南水北调中线PCCP管道工程安全监测分析

张承瀚

【摘 要】本文介绍了南水北调中线京石段PCCP管道工程的监测方法，如土压力计、三向测缝计等仪器的安装埋设，着重分析该段管道镇墩部位的温度、位移变化，监测成果论证了结构的安全性和管道设计的合理性，并介绍了监测过程中的一些施工经验。

【关键字】南水北调中线PCCP管道 安全监测 位移变化

引言

随着科技的发展和工程的需求，监测技术越来越广泛地应用于各个领域，如岩土工程、大坝安全等，如今，大中型甚至小型工程都要进行安全监测。南水北调中线调水工程是当今在建的世界上规模最大的调水工程。南水北调中线京石段应急供水工程PCCP管道工程上接惠南庄泵站，下接大宁调压池，输水管线起点距渠首约2.3Km，输水管线末端距总干渠终点颐和园团城湖约21.4Km, PCCP管道输水干线全长56.359Km.

仪器的布置与埋设

PCCP管道结构与特性

南水北调中线京石段应急供水工程PCCP管道工程分成六个施工标段，其中PCCP管道工程第六标段全长7.562Km。主体工程由预应力钢筒混凝土管(简称PCCP)连接组成。转弯连接部位为内置压力钢管，外面浇筑钢筋混凝土包封的镇墩。PCCP是由预应力钢丝、钢筒、混凝土构成的复合管材，是预应力钢筒混凝土管（PRESTRESSED CONCRETE CYLINDER PIPE）的英文缩写。这种管材是在带钢筒的混凝土管芯上，环向缠绕预应力钢丝，最后在管外部施喷水泥砂浆保护层而制成的。高强度混凝土管芯是管道的主要结构部分，可提供光滑的内表面以利水流。该管芯内的钢筒起防渗作用和提供纵向抗拉强度，并可增加环向强度。冷拉预应力钢丝以一定的拉应力螺旋式缠绕在管芯上，在管芯上产生均匀的预压应力以抵偿由内压和外荷载产生的拉应力。管外的密实的水泥砂浆保护层保护高强度钢丝和管芯，使之免受物理损坏和外界腐蚀。PCCP具有承受高的内压和外荷载，良好的抗渗性及耐久性，安装速度快，抗震能力强，较高的通水能力以及工程造价和维护费用低等优点，现在广泛应用于国内外大中小各型引水工程。

仪器的布置

为了保证应急供水工程能够顺利输水，在主体工程关键部位布置了钢筋计、应变计等多种仪器进行长期安全监测。PCCP管道工程施工六标在管身水平段及转弯部位等一些重点部位布置了PG00101至 PG00111共11个监测断面, 各监测断面布置的仪器数量具体见表1。监测仪器有应力应变监测的钢筋计、应变计、无应力计、土压力计，位移观测的三向测缝计和渗流监测的渗压计。PG00101监测断面仪器布置图见图1，最早的仪器从2007年10月开始监测。

仪器率定

依据《混凝土坝安全监测技术规范》（DL/T 5178—2003）和《岩土工程用钢弦式压力传感器》（GB/T13606-92）等规范对所有仪器进行检验率定。对于振弦式仪器，由于温度对物理量变化不大，规范要求主要检验传感器的力学性能和防水性能。各仪器率定检验的主要设备和方法见表2。

仪器安装

PCCP施工六标土压力计占的比例大，本文主要说明土压力计的安装方法。其它仪器按常规安装方法安装。

倾斜基础面位置土压力计的安装与埋设

在土压力计埋设位置预留0.5m×0.8m的方坑，坑深0.4m～0.5m。坑底先铺设10cm厚的中细砂，再清理仪器埋设位置的基础面，采用水泥砂浆人工修整，保证基础面的平整。按照设计图纸指示的仪器安装方向将土压力计平放在修整好的平面上，固定好仪器底板。仪器上部浇筑砼时，剔除8cm以上的骨料，人工覆盖在仪器表面，人工轻轻捣实，使砼与仪器受压面紧密结合。仪器埋设过程中保证仪器的正确位置和方向。

镇墩底部基础平面位置土压力计的安装与埋设

用水泥、砂（粒径小于6mm）和水拌成塑性砂浆，做成圆锥状放在基础面仪器埋设位置，砂浆垫层铺设厚度不超过5cm.将土压力计平放在砂浆上，边旋转边挤压使砂浆从土压力计底盘边缘挤出。在土压力计表面加200KN荷重，荷重压至24h以后，取下荷重。仪器上部浇筑砼时，剔除8cm以上的骨料，人工覆盖在仪器表面，人工轻轻捣实，使砼与仪器受压面紧密结合。仪器埋设过程中保证仪器的正确位置和方向。

PCCP管道位置处土压力计的安装与埋设

人工用抹子在仪器安装位置处抹平，抹面材料为环氧树脂砂浆，其厚度小于2cm.在仪器的安装位置处抹一层水泥砂浆，砂浆厚度不超过2cm。将仪器放置砂浆表面，边旋转，边挤压，使仪器与被测表面紧密结合，仪器安装前后要检查仪器是否处于正常工作状态，并做好记录。仪器上部回填沙砾料时，要有专人看护。

