲實時監(jiān)測系統(tǒng)。本工程運行后的第5月至第15月第1～9管節(jié)連續(xù)9節(jié)管節(jié)發(fā)現(xiàn)斷絲74根，且斷絲速率有加速趨勢，其中第8管節(jié)共發(fā)現(xiàn)斷絲33根，期間第13月至第15月第1～9管節(jié)共發(fā)生31根斷絲，斷絲發(fā)生速率較快。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，本區(qū)域斷絲率已達到設(shè)計提出的10%安全運行臨界值，存在影響供水安全的事故風(fēng)險[22]。

2.2 斷絲監(jiān)測結(jié)果分析

2.2.1 水壓變化對斷絲數(shù)量的影響

自本工程運行后的第5月至第15月，歷時322.5 d共監(jiān)測到859根斷絲，分布在全部678節(jié)管道上，同一時間段內(nèi)本區(qū)域第8管節(jié)共發(fā)現(xiàn)斷絲33根，詳見表1。

表1 不同工況時的斷絲情況統(tǒng)計

本工程全部管節(jié)的斷絲數(shù)據(jù)顯示，調(diào)試工況下斷絲速率是加壓輸水工況下斷絲速率的4～5倍，是小流量自流工況下斷絲速率的10倍。但是第8管節(jié)水泵調(diào)試及停啟泵工況和小流量自流工況下斷絲數(shù)量比加壓輸水工況斷絲數(shù)量多，與上述情況相反。

分析可知，在達到屈服極限狀態(tài)之前，預(yù)應(yīng)力鋼絲及鋼筒的拉伸及變形都處于彈性階段，意味著荷載移除后，鋼絲及鋼筒能恢復(fù)到原始形態(tài)。一旦鋼筒達到屈服極限狀態(tài)，就會出現(xiàn)塑性變形，應(yīng)力少量增加時，應(yīng)變即伸長也會增加很多。鋼筒的強度極限點是指更低的應(yīng)力也會引起延伸，之后鋼筒會很快出現(xiàn)失效。超出屈服極限的荷載會最終導(dǎo)致鋼絲斷裂。與鋼筒相比，鋼絲脆性更大，也就是鋼絲經(jīng)歷少量塑性變形后就出現(xiàn)斷裂。這一情況經(jīng)常同時在臨近鋼絲上出現(xiàn)，特別當(dāng)更多鋼絲出現(xiàn)斷裂，剩余鋼絲應(yīng)力增加的時候。另外，當(dāng)更多鋼絲發(fā)生斷裂，混凝土管芯及鋼筒在內(nèi)壓作用擴張脹，混凝土管芯膨脹后，混凝土受拉，如果應(yīng)力足夠大則會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫[23]。

本工程加壓輸水工況下管道運行流量為20 m3/s時，本區(qū)域管節(jié)的實際工作壓力為0.24 MPa，小于該管節(jié)的工作壓力0.4 MPa。本工程運行以來只發(fā)生1次，泵站因突發(fā)事故導(dǎo)致管道的瞬時壓力達到0.642 MPa，超過此區(qū)域管節(jié)的設(shè)計工作壓力，其他時間沒有觀測到超過設(shè)計工作壓力情況。

據(jù)觀測數(shù)據(jù)顯示，自11月5日起51 d內(nèi)共計發(fā)生斷絲2根，這期間管道的運行狀態(tài)分別為水泵調(diào)試及停啟泵工況、加壓輸水工況。由此數(shù)據(jù)可知，斷絲數(shù)量與管道內(nèi)瞬時水壓力變化雖然有一定的關(guān)系[22]，但并沒有明顯的直接相關(guān)性，詳見表2。

表2 壓力異常狀態(tài)下斷絲情況統(tǒng)計

2.2.2 溫度變化對斷絲數(shù)量的影響

冬季時無論管道運行狀態(tài)是加壓輸水工況、水泵調(diào)試及停啟泵工況還是小流量自流工況，斷絲數(shù)量明顯比其他時段存在增多趨勢，詳見表3。可能的原因是，冬季時管道鋼絲預(yù)應(yīng)力最小，混凝土干縮最大，另外滲壓計的數(shù)據(jù)顯示，本區(qū)域冬季的地下水位比平時高，更易造成對管道的腐蝕，同時冬季的地下填土的溫度變化導(dǎo)致PCCP內(nèi)部應(yīng)力產(chǎn)生突變，從而導(dǎo)致斷絲的發(fā)生。

由此可知，冬季的溫度變化可能是斷絲數(shù)量增多的原因之一，但由于其他參數(shù)也存在變化，在實際工程運行中無法做到控制其他參數(shù)不變時只改變溫度1個參數(shù)進行對比的工況，所以本文只提出溫度可能是影響斷絲的原因之一，并無法確定溫度對斷絲數(shù)量變化的影響權(quán)重比例，詳見表3。

表3 冬季斷絲情況統(tǒng)計

由于監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示冬季斷絲發(fā)生率較高，建議增加溫度的監(jiān)測，既監(jiān)測水溫變化同時也監(jiān)測周圍土壤溫度的變化情況，以利于分析溫度對監(jiān)測結(jié)構(gòu)狀態(tài)結(jié)果的影響。

斷絲監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示水壓較高、水壓變化較大及冬季溫度變化可能會引發(fā)PCCP管道斷絲。但是，斷絲數(shù)量的增多，更大的可能性是管道在多種因素的綜合作用下已經(jīng)存在鋼絲斷裂的風(fēng)險，而管道水壓的改變和冬季溫度的變化恰好是這一變化的誘導(dǎo)因素之一。

2.3 管道斷絲的其他影響因素

通過將本區(qū)域與其他區(qū)域周圍環(huán)境作對比，認為本區(qū)域管道除受水壓和溫度影響外，還存在管道敷設(shè)問題可能影響斷絲的形成。

2.3.1 管道施工及安裝質(zhì)量

本區(qū)域管節(jié)為工作壓力0.4 MPa，覆土3.47 m管型。依據(jù)《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土壓力管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(ANSI/AWWA C304-99)對本區(qū)域管節(jié)承載能力進行復(fù)核，現(xiàn)狀斷絲管節(jié)已不能滿足設(shè)計工況的承載力要求。

由于缺少管道在施工及安裝過程中的相關(guān)資料，因此并不能忽略此過程中可能造成斷絲的因素[3]，如選用了質(zhì)量差的鋼絲，在施加預(yù)應(yīng)力時出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象；PCCP制造時水泥砂漿保護層質(zhì)量差，出現(xiàn)麻面甚至裂縫；PCCP安裝不當(dāng)，由于碰撞等原因造成砂漿保護層出現(xiàn)裂縫[22-24]。

2.3.2 管道腐蝕與防護技術(shù)

據(jù)資料顯示，本區(qū)域管節(jié)位于某河道正下方，該河流域面積39.22 km2，并且在河道東側(cè)的河堤上存在多個4 m2滲坑。本區(qū)域周邊的地下水、地表水對混凝土均無腐蝕性，但是對PCCP均具有不同程度的腐蝕性，對預(yù)應(yīng)力鋼絲具有弱腐蝕性，同時存在地下水浸沒管道的現(xiàn)象。土壤的pH值對PCCP不具腐蝕性，氯離子濃度稍高對 PCCP具弱腐蝕性，硫酸根離子濃度對PCCP不具腐蝕性，土壤的氧化還原電位較高、電阻率較低、極化電流密度較高，故本區(qū)域管節(jié)的雜散電流腐蝕對鋼管具中、強腐蝕性[22]。