三向测缝计的安装

三向测缝计安装见图2，3，4。

图2.三向测缝计布置安装示意图

电缆保护

监测仪器在安装埋设后主要的任务是保护电缆，据统计，在损坏的仪器中有75%是因为电缆的问题而影响仪器的正常运行，每支仪器的电缆少则几十米，多则上百甚至上千米。出现了有些仪器的电缆的成本远远大于仪器本身的成本，电缆中间某个部位出现问题将影响仪器的正常运行，因此要重视电缆的保护。保护电缆其中的一项重要工作是做好电缆接头，保证接头质量。现在电缆接头一般使用热缩管接头，操作是要严格按照要求进行，将待接的两根电缆裁好，按照颜色对应的将四根芯线连接在一起，接头要错开，接之前在每根芯线套上一个小热缩管，同时将屏蔽线也接上。四根芯线与屏蔽线要等长，使得电缆受拉时能够达到受力一致的效果，用烙铁、焊锡、松香将各接头焊上（焊完之后没有毛刺）。用热风枪将小热缩管加热缩在各芯线接头上。然后在电缆上缠上热熔胶，再套上一个大热缩管，用热风枪加热缩在电缆上，热缩管中间没有空隙。电缆连接按照要求做好记录，记录连接前后的读数。电缆保护欠力，如果丢失很难修复。电缆走线的线路上设置警告标志。尤其是暗埋线，暗埋线位置和范围设置有明显标志。工地现场的电缆要采取有效的办法做好保护工作，用木箱或铁箱妥善保护好电缆，发现电缆损坏，及时采取措施进行修复。

观测成果及分析

水利水电工程中大体积混凝土应用比较普遍，而混凝土内部温度是人们非常关心的问题。混凝土的最高温升多发生在浇筑后的2～3天。PG00101镇墩钢筋混凝土浇筑内部监测仪器应变计温度变化图见图5。

从图5可以看出最高温度发生在混凝土中间部位，越靠近混凝土表面最高温升越小。受外界气温的影响，混凝土浇筑后水泥水化热是混凝土温度上升13.5℃～40.5℃。PG00101镇墩部位混凝土浇筑适值北方冬季，昼夜温差很大，混凝土结构靠外部位水化热散的比较快。从监测数据看在混凝土浇筑后2～3天出现最高温升。施工期的仪器受温度和施工的影响，仪器读数微有变化。应变计型号为（BGK4200）量程3000ε。应变计变化在-105.47ε～71.65ε之间。PG00101镇墩钢筋混凝土浇筑内部监测仪器应变计应变变化图见图6。南水北调中线PCCP管道工程在主体工程完工后，在正式通水前，做了一次通水实验，检验主体工程通水时的各方面状况。通水实验，钢筋计、应变计、无应力计、土压力计、三向测缝计和渗压计应变都很小，从监测数据上反映了主体工程结构安全，能保证PCCP主体工程正式通水时的通水要求。

PG00101断面钢筋计所测出的最大轴力为：19.0KN（R46-1），通过换算得出该被测部位的钢筋计受拉强度为:94.5Mpa（被测钢筋为直径16mm螺纹钢筋），大大低于该部位钢筋的屈服强度：210Mpa，另外通过各支钢筋计的轴力、温度与时间变化过程线来看，各支钢筋计的轴力变化已经趋于平稳，没有大的突变。钢筋计极值见表3。

PG00101镇墩部位安装了四套三向测缝计，监测PCCP管道与管道的接缝开合度和PCCP管道与混凝土镇墩的接缝开合度，仪器量程50mm。根据每支仪器率定的资料测缝计安装时预拉15mm左右，通水前期三向测缝计位移变化主要受温度影响。08年9月28日南水北调中线北京段正式通水，受通水的影响，测缝计位移变化有少许增加，从监测数据反映，工程结构安全。三向测缝计位移变化在-2.00mm～3.19mm之间。

结语

南水北调工程是当今在建的世界上规模最大的调水工程，最主要特点就是占线长，使得监测仪器布置比较分散。不利于监测仪器的集中管理和自动化管理。

南水北调中线PCCP管道工程采用内径4M的过水管道，在国内是首次采用如此大内径的管道，这就更加突出监测的重要性。目前PCCP管道工程第六标段173支监测仪器已经全部安装完毕，主体工程从08年9月份通水运行至今监测仪器完好率100%，观测数据的采集工作正常进行。

工地巡视，现场巡视检查作为安全监测的一个重要组成部分，必须大力加强并力求制度化、规范化。南水北调中线PCCP管道工程布置和定期观测的观测点多置于建筑物的某些典型部位，但结构的局部破坏，既不可能一定发生在固定的测点，又不可能一定发生在观测的瞬间，总会出现在空间和时间上的差异性，而且观测仪器所反映的是建筑物工作的整体工作状况，再加上观测仪器经过长期运行以后其性能也会有所降低或损坏，会使局部分散的或突发的险情从观测网和定期观测过程中难以捕捉。每次检查均应按各类检查规定的程序做好现场填表和记录，必要时应附有略图、素描或照片。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。