本區(qū)域處于河床部位地下水位變動區(qū)，地下水升降會造成土壤干濕交替，增加土壤孔隙水中氯離子含量，氯離子可以穿過管道外層砂漿毛細孔到達鋼絲表面，破壞鈍化膜產(chǎn)生鋼絲活化腐蝕，預(yù)應(yīng)力鋼絲暴露在侵蝕性環(huán)境中[22]。腐蝕將減少鋼絲橫斷面積，降低其承載能力，當(dāng)應(yīng)力增加時鋼絲出現(xiàn)斷裂。單根鋼絲斷裂后，臨近的鋼絲應(yīng)力將增加。隨著應(yīng)力增加以及侵蝕的進一步發(fā)展，導(dǎo)致臨近的鋼絲也開始斷裂。盡管初次斷絲后相隔很長一段時間才會發(fā)生斷絲，但因為剩余鋼絲上的應(yīng)力增加，最終導(dǎo)致斷絲速率加快[25]。

根據(jù)《埋地預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道的陰極保護》(GB/T28725-2012)中的條款規(guī)定：應(yīng)避免極化電位(相對CSE)比-1 000 mV更負，以防止氫的析出和造成高強預(yù)應(yīng)力鋼絲的氫脆。本區(qū)域第1～9管節(jié)的陰極保護測試數(shù)據(jù)，詳見表4。

從表4可知，本區(qū)域存在陰極保護過保護的情況，可能是導(dǎo)致斷絲數(shù)量較多的因素之一[22]。但是本文對比查閱了近幾年本工程全部的陰極保護數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)了以下問題：現(xiàn)狀PCCP管道、鋼質(zhì)管件與犧牲陽極在管身處均存在焊接點，無法在測試盒內(nèi)將管道與犧牲陽極完全斷開，因此無法測得管道的真實極化電位值，通過現(xiàn)有數(shù)據(jù)無法判斷管道真實的陰極保護效果。并且PCCP管道與鋼質(zhì)管件間可能存在電連接，鋅帶與鎂棒間可能存在互相影響，造成目前的陰極保護測試數(shù)據(jù)不符合正常的陰極保護規(guī)律[11]。

表4 陰極保護情況

為了進一步了解PCCP管道陰極保護真實狀況，建議對目前的陰極保護測試系統(tǒng)進行改進，增設(shè)測試盒，將管道與犧牲陽極間的直接焊點打開，在測試盒內(nèi)實現(xiàn)管道與犧牲陽極間的完全通斷以利于精確測試，同時更好的判斷陰極保護對斷絲的影響程度。

2.3.3 外部荷載條件

本區(qū)域上方的河道東側(cè)與橋梁相交處存在堆土坡，跨越PCCP管道。坡高約2.5 m，長約30 m，寬約4 m，土方量約150 m3，材質(zhì)為砂石料，按密度1.28 t/m3計算，斜坡土方量約為192 t。

當(dāng)外部填土及荷載顯著增加時，PCCP管道將承受更大的拉應(yīng)力及彎曲應(yīng)力，從而導(dǎo)致鋼絲強度下降進而造成鋼絲斷裂，剩余的相鄰鋼絲應(yīng)力增加，之后更多鋼絲出現(xiàn)斷裂，混凝土管芯及鋼筒開始擴張，引起管道中的荷載及應(yīng)力重新分布[25]。

2.4 有限元模型計算

2.4.1 管道參數(shù)

本工程斷絲區(qū)域的DN4000 PCCP 管道的相關(guān)參數(shù)，詳見表5。

表5 PCCP管道相關(guān)參數(shù)

續(xù)表5 PCCP管道相關(guān)參數(shù)

2.4.2 模型建立與計算

利用有限元評價PCCP管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)，分析各種重要參數(shù)，可以對所有受損管道進行風(fēng)險評估，確定其是否需要修復(fù)以及何時進行修復(fù)[1,5]。

本次計算的PCCP管道為雙層纏絲，在分析雙層纏絲PCCP時，由于電磁法檢測結(jié)果以及實時斷絲監(jiān)測結(jié)果均無法明確斷絲是出現(xiàn)在內(nèi)層纏絲還是外層纏絲，因此本次計算考慮了兩種斷絲計算工況。第1種計算工況假定斷絲僅出現(xiàn)在外層纏絲上，根據(jù)PCCP管道的設(shè)計及承載條件，斷絲僅出現(xiàn)在外層的可能性更大。第2種計算工況假定斷絲同時出現(xiàn)在內(nèi)層及外層纏絲上，這種情況實際上較少出現(xiàn)，如果不開挖管道并且鑿開管道，往往無法確定斷絲出現(xiàn)在哪一層纏絲上。

計算結(jié)果詳見表6，兩種工況的性能曲線詳見圖2、圖3。

表6 達到各種極限狀態(tài)的斷絲數(shù)量

圖2 斷絲僅出現(xiàn)在外層纏絲上的PCCP性能曲線

圖3 斷絲同時出現(xiàn)在外層和內(nèi)層纏絲上的PCCP性能曲線

由計算結(jié)果可知，隨著斷絲數(shù)量的增多，各極限狀態(tài)所允許施加的內(nèi)水壓逐漸減小。斷絲區(qū)混凝土最容易出現(xiàn)裂縫，隨著內(nèi)水壓的增大，斷絲區(qū)的鋼筒也更容易屈服，離斷絲區(qū)越近，鋼絲應(yīng)力越大，屈服也越早[23]。

由表6可知，在斷絲數(shù)不超過24根的情況時，PCCP管的整體工作性能仍然良好，在設(shè)計內(nèi)壓、外部土荷載、水體和管自重作用下仍處于安全狀態(tài)，發(fā)生爆管的可能性不高[22]。當(dāng)斷絲數(shù)超過24根時，混凝土出現(xiàn)裂縫，雖然在達到彈性極限狀態(tài)即鋼筒屈服之前PCCP仍能承擔(dān)一定的內(nèi)水壓，但耐久性降低，會增加爆管的風(fēng)險。

3 結(jié)論與建議

(1)利用光纖聲監(jiān)測系統(tǒng)可以連續(xù)、自動監(jiān)測出PCCP管道鋼絲的斷裂時刻、位置和斷絲數(shù)量，可以及時掌握工程性態(tài)，獲取工程安全相關(guān)信息，從而采取應(yīng)對措施保證工程安全運行。

(2)斷絲監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示水壓較高、水壓變化較大及冬季溫度變化可能會引發(fā)PCCP管道斷絲，但因為斷絲數(shù)量的增多，更大的可能性是管道在多種因素的綜合作用下已經(jīng)存在鋼絲斷裂的風(fēng)險，而管道水壓的改變和冬季溫度的變化恰好是這一變化的誘導(dǎo)因素之一。

(3)對比分析表明，影響PCCP管道斷絲的因素包括水壓較高、水壓變化較大及冬季溫度變化、管道施工及安裝質(zhì)量、管道腐蝕與防護技術(shù)、外部荷載條件等。

(4)有限元模型分析可知，在斷絲數(shù)不超過可見裂縫極限對應(yīng)的根數(shù)時，PCCP管的整體工作性能仍然良好，在設(shè)計內(nèi)壓、外部土荷載、水體和管自重作用下仍處于安全狀態(tài)，發(fā)生爆管的可能性不高。當(dāng)斷絲數(shù)超過可見裂縫極限對應(yīng)的根數(shù)時，混凝土出現(xiàn)裂縫，雖然在達到彈性極限狀態(tài)即鋼筒屈服之前PCCP仍能承擔(dān)一定的內(nèi)水壓，但耐久性降低，會增加爆管的風(fēng)險。

(5)由于管內(nèi)粘貼碳纖維的加固方式可以有效地對斷絲管道結(jié)構(gòu)補強，起到遏止斷絲管道結(jié)構(gòu)進一步惡化的作用，但不能完全解決此問題?；诒緟^(qū)域管節(jié)的疑似斷絲數(shù)量增速較快，同時考慮到碳纖維材料粘貼后的整體性要求，建議對本區(qū)域管節(jié)采取粘貼碳纖維布作為臨時安全保障措施。

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